陳 婷，鄔 嵐，林 麗，唐 帆，徐曉丹

(南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，南京 210037)

出租車作為一種“門到門”的公交方式，可以作為居民中長距離出行的有效方式。隨著交通需求的不斷增長，出租車逐漸出現(xiàn)供不應(yīng)求的現(xiàn)象，“打車難”問題日益突出，合乘出租車可以有效緩解打車難的問題，同時(shí)節(jié)約資源。

遇到高峰期“打車難”時(shí)，出租車司機(jī)會在不空載的情況下搭載路邊有合乘需求的第二批乘客，但現(xiàn)存的出租車合乘方式較為落后，主要是司機(jī)和乘客的口頭協(xié)議，或者是乘客之間自主協(xié)商，并沒有一種合理合法的運(yùn)營模式。特別是高峰時(shí)期，交通流極大，合乘需求也極大，但存在的合乘問題也越多，大多數(shù)人無法打到出租車，更無法合乘[1]。

1 智能出租車合乘系統(tǒng)的研究

出租車調(diào)度系統(tǒng)的發(fā)展歷程可以分為以下四類：第一代基于無線電通訊技術(shù)的電召出租車服務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中調(diào)度員通過車載電臺向駕駛員進(jìn)行呼叫完成調(diào)派。第二代車輛調(diào)度中心系統(tǒng)，特征是無線電語音呼叫+計(jì)算機(jī)信息處理，訂單的輸入和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、報(bào)表輸出已依賴計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的處理能力[2]。第三代服務(wù)系統(tǒng)，利用 GPS 全球定位系統(tǒng)，車輛移動位置可實(shí)時(shí)知曉，無線電信號通過調(diào)制解調(diào)可以傳輸語音信息和數(shù)字信息，調(diào)度軟件通過對乘客上車點(diǎn)(經(jīng)緯度)和車輛位置(經(jīng)緯度)的比較，可以將最近車輛調(diào)派給乘客。第四代車輛自動調(diào)度中心系統(tǒng)，近年來移動通信技術(shù)GSM迅速發(fā)展，構(gòu)筑在 GSM 平臺上的3G網(wǎng)絡(luò)為更先進(jìn)。對車輛調(diào)度系統(tǒng)，3G網(wǎng)絡(luò)正好可以在車輛地理位置信息的上傳和信息的雙向傳輸上發(fā)揮作用，GIS為車輛的跟蹤和地理位置的顯示提供了圖形界面[3]。所以，3G網(wǎng)絡(luò)+GPS+GIS+智能調(diào)度算法成為第四代智能調(diào)度中心系統(tǒng)的特征。但該系統(tǒng)仍不成熟，沒有很好的推廣[5-6]。

結(jié)合國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，國外的合乘服務(wù)系統(tǒng)達(dá)到第三代調(diào)度中心系統(tǒng)的水準(zhǔn)且較成熟，處于半智能化階段。而國內(nèi)第三代調(diào)度中心系統(tǒng)剛起步，由于合乘存在爭議，國內(nèi)外學(xué)者大多研究的是合乘的基本理論，對合乘的關(guān)鍵技術(shù)研究較欠缺，很少學(xué)者開始嘗試向第四代智能化調(diào)度中心系統(tǒng)方向研究。

2 合乘系統(tǒng)的功能及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

合乘系統(tǒng)的主要功能是在高峰時(shí)段即時(shí)提供合乘叫車服務(wù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則要求簡單易操作，數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)的分析要求得出最優(yōu)路徑并對乘客和出租車進(jìn)行匹配，通過集成一體的中央控制中心對雙方信息進(jìn)行實(shí)時(shí)交換及合理調(diào)度。主要利用的技術(shù)有智能手機(jī)的3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GPS技術(shù)、GIS技術(shù)和智能調(diào)度算法技術(shù)。

2.1 系統(tǒng)模塊

系統(tǒng)分為三個(gè)模塊，第一模塊是移動設(shè)備上的乘客客戶端，第二模塊是出租車上的車載設(shè)備端，第三模塊是數(shù)據(jù)庫及中央控制中心。三模塊之間的功能關(guān)系如圖1所示。

圖1 模塊間的功能關(guān)系圖

乘客客戶端是一款供乘客叫車的軟件，乘客可以從網(wǎng)上下載安裝該軟件，主要操作有注冊和運(yùn)行。乘客客戶端的功能主要是向數(shù)據(jù)庫傳輸乘客的注冊信息、位置信息(包括當(dāng)前位置和目的地)。

出租車車載設(shè)備開啟時(shí)，向調(diào)控中心傳輸同意合乘的請求和第一批乘客的目的地信息，并以每10 s一次的頻率向數(shù)據(jù)庫傳輸出租車當(dāng)前的位置信息。

