基于智能手機(jī)的排隊時間監(jiān)測

劉宏英 聶文梅

摘要：隨著可內(nèi)嵌多種傳感器的智能手機(jī)的快速普及和應(yīng)用，群智感知計算技術(shù)作為一種新的感知模式逐步發(fā)展起來。為了解決人們生活中排隊時間的不可預(yù)測問題，本文提出了一個群智感知系統(tǒng)來監(jiān)測并預(yù)測自動取款機(jī)排隊等待時間。該系統(tǒng)包括能自動探測等待時間的智能手機(jī)部分和處理收集數(shù)據(jù)以提供精確等待時間估計的云后臺兩部分。該系統(tǒng)通過為用戶提供精確的等待時間來幫助用戶合理利用排隊等待時間。

關(guān)鍵詞：群智感知；智能手機(jī)應(yīng)用；排隊時間估計

中圖分類號：TP301.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.3969/j.issn.l003-6970.2017.08.015

引言

在現(xiàn)實生活中，很多公共服務(wù)中都存在排隊問題，這給人們的生活帶來了很多的不便。如果用戶能確定排隊時間，則可以在需要等待時間內(nèi)進(jìn)行其它事務(wù)處理，而不用一直站在隊列或服務(wù)場所中長時間等待。對于排隊等待時間問題的傳統(tǒng)解決方法是基于基礎(chǔ)設(shè)施的方法，如布署的照相機(jī)、傳感器或者由藍(lán)牙、Wifi產(chǎn)生的監(jiān)測信號。但這種解決方法不僅造價昂貴而且不利于規(guī)模擴(kuò)展。我們希望得到一種既可以廣泛使用，又不依賴于基礎(chǔ)設(shè)施，而且還精準(zhǔn)又便于使用的方法來解決排隊問題。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和移動終端設(shè)備的迅速發(fā)展，智能手機(jī)等移動終端設(shè)備集成了各式各樣的傳感器。利用移動終端里的傳感器提供以人為中心感知與計算已成為當(dāng)今社會發(fā)展的趨勢。所以通過群智感知來解決排隊監(jiān)測問題是可能的。用智能手機(jī)解決排隊問題需要解決兩個問題。第一是我們在探測等待時間要用到手機(jī)中的傳感器，這個過程會使用戶的手機(jī)電池在很短時間內(nèi)消耗用盡。從而使得用戶不愿意參與排隊等待時間監(jiān)測活動。第二是雖然我們系統(tǒng)能自動收集大量的等待時間，但這些數(shù)據(jù)仍太稀疏不能直接得到精確的等待時間。

本文提出并實現(xiàn)了基于智能手機(jī)的排隊等待時間監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)將用戶的智能手機(jī)作為排隊等待時間監(jiān)測終端，獲取參與者的測量數(shù)據(jù)，在后臺將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而估計每個用戶的準(zhǔn)確等待時間，以此來幫助用戶了解自己需要等待多長時間。

1 相關(guān)工作

由于不同場所的排隊問題都有各自的特點，如等待的條件不同，造成每個用戶所需服務(wù)的時間也各不相同，從而每個用戶所需等待的時間也不同。這里，為使問題易于處理，我們選取自動取款機(jī)服務(wù)點作為實驗?zāi)繕?biāo)。由于每個用戶的操作基本相同，所以每個用戶的所需服務(wù)時間大致一樣，便于估計用戶的等待時間。

本文將實驗點設(shè)在了一個自動取款服務(wù)點。取款用戶按先進(jìn)先出的排隊方式取款。用戶排到取款機(jī)之后進(jìn)行自助服務(wù)。用戶完成任務(wù)之后會立即離開。當(dāng)然也有特殊情況出現(xiàn)，如有人不取款但在取款機(jī)附近停留。我們將這種情況下產(chǎn)生的數(shù)據(jù)作為異常值來進(jìn)行處理。我們在自動取款機(jī)旁邊安裝一個WiFi Access Point（WAP）。這個WAP的BSSID用于探測用戶的排隊時間。

