鮮曉東，姜 鵬，唐云建，袁宇鵬

(1. 重慶大學(xué) a. 信息物理社會可信服務(wù)計算教育部重點實驗室；b. 自動化學(xué)院，重慶 40004 4；2. 重慶市科學(xué)技術(shù)研究院，重慶 40004 4)

帶有擁擠程度指示的圖形化公交站牌設(shè)計

鮮曉東1a,1b，姜 鵬1b，唐云建2，袁宇鵬1b

(1. 重慶大學(xué) a. 信息物理社會可信服務(wù)計算教育部重點實驗室；b. 自動化學(xué)院，重慶 40004 4；2. 重慶市科學(xué)技術(shù)研究院，重慶 40004 4)

針對當前智能公交系統(tǒng)中電子站牌缺少車內(nèi)擁擠程度顯示的問題，設(shè)計全新的圖形化公交站牌，提出一種基于超聲波技術(shù)的擁擠程度檢測方法。結(jié)合超聲波測距、全球定位系統(tǒng)和通用分組無線服務(wù)技術(shù)改進傳統(tǒng)車載終端，通過超聲波測距確定各個超聲波傳感器下是否有乘客站立，對檢測到乘客站立的傳感器數(shù)量進行統(tǒng)計，以此推斷車內(nèi)的擁擠程度。設(shè)計開發(fā)圖形化公交站牌，實現(xiàn)擁擠程度實時檢測、行車路線實時標注和到站距離預(yù)測等功能。實驗數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)可靠性高，能準確反映車內(nèi)擁擠程度，直觀顯示車輛位置，準確預(yù)測到站距離，滿足智能公交系統(tǒng)的要求。

智能公交系統(tǒng)；超聲波測距；全球定位系統(tǒng)；通用分組無線服務(wù)；電子公交站牌；多線程

1 概述

為解決日益嚴重的交通擁擠和能源消耗問題，貫徹公交優(yōu)先的發(fā)展戰(zhàn)略，智能公交系統(tǒng)(Intelligent Transportation System, ITS)應(yīng)運而生，并逐漸成為國內(nèi)外研究的一個熱點。目前智能公交系統(tǒng)一般由智能車載終端、調(diào)度中心和電子站牌組成[1-2]。其中，智能車載終端和電子站牌是該系統(tǒng)的核心，是公交系統(tǒng)實現(xiàn)智能化的基礎(chǔ)，也是本文研究的主要內(nèi)容。傳統(tǒng)的車載終端主要包括主控制器、GPS(Global Positioning Sy stem)模塊和GSM(Global System o f Mob ile Communication)/GPRS(General Packet Radio Service)通信模塊[3]。后來在此基礎(chǔ)上利用紅外檢測技術(shù)，對人數(shù)進行統(tǒng)計，但該方法容易受到干擾造成誤差[4-5]。針對上述不足，有學(xué)者采用前門統(tǒng)計打卡次數(shù)、后門紅外檢測的方法統(tǒng)計人數(shù)，但該方法對有人售票車無法適用，且沒有解決車門紅外易受干擾的問題[6]。針對傳統(tǒng)站牌只能顯示站名的弊端，一種基于單片機和LED燈的電子站牌逐漸投入使用[7]，該站牌可以顯示車輛的到站情況，但不夠直觀且沒有對公交車到站進行預(yù)測，達不到智能公交的要求。有學(xué)者提出了一種公交到站時間的預(yù)測方法，但由于實際道路情況復(fù)雜，仍存在一定偏差[8-9]。目前，最常見的智能公交系統(tǒng)方案是將GPS、GPRS和GIS(Geographic Information System)技術(shù)相融合，實現(xiàn)車輛定位信息的采集、收發(fā)和顯示[10-11]，但沒有對電子站牌作深入的研究，所以普通乘客無法直觀地了解公交車的行駛信息。

本文針對上述不足，對帶有GPS和GSM/GPRS的車載終端[12]加以改進，采用超聲波技術(shù)，通過測距來判斷傳感器下方是否有乘客站立，判斷車內(nèi)擁擠程度，并設(shè)計一種全新的圖形化公交站牌。該站牌集公交車擁擠程度實時采集、行駛位置實時顯示和到站距離實時預(yù)報等功能于一體。