調(diào)控中心根據(jù)乘客客戶端提供的位置信息，對周圍同意合乘的出租車進(jìn)行檢索和匹配。調(diào)控中心將符合匹配條件的出租車車牌信息和實(shí)時(shí)位置信息傳輸?shù)匠丝涂蛻舳?，同時(shí)將乘客的身份信息和位置信息傳輸給出租車車載設(shè)備。調(diào)控中心從乘客和出租車成功匹配的時(shí)刻起，實(shí)時(shí)采集乘客和出租車的位置信息，對乘客和出租車實(shí)行監(jiān)督和管理，如有特殊情況及時(shí)通知雙方，提高合乘效率。

2.2 系統(tǒng)工作流程

出租車與乘客信息雙向感知的出租車合乘系統(tǒng)，需要人工操作的部分僅為乘客在用戶端軟件上進(jìn)行的操作和出租車司機(jī)在車載設(shè)備上進(jìn)行的操作。

乘客主要的操作流程分為注冊和運(yùn)行軟件，具體操作流程如圖2所示。

2.2.1 注 冊

乘客登陸網(wǎng)站下載安裝用戶端軟件，安裝后需填寫注冊信息，包括該用戶的姓名、照片等信息，當(dāng)乘客客戶端將該用戶的信息傳輸給調(diào)控中心后，數(shù)據(jù)庫以手機(jī)號碼為識別賬戶的唯一憑證，自動為該用戶開賬戶，該用戶的所有信息將被存儲在該賬戶中，方便以后調(diào)用。注冊后每次運(yùn)行該軟件無需重新填寫注冊信息。

2.2.2 運(yùn)行軟件

(1)當(dāng)乘客有合乘需求時(shí)打開軟件并登陸，這時(shí)乘客需填寫此次合乘欲到達(dá)的“目的地”，為保證目的地信息有效，用戶端軟件對該信息進(jìn)行識別，轉(zhuǎn)化為GPS數(shù)據(jù)后傳輸給調(diào)控中心。

(2)調(diào)控中心的數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和處理，關(guān)鍵技術(shù)分別為最優(yōu)路徑的計(jì)算和路徑匹配。當(dāng)不存在與之匹配的出租車時(shí)，軟件將跳轉(zhuǎn)至登陸界面，乘客可自行選擇繼續(xù)下次登陸或放棄；當(dāng)存在匹配的出租車時(shí)，繼續(xù)步驟③。

(3)調(diào)控中心將匹配的出租車車牌信息和本次服務(wù)驗(yàn)證碼傳遞給用戶，軟件將自動跳轉(zhuǎn)至地圖界面，實(shí)時(shí)顯示該出租車的動態(tài)位置。

圖2 乘客操作流程圖

(4)當(dāng)乘客在匹配成功后想放棄合乘時(shí)，需手動選擇放棄合乘；如果乘客離開合乘地，但未進(jìn)行放棄合乘操作時(shí)，調(diào)控中心通過實(shí)時(shí)收集的GPS數(shù)據(jù)判斷乘客是否放棄合乘。

(5)當(dāng)目標(biāo)出租車到達(dá)乘客等待的地點(diǎn)時(shí)，調(diào)控中心發(fā)出指令，乘客尋找目標(biāo)出租車。

(6)乘客搭載上目標(biāo)出租車后，需將調(diào)控中心發(fā)送到用戶端軟件上的服務(wù)驗(yàn)證碼輸入出租車的車載設(shè)備上，驗(yàn)證通過后，方可認(rèn)定此次合乘成功。

考慮到司機(jī)需開車，不便進(jìn)行過于復(fù)雜的操作，車載設(shè)備上的軟件設(shè)計(jì)應(yīng)使操作盡可能簡單化，對司機(jī)干擾小。司機(jī)在車載設(shè)備上需手動進(jìn)行的操作為：①打開設(shè)備并語音輸入車上A乘客的目的地信息。②放棄合乘時(shí)，關(guān)閉設(shè)備。

其余操作均為調(diào)控中心完成，司機(jī)只需根據(jù)調(diào)控中心傳遞到車載設(shè)備上的指令完成便可如圖3所示。具體流程為：

(1)開啟設(shè)備，司機(jī)語音輸入已在車上的A乘客的目的地。

(2)如果在送A乘客至目的地的途中，沒有匹配的乘客，則行程不變；如中途有匹配的乘客，調(diào)控中心將B乘客的信息(包括姓名、照片、手機(jī)號碼、合乘點(diǎn)和目的地信息等)傳遞到車載設(shè)備上，告知司機(jī)，司機(jī)根據(jù)車載設(shè)備提供的到合乘點(diǎn)的導(dǎo)航尋找B乘客。

