智能交通应用方案

基于有源RFID的公交智能化
应用解决方案
系统目标
 政府宏观决策层面：系统构成基本的信息采集平台，决策部门可掌握各条公交线路的车流与客流信息，为进一步优化公交网线，合理配置公交资源提供可靠的参考数据。可通过公交优先策略的实施，更多鼓励市民公共交通出行，以缓解城市拥堵问题。
 市民公交信息发布层面：系统全面建成后,市民可通过公交站点电子站台了解各线路的营运班次分布情况、车辆到站时刻表、将到站车辆的载客情况。为市民提供公交信息服务，方便市民选择出行路线。
 营运管理层面：公交公司能以较低的投入成本和运营成本进行公交营运 的智能化调度管理，系统不仅能根据排定的时刻表自动调度车辆（必要时可人工干预调整），还可及时反馈车辆运行情况，包括本路线即时客流情况、司机的驾驶情况等，实现自动报站，并对不良驾驶、操作习惯作实时监控， 有效降低营运折旧和油耗，最大程度减少事故隐患，保障人民生命和公共财产的安全。
系统特点
 政府决策依据数字量化。使得公交营运过程可以跟踪和监控，实时了解 各线路运营情况，及时统计运营线路报表情况。为公交线网调整，资源 配置决策提供科学参考依据。
? 市民可以通过本系统直观了解线路班次时刻。还可通过建成的电子站台实时了解各车辆分布情况、满载程度等。
? 营运管理全程自动化。系统使用从车辆识别、营运安全监控、数据采集传输、调度排班、营运数据统计分析等全过程自动化实现，调度员仅需简单的干预操作即可实现繁琐复杂的现场调度操作，系统能够自动记录整个营运过程的各种状态数据，便于统计、编制报表 和决策挖掘分析。
? 公交线路自动化调度。最大限度地满足公交行业对智能化的需要，改变了以往老的单人单线路调度模式，提高调度效率。
? 安全营运实时监控和实时教育。在加强安全营运管理方面，做到行驶中 违规操作驾驶自动报警、营运后自动分析比对的“双自动”功能。对改 变驾驶员不良驾驶习惯起到促进作用。
? 低投入和低运营成本，符合公交企业实际状况。使用成本低，建设成本也应相对较低，以适合公交行业的推广。
 系统具备极强的扩展功能和丰富的接口设计。系统的设计能够兼容各项 主流技术，可扩展客流统计器、公交车内公共安全视频监控防范、市民 出行信息发布平台等各方系统预留了接口。
解决方案满足政府监管需求
 公交运营信息发布。
 数据资源共享。
 统一规划，分布实施。
 营运场所（涵盖营运车厢内部）公共安全监控
 每日线路（车）营运公里。
 每日各线路的运营车速。
 每日线路（车）人次。
每日各线路的车班次到站时刻、准点率、车距间隔、最大间隔次数。
解决方案满足营运单位管理需求
 提高管理效率 公交信息化和基础数据采集 自动化调度
安全行驶操作监控和安全营运教育相结合
 违规驾驶操作自动报警和不良驾驶行为预警提示
车载智能终端（行驶记录仪+GPS+GPRS+客流统计）
 车辆身份识别和驾驶员身份识别 数据传输和远程通讯
营运信息公示和发布（公交站点电子显示牌）
营运统计和自动报表系统 行驶状况分析和数据挖掘
系统方案
设计原则
前瞻性：在总体规划、分布实施、结构开放、梯队推进的原则指导下，操作 务实、成本可控、点面互动效应，正确认识和着力构建优劣因素的切换机制。
先进性：系统体现先进的管理思想和业务模式，并采用领先的软件开发技术，
具有强大的数据统计分析及辅助决策能力。
基础性：足够正视信息流在未来公共交通发展格局的基础性价值和意 义，应将信息流所可能引发的各类拉动效果，置于整个行业发展背景和战略 体系中评析与对待，认真解决现代信息应用管理模式和交通行业各种基础管 理要素之间的互动关系，透过构建信息流的基础支撑力，提高行业发展的优 势能力。
实用性：应当本着立足现实、着眼未来的原则，有效解决技术创新和管理创 新兼备的实用性问题，通过最合理的阶段性投入产出统筹，建立杠杆效应明 显的发展拉动能力，以务实的操作思路，求取各相关方面的参与积极性，认 真克服一步到位、一蹴而就的虚浮式建设思路，形成实用性基础上的发展有 效性、推进有序性和累计先进性。
灵活性：系统的各种设备的规则都是参数化的，可以由使用者设置，以适应
不同的复杂环境下保证产品正常工作。
安全可靠性：系统用户角色众多，因而采用了国际标准的先进成熟技术，确 保系统及数据的安全可靠和连续稳定。使用金融级别密钥管理系统，保证数 据存储、传输使用密钥加密，并且密钥由使用方生成，包括开发人员在内的 人都无法截取到系统密钥。密钥可以随系统升级进行更换，而不影响使用。
友好性：在功能、操作、速度、容量等方面全面满足目前业务多方位的需要。
系统采用实时操作，友好的图形用户界面。