2 系統(tǒng)描述

智能公交系統(tǒng)在運行過程中由車載終端的GPS模塊實時采集公交車的位置信息，超聲波模塊組檢測車內(nèi)擁擠程度，MCU(Micro Control Unit)將上述信息和其他行駛信息編碼打包，通過車載終端上的GPRS模塊發(fā)送，經(jīng)無線移動通信網(wǎng)絡(luò)(GPRS網(wǎng))上傳到公交管理系統(tǒng)的通訊服務(wù)器，調(diào)度中心對接收的數(shù)據(jù)進行綜合處理后存儲并轉(zhuǎn)發(fā)至所需的各個公交站牌。圖形化公交站牌通過網(wǎng)絡(luò)接收到車輛行駛信息后，經(jīng)過數(shù)據(jù)解包將所需信息分別傳遞給各個顯示模塊，以此實時顯示該站點每一路公交車的位置信息、到站距離和車內(nèi)擁擠程度等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能公交系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 車載終端的設(shè)計

車載終端主要包括主控制器、超聲波檢測系統(tǒng)、GPS模塊、通信模塊、LCD(Liquid Crystal Display)、鍵盤和電源模塊等。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

主控制器選用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103，它具有高性能、易開發(fā)的特點，能滿足本系統(tǒng)低成本、低功耗、高可靠、多外設(shè)等要求。

3.1 超聲波檢測系統(tǒng)

與普通的車載終端不同的是，文中智能公交系統(tǒng)的車載終端增加了超聲波檢測系統(tǒng)，用于檢測公交車上的擁擠程度。該檢測系統(tǒng)由9塊HC-SR04超聲波測距模塊組成，此模塊性能穩(wěn)定，探測距離為2 cm～450 cm，精度可達0.2 cm。

超聲波測距原理是根據(jù)超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，接收器接到超聲波的時間差計算距離。超聲波在空氣中的傳播速度約為340 m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離s，即：s=340t/2。

在公交車上根據(jù)乘客站立時的習慣與可站立的位置，分別在車頂和車門的不同位置安放超聲波檢測模塊。硬件安裝完畢后設(shè)定閾值。在工作狀態(tài)中通過檢測車頂與車內(nèi)地面的距離變化來判斷是否有人站立。若超聲波檢測模塊檢測到車頂與地面距離小于閾值則表明該模塊檢測范圍內(nèi)有人站立。由于車門處與車頂處安放的檢測模塊高度不同，因此閾值也不相同。經(jīng)實驗測得車頂閾值設(shè)為200 cm，車門閾值設(shè)為150 cm最能反映車內(nèi)實際情況。假設(shè)在工作過程中過道頂端的模塊檢測到車頂與地面距離為30 cm，小于閾值(即小于200 cm)，則表明該模塊下方有乘客站立。車門處的工作模塊也是同理。車頂和車門的檢測模塊設(shè)定閾值如表1所示。

表1 超聲波模塊閾值

通過對9個模塊檢測到數(shù)據(jù)的分析判斷來推斷公交車內(nèi)的乘客擁擠狀況。系統(tǒng)設(shè)定當9個模塊中有0個～ 3個模塊測得有人站立時，擁擠程度為“輕”；當4個～6個模塊測得有人站立時為“中”；當7個～9個模塊測得有人站立時為“滿”。

3.2 GP S數(shù)據(jù)采集模塊

GPS數(shù)據(jù)采集模塊所用的GR-87是SIRF第3代高靈敏度、低耗電量芯片StarIII，具備快速定位及追蹤20顆衛(wèi)星的能力。主要負責實時采集車輛的經(jīng)度、緯度和速度等信息。STM32主控制器通過串口通信接收到GPS數(shù)據(jù)，提取相關(guān)信息。

3.3 通信模塊

通信模塊采用的SIM300芯片是一款體積小巧的4頻GSM/GPRS模塊，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，可實現(xiàn)語音、SMS (Short Message Service)、數(shù)據(jù)和信息的高速傳輸。該模塊主要負責GPRS通信，將車輛信息傳至網(wǎng)絡(luò)。主控制器通過串口通信對SIM300進行相關(guān)控制，使用AT指令設(shè)置相關(guān)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，實現(xiàn)發(fā)送、接收功能。

3.4 LC D模塊和4×4鍵盤

LCD模塊采用128×64液晶屏顯示車輛到站信息和當前時速等，供駕駛員參考。顯示屏采用64×128點陣LCD，根據(jù)軟件中選取字庫大小，可同時顯示4行共32個漢字，滿足實際需求。

4×4鍵盤是用4條I/O線作為列線，4條I/O線作為行線組成的鍵盤。在列線和行線的每一個交叉點上，放置一個按鍵。這樣鍵盤中按鍵的個數(shù)是4×4共16個，滿足實際需要。同時這種行列式鍵盤結(jié)構(gòu)有效地提高了主處理器的I/O口利用率。

