一、 背景
从上世纪末开始，为了缓解经济发展带来的道路交通方面的压力，绝大多数国家的公共交通部门方面进行了大量的投入，都在研发各种先进的技术来改善交通状况，其中包括了对公交 车的定位、对车辆实施全方位的虽然有的监控、自动驾驶技术以及安装各种通讯技术来改善目前的交通事故道路交通拥挤的状况。目前智能交通运输系统中，投入相对较大以及取得成果比较明显的有美国、日本、韩国巴西等这些国家虽然有的起笔比较慢，但重视程度比较高，投入相对来说比较大，所以取得的成果也比较明显。
上世纪90年代，首都城乡一体化事业稳步发展，京郊公路已实现了网络化，但是公共交通只有长途汽车和少量小巴。随着城乡经济往来的日益频繁，交通问题变得更加突出。1993年9月，市公共交通总公司所属市长途汽车公司开通了市区通往远郊区县顺义的第一条公共汽车线路——915路，公共汽车从此延伸到了远郊区。
别看车票很小，上面却印着公司名称、票种、站名、面值、票号等多种信息。车票上的每一处小变化，都记录着历史的变迁与发展。从月票、纸质车票，再到“一卡通”，如今的刷码、刷智能手表……那张方寸之间印满铅字的小票券正成为过去。
1999年，北京公交电车制配厂在国内率先研发双动力电源无轨电车获得成功。同年，首批300辆CNG（压缩天然气）公交车率先在1路、4路投入运营。技术飞跃，18米LNG（液化天然气）铰接车驶上长安街。从在全国公交行业中首先试用氢燃料电池公交车，到投资130多亿元购置新型运营车迎保奥运，再到投运首条纯电动公交线路，绿色、环保的理念逐渐深入人心。
我国对只能公共交通的研究的起步也相对较晚，但我国政 府对推进城市智能公交的发展实施了一系列措施，在人力和财力资源上的投入都比较大，还在技术上提供了较大的帮助，这 些在一定程度上都促进了我国智能公共交通系统的发展。在我 国已经有很多城市在向公共交通系统发展，比如：在深圳、北京、武汉、上海等城市都实现了公交车支付宝直接支付公交车 费，在公共交通的站台安装智能电子站牌，在公共交通上都装上了利用 GPS 的定位设备，已经实现了对公交车的全方位定位查询，除此之外，乘客还能通过下载手机软件掌握每一班公交车的位置信息，方便乘客控制好乘坐时间，这些功能的实现，使得调度室对公共交通的调度更加方便快捷，利用计算机辅助管理智能公共交通系统，不仅能为乘客提供大量的帮助，还在 一定的程度上节约了大量的人力管理资源，减少了许多劳动支出，不仅如此，还大大提高了公共交通的服务水平，为缓解城市道路交通阻塞奠定了良好的基础。但我国各城市的公共交通系统依然还有很大的差距，对城市公共交通系统的研究还处于初级阶段，还不能真正的实现公共交通智能化，还不能把公共 交通中的各种信息进行有效的融合，所以我们还应该向其他公 共交通系统建立比较完善的国家借鉴和学习，再根据我国自身的情况进行调整，让我国的公共交通更加智能化。
城市公交就是本着为人民服务的原则给人们提供的一种方 便出行的交通工具，而城市公交智能管理系统是在为人民服务 的基础上更深层次的解决乘客的出行，公交管理部门的信息采 集，各路公交的运行数量，公交线路调度优化等的有效途径， 是城市公交走向智能化的一个必然趋势。城市公交智能管理系 统由多个部分组成，能将公交的各种信息进行有效的结合，城 市公交的智能调度管理系统的智能化程度越高，那么它为公交 企业带来的经济效益以及为社会做出的贡献会越大。城市公交智能管理系统是改善公交系统、解决道路交通阻塞的重要途径， 城市公交调度管理智能化，为城市公交制定出快捷的出行方案，人们出行时首先选择公共交通，这样在很大程度上就能解决道路交通阻塞的问题；城市公交实施智能调度管理系统的水平是 一个国家公交管理技术的一种象征，除此之外，智能调度管理系统还能促进城市公交企业的进步，能为政府的决策提出重要的参考依据，拥有智能化的公共交通管理系统，政府可以根据 系统里面的信息全方位的了解公共交通的实际运营情况，再根据实际的运营情况做出合理的调整，可以有效的改善城市交通环境，为提升城市的综合竞争力奠定良好的基础；智能化交通 管理系统还能让城市拥有良好的交通环境，能为乘客的出行提供更加方便快捷的出行服务，智能化交通管理系统可以让乘客提前预支车辆到达站点的准确时间，为乘客节省了大量的时间，还能缓解城市道路交通阻塞的情况；智能化交通管理系统还能降低能源的消耗，减少尾气的排放量，为城市的可持续发展做出相应的贡献。市民的出行大都选择城市公交的话，就能大大 降低对能源的消耗，因为城市公交与一般的民用汽车相比，具有客运量比较大，能源消耗比较小，投入的成本也相对较少，占用的道路面积也比较小等方面的优势。发展城市的道路公共交通是缓解城市道路压力的最优途径，是改善城市交通环境的必然选择。