兼容性：必须注意解决与原有信息系统设施及管理模式的兼容性问题,应在成 本约束、方案可行、技术使用、效用明显的原则下，实现新方案。
可扩展性：系统保持丰富的软件和硬件接口，采用模块化设计，具有极强的
扩展性，能够适应业务变化和扩展的需要。
可维护性：系统具有完备的资源规划及配制管理，以降低系统管理的难度及 工作量。同时，具备健全的文档及完整的源码，以便及时满足必要的运作维 护需要。系统维护简单、性价比高。
延伸性：充分顾及信息流应用管理所必然产生的延伸性问题，要将信息流的 内在价值与多角化服务扩展能力有机结合，在效率优先的前提下，形成强化交通行业发展空间的张力，将信息作为新颖的生产和发展要素，带动其 他各类相关要素的创新优化。
建设内容
系统分以下五个部分：
 数据中心
 公交营运分公司/枢纽站
 营运调度现场
 车辆终端
 网络（Internet 网和 GPRS 网）
系统结构
系统包括数据中心平台、分公司/枢纽站调度现场系统、站点报到系统和网 络系统四部分组成，各系统之间以 Internet 为基础，采用 VPN 技术构建一个专用 私网。数据中心通过专线连接在 Internet 上，分公司系统和调度现场系统采用 ADSL 或拨号接入总公司 VPN 网络中。各站点用于车辆识别、数据传输的设备 通过商业移动网络接入数据中心。
系统结构示意图如下：

简要流程
1) 每辆车上安装客流自动分析仪和车载终端（带GPS+RFID车辆标签）的多功能安全行驶记录仪）
2) 每个公交站点安装一个带无线传输功能的读写器。
3) 所有的公交车辆自动统计上下乘客，并存储到多功能安全行驶记录仪。
4) 各枢纽站调度员将班次安排数据上传到数据中心，并通知当班车发车。
5) 当班车驶离起点站后，驶离时间和车次信息自动上传数据中心。
6) 当班车辆行驶过程中，将客流统计结果和车辆号牌通过车载设备上的GPRS 直接上传）
7) 数据中心根据接收到的各车辆客流信息，即可掌握全区域内客流情况。
8) 数据中心根据不同车辆到达各站台的位置坐标信息比对，以到达时间对 比调度安排信息，即可掌握全区域内车辆行驶轨迹、运行分布情况。
9) 数据中心将不同线路的当班车到站信息，发布到该线路的后继站点，告 知等候乘客：该线路下班车当前行驶在何站，以及车辆满载程度。市民 可以根据获知信息及时调整出行路线。
10) 数据中心对各项数据的进行存储、分析、处理。便于政府和决策主管部 门事后统计分析。
11) 整个系统的网络传输可以选择现今成熟的 GSM/GPRS/CDMA 商业网络。
12) 行驶记录仪记录的车辆行驶运行数据（如急刹车、未关门行驶、营运公里），由于数据量较大，为不影响报到/客流数据的实时传送，全部在当班车辆返回枢纽站后，以无线传输的方式集中自动下载。如需即时了 解，可主动信号请求查询。这些数据的实时性要求不高，且只有营运公 司予以关心。
系统产品的功能特点
客流数据采集
 利用光学原理，可靠性好，稳定性高，性价比高。
接口丰富设计，兼容多种系统，可嫁接性好。
自动测流，自动判别多级票制
 人性化设计，安装简便
全市所有通过专用网络连接到数据管理中心。
车辆多功能安全行驶记录仪
基于大力发展公共交通设施的号召，我们结合公共交通实际情况，针对 GPS 应用 的缺陷和覆盖盲点，我们公司采用 RFID 技术原理，自主研发兼容 GPS 技术的2.45GHz 有源 RFID 车辆身份识别/报到/数据传输的多功能安全行驶记录仪。
交通安全法制化、规范化
 交通事故责任易认定
 自检功能
B/S架构，具有快速反应能力和极强扩展性。
 16 路 I/O，支持多路传感器
 铁电存贮器，数据高效可靠
 车辆行驶速度的测量、记录、存储功能
 实时时间、日期及驾驶时间的采集、记录、存储功能
 车辆每日行驶里程（营业、非营业）的测量、记录、存储功能
 车辆门未关起步及未停妥开门记录、存储功能
站点里程记录，监视到站时间
 辆远光、近光、转向、刹车灯的开关次数记录功能
 异常制动记录
 客流统计接入（需配备公交客流自动统计器）
无线车辆身份识别功能
 近距离无线传输资料功能
 IC 卡、USB 口传输冗余设计功能
 语音输出模块
 自动报站模块功能
 显示输出、打印模块功能
 驾驶员身份鉴别和记录功能（可选）
 GPS 定位功能
 GPRS 无线传输模块
 车载电话系统（可选）
车辆身份识别和安全数据采集
系统采用微波无线通讯技术实现车辆的身份识别及行车记录仪安全数据的 采集。该技术采用 433Mhz 的微波通讯技术，当车辆进站时，通过通讯模块实现 车辆的身份识别，然后将该公交车行车记录仪采集的安全数据采集至调度计算机。
