公交智能調(diào)度云系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

李 峰，王 浩，孫樹芳，張 強(qiáng)

（濟(jì)南市城市交通研究中心有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，市民對交通出行的各種需求增長，城市交通擁堵越來越嚴(yán)重，城市公共交通的壓力隨之增大，優(yōu)先發(fā)展公交戰(zhàn)略作為城市交通發(fā)展的重要方向，因此，需要運(yùn)用信息化技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)城市交通的智能化。長期以來我國大部分城市的公交企業(yè)制定公交運(yùn)營計(jì)劃主要靠管理人員的經(jīng)驗(yàn)，服務(wù)水平較差，建立智能調(diào)度云系統(tǒng)可以改善公交的管理水平，提高公交的服務(wù)水平。

公交智能化云系統(tǒng)通過衛(wèi)星定位技術(shù)、GIS技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等手段對公交進(jìn)行信息化管理，系統(tǒng)具有車輛定位、車輛調(diào)度指揮、信息查詢統(tǒng)計(jì)等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對車輛運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測管理，實(shí)時(shí)掌握線路運(yùn)行狀態(tài)，合理調(diào)整運(yùn)力，為營運(yùn)決策提供技術(shù)支持［1］。

1 關(guān)鍵技術(shù)原理

1.1 定位技術(shù)

目前全球定位主要有GPS、北斗、GLONASS、伽利略四個(gè)系統(tǒng)，而應(yīng)用最廣泛的是GPS和北斗系統(tǒng)。（1）GPS全球定位系統(tǒng)是20世紀(jì)70年代由美國陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航GPS定位系統(tǒng)，主要是為陸?？杖箢I(lǐng)域提供實(shí)時(shí)、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)。（2）北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)是由我國自主研發(fā)的，致力于向全球用戶提供高質(zhì)量定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的定位系統(tǒng)，主要服務(wù)包括開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)兩種方式。開放服務(wù)是向全球免費(fèi)提供定位、測速和授時(shí)服務(wù)；授權(quán)服務(wù)是為有高精度、高可靠衛(wèi)星導(dǎo)航需求的用戶，提供定位、測速、授時(shí)和通信服務(wù)以及系統(tǒng)完好性信息［2］。

衛(wèi)星定位技術(shù)包括偽距單點(diǎn)定位、載波相位定位和實(shí)時(shí)差分定位。偽距單點(diǎn)定位是測定衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，即由衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達(dá)公交車載接收機(jī)的傳播時(shí)間乘以光速所得的距離；載波相位定位是測定衛(wèi)星載波信號到接收機(jī)天線之間的相位延遲；實(shí)時(shí)差分定位的原理是在已有的精確地心坐標(biāo)點(diǎn)上安放接收機(jī)（稱為基準(zhǔn)站），利用已知的地心坐標(biāo)和星歷計(jì)算觀測值的校正值，并通過無線電通信設(shè)備（稱為數(shù)據(jù)鏈）將校正值發(fā)送給運(yùn)動(dòng)中的接收機(jī)（稱為流動(dòng)站）。

1.2 數(shù)據(jù)庫技術(shù)

數(shù)據(jù)庫技術(shù)是為了有效管理數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)處理的效率而發(fā)展并完善起來的專門技術(shù)。隨著數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS，Database Management System）業(yè)務(wù)量的不斷增長，數(shù)據(jù)庫的安全穩(wěn)定運(yùn)行在系統(tǒng)運(yùn)行中至關(guān)重要，因此，采用一系列技術(shù)手段確保數(shù)據(jù)庫安全是一項(xiàng)關(guān)鍵重要的工作任務(wù)。

數(shù)據(jù)庫的安全是通過信息化技術(shù)手段保護(hù)數(shù)據(jù)庫安全完整運(yùn)行，以防止不合法地使用所造成的數(shù)據(jù)泄露、更改或破壞。數(shù)據(jù)庫的安全主要是針對數(shù)據(jù)而言，包括數(shù)據(jù)獨(dú)立、數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)完整、并發(fā)控制、故障恢復(fù)等方面。

1.3 大數(shù)據(jù)分析技術(shù)

大數(shù)據(jù)（Big Data）最早是由麥肯錫（Mckinsey& Company）在《大數(shù)據(jù)：創(chuàng)新、競爭或和生產(chǎn)力的下一個(gè)前沿領(lǐng)域》報(bào)告中首次提出的概念，由于大數(shù)據(jù)超過傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)處理能力，常規(guī)軟件工具無法在一定時(shí)間范圍內(nèi)對數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取管理，因此，需要通過大數(shù)據(jù)技術(shù)對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，為決策提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。

一般意義上的大數(shù)據(jù)是指海量的單一類型的數(shù)據(jù)或多元化多來源的數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)具有5V特點(diǎn)（IBM提出）：Volume（大量）、Variety（多元）、Value（低價(jià)值密度）、Velocity（快速）、Veracity（真實(shí)性）。