二、 系统总体概述
智能公交运用先进的GPS/北斗定位技术、4G/5G通信技术、GIS地理信息系统技术，结合公交车辆的运行特点，由调度中心对车辆进行智能排班、智能调度、自动化统计并实现车辆到站预测和可视化智能公交站牌，以电子化、网络化、智能化方式管理公交车辆运营；智能公交实现了对公交运营车辆的实时监控和可视化调度，可提高车辆的满载率和公交系统的运输能力，从而提高公交企业的效益，进一步可以提升整个城市的信息化和智能化；目前一线城市以及部分省会城市已实现公交智能化或半智能化运营，但在众多中西部地区城市，智能公交调度系统基本处空白或者起步阶段，公交企业仍然依赖传统的纸质路单、到站人工签单调度，不具备实时调度指挥能力。
公交智能调度管理系统运行于公交调度中心，负责数据的综合处理。系统的基本功能是公交调度管理信息系统，依托系统进行公交调度的日常管理，完成公交公司调度计划的制定，车辆、人员的业务管理。同时，系统也是公交调度自动化、智能化的平台。系统应用物联网相关技术后，数据量将大大增加，在存储车辆、人员、站点相关信息时，将采用不同的数据库系统存储数据。需要采用异构数据集成技术，集成多个异构数据库，实现数据的互联互通，提供信息共享与交互的平台。依托该平台，利用数据挖掘、人工智能等分析软件，可以扩展出多个智能分析软件，从大量数据中，挖掘出有用的信息，为公交调度策略优化、线路优化和站点设置提供辅助支持。
三、 需求分析
智能公交调度系统需求可分为如下几大类：
（1）基础数据，基础数据管理是对智能公交调度系统运行所依赖的基础数据的录入编辑管理，包括：人事管理：公交企业内部人员信息的录入，包括驾驶员、乘务员、调度员的个人信息；车辆管理：公交企业所有公交车辆的基本信息录入，包括车牌号、车辆自编号、车辆安装 终端编号、车型、所属公交线路等； 线路管理：公交企业所有公交线路基本信息录入，包括：线路标识、线路名称、线路类型、线路包含站点、单程距离、首末班时间、大间隔和串车距离等；站点管理：公交企业所有公交站点基本信息录入，包括：站点标识、站点名称、站点经纬度等；场站管理：公交企业所有公交场站基本信息录入，包括：场站标识、场站名称、场站类型、 场站经纬度、场站半径等；用户管理：软件登录用户基本信息录入，包括：用户名、密码、使用期限、用户权限等；
（2）行车计划，运营概况：线路计划范围内运营基本信息，包括：首末班时间、各时间段单程时间、所需班型、所需班型数量等；计划生成：根据线路运营概况生成的行车计划；
（3）监控调度，实时定位：通过电子地图定位线路下运行车辆； 轨迹回放：查看历史行车轨迹；线路模拟：通过模拟线路展现形式显示线路下行驶车辆；实时调度：系统根据排班自动调度车辆发车，也可人工实时调整车辆与司机发车计划事件接受：平台接收车辆上传的特殊事件，包括：报警信息、违规信息、司机请求等； 消息收发：车辆和平台之间消息互动，包括：信息上传、消息下发；
（4）车辆到站预测，到站时间，车辆位置可视化、车辆速度、路况信息
（5）可视化智能公交站牌，显示时间、天气、下一辆公交车到站时间等
四、 总体设计
（1）公交调度中心
城市公交调度中心系统主要由信息服务系统（发布出行前的乘车信息、换乘信息、行车时刻表、票价信息等）、地理信息系统和GPS系统（接受定位数据、完成车辆信息的底图映射、地图的显示与编辑、车辆道路等信息查询、地图匹配、车辆状态信息的处理）、大屏幕显示系统（匹配司乘与车辆、动态显示车辆的调度信息、发车时间等）、协调调度系统和紧急情况处理系统组成。
（2）车载移动站