该无线通讯技术距离远、传输速度快，最大识别距离可以达到 60-200 米，车辆识别速度小于 0.1 秒。同站台实测并发识别车辆为 8~10 台。采用该技术具有显著的优点：
距离长：一般公交站场地比较开阔，长距离的识别技术可以保证进站车 辆能够被及时的进行识别和处理；
 抗干扰：技术采用的微波通讯频率高，可以有效地抵抗一般环境下的电 子干扰，不受各种天气因素的影响；
 自动化程度高：车辆身份识别、数据采集、传输全部由系统自动完成， 不需人工干预，可靠性高，劳动强度低；
 成本低：技术为国内自主研发，车载部分和固定通讯模块成本低；
单点单人多线路调度
本方案设计的线路单点调度，即公交线路只在起点站设置调度人员，终点站 通过起点站的调度人员进行远程管理。

如结构图所示，系统采用了无线通讯模块、GRPS 通讯模块和车站显示牌三个设备协同的工作模式。工作流程如下：

公交站点智能化显示（可选）
采用人性化设计，直观视觉感受。为市民服务。
高亮度、大视角 LED 管显示
结合客流统计系统，显示最近车次的载客程度。
 结合站点报到系统显示当前运营车辆所在位置
 GPRS 数据传输
数据中心平台建设
 数据管理中心具备全套双机备份系统，能够在遭到攻击后以最短时间恢
 复系统功能。
加强网络防范，防止病毒和黑客攻击。
完善的人员培训机制。提高技术人员的技术能力。
建立应急预案机制。
附件
GPS 技术简介
全球定位系统(GPS)是本世纪 70 年代由美国陆海空三军联合研制的新一代 空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天 候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的， 是美国独霸全球战略的重要组成。经过 20 余年的研究实验，耗资 300 亿美元， 到 1994 年 3 月，全球覆盖率高达 98%的 24 颗 GPS 卫星星座己布设完成。
全球定位系统由三部分构成：
地面控制部分，由主控站(负责管理、协调 整个地面控制系统的 工作)、地面天线(在主控站的控制下，向卫星注入寻电文)、 监测站(数据自动收集中心)和通讯辅助系统(数据传输)组成；
 空间部分，由24 颗卫星组成，分布在 6 个道平面上；
 用户装置部分，主要由 GPS 接收机和卫星天线组成。
全球定位系统的主要特点：
全天候；
全球覆盖；
 三维定速定时高精度；
 快速省时高效率：
 应用广泛多功能。
全球定位系统的主要用途：
? 陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、 市 政规划控制等；
? 海洋应用，包括远洋船最佳航程航线测定、船支实时调度与 导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测 等；
? 航空航天应用，包括飞机导航、航空遥 感姿态控制、低轨卫星定轨、导 弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。
GPS 卫星接收机种类很多，根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、 集成型；根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。
经过 20 余年的实践证明，GPS 系统是一个高精度、全天候和全球性的无线 电导航、定位和定时的多功能系统。 GPS 技术已经发展成为多领域、多模式、 多用途、多机型的国际性高新技术产业。
GPS原理
24 颗 GPS 卫星在离地面 1 万 2 千公里的高空上，以 12 小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到 4 颗以上的卫星。
由于卫星的位置精确可知，在 GPS 观测中，我们可得到卫星到接收机的距离， 利用三维坐标中的距离公式，利用 3 颗卫星，就可以组成 3 个方程式，解出观测 点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有 4 个 未知数，X、Y、Z 和钟差，因而需要引入第 4 颗卫星，形成 4 个方程式进行求解， 从而得到观测点的经纬度和高度。
事实上，接收机往往可以锁住 4 颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组 4 颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位， 从而提高精度。
