智能交通應用方案

基于有源RFID的公交智能化
應用解決方案
系統目標
 政府宏觀決策層面：系統構成基本的信息采集平臺，決策部門可掌握各條公交線路的車流與客流信息，為進一步優化公交網線，合理配置公交資源提供可靠的參考數據。可通過公交優先策略的實施，更多鼓勵市民公共交通出行，以緩解城市擁堵問題。
 市民公交信息發布層面：系統全面建成后,市民可通過公交站點電子站臺了解各線路的營運班次分布情況、車輛到站時刻表、將到站車輛的載客情況。為市民提供公交信息服務，方便市民選擇出行路線。
 營運管理層面：公交公司能以較低的投入成本和運營成本進行公交營運 的智能化調度管理，系統不僅能根據排定的時刻表自動調度車輛（必要時可人工干預調整），還可及時反饋車輛運行情況，包括本路線即時客流情況、司機的駕駛情況等，實現自動報站，并對不良駕駛、操作習慣作實時監控， 有效降低營運折舊和油耗，最大程度減少事故隱患，保障人民生命和公共財產的安全。
系統特點
 政府決策依據數字量化。使得公交營運過程可以跟蹤和監控，實時了解 各線路運營情況，及時統計運營線路報表情況。為公交線網調整，資源 配置決策提供科學參考依據。
? 市民可以通過本系統直觀了解線路班次時刻。還可通過建成的電子站臺實時了解各車輛分布情況、滿載程度等。
? 營運管理全程自動化。系統使用從車輛識別、營運安全監控、數據采集傳輸、調度排班、營運數據統計分析等全過程自動化實現，調度員僅需簡單的干預操作即可實現繁瑣復雜的現場調度操作，系統能夠自動記錄整個營運過程的各種狀態數據，便于統計、編制報表 和決策挖掘分析。
? 公交線路自動化調度。最大限度地滿足公交行業對智能化的需要，改變了以往老的單人單線路調度模式，提高調度效率。
? 安全營運實時監控和實時教育。在加強安全營運管理方面，做到行駛中 違規操作駕駛自動報警、營運后自動分析比對的“雙自動”功能。對改 變駕駛員不良駕駛習慣起到促進作用。
? 低投入和低運營成本，符合公交企業實際狀況。使用成本低，建設成本也應相對較低，以適合公交行業的推廣。
 系統具備極強的擴展功能和豐富的接口設計。系統的設計能夠兼容各項 主流技術，可擴展客流統計器、公交車內公共安全視頻監控防范、市民 出行信息發布平臺等各方系統預留了接口。
解決方案滿足政府監管需求
 公交運營信息發布。
 數據資源共享。
 統一規劃，分布實施。
 營運場所（涵蓋營運車廂內部）公共安全監控
 每日線路（車）營運公里。
 每日各線路的運營車速。
 每日線路（車）人次。
每日各線路的車班次到站時刻、準點率、車距間隔、最大間隔次數。
解決方案滿足營運單位管理需求
 提高管理效率 公交信息化和基礎數據采集 自動化調度
安全行駛操作監控和安全營運教育相結合
 違規駕駛操作自動報警和不良駕駛行為預警提示
車載智能終端（行駛記錄儀+GPS+GPRS+客流統計）
 車輛身份識別和駕駛員身份識別 數據傳輸和遠程通訊
營運信息公示和發布（公交站點電子顯示牌）
營運統計和自動報表系統 行駛狀況分析和數據挖掘
系統方案
設計原則
前瞻性：在總體規劃、分布實施、結構開放、梯隊推進的原則指導下，操作 務實、成本可控、點面互動效應，正確認識和著力構建優劣因素的切換機制。
先進性：系統體現先進的管理思想和業務模式，并采用領先的軟件開發技術，
具有強大的數據統計分析及輔助決策能力。
基礎性：足夠正視信息流在未來公共交通發展格局的基礎性價值和意 義，應將信息流所可能引發的各類拉動效果，置于整個行業發展背景和戰略 體系中評析與對待，認真解決現代信息應用管理模式和交通行業各種基礎管 理要素之間的互動關系，透過構建信息流的基礎支撐力，提高行業發展的優 勢能力。