车载移动站主要负责公交车辆运营过程中的自动实时定位，便于公交车辆的统一管理、监控、调度或提供实时导航（包括路径选择优化等功能），它是多种技术集于一体的综合系统。
随着电子技术、卫星通信、5G移动通信和人工智能等技术的发展，自动车辆定位系统中逐渐采用了先进的电子设备，并形成了目前较为稳定的基本模型，主要包括GPS、GIS和INS等。
（3）电子站牌
公交车站的电子站牌由无线信号接收器、显示控制器、光带式车辆位置显示器、LED时间显示单元、电源及防护外壳、支架以及有源或无源的ID码发射器等几部分组成。电子站牌基于GIS和GPS技术，定时接收公交车辆的GPS时间信息，对内部时钟进行校正，并通过LED显示屏向站内乘客显示车辆的到站时间。
电子站牌不仅能动态显示车辆到站时间、距离本站最近的车辆行驶进程等信息，还有语音提示功能，能够预报车辆的位置和到站情况，实时提醒乘客上车。
（4）车载设备
对于智能化的公交车来说，车载设备也是非常重要的。为方便调度中心实时获取车辆信息并按需进行车辆调度，公交车辆安装包括GPS设备、监控软件系统、车载通讯设备、实时路况信息设备、车道偏离警示系统、倒车监控摄像机、自动停车系统和遥控启动系统等车载设备。不仅如此，为了给乘客因营造良好的乘车环境，现代公交车辆大多都安装了空调、语音广播、低延时WiFi等人性化车载设备，致力于提升乘客的出行体验。
如图所示为系统的基本组网架构图，前端子系统通过无线连接到互联网之后接入调度中心
五、 详细设计
5.1 硬件设施
车内液晶显示屏：
显示站点名称顺序，公交行进方向，下一站，票价计费规则，乘客文明守则以及北广传媒的电视内容。
刷卡扫码计费机：
刷卡扫码同步查验健康码信息功能，核酸阴性证明超有效期会自动提示，拥有中国移动提供的物联网带宽，保证通信正常高效。
入网方式：物联网
支持App：支付宝、亿通行、北京一卡通、北京公交；
支持付款方式：扫码、刷卡、手机NFC；
机上显示屏：公交站路数、起点站、终点站、下一站站名、公交费用、时间、信号强度
支付宝和北京一卡通的乘车码
智能公交站牌：
显示的日期、天气及公交车到站信息，极大方便了乘客的换乘。公交的到站预告需要结合公交车与车站距离数据、公交车速度信息、经过路段拥堵数据经验值等路况信息，来计算公交预计到站时间的。公交站牌二维码扫描结果显示站台的一些具体信息；站台监控用于监视站台设备及人流等；配电箱用于给站台供电以及提供一些测试、调试接口等。
硬件系统：主要是有电子显示屏、电子站牌综合控制管理器模块、电源管理模块、摄像头监控模块、无线/有线通信模块、GPS/北斗定位模块、LED 灯源模块等多个模块组成。
软件系统：主要是电子站牌管理系统。
智慧站台指示牌
公交站牌二维码扫描结果 站台监控
5.2 通信组网
如图所示为智能公交调度管理服务系统的通信组网架构图，我们将站台内的设备（摄像头、站牌等），车内设备（显示屏、刷卡扫码、GPS终端）通过5G无线路由接入APN专网之后再连接互联网，最后连接到调度管理服务中心，其中智能公交服务器提供对外的服务数据接口（如车辆到站预测等）而智能公交管理服务器提供对公交车、公交驾驶员、公交线路管理的各种功能。
5.3扫码刷卡计费子系统
应用物联网通信，后台关联北京健康宝核酸检测数据库，支持支付宝第三方支付、扫码支付、刷卡支付。
公交卡一般分为：普通卡、学生卡、老人卡
IC卡工作流程：读卡机实时的向外发射一定的电磁波，当IC卡进入电波的有效范围时，天线就会接收到电磁波，电磁波的实质就是电场与磁场的交变，而变化的磁场则会在天线、MPU和 FLASH ROM组成的闭合回路里产生电流。该电流为MPU提供能源并同时加载一定形式的数据信息。MPU先与读卡机同步，从FLASH ROM中取得 卡片身份资料，与读卡机进行验证。验证完成后，对FASH ROM内的金额数据进行操作。操作成功后向读卡机发送数据，由读卡机向使用者显示余额等信息。
乘客刷卡乘车后，车载机主机完成相应的扣款并存储相应的消费记录。当公交车进入总站后，车载主机的数据需要上传至服务器。早期的方式为半自动方式，即工作人员拿手持式数据采集器到车载机前“碰”一下，以此进行数据交换。如今发展成无线数据传输方式，多采用基于物联网的方式，公交车进站后，车载机物联网通讯模块自动连接到网络，车载机将本次机上存储数据自动上传至数据采集系统，并将黑名单及其它需下载内容下发到车载机上，此过程无人为干预。
