公交智能调度系统

一、引言

　　随着我国国民经济飞速发展，城市建设日新月异，随之而来交通问题也是日益严重。影响城市交通主要的因素之一，是城市中的公交车辆，公交车辆也是直接反映着城市形象问题。目前公交车的调度管理方面还存一些问题，信息反馈不及时，从而导致调度措施的滞后，运营成本现在也是很高的，也有一些资源浪费的现象，管理方面都是手工操作，缺乏科学性等。由于这一系列问题的存在，智能公交调度系统就以次而产生了。
本文介绍了作者设计的一种公交智能调度系统（厦门蓝斯公交智能调度系统）,并重点介绍了车载系统终端的设计与实现。以厦门蓝斯通信获得国家软件著作权登记证书的“无线数传终端应用平台”为基础，结合了无线通信、GPS定位、语音处理和图像处理等多种技术,利用公共GSM/GPRS/CDMA/EDGE无线数字移动通信网络，将无线数据传输、GPS定位、短信调度信息、自动报站、手动辅助报站、LED同步显示到站信息、定时回传、紧急报警、手动服务提示、图片抓拍，开关门报警、超速报警、远程设置参数、远程更新程序、司机考勤管理、多线路切换、语音通话等功能有机地融合为一个整体，构建一套实时监控、生产运营管理、指挥调度等功能于一体的智能公交车载终端。

　　二、 系统组成及特点

　　虽然整个公交智能调度系统还涉及到了其他语音图象处理技术，但最主要的还是GPS定位和无线数据传输（GPRS/CDMA，这里主要介绍GPRS为主）

　　全球定位系统（GPS,Global Positioning System）是美国从上世纪70年代开始研制、历时20年、耗资200亿美元、于1994年全面建成、具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。

　　GPRS是欧洲电信协会GSM系统中有关分组数据所规定的标准。它采用信道捆绑（目前GPRS的设计
可以在一个载频或8个信道中实现捆绑）和增强数据速率改进实现高速接入,理论上可提供高达115kbps的空中接口传输速率,使若干移动用户能够同时共享一个无线信道,一个移动用户也可以使用多个无线信道。实际不发送或接收数据包的用户仅占很小一部分网络资源,并且网络容量只有在实际进行传输时才被占用。

　　为了实现GPRS,需要在现有的GSM网络中引入3种新的逻辑网络实体：服务GPRS支持节点（SGSN）、网关GPRS支持节点（GGSN）和分组控制单元（PCU）。GPRS与现有的GSM语音系统最根本的区别是,GSM是一种电路交换系统,而GPRS是一种分组交换系统。因此,GPRS特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输,也适用于偶尔的大数据量传输。这一特点正适合大多数移动互联的应用。

　　从以上简单介绍可以看出，整个智能调度系统的特点，其工作流程为：车载终端将获得的GPS定位信息，以及相关调度和公交业务信息通过GPRS的方式上传到监控平台系统服务器，然后平台客户端再通过GIS地图引擎或者IE的方式来浏览车辆的各种位置信息以及相关公交业务需求方面的参数。比如车辆当前位置、车速、方向、是否报警、是否到站、司机是否开始运营等等。在需要对车辆进行调度的时候，还可以通过网络对车载终端进行信息调度以及相关公交业务上的交流。实现了移动的公交车辆和监控调度中心的双向的数据传输和各种业务交互工作。这其中的好处都是不言而喻的。