(3)如果匹配成功后，B乘客放棄合乘，系統(tǒng)將取消合乘的指令發(fā)送給車載設(shè)備。

(4)出租車在合乘點(diǎn)至少等待2 min，如果沒有找到B乘客，司機(jī)可以繼續(xù)下次合乘或關(guān)閉系統(tǒng)，不再參與合乘；如果找到B乘客，并且B乘客輸入的服務(wù)驗(yàn)證碼驗(yàn)證成功了，則合乘成功。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)采集

用戶通過手機(jī)上的合乘客戶端軟件輸入目的地等請求并發(fā)送至調(diào)控中心，調(diào)控中心接收并識別后，對用戶進(jìn)行一定頻率的實(shí)時(shí)定位。司機(jī)輸入出租車上已有乘客的目的地并將合乘請求發(fā)送至調(diào)控中心，調(diào)控中心對出租車的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。

圖3 司機(jī)操作流程圖

3.2 數(shù)據(jù)分析

(1)當(dāng)乘客發(fā)出合乘請求，調(diào)控中心進(jìn)行路徑匹配操作，如果有相匹配的車輛，則將目標(biāo)車輛的車牌號和此次服務(wù)的驗(yàn)證碼發(fā)送給乘客，并在乘客手持設(shè)備上顯示目標(biāo)出租車的動態(tài)位置。出租車信息在乘客手持設(shè)備上的顯示結(jié)果如圖4所示；否則告知乘客沒有符合條件的出租車。

(2)當(dāng)同意合乘的出租車與某一乘客匹配成功時(shí)，調(diào)控中心將該乘客的位置信息、姓名、照片等信息傳輸?shù)匠鲎廛囓囕d設(shè)備上，司機(jī)可以根據(jù)導(dǎo)航區(qū)尋找該乘客。乘客信息在出租車車載設(shè)備上的顯示如圖5所示。

圖4 手機(jī)顯示出租車信息

圖5 車載設(shè)備顯示乘客信息圖

(3)一旦發(fā)送合乘請求，乘客不得隨意更改位置。調(diào)控中心將以每10 s一次的速率收集乘客的GPS數(shù)據(jù)，當(dāng)乘客移動的距離大于150 m時(shí)，則判定乘客放棄此次叫車服務(wù)，調(diào)控中心將取消叫車的指令發(fā)送給出租車。同時(shí)，系統(tǒng)將以每10 s一次的速率收集出租車的GPS數(shù)據(jù)，當(dāng)出租車的實(shí)時(shí)位置與乘客位置之間的距離>1.5 km時(shí)，則認(rèn)為出租車司機(jī)違反此次合乘規(guī)定，合乘取消，調(diào)控中心將合乘取消的指令發(fā)送給乘客。

(4)出租車到達(dá)乘客所在位置時(shí)，停車等待的時(shí)間不應(yīng)短于2 min。當(dāng)2 min內(nèi)，系統(tǒng)檢測到出租車移動距離大于150 m時(shí)，則認(rèn)定出租車違反規(guī)定，合乘取消。系統(tǒng)將合乘取消的指令告知乘客。當(dāng)停車等待的時(shí)間大于2 min時(shí)，出租車司機(jī)可自行選擇繼續(xù)等待或離開，此時(shí)檢測到出租車移動距離大于150 m時(shí)，視合乘失敗，將合乘取消的指令告知乘客，并由乘客承擔(dān)責(zé)任。

(5)當(dāng)乘客成功搭載上出租車后，需在上車時(shí)在車載設(shè)備上輸入此次服務(wù)的驗(yàn)證碼，作為此次合乘成功與否的憑證。當(dāng)驗(yàn)證成功后，系統(tǒng)自動關(guān)閉，整個(gè)合乘叫車服務(wù)完成。

4 路徑獲取的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 計(jì)算最優(yōu)路徑

從乘客角度考慮，服務(wù)質(zhì)量與行駛時(shí)間和行駛路程有關(guān)，鑒于高峰時(shí)段擁堵、流量不穩(wěn)定的特點(diǎn)，行駛時(shí)間是考慮最多的因素，本研究中以行駛時(shí)間為衡量服務(wù)質(zhì)量的指標(biāo)，故求解最優(yōu)路徑問題即求解出行時(shí)間最短問題[7]。

f=min[Tj]。

(1)

(2)

式中：Ti表示路徑j(luò)所需行駛時(shí)間i；tj表示路徑j(luò)中某路段i所需行駛時(shí)間。

路段阻抗與車流密度近似為正切函數(shù)關(guān)系，車流密度隨時(shí)間變化，故路段阻抗可以表示為隨車流密度和時(shí)間變化的函數(shù)[8]：

(3)

其中：Li為路段i對應(yīng)長度；ki(t)為路段i對應(yīng)t時(shí)刻的車流密度；kio為該路段交通流量最大時(shí)的車流密度；ai為常數(shù)(可以通過對該路段收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合獲得)。