本文的目的是估算用戶的等待時間，即用戶從到達(dá)自動取款機(jī)到其開始自助取款操作的時間段。為了掌握等待時間隨時間的變化情況，我們實地觀察了自動取款機(jī)一周。通過觀察發(fā)現(xiàn)自動取款機(jī)的用戶等待時間為3分鐘。觀察表明等待時間不會低于2分鐘，最多為5分鐘。這個時間范圍有助于我們刪除不切實際的異常值。

2 等待時間探測

本文實驗所用系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)由兩部分組成。一部分稱為客戶端，它運行于智能手機(jī)，主要用于探測等待時間，并將結(jié)果上傳于服務(wù)器。另一部分在云端，用于處理收集到的數(shù)據(jù)。

客戶端由控制器、手機(jī)狀態(tài)接收器子系統(tǒng)、等待時間探測子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)上傳子系統(tǒng)四個部分組成的?？刂破髫?fù)責(zé)管理和處理其它三部分的操作。

2.1 手機(jī)狀態(tài)接收子系統(tǒng)

手機(jī)狀態(tài)接收器在本應(yīng)用中充當(dāng)通知中心的角色。Android提供的通知服務(wù)能令app知道手機(jī)發(fā)生的各種事件，如登錄、重啟、Wi-Fi連接/斷開、Wi-Fi信號強(qiáng)度的變化等。這些通知可以使app根據(jù)相關(guān)事件做出不同的反應(yīng)。我們則利用該通知服務(wù)來更好的探測等待事件以做出不同的反應(yīng)。

手機(jī)狀態(tài)接收子系統(tǒng)包括三個不同的接收器，分別是登錄接收器、Wi-Fi狀態(tài)接收器和電源連接接收器。接收器的工作方式如下。首先，每個接收器要認(rèn)證自己負(fù)責(zé)監(jiān)聽手機(jī)上發(fā)生的特殊事件。只要認(rèn)證的事件發(fā)生，操作系統(tǒng)就廣播一個特殊目標(biāo)并傳遞該事件的特殊信息到所有認(rèn)證的接收器。我們利用這種機(jī)制為我們的應(yīng)用來監(jiān)測所有認(rèn)證的接收器。例如，當(dāng)Wi-Fi連接狀態(tài)發(fā)生變化時，Wi-Fi狀態(tài)接收器就接到通知。當(dāng)用戶關(guān)掉Wi-Fi后，接收器通知控制器停止正在運行的Wi-Fi跟蹤服務(wù)。

另外，當(dāng)用戶手機(jī)連接到了WAP，用戶就會被網(wǎng)絡(luò)定位以確定他距離取款機(jī)的距離。

2.2 等待時間探測子系統(tǒng)

探測用戶等待時間的最直接方法是持續(xù)跟蹤用戶的位置，以及用戶進(jìn)入自助取款點的時間和離開時間。但是這樣的做法會導(dǎo)致監(jiān)測手機(jī)的電池快速耗盡，這是智能手機(jī)用戶所不愿意的結(jié)果。為了減少手機(jī)用電量的消耗，我們進(jìn)行了如下處理。首先，在進(jìn)行跟蹤用戶位置時，我們只使用網(wǎng)絡(luò)定位。其次，我們利用用戶距取款點的距離來動態(tài)地決定位置頻率。第三，當(dāng)探測到用戶在取款點的附近時，我們用WAP的唯一BSSID來確定用戶的當(dāng)前位置。這有助于節(jié)省相當(dāng)一部分能量。

本系統(tǒng)根據(jù)用戶距自動取款點的距離而定期探測用戶的位置。如果用戶的距離大于閾值，則可計算出用戶下一時刻的位置。計算前提假設(shè)用戶以4.2公里小時的步行速度接近取款點。因為實驗發(fā)現(xiàn)探測用戶的交通模式（駕車、步行或是騎自行車）比每分鐘檢測一次網(wǎng)絡(luò)位置更耗能，所以我們做了這樣的假設(shè)。當(dāng)用戶距自動取款點的距離小于閾值時，我們就以每3分鐘一次開始掃描用戶周圍的WAPs。幸而Android提供的API可以掃描周圍的WAPs而不用與它們連接。當(dāng)手機(jī)探測到自動取款機(jī)的BSSID時，系統(tǒng)就可以確定用戶到達(dá)自動取款機(jī)的時刻為t1，并以每20秒一次的頻率較精確的斷定用戶離開自動取款機(jī)的時刻t2。用戶的等待時間為t2-t1。由于我們觀察到大多數(shù)取款用戶在取款后立即離開，所以可以假設(shè)計算得到的等待時間能夠反映自助取款用戶的等待時間。