實用性：應當本著立足現實、著眼未來的原則，有效解決技術創新和管理創 新兼備的實用性問題，通過最合理的階段性投入產出統籌，建立杠桿效應明 顯的發展拉動能力，以務實的操作思路，求取各相關方面的參與積極性，認 真克服一步到位、一蹴而就的虛浮式建設思路，形成實用性基礎上的發展有 效性、推進有序性和累計先進性。
靈活性：系統的各種設備的規則都是參數化的，可以由使用者設置，以適應
不同的復雜環境下保證產品正常工作。
安全可靠性：系統用戶角色眾多，因而采用了國際標準的先進成熟技術，確 保系統及數據的安全可靠和連續穩定。使用金融級別密鑰管理系統，保證數 據存儲、傳輸使用密鑰加密，并且密鑰由使用方生成，包括開發人員在內的 人都無法截取到系統密鑰。密鑰可以隨系統升級進行更換，而不影響使用。
友好性：在功能、操作、速度、容量等方面全面滿足目前業務多方位的需要。
系統采用實時操作，友好的圖形用戶界面。
兼容性：必須注意解決與原有信息系統設施及管理模式的兼容性問題,應在成 本約束、方案可行、技術使用、效用明顯的原則下，實現新方案。
可擴展性：系統保持豐富的軟件和硬件接口，采用模塊化設計，具有極強的
擴展性，能夠適應業務變化和擴展的需要。
可維護性：系統具有完備的資源規劃及配制管理，以降低系統管理的難度及 工作量。同時，具備健全的文檔及完整的源碼，以便及時滿足必要的運作維 護需要。系統維護簡單、性價比高。
延伸性：充分顧及信息流應用管理所必然產生的延伸性問題，要將信息流的 內在價值與多角化服務擴展能力有機結合，在效率優先的前提下，形成強化交通行業發展空間的張力，將信息作為新穎的生產和發展要素，帶動其 他各類相關要素的創新優化。
建設內容
系統分以下五個部分：
 數據中心
 公交營運分公司/樞紐站
 營運調度現場
 車輛終端
 網絡（Internet 網和 GPRS 網）
系統結構
系統包括數據中心平臺、分公司/樞紐站調度現場系統、站點報到系統和網 絡系統四部分組成，各系統之間以 Internet 為基礎，采用 VPN 技術構建一個專用 私網。數據中心通過專線連接在 Internet 上，分公司系統和調度現場系統采用 ADSL 或撥號接入總公司 VPN 網絡中。各站點用于車輛識別、數據傳輸的設備 通過商業移動網絡接入數據中心。
系統結構示意圖如下：

簡要流程
1) 每輛車上安裝客流自動分析儀和車載終端（帶GPS+RFID車輛標簽）的多功能安全行駛記錄儀）
2) 每個公交站點安裝一個帶無線傳輸功能的讀寫器。
3) 所有的公交車輛自動統計上下乘客，并存儲到多功能安全行駛記錄儀。
4) 各樞紐站調度員將班次安排數據上傳到數據中心，并通知當班車發車。
5) 當班車駛離起點站后，駛離時間和車次信息自動上傳數據中心。
6) 當班車輛行駛過程中，將客流統計結果和車輛號牌通過車載設備上的GPRS 直接上傳）
7) 數據中心根據接收到的各車輛客流信息，即可掌握全區域內客流情況。
8) 數據中心根據不同車輛到達各站臺的位置坐標信息比對，以到達時間對 比調度安排信息，即可掌握全區域內車輛行駛軌跡、運行分布情況。
9) 數據中心將不同線路的當班車到站信息，發布到該線路的后繼站點，告 知等候乘客：該線路下班車當前行駛在何站，以及車輛滿載程度。市民 可以根據獲知信息及時調整出行路線。
10) 數據中心對各項數據的進行存儲、分析、處理。便于政府和決策主管部 門事后統計分析。
11) 整個系統的網絡傳輸可以選擇現今成熟的 GSM/GPRS/CDMA 商業網絡。
12) 行駛記錄儀記錄的車輛行駛運行數據（如急剎車、未關門行駛、營運公里），由于數據量較大，為不影響報到/客流數據的實時傳送，全部在當班車輛返回樞紐站后，以無線傳輸的方式集中自動下載。如需即時了 解，可主動信號請求查詢。這些數據的實時性要求不高，且只有營運公 司予以關心。