由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响， 以及人为的 SA 保护政策，使得民用 GPS 的定位精度只有100米。为提高定位精度，普遍采用差分 GPS(DGPS)技术，建立基准站(差分台)进行GPS 观测，利用已 知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。接 收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比 较准确的位置。实验表明，利用差分 GPS，定位精度可提高到 5 米。
GPS 前景
由于 GPS 技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防和社会发展的各个应用领域。
随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展，美国政府宣布 2000 年至 2006 期间， 在保证美国国家安全不受威胁的前提下，取消 SA 政策，GPS 民用信号精度在全 球范围内得到改善，利用 C/A 码进行单点定位的精度由 100 米提高到 20 米，这 将进一步推动 GPS 技术的应用，提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生 活质量，刺激 GPS 市场的增长。据有关专家预测，在美国，单单是汽车 GPS 导航 系统，2000 年后的市场将达到 30 亿美元，而在我国，汽车导航的市场也将达到50 亿元人民币。可见，GPS 技术市场的应用前景非常可观。
RFID（Radio frequency identification）技术即射频识别技术，属于自动识别技术。指将应用低频、短波、乃至红外和激光等无线电频谱中的各种技术和 方法所组成的能提供关于个人、动物、货物和商品信息的非接触识别系统称为射 频识别系统。射频识别技术能克服环境因素的限制，并具有良好的使用性能。与 磁卡、接触式 IC 卡等识别技术不同，RFID 系统的电子标签与读写器之间无需物理接触就可完成识别，因此它可实现多目标识别、运动目标识别，可在不同场合 中更广泛地应用。它以无线方式通信，无须外露电触点，可以抵抗恶劣环境。
由于它的这些优点，国外 RFID 已被广泛应用于诸如工业自动化、商业自动 化、交通运输控制管理等领域；汽车、火车等交通控制；高速公路的收费系统； 物品管理；流水线生产自动化；门禁系统；金融交易；仓储管理等。如在货物的 跟踪、管理及见空方面，澳大利亚和英国的西思罗机场将 RFID 技术应用于旅客 行李管理中，大大提高了分拣效率，降低了出错率。1996 年 l 月韩国在汉城的600 辆公共汽车上安装 RFID 系统用于电子月票，还计划将这套系统推广到铁路 和其他城市。德国汉莎航空公司试用非接触的射频卡作为飞机票，改变了传统的 机票购销方式，简化了机场入关的手续。Motorola 公司在超净车间里利用灯 ID 系统来控制流水线的零件流向等等在车辆自动识别方面，早在 1995 年北美铁路系统就采用了射频识别接受。
装有射频标签的汽车能被自动识别，无须停车缴费，大大提高了行车速度和效率。 目前，射频识别系统正在逐步取代原有的很多自动识别系统。
射频识别技术在国内刚刚出现，但发展速度是相当惊人的。在我国，射频卡主要应用于公共交通、地铁、校园、社会保障等方面，通过使用射频识别技术来 进行电子货币消费。上海、深圳、北京等地陆续采用了射频公交卡。在未来的一、 两年，我国射频卡应用最大的项目将是第二代公民身份证。但是在技术领域方面， 国内真正从事 RFID 技术研究的部门或单位较少，往往需要向国外大公司购买配套器件。这些具有垄断实力的公司主要是：Motorola、Philip、Mifare、Atmel、 Tcmic 等，况且它们的技术严格保密。因此，为适应信息科学技术的迅猛发展， 研究开发具有国内自主知识产权的 RFID 系统具有十分重要的意义。
目前国内外针对电子标签在公共交通领域的研究与应用蓬勃发展，在欧洲一些国家，公交场站的射频识别已经应用多年，例如法国的一些城市（马赛、图卢 兹等），远距离电子标签已经在公交场站上大量应用。主要应用在对公交车辆进 行数字化处理，也就是对在实际运行或者处于运营状态下的公交车辆的电子化身 份，进行非接触、动态、远距离、实时的电子身份识别，从而为公交的现代化管 理、运营及服务提供坚实的技术基础及保障。满足公交行业的实际应用要求。