二维码（2-dimensional bar code），是用某种特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向上）分布的黑白相间的图形记录数据符号信息，被设备扫描后可获取其中所包含的信息。在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图像输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理，它具有条码技术的一些共性，每种码制有其特定的字符集，每个字符占有一定的宽度，具有一定的校验功能等。同时还具有对不同行的信息自动识别功能、及处理图形旋转变化点。二维码优点主要包括存储的数据量更大，可以包含数字、字符，及中文文本等混合内容，有一定的容错性（在部分损坏以后可以正常读取），空间利用率高等。北京公交支持支付宝，微信小程序、北京一卡通等APP使用二维码进行乘车。
5.4智能公交站牌子系统
如今，城市公共交通系统都开始在往智能化、人性化方面发展，为了更好地解决以往乘客等待公交车时的盲目与无趣，“智能公交站牌”的诞生就显得特别重要。
智能公交站牌系统后台集成了公交到站发布系统、多媒体信息发布系统、GPS监控调度系统三大主流系统，公众可以通过其LED公告屏获悉所搭乘车辆等相关信息，并且可以更加合理地提前安排好出行计划。因此，智能公交站台的建设是一个十分重要的便民之举。
安装车载 GPS/北斗卫星定位设备的公交车将车况以及车辆行驶到的位置数据通过专用的通讯网络线路先发送到智能公交系统等控制中心系统。智能公交系统结合车载的其他数据收集设备发送回的数据、公共交通数据资源中心数据进行数据分析处理，具体包括公交运行数据集和实时公交位置、速度计算等，再将分析得到的公交预测信息发送到智慧公交站牌，最后智慧公交站牌对这些信息进行显示。
预告的成功除了跟 GPS 等定位系统的精确程度相关，也需要后台数据库、分析系统的支撑。后台数据库会存储之前的公交运行记录，比如说早高峰、晚高峰、工作日、休息日等不同时段公交车到达各公交站点的情况。相关算法模型以及分析系统通过分析实时数据和历史数据来实现准确分析预测，随着云计算、5G 等技术的融入，预测准确性进一步提升。此外智慧公交站牌也通过 GPS 和摄像头等设备采集公交和候车乘客人数等数据，通过无线通信网络也发送到智能公交系统，帮助公交管理部门根据客流量调整车辆调度投放和进行公交路线分析预测。总结来讲，智慧公交站牌除了信息显示这一核心功能外，还承担着数据采集的工作
现场数据采集端：通过GPS车载终端、监控等设备实时对相关数据进行监控和采集，并将相关数据上传至数据中心。
网络传输端：由工业级无线路由器与数据采集端相连接，通过运营商网络使前端与数据中心建立一条数据通道，将前端采集的数据例如公交车行驶状况，定位等数据发送至装有无线通信设备的智能公交站牌中，最终将结果展现出来。
数据中心端：服务器通过接收来自前端的传输数据进行储存备份与展示，通过上云助手部署组态软件，还可将数据已图形方式进行直观展现，便于管理维护人员统一分析处理。
六、 后端系统
如图所示为后端系统的数据架构图，可见数据经过终端采集到调度管理服务中心后，服务中心对数据资源进行整合统一管理并对行业内部门和行业外部门提供相关的数据服务。以此衍生出各种各样的大众便民和监控管理服务。
如下图所示为本公交车智能调度管理服务系统的架构图，其有如下构成部分：SOA城市公交数据资源中心：电子地图信息、公交GPS数据、车载视频信息、站台视频信息、路况视频信息、车辆企业人员数据、应急资源信息、应急预案管理；SOA服务接口：GIS服务、卫星定位服务、视频监控服务、基础信息服务、应急资源服务、检测预警接口；应用层面：公交运营信息管理、公交车辆动态监控、公交调度与监控、应急动态管理；用户使用：公交企业人员、应急值班人员、现场工作组、社会大众