系統產品的功能特點
客流數據采集
 利用光學原理，可靠性好，穩定性高，性價比高。
接口豐富設計，兼容多種系統，可嫁接性好。
自動測流，自動判別多級票制
 人性化設計，安裝簡便
全市所有通過專用網絡連接到數據管理中心。
車輛多功能安全行駛記錄儀
基于大力發展公共交通設施的號召，我們結合公共交通實際情況，針對 GPS 應用 的缺陷和覆蓋盲點，我們公司采用 RFID 技術原理，自主研發兼容 GPS 技術的2.45GHz 有源 RFID 車輛身份識別/報到/數據傳輸的多功能安全行駛記錄儀。
交通安全法制化、規范化
 交通事故責任易認定
 自檢功能
B/S架構，具有快速反應能力和極強擴展性。
 16 路 I/O，支持多路傳感器
 鐵電存貯器，數據高效可靠
 車輛行駛速度的測量、記錄、存儲功能
 實時時間、日期及駕駛時間的采集、記錄、存儲功能
 車輛每日行駛里程（營業、非營業）的測量、記錄、存儲功能
 車輛門未關起步及未停妥開門記錄、存儲功能
站點里程記錄，監視到站時間
 輛遠光、近光、轉向、剎車燈的開關次數記錄功能
 異常制動記錄
 客流統計接入（需配備公交客流自動統計器）
無線車輛身份識別功能
 近距離無線傳輸資料功能
 IC 卡、USB 口傳輸冗余設計功能
 語音輸出模塊
 自動報站模塊功能
 顯示輸出、打印模塊功能
 駕駛員身份鑒別和記錄功能（可選）
 GPS 定位功能
 GPRS 無線傳輸模塊
 車載電話系統（可選）
車輛身份識別和安全數據采集
系統采用微波無線通訊技術實現車輛的身份識別及行車記錄儀安全數據的 采集。該技術采用 433Mhz 的微波通訊技術，當車輛進站時，通過通訊模塊實現 車輛的身份識別，然后將該公交車行車記錄儀采集的安全數據采集至調度計算機。
該無線通訊技術距離遠、傳輸速度快，最大識別距離可以達到 60-200 米，車輛識別速度小于 0.1 秒。同站臺實測并發識別車輛為 8~10 臺。采用該技術具有顯著的優點：
距離長：一般公交站場地比較開闊，長距離的識別技術可以保證進站車 輛能夠被及時的進行識別和處理；
 抗干擾：技術采用的微波通訊頻率高，可以有效地抵抗一般環境下的電 子干擾，不受各種天氣因素的影響；
 自動化程度高：車輛身份識別、數據采集、傳輸全部由系統自動完成， 不需人工干預，可靠性高，勞動強度低；
 成本低：技術為國內自主研發，車載部分和固定通訊模塊成本低；
單點單人多線路調度
本方案設計的線路單點調度，即公交線路只在起點站設置調度人員，終點站 通過起點站的調度人員進行遠程管理。

如結構圖所示，系統采用了無線通訊模塊、GRPS 通訊模塊和車站顯示牌三個設備協同的工作模式。工作流程如下：

公交站點智能化顯示（可選）
采用人性化設計，直觀視覺感受。為市民服務。
高亮度、大視角 LED 管顯示
結合客流統計系統，顯示最近車次的載客程度。
 結合站點報到系統顯示當前運營車輛所在位置
 GPRS 數據傳輸
數據中心平臺建設
 數據管理中心具備全套雙機備份系統，能夠在遭到攻擊后以最短時間恢
 復系統功能。
加強網絡防范，防止病毒和黑客攻擊。
完善的人員培訓機制。提高技術人員的技術能力。
建立應急預案機制。
附件
GPS 技術簡介
全球定位系統(GPS)是本世紀 70 年代由美國陸海空三軍聯合研制的新一代 空間衛星導航定位系統 。其主要目的是為陸、海、空三大領域提供實時、 全天 候和全球性的導航服務，并用于情報收集、核爆監測和應急通訊等一些軍事目的， 是美國獨霸全球戰略的重要組成。經過 20 余年的研究實驗，耗資 300 億美元， 到 1994 年 3 月，全球覆蓋率高達 98%的 24 顆 GPS 衛星星座己布設完成。