　　三、系统功能及工作原理


　　公交智能终端，最核心的功能就是应该实现公交业务上的数据的时时采集以及传输，和监控调度中心的交互,该车载终端需要实现的主要功能如下：
1) 实时时钟功能
车载智能终端所采用CPU本身具有实时时钟功能，并可通过GPS校正，为实现整个调度系统时钟的同步提供可靠保证。
2) 无线通信机制
终端所采用无线通信模块是不带TCP/IP协议栈的工业级GPRS模块，使用蓝斯通信获得国家软件著作权登记证书的“无线数传终端应用平台”所含自主开发的TCP/IP协议栈，采用自主开发的TCP/IP协议栈可以方便网络的切换和升级，如即将到来的3G网络，终端可以快速的更换3G模块，无须再改动其他硬件。同时这TCP/IP协议栈经过蓝斯其他无线数据传输终端在各种恶劣环境下，7*24小时工作要求验证是可靠稳定的，使得公交智能终端的各种信息无线传输稳定可靠
3) 定位功能
可根据需要实现24小时服务，按后台中心设定的规则（电门启动/关闭、定时/定距等组合条件）自动向后台中心发送位置信息（包括：日期时间、经纬度、速度、车辆编号、GPS信号状态、相关车辆状态信息等）。
4) 数据存储功能
（1） 黑匣子和行驶状态数据
可实时存储大量记录（容量不少于20000条），即使故障或掉电也不丢失。记录内容包括：时间、经纬度、速度、距离、方向、高度、星数等。以1分钟的采样间隔，终端可保存不少于360个小时的黑匣子和行驶状态数据。
（2） 事故疑点数据记录
终端具有多个RS232、RS485接口，可以通过外接行车记录仪等设备，可采集车速变化、刹车、方向灯、前后车门及其它车辆状态输入。符合国家的行车记录仪的基本规范要求，为交通事故责任判定提供技术数据。
（3） 快速采集存储数据接口
提供USB接口，便于现场快速采集所有存储在车载终端内的存储数据。
5) 相关行驶状态变化自动汇报功能
（1） 超速自动报警，要求可设置为不同路段、不同的速度阀值、不同的超速持 续时长组合设置；
（2） 进/出指定区域自动汇报功能，可设置的区域数量不少于128个，区域形状为多边形；
6) LCD调度屏（可内置RFID考勤模块，选配）
LCD液晶调度屏每屏显示4行文字，每行8个文字；向驾驶员提供清楚的信息交流、操作、查询、窗口。
（1） 它与语音报站的操作屏一体化，液晶屏常态显示内容有站号、上下行标志、时速、限速、时间、车辆运营状态等信息；
（2） 可以接受中心下发的调度信息和并上报加入运营、退出运营、回场、报警、故障等其它特别信息，可存储调度信息条数不少于80条，采用“先进先出”模式自动始终保存。
（3） 具有可以手动切换自动报站和手动报站功能。
（4） 具有站点经纬度采集功能，可以快速采集公交站点信息并保存。
（5） 当公交车行驶速度超过调度系统设定的最大限制数值，则自动发出连续的警示音或直接播放警告类语音警示驾驶员，直到行车速度低于限制值；
（6） 当车载智能终端与POS机通讯异常，则自动发出间断提示音或直接播放预设的语音提醒驾驶员，直到与POS通讯恢复正常；
（7） 在车辆启动行驶、车门未关闭状态以及车辆速度不为0而车门开启时，立刻发出连续的警示音或直接播放语音提醒驾驶员，直到车门关闭为止；
（8） 具备自定义按键F1~F8，可以设置向乘客播放常规信息的按钮（请为老弱病残、妇女儿童让座、请站稳扶好、请保持车内卫生等常用提示音）等专用按键。
（9） 免提通话功能：在必要时，驾驶员可通过免提方式与调度中心语音双向通话，有助于提高行车安全。语音通话功能可由调度中心系统设置控制为：呼入限制、呼出限制等多种组合模式。
7) 语音报站：
（1） 全自动、高音质语音报站、转弯提示，音质清晰，立体效果强，可插播广告、歌曲等各种声音。
（2） 大容量芯片，可存储10条以上线路（每条线路不少于100个站点）报站语音，同时记录大量运营、安全、服务信息。支持多线路运营：同一台车载终端可以菜单或者中心远程设置实现10条线路以上的报站线路选择功能；
（3） 在语音报站的同时可以实现LED显示屏的同步文字报站；
（4） 调度中心可实现通过GPRS通信下传语音数据到终端。
（5） GPS自动报站为主，可手动辅助报站；可输出约定格式的控制协议，为将原有的手动语音报站器改造为自动报站器提供便利条件。
（6） 进站语音和出站语音可以相互打断。
8) TTS功能（选配）
可以实现把中心下发文字信息转换成语音播报形式通过免提喇叭播放出来。
另外，对一些公交业务信息采集，那就需要终端具备各种外部硬件设备的接口：
具有4路视频输入、1路视频输出、2路RS485、4路RS232、8路IO（高低电平检测）、CAN总线、主从USB口、语音监听、两路音频输出、1路音频输入、SD卡接口等。