2 關(guān)鍵技術(shù)在公交系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 衛(wèi)星定位技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)在公交車輛多采用GPS與北斗的雙系統(tǒng)復(fù)合模塊來定位，車載終端實(shí)時(shí)獲取車輛經(jīng)緯度、速度和方向等行車數(shù)據(jù)，通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳智能調(diào)度平臺，調(diào)度人員可以通過可視化管理平臺，通過定位技術(shù)對移動(dòng)車輛進(jìn)行統(tǒng)一集中管理和實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，調(diào)整發(fā)車狀態(tài)，通過衛(wèi)星定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)查看車輛運(yùn)行軌跡。車輛運(yùn)行軌跡見圖1。

圖1 車輛運(yùn)行軌跡

現(xiàn)在的公交車載設(shè)備因受網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的限制，很多功能無法實(shí)現(xiàn)，如在線支付、無人駕駛、在線識別等。未來“北斗+5G”的應(yīng)用是公交車載設(shè)備的發(fā)展方向，5G系統(tǒng)以毫秒級時(shí)延，峰值10 Gbps的帶寬和超高密度連接，為智能調(diào)度系統(tǒng)插上騰飛的翅膀，差分后的北斗定位系統(tǒng)能夠提供厘米級定位服務(wù)，提供高精度的位置感知，兩者結(jié)合，必將推進(jìn)智慧公交的進(jìn)一步發(fā)展和飛躍。

2.2 數(shù)據(jù)庫技術(shù)的應(yīng)用

數(shù)據(jù)庫安全是對數(shù)據(jù)安全性、完整性的有效保護(hù)，確保智能調(diào)度云系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，通過數(shù)據(jù)保密、加密算法、身份認(rèn)證、磁盤陣列、數(shù)據(jù)備份、異地容災(zāi)等信息化手段進(jìn)行主動(dòng)防護(hù)確保數(shù)據(jù)安全。

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)安全保障

智能調(diào)度系統(tǒng)各級用戶通過網(wǎng)絡(luò)訪問系統(tǒng)，因此,技術(shù)人員通過網(wǎng)絡(luò)安全分析技術(shù)布設(shè)安全結(jié)構(gòu)機(jī)制，利用Internet防火墻包過濾技術(shù)（Packet Filter）、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT Network Address Translator）等手段保護(hù)各網(wǎng)絡(luò)段的數(shù)據(jù)安全，同時(shí)利用Cookie跟蹤瀏覽信息，根據(jù)安全策略控制出入網(wǎng)絡(luò)的信息流安全穩(wěn)定。

公網(wǎng)出入口分?jǐn)?shù)據(jù)上行安全和下行安全。上行安全通過防火墻等限制PC客戶端軟件端口控制、QoS控制等；下行通過防火墻控制端口訪問。核心網(wǎng)絡(luò)的邊界設(shè)置防火墻設(shè)備或帶防火墻功能的路由設(shè)備、VPN設(shè)備作為邊界防護(hù)措施。智能調(diào)度云系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)見圖2。

圖2 智能調(diào)度云系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

2.2.2 數(shù)據(jù)備份

數(shù)據(jù)庫運(yùn)行情況下，采用archivelog mode方式定期進(jìn)行數(shù)據(jù)備份，可以在數(shù)據(jù)發(fā)生意外損失的情況下進(jìn)行災(zāi)難恢復(fù)，最大限度地避免損失。在主數(shù)據(jù)庫定期備份的基礎(chǔ)之上，同時(shí)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行異地備份，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)傳送到異地備份系統(tǒng)，備份系統(tǒng)則根據(jù)日志對磁盤進(jìn)行更新，確保本地備份和異地備份數(shù)據(jù)的完整性和可用性。智能調(diào)度雙云系統(tǒng)異地備份見圖3。

圖3 智能調(diào)度雙云系統(tǒng)異地備份

另外，目前采用的備份措施在硬件一級有磁盤鏡像（Mirroring）、磁盤陳列（Disk Array）、雙擊容錯(cuò)等，在軟件一級有數(shù)據(jù)拷貝等。磁盤陳列（Disk Array）一般采用RAID5、RAID10技術(shù)防止多個(gè)硬盤的損壞，SFTIII、Standby、Cluster集群技術(shù)都屬于雙擊容錯(cuò)的范疇，防止單臺服務(wù)器的損壞。

2.2.3 異地容災(zāi)

通過建立數(shù)據(jù)恢復(fù)機(jī)制、多層次廣域網(wǎng)絡(luò)故障切換機(jī)制等技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)容災(zāi)處理，一旦故障發(fā)生，系統(tǒng)將啟動(dòng)強(qiáng)大的故障診斷和切換策略機(jī)制，確?？焖俜磻?yīng)和業(yè)務(wù)迅速接管。容災(zāi)可以分為三個(gè)級別：最低級為磁帶級容災(zāi)，之上是帶鏡像功能和數(shù)據(jù)恢復(fù)的容災(zāi)，最高級的容災(zāi)是鏡像+數(shù)據(jù)恢復(fù)+服務(wù)器集群。