全球定位系統由三部分構成：
地面控制部分，由主控站(負責管理、協調 整個地面控制系統的 工作)、地面天線(在主控站的控制下，向衛星注入尋電文)、 監測站(數據自動收集中心)和通訊輔助系統(數據傳輸)組成；
 空間部分，由24 顆衛星組成，分布在 6 個道平面上；
 用戶裝置部分，主要由 GPS 接收機和衛星天線組成。
全球定位系統的主要特點：
全天候；
全球覆蓋；
 三維定速定時高精度；
 快速省時高效率：
 應用廣泛多功能。
全球定位系統的主要用途：
? 陸地應用，主要包括車輛導航、應急反應、大氣物理觀測、地球物理資源勘探、工程測量、變形監測、地殼運動監測、 市 政規劃控制等；
? 海洋應用，包括遠洋船最佳航程航線測定、船支實時調度與 導航、海洋救援、海洋探寶、水文地質測量以及海洋平臺定位、海平面升降監測 等；
? 航空航天應用，包括飛機導航、航空遙 感姿態控制、低軌衛星定軌、導 彈制導、航空救援和載人航天器防護探測等。
GPS 衛星接收機種類很多，根據型號分為測地型、全站型、定時型、手持型、 集成型；根據用途分為車載式、船載式、機載式、星載式、彈載式。
經過 20 余年的實踐證明，GPS 系統是一個高精度、全天候和全球性的無線 電導航、定位和定時的多功能系統。 GPS 技術已經發展成為多領域、多模式、 多用途、多機型的國際性高新技術產業。
GPS原理
24 顆 GPS 衛星在離地面 1 萬 2 千公里的高空上，以 12 小時的周期環繞地球運行，使得在任意時刻，在地面上的任意一點都可以同時觀測到 4 顆以上的衛星。
由于衛星的位置精確可知，在 GPS 觀測中，我們可得到衛星到接收機的距離， 利用三維坐標中的距離公式，利用 3 顆衛星，就可以組成 3 個方程式，解出觀測 點的位置(X,Y,Z)。考慮到衛星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差，實際上有 4 個 未知數，X、Y、Z 和鐘差，因而需要引入第 4 顆衛星，形成 4 個方程式進行求解， 從而得到觀測點的經緯度和高度。
事實上，接收機往往可以鎖住 4 顆以上的衛星，這時，接收機可按衛星的星座分布分成若干組，每組 4 顆，然后通過算法挑選出誤差最小的一組用作定位， 從而提高精度。
由于衛星運行軌道、衛星時鐘存在誤差，大氣對流層、電離層對信號的影響， 以及人為的 SA 保護政策，使得民用 GPS 的定位精度只有100米。為提高定位精度，普遍采用差分 GPS(DGPS)技術，建立基準站(差分臺)進行GPS 觀測，利用已 知的基準站精確坐標，與觀測值進行比較，從而得出一修正數，并對外發布。接 收機收到該修正數后，與自身的觀測值進行比較，消去大部分誤差，得到一個比 較準確的位置。實驗表明，利用差分 GPS，定位精度可提高到 5 米。
GPS 前景
由于 GPS 技術所具有的全天候、高精度和自動測量的特點，作為先進的測量手段和新的生產力，已經融入了國民經濟建設、國防和社會發展的各個應用領域。
隨著冷戰結束和全球經濟的蓬勃發展，美國政府宣布 2000 年至 2006 期間， 在保證美國國家安全不受威脅的前提下，取消 SA 政策，GPS 民用信號精度在全 球范圍內得到改善，利用 C/A 碼進行單點定位的精度由 100 米提高到 20 米，這 將進一步推動 GPS 技術的應用，提高生產力、作業效率、科學水平以及人們的生 活質量，刺激 GPS 市場的增長。據有關專家預測，在美國，單單是汽車 GPS 導航 系統，2000 年后的市場將達到 30 億美元，而在我國，汽車導航的市場也將達到50 億元人民幣。可見，GPS 技術市場的應用前景非常可觀。