4 圖形化公交站牌的設(shè)計

圖形化公交站牌所用的載體為LED(Large Elec tronic Display)液晶顯示屏。軟件結(jié)構(gòu)采用C/S模式，利用Socket和多線程編程技術(shù)通過網(wǎng)絡(luò)與公交車車載終端進行通信，并完成車輛監(jiān)控、車內(nèi)信息顯示等功能。該站牌由公共信息顯示模塊、車輛信息顯示模塊、公交線路圖顯示模塊和廣告信息模塊組成。各個顯示模塊將數(shù)據(jù)包中提取出來的信息直觀地顯示給乘客，使乘客了解公交車具體行駛狀況。

4.1 各個顯示模塊的設(shè)計

根據(jù)圖形化公交站牌設(shè)計思想和各功能模塊的要求，以直觀、美觀、簡潔大方為主旨，界面的設(shè)計模塊如圖3所示。

圖3 電子站牌界面模塊

公交站牌的主要顯示模塊有：

(1)公共信息顯示模塊：主要顯示日期、時間、氣溫、公告等基本信息。

(2)車輛信息顯示模塊：顯示距離本站最近的3輛公交車的擁擠狀況和行駛位置等信息。計算并比較得出最近一輛公交車距離本站的距離。以文字和圖標的形式直觀地顯示給等候的乘客，使乘客及時選擇合適的出行方式。

(3)公交線路圖顯示模塊：所有經(jīng)過本站點的公交車，都會以線路圖的形式顯示在屏幕上, 并且根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)定，每隔一定的時間(如10 s)更換一次線路圖片。在線路圖上，乘客不僅可以了解本路線車輛途徑的所有站點，而且還可以看到本站所處在整個線路的位置，即將到站的3輛公交車的行駛位置等。對于明顯的地標式建筑物還會在線路圖上加以標注，給不熟悉線路的乘客以參考。

(4)廣告信息模塊：循環(huán)播放贊助商的廣告。此模塊不僅為乘客緩解了等車時的焦急心情，也為公交集團增加了收入，還可以在線直播重大時刻的歷史性事件，為市民提供方便。

4.2 各模塊軟件實現(xiàn)及算法設(shè)計

圖形化公交站牌的系統(tǒng)軟件是在Windows 7環(huán)境下，基于Visual Studio 2010開發(fā)工具，采用C#語言開發(fā)的。站牌的軟件設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計流程

公共信息顯示模塊和廣告信息模塊主要采用C#中已設(shè)計好的控件，如textbox控件、timer控件、視頻播放控件等，通過修改屬性、邏輯控制來實現(xiàn)功能。所顯示的信息均為socket通信所接收的信息。

車輛信息顯示模塊主要是預(yù)測到站距離，其算法如下：

已知球面上AB兩點的球面距離計算公式為：

其中，A，B球坐標為(jA,ωA)，(jB,ωB)；R為球面半徑。

假設(shè)地球是一個完美的球體，則它的半徑為地球的平均半徑，記為R，即6 371.004 km。假設(shè)公交車行駛路段兩點中。第1點A的經(jīng)緯度(LonA, LatA)，第2點B的經(jīng)緯度為(LonB, LatB)，并且東經(jīng)為正，西經(jīng)為負，北緯為正，南緯為負?？梢缘玫絻牲c直線距離如下：

則弧長l即實際行駛距離為：

則站牌上顯示的距離本站的距離應(yīng)為：

公交線路圖模塊實時動態(tài)顯示車輛行駛位置是利用像素點與經(jīng)緯坐標間比例實現(xiàn)的。經(jīng)緯度分別對應(yīng)像素點的X、Y坐標值。利用所求點經(jīng)緯度與標準點經(jīng)緯度坐標之差，根據(jù)標準點的X、Y坐標值，求得所求點的X、Y坐標值。

具體過程分為2步：

(1)根據(jù)已知的GPS數(shù)據(jù)在線路圖上獲得對應(yīng)的2個標準點像素坐標(xa,ya)和(xb,yb)，通過比例計算獲得每個經(jīng)度變化值所對應(yīng)的坐標變化值Δx，以及每個緯度變化值所對應(yīng)的坐標變化值Δy。

(2)在公交站牌實際運行過程中把獲得的實時經(jīng)緯度數(shù)據(jù)(lon, lat)按照以下公式計算。獲得車輛圖標相對電子地圖的X、Y坐標值。修改圖標位置屬性，達到車輛圖標動態(tài)顯示的效果。