2.2.4 數(shù)據(jù)庫加密技術(shù)

Oracle自帶的存儲(chǔ)過程可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，使用Java來調(diào)用這個(gè)存儲(chǔ)過程。創(chuàng)建存儲(chǔ)過程首先需要?jiǎng)?chuàng)建表并插入數(shù)據(jù)，創(chuàng)建一個(gè)存儲(chǔ)過程對ADMIN_PWD進(jìn)行加密并調(diào)用加密過程，然后創(chuàng)建一個(gè)存儲(chǔ)過程對ADMIN_PWD進(jìn)行解密并寫入數(shù)據(jù)庫并調(diào)用加密過程，接著創(chuàng)建一個(gè)存儲(chǔ)過程對ADMIN_PWD進(jìn)行解密，并輸出調(diào)用解密過程，最后使用Java調(diào)用存儲(chǔ)過程。

使用ENCRYPT方法對數(shù)據(jù)加密，首先通過管理員用戶登錄Oracle數(shù)據(jù)庫來設(shè)置一些高級權(quán)限，通過dbms方法實(shí)現(xiàn)SQL語句的直接簡單調(diào)用，然后建立數(shù)據(jù)表，并插入一條數(shù)據(jù)，字段類型是oracle數(shù)據(jù)庫加密要用的字段類型raw類型的，最后通過語句對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，通過這個(gè)SQL語句可以看到加密以后的數(shù)據(jù)效果。數(shù)據(jù)庫加密框架見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)庫加密架構(gòu)

2.3 大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的應(yīng)用

大數(shù)據(jù)分析常和云計(jì)算聯(lián)系在一起，濟(jì)南公交智能調(diào)度云系統(tǒng)云存儲(chǔ)和云分析的運(yùn)行需要巨大的計(jì)算和存儲(chǔ)資源，采用Hadoop、Spark、云存儲(chǔ)、云計(jì)算等分布式處理方式實(shí)時(shí)分析海量的定位數(shù)據(jù)，同時(shí)采用MapReduce模型技術(shù)用于大規(guī)模數(shù)據(jù)集的并行運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了智能化、高效率的計(jì)算和分析。

Hadoop是一個(gè)分布式計(jì)算平臺，可以在Hadoop上開發(fā)和運(yùn)行處理海量數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序，Hadoop生態(tài)系統(tǒng)主要由HDFS、MapReduce、Hbase、Zookeeper、Oozie、Pig、Hive等核心組件構(gòu)成，高可靠、高擴(kuò)展、高有效、高容錯(cuò)等特性使Hadoop成為最流行的大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。Spark提供強(qiáng)大的內(nèi)存計(jì)算引擎，幾乎涵蓋了所有典型的大數(shù)據(jù)計(jì)算模式，包括迭代計(jì)算、批處理計(jì)算、內(nèi)存計(jì)算、流式計(jì)算（Spark Streaming）、數(shù)據(jù)查詢分析計(jì)算（Shark）以及圖計(jì)算（GraphX）。Spark支持分布式數(shù)據(jù)集上的迭代式任務(wù)，可以在Hadoop文件系統(tǒng)上與Hadoop一起運(yùn)行。大數(shù)據(jù)技術(shù)框架見圖5。

圖5 大數(shù)據(jù)技術(shù)架構(gòu)

通過對定位數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合乘車刷卡記錄，對客流、運(yùn)營狀況等進(jìn)行全面分析，分析運(yùn)量與運(yùn)力的匹配，分析運(yùn)行的周轉(zhuǎn)時(shí)間，分析運(yùn)營的均衡性，分析挖掘數(shù)據(jù)存在的趨勢和可能性，為線網(wǎng)優(yōu)化評估提供決策支持。

隨著人工智能的發(fā)展，數(shù)據(jù)分析和精準(zhǔn)算法結(jié)合起來，必將成為公交管理決策的有力工具，為公交智慧化、精準(zhǔn)化、便捷化、安全化提供重要技術(shù)支撐。

3 結(jié)語

公交智能調(diào)度云系統(tǒng)對其關(guān)鍵技術(shù)的綜合要求較高，對車輛定位技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了分析。這些信息化關(guān)鍵技術(shù)將是建設(shè)新型智慧城市的基礎(chǔ)，成功應(yīng)用將能夠改善公交車輛運(yùn)營效率，實(shí)現(xiàn)車輛精準(zhǔn)調(diào)度，進(jìn)一步提升公交企業(yè)智能調(diào)度信息化水平，提高公交企業(yè)服務(wù)管理水平。