RFID（Radio frequency identification）技術即射頻識別技術，屬于自動識別技術。指將應用低頻、短波、乃至紅外和激光等無線電頻譜中的各種技術和 方法所組成的能提供關于個人、動物、貨物和商品信息的非接觸識別系統稱為射 頻識別系統。射頻識別技術能克服環境因素的限制，并具有良好的使用性能。與 磁卡、接觸式 IC 卡等識別技術不同，RFID 系統的電子標簽與讀寫器之間無需物理接觸就可完成識別，因此它可實現多目標識別、運動目標識別，可在不同場合 中更廣泛地應用。它以無線方式通信，無須外露電觸點，可以抵抗惡劣環境。
由于它的這些優點，國外 RFID 已被廣泛應用于諸如工業自動化、商業自動 化、交通運輸控制管理等領域；汽車、火車等交通控制；高速公路的收費系統； 物品管理；流水線生產自動化；門禁系統；金融交易；倉儲管理等。如在貨物的 跟蹤、管理及見空方面，澳大利亞和英國的西思羅機場將 RFID 技術應用于旅客 行李管理中，大大提高了分揀效率，降低了出錯率。1996 年 l 月韓國在漢城的600 輛公共汽車上安裝 RFID 系統用于電子月票，還計劃將這套系統推廣到鐵路 和其他城市。德國漢莎航空公司試用非接觸的射頻卡作為飛機票，改變了傳統的 機票購銷方式，簡化了機場入關的手續。Motorola 公司在超凈車間里利用燈 ID 系統來控制流水線的零件流向等等在車輛自動識別方面，早在 1995 年北美鐵路系統就采用了射頻識別接受。
裝有射頻標簽的汽車能被自動識別，無須停車繳費，大大提高了行車速度和效率。 目前，射頻識別系統正在逐步取代原有的很多自動識別系統。
射頻識別技術在國內剛剛出現，但發展速度是相當驚人的。在我國，射頻卡主要應用于公共交通、地鐵、校園、社會保障等方面，通過使用射頻識別技術來 進行電子貨幣消費。上海、深圳、北京等地陸續采用了射頻公交卡。在未來的一、 兩年，我國射頻卡應用最大的項目將是第二代公民身份證。但是在技術領域方面， 國內真正從事 RFID 技術研究的部門或單位較少，往往需要向國外大公司購買配套器件。這些具有壟斷實力的公司主要是：Motorola、Philip、Mifare、Atmel、 Tcmic 等，況且它們的技術嚴格保密。因此，為適應信息科學技術的迅猛發展， 研究開發具有國內自主知識產權的 RFID 系統具有十分重要的意義。
目前國內外針對電子標簽在公共交通領域的研究與應用蓬勃發展，在歐洲一些國家，公交場站的射頻識別已經應用多年，例如法國的一些城市（馬賽、圖盧 茲等），遠距離電子標簽已經在公交場站上大量應用。主要應用在對公交車輛進 行數字化處理，也就是對在實際運行或者處于運營狀態下的公交車輛的電子化身 份，進行非接觸、動態、遠距離、實時的電子身份識別，從而為公交的現代化管 理、運營及服務提供堅實的技術基礎及保障。滿足公交行業的實際應用要求。
表 1各種識別系統的優缺點比較
系統參數 條形碼 光學符號識別 語音識別 指紋識別 IC卡 RFID
數據量(Byte) 1~100 1~100 N/A N/A 16~64K 16~64K
數據密度 小 小 高 高 很高 很高
機器閱讀的可讀性 好 好 費時間 費時間 好 好
受污染/潮濕影響 很小 很小 N/A N/A 可能（接觸） 沒有影響
受方向和位置影響 很小 很小 N/A N/A 一個插入方向 沒有影響
磨損 有條件的 有條件的 NA N/A 接觸 沒有影響
讀取設備成本 很少 一般 很高 很高 很少 一般
數據被篡改可能性 容易 容易 可能 不可能 不可能 不可能
讀取速度 低（4s) 低(3s) 很低(>5s) 很低(5~10s) 低(4s) 很快(0.5s)
數據載體與讀寫器的最大距離 0~50cm <1cm（掃描儀） 0~50cm 0~50cm 直接接觸 0~200米微波