2.3 數(shù)據(jù)上傳子系統(tǒng)

等待時間探測結(jié)束后，得到的數(shù)據(jù)需要被手機(jī)上傳到云端，作為等待時間估計系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)。上傳過程大多數(shù)情況下都是實時的。但由于手機(jī)狀態(tài)或是連網(wǎng)情況而有時不能即時傳輸數(shù)據(jù)。但是即使是滯后傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也仍然有用。為了處理這種情況，我們提出一個數(shù)據(jù)上傳子系統(tǒng)。只要手機(jī)狀態(tài)接收器通知控制器Wi-Fi可用或是有GSM數(shù)據(jù)連接時，該系統(tǒng)開始傳輸探測得到的等待時間數(shù)據(jù)。

因為即使是失敗的數(shù)據(jù)傳輸也會耗費能量，所以數(shù)據(jù)上傳器采用簡單的啟發(fā)式來增加成功上傳數(shù)據(jù)的比率。假設(shè)手機(jī)大多是在家里或是辦公室中進(jìn)行充電的而且這些地方都有快速而可靠的數(shù)據(jù)連接甚至是Wi-Fi連接。因此，當(dāng)手機(jī)進(jìn)行充電時數(shù)據(jù)上傳就會被觸發(fā)。但是有些情況下，雖然手機(jī)被充電了，但它沒有可用的數(shù)據(jù)連接，那么數(shù)據(jù)上傳子系統(tǒng)會定期檢測數(shù)據(jù)連接。

當(dāng)數(shù)據(jù)被成功上傳后，服務(wù)器會發(fā)出一個確認(rèn)信。得到確認(rèn)信息后，數(shù)據(jù)上傳子系統(tǒng)會清空數(shù)據(jù)庫以節(jié)省手機(jī)的存儲空間。

3 等待時間估計

等待時間估計部分是位于服務(wù)器的，它由四部分組成，它們分別是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、預(yù)處理器、模型構(gòu)建和等待時間估計。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是作為智能手機(jī)與后臺的接口。它用于接收來自智能手機(jī)的收集數(shù)據(jù)并為智能手機(jī)提供等待時間查詢結(jié)果。預(yù)處理器接收到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)傳來的數(shù)據(jù)并進(jìn)行異常值處理。當(dāng)異常值被移除后，等待時間估計模塊進(jìn)行等待時間估計。

等待時間估計問題就是為了任何查詢而使用群智感知數(shù)據(jù)來估計排隊等待時間。所謂感知數(shù)據(jù)就是從參與者收集的等待時間。等待時間通常依賴于一天中的時段；工作日還是周末；商業(yè)自身的季節(jié)性。對于校園內(nèi)的自助取款服務(wù)點假期時的業(yè)務(wù)量要少一些。

設(shè)計的估計方法應(yīng)該能精確捕獲那些變化。

本文采用的估計方法的主要思想是預(yù)測查詢值。當(dāng)系統(tǒng)有足夠的數(shù)據(jù)時，最后上傳的值能夠反映排隊的實際情況。但是該方法對于采集數(shù)據(jù)稀少或者數(shù)據(jù)中有假陽性數(shù)據(jù)時會失敗。

4 總結(jié)

本文提出了一個新的群智感知排隊等待時間監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了基于基礎(chǔ)設(shè)施的傳統(tǒng)解法弊端，能夠通過智能手機(jī)得到自動而準(zhǔn)確的等待時間探測，并在云端進(jìn)行精確等待時間的估計。我們將該系統(tǒng)應(yīng)用于學(xué)校的自動取款機(jī)服務(wù)點。實驗表明該系統(tǒng)能得到相當(dāng)精確的等待時間。