其中，LON，LAT為基準點的經(jīng)緯度；xa，ya為基準點的X，Y坐標值。

4.3 公交站牌的通信協(xié)議設(shè)計

電子站牌采用固定IP與服務(wù)器建立鏈接后接收數(shù)據(jù)。命令幀結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中，前導(dǎo)碼采用2個字節(jié)的FFFF表示；幀尾采用CRC校驗位對數(shù)據(jù)進行校驗；幀頭幀尾之間為有效數(shù)據(jù)，依次是：公交車的線路如“832”，由2個字節(jié)表示；公交車車牌號，只取字母數(shù)字部分如“A46583”，由3個字節(jié)表示；車輛行駛狀態(tài)，“1”表示正常，“0”表示異常，由1個字節(jié)表示；車輛的GPS數(shù)據(jù)和擁擠狀況等行駛信息的大小為4 Byte～256 Byte。

圖5 命令幀結(jié)構(gòu)

5 實驗與結(jié)果分析

本實驗中站牌為重慶市石門站，GPS數(shù)據(jù)和行車線路圖采用途徑本站的832、821和801這3輛公交車。擁擠程度測試在車型為CKZ6858TB的公交車上進行，該車型最大承載人數(shù)(包括駕駛員、站、坐的所有乘客)為50人，配置27個座位，可站立23人。實驗中共有23人參加，實驗假定公交車座位已全部坐滿，因此，參加實驗的23人全部作為站立的乘客參加測試。

5.1 圖形化公交站牌界面

圖形化公交站牌效果如圖6所示。右下角線路圖每10 s切換一次。當切換到某一列線路，如832，則該線路的底色變?yōu)闇\色，其他線路底色為深色。線路圖上有3個巴士閃爍圖標動態(tài)顯示最近的3輛公交車的行駛位置。線路圖中深色文字框標志本站在此線路的位置。站牌左側(cè)共有5列線路的站名。每一列站牌分別顯示本路線車輛的到站距離、車內(nèi)擁擠狀況和車輛到站信息等。白底色的站名為本站的站名，較深底色的站名為最近的一輛公交車行駛到的站名。方框中數(shù)字為最近的一輛公交車距離本站的距離，單位為m。方框下面的深色動態(tài)條顯示車內(nèi)的擁擠程度，車內(nèi)越擁擠，動態(tài)條越長。站牌的右上角是廣告和公共信息模塊，循環(huán)播放廣告和公共信息。

圖6 圖形化公交站牌

5.2 車內(nèi)超聲波檢測模塊組

擁擠程度檢測系統(tǒng)共由9個超聲波模塊組成。本實驗在公交車前門、后門各安裝一個超聲波傳感器，剩下7個安放在過道頂端，安裝完畢后按照表1設(shè)定閾值。實物安裝如圖7所示。

圖7 實物安裝

實驗設(shè)定當有0～8人站在公交車時，公交車擁擠程度為“輕”；9人～18人站立時，擁擠程度為“中”；19人～23人時，擁擠程度為“滿”。而系統(tǒng)工作時當超聲波模塊組中有0～3個模塊檢測到有人站立時公交車擁擠程度為“輕”；4個～6個模塊檢測到有人站立時，擁擠程度為“中”；7個～9個模塊檢測到有人站立時，擁擠程度為“滿”。系統(tǒng)在不同日期時間和不同環(huán)境下共進行了20組實驗，部分統(tǒng)計結(jié)果如圖8所示。

圖8 部分統(tǒng)計結(jié)果

每一組實驗各進行50次測試，在本組實驗中車內(nèi)人數(shù)不變，乘客隨意變換位置，每次更改位置后記錄并統(tǒng)計測試結(jié)果。白、灰、黑柱體分別代表本組實驗中檢測擁擠度為“輕”、“中”、“滿”的次數(shù)。比如實驗2中共有10人參加，按照設(shè)定標準，車內(nèi)擁擠程度應(yīng)為“中”，該組實驗時，這10人隨意更改站立位置，記錄每次測試的結(jié)果，最后統(tǒng)計得出共有47次測試結(jié)果為“中”(如圖8實驗2)，即本組50次測試中有47次系統(tǒng)做出了正確判斷。由柱形圖可看出，絕大部分的測試結(jié)果與實驗既定條件一致。這表明超聲波系統(tǒng)檢測車內(nèi)擁擠程度不受外部干擾，能夠準確地檢測出車內(nèi)擁擠程度，經(jīng)計算可知其正確率達到96.4%。表2截取了實驗2(車上共10人站立)的10組數(shù)據(jù)。