本系統(tǒng)所用的最優(yōu)路徑算法基于遺傳算法，在搜索過程中具有很好的靈活性，能夠適應(yīng)擁堵時(shí)實(shí)時(shí)變化的交通流量[9-11]。遺傳算法在解決最優(yōu)路徑問題時(shí)所代表的具體意義可參考文獻(xiàn)[9-10]。

4.2 路徑匹配

路徑匹配是判斷出租車和乘客的出行信息是否匹配的主要指標(biāo)，也是雙方能否匹配的重要依據(jù)。路徑匹配遵循高效、合理的原則，基本理念是通過匹配起訖點(diǎn)來達(dá)到路徑匹配的目的，路徑匹配的技術(shù)核心是建立在計(jì)算最優(yōu)路徑的基礎(chǔ)上的。

算法流程基本可以分為兩部分：起點(diǎn)匹配和目的地匹配。

4.2.1 起點(diǎn)匹配

合乘用戶當(dāng)前的位置為O0，以O(shè)0為圓心、1 km為半徑的圓為范圍，系統(tǒng)根據(jù)出租車車載設(shè)備傳輸?shù)慕?jīng)緯度信息自動搜索當(dāng)前位置在此范圍內(nèi)的出租車，對搜索到的出租車分別編號i(i=1,2,3……)。如圖6所示。

4.2.2 目的地匹配

圖6 起點(diǎn)匹配

圖7 直線距離Li比較

圖8 確定參照的最優(yōu)路徑

(4)篩選得到最佳目標(biāo)車輛。比較lt，最小值對應(yīng)的出租車即為篩選得到的最佳的目標(biāo)車輛。如圖9所示。

圖9 路徑匹配圖解

5 結(jié)束語

本文主旨在于對乘客與出租車合乘的出行信息獲取和雙向感知的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)人性化合乘和智能調(diào)度。主要研究成果包括以下幾方面。

(1)對合乘系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出了將系統(tǒng)分為三個(gè)模塊。在乘客和出租車上分別配備軟件模塊，充分與現(xiàn)在科技相結(jié)合。兩軟件模塊能夠?qū)崟r(shí)收集乘客和出租車的信息，并將乘客和出租車方的需求傳遞給第三模塊控制中心，利用控制中心可高效快捷處理數(shù)據(jù)，并使數(shù)據(jù)傳遞給乘客和出租車，真正實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度。

(2)對系統(tǒng)的操作流程進(jìn)行闡述，詳細(xì)分析了各種情況下的操作，盡量使操作簡單化，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的合理性和可操作性。

(3)對乘客和出租車的匹配采用路徑匹配方式，更合理，乘客坐上出租車的效率更高，且匹配誤差更小。由于這種方法匹配得到的兩方乘客基本“順路”，乘客到達(dá)目的地也更快、更節(jié)省時(shí)間，縮短出租車?yán)@行距離。

(4)本文中的路徑匹配，采用預(yù)測路程的方式，利用出發(fā)點(diǎn)和目的地匹配，而且采用實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)，得到的結(jié)果更準(zhǔn)確有效。

(5)本文中預(yù)測的最優(yōu)路徑時(shí)通過遺傳算法優(yōu)化得到的最優(yōu)解，利用遺傳算法效率更高。同時(shí)通過遺傳算法中的變異操作，能夠充分考慮到高峰時(shí)段路段擁堵和交通事故易發(fā)的特點(diǎn)。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]王麗珍.大城市出租車靜態(tài)和動態(tài)合乘模式的探討[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2012.

[2]盧 川，吳 群.城市居民出行合乘出租車問題的研究[J].道路交通與安全，2007，7(3)：52-55.

[3]張藝娜，孫偉杰，王 森，等.出租車與乘客即時(shí)運(yùn)輸交互信息系統(tǒng)的可行性研究[J].電子世界，2012(21)：29-30.

[4]陳 林.基于3G移動定位技術(shù)的出租車調(diào)度管理系統(tǒng)[D].成都：電子科技大學(xué)，2008.

[5]陳少杰.智能出租車調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.

[6]陳少杰，陳賢富.基于GPS/GIS的出租車調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)，2011(6)：28-30.

[7]董 昆.基于GIS和多智能體的城市出租車智能調(diào)度方法研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2011.

[8]呂 品，李瑞敏，王雨陽.基于位置服務(wù)的智能化出租車調(diào)度系統(tǒng)研究[J].交通信息與安全，2012，30(5)：113-116.

[9]鄔 嵐，陳 婷，鄭 藝，等.新型居民交通出行調(diào)查輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].森林工程，2013，29(2)：121-125.

[10]張 侃.基于遺傳算法的網(wǎng)絡(luò)路徑分析[D].廣州：中山大學(xué)，2006.

[11]張 瑾.出租車“拼車”問題研究及其服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2009.