1) 具备与公交POS机具通讯接口：
车载智能终端与公交POS之间采用RS485/RS232方式通讯（具体的通讯协议格式待后补充）。
（1） 车载智能终端向POS机具提供车辆到站信息，包含上/下行状态、站点编号、进/出站状态；
（2） 车载智能终端接收并存储后台调度系统下发的收费费率表（最大可存储6种费率表），供POS机具调用或按照调度系统的指令发送给POS机具；
（3） 车载智能终端接收并存储易卡通公司下发的小额交易卡黑名单，供POS机具调用或按照易卡通公司的指令发送给POS机具；
（4） 车载智能终端接收并存储POS机具的刷卡记录，支持通过无线方式将该记录传输到调度系统或易卡通公司，支持通过本机的USB接口或存储卡插槽采集刷卡数据；
（5） 车载智能终端接收并存储驾乘人员使用RFID卡通过POS机具实现的考勤签到/签退刷卡记录，支持通过无线方式将该记录传输到调度系统。
2) 具备与外置LED文字屏通讯接口：
终端与外置LED文字屏之间采用RS485/RS232方式通讯（具体的通讯协议格式待后补充）。终端在语音报站的同时控制LED文字屏按规定条件显示到站名称、下一站名称、日期等文字内容；终端将接收到的后台中心下发的天气预报、城市新闻、公交宣传等信息实时发送到LED文字屏显示。

3) 具备与红外客流采集设备通讯接口：
采用RS485/RS232接口方式，在车辆停车、车门开启后采集、存储红外客流采集设备的客流数据，可实时通过无线通讯方式传送到后台调度系统或通过本机的USB接口或存储卡插槽采集数据；

4) IO接口：
具有多路IO接口，可以进行高低电平检测，如公交车车门是否关闭、投币箱是否非法打开。
5) CAN总线接口：
近年来,随着汽车电子技术的不断发展,现代汽车中所使用的电子控制系统和通讯系统越来越多,如发动机电控系统、 自动变速器控制系统、防抱死制动系统(ABS)、自动巡航系统(ACC)和车载多媒体系统等,这些系统之间,系统和汽车的显示仪表之间,系统和汽车故障诊断系统之间均需要进行数据交换,这些数据交换都是通过CAN总线来传输的，终端CAN总线接口可以方便采集车辆各种系统的数据如：采集车速变化、刹车、方向灯、前后车门及其它车辆状态输入。
6) 主从USB接口：
主USB接口方便车载终端程序、报站内容等的升级，通过U盘接到主USB接口上，终端可主动的把内容拷贝到内置FLASH上，无须电脑。
从USB接口可方便的连接电脑，修改终端的参数或者拷贝黑匣子等数据。
7) 音频输入接口：
目前不少公交车上都有安装移动电视或者多媒体广告电视，此接口是是允许把车载电视的声音接入车载终端，当终端进行报站的时候，可以主动屏蔽电视声音，只听到语音报站的声音，保证报站声音不给干扰，影响乘客，当报站结束的时候，主动恢复电视声音。
8) SD卡接口：
可以用来存储图像、黑匣子、POS记录等数据。


　　该系统车载载终端的工作原理如下：

　　车载终端由ARM9实现控制,其核心部分主要包括PPP及TCP/IP协议栈、GPRS控制、GPS控制,以及外围接口控制。CPU内嵌PPP及TCP/IP协议栈,同时分别通过串行口UART0去控制GPRS的工作,通过串行口UART1去控制GPS的工作。其中：

　　（1）CPU对GPRS的控制

　　主要是通过串行口UART0发送AT命令实现。同时,在该系统设计中,CPU还可以通过控制I/O口电平输出状态,对GPRS进行硬件复位,以防止意外情况下的不可恢复性死机

　　（2）CPU对GPS的控制

　　主要是通过串行口UART1发送控制命令实现（GPS采样周期的设置、GPS输出数据选择 、通讯波特率设置等）,同时也是通过串行口UART1接收GPS定位信息,由于GPS输出数据采用NMEA-0183(Ver2.0)格式,输出数据为多组,在本系统中,仅选择了取其中的一组数据：GPRMC(推荐最小数据量的GPS具体内容/传输数据),其中,当且仅当GPS输出数据为有效定位数据时,对应的UTC时间才为当前准确时间。