表2 部分實驗結(jié)果

在表2中，前門、后門、過道分別代表站立人數(shù)，結(jié)果一欄中括號內(nèi)表示檢測到傳感器下有人站立的超聲波傳感器個數(shù)。由表中測試結(jié)果和設(shè)定的擁擠程度標準做對比可知，擁擠程度檢測系統(tǒng)能正確實時地反映車內(nèi)的擁擠狀況，比如第2組數(shù)據(jù)中，前門站立0人，后門站立1人，過道站立9人時，系統(tǒng)通過返回的數(shù)據(jù)分析得知有6個傳感器模塊檢測到有人站立，所以應(yīng)為“中”度擁擠程度，符合前面設(shè)定的擁擠程度標準，結(jié)果準確。實驗中所存在的誤差是由于有時候乘客的站立位置比較特殊造成的，比如第8組實驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差是因為7名乘客擠在前、后車門，過道只站3名乘客。而在實際情況中這種情況出現(xiàn)的可能性比較小，所以不影響系統(tǒng)的準確性。

綜上所述，超聲波檢測擁擠程度不受外部因素干擾，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，結(jié)果準確，能反映實際車內(nèi)的擁擠程度。圖形化電子站牌能夠?qū)z測到得車內(nèi)擁擠程度，實時地顯示給乘客，并且能夠在線路圖上實時顯示公交車的行駛位置，預(yù)測到站的距離。整個系統(tǒng)達到了智能化和信息化水平，有助于智能公交系統(tǒng)的發(fā)展。

6 結(jié)束語

本文在傳統(tǒng)車載終端的基礎(chǔ)上加以改進，采用超聲波技術(shù)，通過超聲波測距的方法檢測車內(nèi)乘客站立的情況，主控制器根據(jù)返回數(shù)據(jù)對車內(nèi)擁擠程度做出判斷，并將信息傳輸給電子站牌。圖形化公交站牌通過網(wǎng)絡(luò)接收到數(shù)據(jù)經(jīng)拆包提取信息和相關(guān)步驟后，將車內(nèi)擁擠程度和車輛行駛位置等信息直觀地顯示給廣大乘客，并對到站距離作出預(yù)測，提高了公交服務(wù)水平。系統(tǒng)在公交車上經(jīng)過多組的實驗，結(jié)果表明系統(tǒng)能實時檢測出公交車內(nèi)人數(shù)變化，對公交車的擁擠程度做出正確判斷。目前本文的人數(shù)檢測系統(tǒng)是定性地顯示車內(nèi)擁擠程度，后期將繼續(xù)優(yōu)化設(shè)備，完善功能。綜上所述，本文系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，維護簡單，滿足了智能公交系統(tǒng)智能化、直觀化、人性化的特點。為公交企業(yè)的現(xiàn)代化和未來城市智能交通系統(tǒng)的發(fā)展奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)，具有廣闊的發(fā)展前景。

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編輯 顧逸斐

Design of Graphical Bus-stop Board with Crowdedness Degree Indication

XIAN Xiao-dong1a,1b, JIANG Peng1b, TANG Yun-jian2, YUAN Yu-peng1b

(1a. Key Laboratory of Information Physical Society Credible Service Computing, Ministry of Education; 1b. College of Automation, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 2. Chongqing Academy of Science and Technology, Chongqing 400044, China)

According to domes tic current situation th at electronic bus-stop board i s lack of revealing the cro wdedness degree, a ne w graphical one is designed in this paper. A new method on revealing the crowdedness degree based on ultrasonic test technology is proposed. This paper designs an intelligent public bus vehicle equipment co mbining with Global Positioning System(GPS) and g eneral packet radio service technique. The ultrasonic sensors detect whether there is anyone standing on by ultrasonic test. MCU co unts all the sensors which detect the passengers and estimate the crow dedness degree. It develops a graphical electronic bus-stop board. The system implements some functions, such as revealing the crowdedness degree, vehicle tracking, the bus arrival distance prediction, etc. The system carries out many experiments. The results prove that the system is with high reliability, high accuracy of revealing the crowdedness degree and it visually displays the bus location and the arrival distance in the bus-stop board. It meets requirements of Intelligent Transport System(ITS).

Intelligent Transport System(ITS); ultrasonic ranging; Global Positioning System(GPS); general packet radio service; electronic bus-stop board; multi-threading

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.05.057

重慶市科技攻關(guān)計劃基金資助重點項目(cstc2011ggB40015)。

鮮曉東(1966－)，女，副教授，主研方向：嵌入式系統(tǒng)，信號處理；姜 鵬，碩士；唐云建、袁宇鵬，博士。

2013-01-29

2013-04-14E-mail：xxd@cqu.edu.cn

1000-3428(2014)05-0274-05

A

TP39