兩種技術的應用性能對比
從實時性上來說，運用 GPS 坐標能夠最大限度地判定車輛的停、駛位置，但是，由于目前我國不掌握 GPS 技術的核心設備，使用的是美國提供的民用免費公開定位坐標，而且定位精度在十米級別，這就給應用帶來困難。下面從不同方面據以詳細闡述。
可靠性對比
GPS 技術是采用衛星定位物體在全球上的唯一坐標，由于地球軌道運動的偏移性，地球表面大陸板塊的漂移性，加上太陽黑子運動、其他天體運動對地球的 影響，這些都將導致地面目標的經緯坐標會有細微的變化。國際上商業應用公司通常會對自己系統適用范圍內的坐標每隔 1~2 年進行以一次坐標修訂，這些工作費時費力，需要消耗相當高的營運成本。
一般城市還有一個特點，就是市中心地區比全國其他城市擁有更多更密集的高樓大廈、立交橋、隧道，這些建筑對衛星信號遮擋、吸收、反射干擾，都會使定位難度增加，目前運用彌補措施（比如“陀螺儀”），能夠局部修正獲取丟失的坐標。
RFID 技術由于以站點為計量單位，實到實測，站點位置相對開闊，近距離識別，抗干擾性好，識別準確有效。只要改善傳輸網絡負載，傳輸延時（通常在0.5 秒以內）忽略不計。顯示位置效果與市民直觀感覺相同，有較好的表現效果。 缺陷的地方就是當車輛介于 2 站之間位置時候無法判定位置，當車輛離開規定線路后無法了解車輛位置。對于這樣的問題，可以通過路面交通執法部門的監督管 理，能夠避免管理盲區。
實用性對比
GPS 技術由于采用固定間隔時間采集數據，對于不同車速行駛所對應的間隔距離有很大不同，（車速從 0~60 公里/小時）這樣取定恰當的時間間隔非常重要，時間間隔過小，采集數據頻度高，數據總量大，對存儲、傳輸、處理都有非常大 的壓力。時間間隔過大，采集數據總量小，由于網絡傳輸的不確定性因素導致過 站、跳站現象嚴重。
而RFID 技術采集數據是以固定位置間隔（站站之間約為 500 米）為最小單 位，對車輛行駛速度的干擾沒有影響，而且固定位置間隔采集的數據量較合適， 既不影響處理分析，又能以較小的數據流量（通信費最低），較低的存儲空間， 達到最為滿意的使用效果。
穩定性對比
系統穩定性表現在設備穩定和系統抗干擾能力方面。
設備硬件的穩定性對于兩種技術大體相同，但是 GPS 的坐標飄移，數據總流量增大導致系統復雜度提高，從而影響系統穩定。
抗干擾能力方面，GPS 定位技術對建筑物吸收衛星信號敏感，且難以改進。 RFID 技術采用近距離無線通訊，從當今各類近距離通訊設備使用情況來看， 很容易做到低功耗、輻射環保、抗干擾能力強。非常適用于相對開闊的站點場景。
對于同一站區來說，物理面積決定同時只能停靠 4~6 輛公交車。而我們的設備在樞紐站實測能夠到 8~10 輛公交車同時報到。抗干擾方面完全符合要求。
而且，近距離通信設備對適應惡劣環境的調整較容易，針對復雜場景可以采 用增加設備、增加天線、調整天線安裝位置、角度等方式增強處理容量。這使整 個系統的穩定性容易調整。
工程實施復雜度
GPS 技術在工程實施操作方面，僅對車輛進行改造，對于站臺顯示方面可以
視建設應用需要而逐步改造，較為靈活方便。
RFID 技術由于較為依賴讀寫設備，對于站臺改造有比較迫切的要求，改造 覆蓋率對這個系統的實用性較為敏感。這給整個系統的工程操作帶來難度，需要 協調較多的行政許可部門（如景觀許可、市政動土，管線、電力等）。
系統擴展性對比
GPS 僅僅提供位置信息，在特定應用場合，并不能作為車輛身份的識別標志， 從而限制許多擴展應用，如車輛進入加油站、修理廠、停車場，僅靠地面物體經 緯坐標位置信息不能作為車輛識別標志。
RFID 技術則可準確判定車輛身份，利于較好的擴展應用。