　　（3）CPU对其它外围接口的控制

　　主要通过通用I/O口实现开关（电平）输入/输出,同时通过外部中断的方式实现了实现与车用防盗报警器、紧急报警（SOS）、医疗服务、故障服务、点火信号等的接口。另外还有一些额外的串口的控制，比如客流统计、LED广告屏等。

　　（4）CPU对系统的整体控制：

　　首先,CPU完成对GPRS、GPS及外围接口的初始化工作;其次,CPU通过串行口UART1对GPRS进行操作,完成从拨号到PPP协商（创建PPP链路、用户验证、PPP回叫控制、协商和调用网络层协议）,并与服务器建立起TCP连接;然后,在保证与服务器之间的TCP连接正常的前提下,实现与服务器之间的数据交互与控制;最后,CPU还必须要周期性地对系统终端的当前状
态作出测试及判断,并对各种实际情况作出相应的处理,以保证系统能正常而稳定地工作。

　　四、系统软件设计

　　在整个公交智能调度系统的设计中,涉及到服务器软件、客户端应用软件及车载终端底层软件。在此,主要就车载终端底层软件的设计作进一步的说明。

　　在公交智能调度系统车载终端底层软件的设计中,程序采用了模块化设计,软件由一个主程序和若干个子程序构成,其中,子程序主要完成一些单一的基本工能,主程序则主要负责完成对各个功能模块（即子程序）的调用,同时对车载终端的资源及逻辑作出规划。


　　下面就主程序的设计要点作出如下阐述：

　　当系统完成GPS及GPRS的初始化之后,即进行网络拨号、PPP协商、TCP联结等操作,当车载终端与服务器之间建立起网络联结之后,便可通过自定义的车载终端与服务器之间的通讯协议进行数据交互。

　　在此过程中,系统会首先判断,当前系统是否允许终端将GPS数据进行上传,并进行相应操作;同时,会检测是否收到控制命令（包括通过网络发出的控制命令,或通过短信方式发出来的命令,或是通过遥控器发出的控制命令）,倘若收到了控制命令,则对命令的合法性作出判断,并进行相应的处理。

　　同时,系统会定时对网络质量进行测试,倘若网络测试正常,则返回到继续判断控制命令及对系统当前状态进行处理;倘若网络测试不正常,则进行有限次尝试,倘若有限次尝试均以失败告终,而主动断开网络连结,并对GPRS作出复位及再次初始化操作,之后,再重复主程序的拨号、PPP协商、TCP联结及网络数据交互工作。

　　其中,与GPRS的数据交换,通过串行口UART0中断完成;与GPS的数据交换,通过串行口UART1完成;外部设备的硬件接口都由预先定义的串口来完成；另外,外部警情接收通过外部中断0和1完成。通讯超时及定时处理,由定时器TIME2完成,它们均以子程序的形式存在于车载终端控制软件中,同时还包括一些对GPRS、GPS模块进行初始化及设置,以及PPP协议、TCP/IP协议的解析与实现子程序。
五、司机操作屏的设计
在公交智能调度系统中，其中一个核心的部分就是自动报站，通过预先采集的站点信息和当前车辆的GPS位置进行对比，从通过MP3的方式在车辆喇叭中来播放车辆的相关位置信息，这个就是自动报站了。前面提到司机操作屏的相关功能信息，其实大部分的智能调度功能，都是由这个司机操作屏来完成。
这个司机操作屏由一块液晶屏和相关按键组成，分别代表了各种不同的功能，特别是系统菜单内包含了大量的公交业务方面的知识，这里涉及到相关公交ERP的内容，不同公交公司需求不一样，这里就不详细介绍了。

　　六、结语

　　利用GPRS的数据传输功能,对GPS数据进行实时传输,与以往GPS监控系统所采用的短信、GSM数据通道或DTMF数据传输等传统方法相比,运营成本得到了极大的降低,同时其可操作性及实时性也都有了显著的提高,而且成本较低,结构简单,达到了较高的可靠性。
本系统终端目前已经完全量产，同时通过了国家3C认证以及软件著作权证书，成功的在各大城市中有大量的应用。