表 1各种识别系统的优缺点比较
系统参数 条形码 光学符号识别 语音识别 指纹识别 IC卡 RFID
数据量(Byte) 1~100 1~100 N/A N/A 16~64K 16~64K
数据密度 小 小 高 高 很高 很高
机器阅读的可读性 好 好 费时间 费时间 好 好
受污染/潮湿影响 很小 很小 N/A N/A 可能（接触） 没有影响
受方向和位置影响 很小 很小 N/A N/A 一个插入方向 没有影响
磨损 有条件的 有条件的 NA N/A 接触 没有影响
读取设备成本 很少 一般 很高 很高 很少 一般
数据被篡改可能性 容易 容易 可能 不可能 不可能 不可能
读取速度 低（4s) 低(3s) 很低(>5s) 很低(5~10s) 低(4s) 很快(0.5s)
数据载体与读写器的最大距离 0~50cm <1cm（扫描仪） 0~50cm 0~50cm 直接接触 0~200米微波

两种技术的应用性能对比
从实时性上来说，运用 GPS 坐标能够最大限度地判定车辆的停、驶位置，但是，由于目前我国不掌握 GPS 技术的核心设备，使用的是美国提供的民用免费公开定位坐标，而且定位精度在十米级别，这就给应用带来困难。下面从不同方面据以详细阐述。
可靠性对比
GPS 技术是采用卫星定位物体在全球上的唯一坐标，由于地球轨道运动的偏移性，地球表面大陆板块的漂移性，加上太阳黑子运动、其他天体运动对地球的 影响，这些都将导致地面目标的经纬坐标会有细微的变化。国际上商业应用公司通常会对自己系统适用范围内的坐标每隔 1~2 年进行以一次坐标修订，这些工作费时费力，需要消耗相当高的营运成本。
一般城市还有一个特点，就是市中心地区比全国其他城市拥有更多更密集的高楼大厦、立交桥、隧道，这些建筑对卫星信号遮挡、吸收、反射干扰，都会使定位难度增加，目前运用弥补措施（比如“陀螺仪”），能够局部修正获取丢失的坐标。
RFID 技术由于以站点为计量单位，实到实测，站点位置相对开阔，近距离识别，抗干扰性好，识别准确有效。只要改善传输网络负载，传输延时（通常在0.5 秒以内）忽略不计。显示位置效果与市民直观感觉相同，有较好的表现效果。 缺陷的地方就是当车辆介于 2 站之间位置时候无法判定位置，当车辆离开规定线路后无法了解车辆位置。对于这样的问题，可以通过路面交通执法部门的监督管 理，能够避免管理盲区。
实用性对比
GPS 技术由于采用固定间隔时间采集数据，对于不同车速行驶所对应的间隔距离有很大不同，（车速从 0~60 公里/小时）这样取定恰当的时间间隔非常重要，时间间隔过小，采集数据频度高，数据总量大，对存储、传输、处理都有非常大 的压力。时间间隔过大，采集数据总量小，由于网络传输的不确定性因素导致过 站、跳站现象严重。
而RFID 技术采集数据是以固定位置间隔（站站之间约为 500 米）为最小单 位，对车辆行驶速度的干扰没有影响，而且固定位置间隔采集的数据量较合适， 既不影响处理分析，又能以较小的数据流量（通信费最低），较低的存储空间， 达到最为满意的使用效果。
稳定性对比
系统稳定性表现在设备稳定和系统抗干扰能力方面。
设备硬件的稳定性对于两种技术大体相同，但是 GPS 的坐标飘移，数据总流量增大导致系统复杂度提高，从而影响系统稳定。
抗干扰能力方面，GPS 定位技术对建筑物吸收卫星信号敏感，且难以改进。 RFID 技术采用近距离无线通讯，从当今各类近距离通讯设备使用情况来看， 很容易做到低功耗、辐射环保、抗干扰能力强。非常适用于相对开阔的站点场景。
对于同一站区来说，物理面积决定同时只能停靠 4~6 辆公交车。而我们的设备在枢纽站实测能够到 8~10 辆公交车同时报到。抗干扰方面完全符合要求。
而且，近距离通信设备对适应恶劣环境的调整较容易，针对复杂场景可以采 用增加设备、增加天线、调整天线安装位置、角度等方式增强处理容量。这使整 个系统的稳定性容易调整。
工程实施复杂度
GPS 技术在工程实施操作方面，仅对车辆进行改造，对于站台显示方面可以
视建设应用需要而逐步改造，较为灵活方便。
RFID 技术由于较为依赖读写设备，对于站台改造有比较迫切的要求，改造 覆盖率对这个系统的实用性较为敏感。这给整个系统的工程操作带来难度，需要 协调较多的行政许可部门（如景观许可、市政动土，管线、电力等）。
系统扩展性对比
GPS 仅仅提供位置信息，在特定应用场合，并不能作为车辆身份的识别标志， 从而限制许多扩展应用，如车辆进入加油站、修理厂、停车场，仅靠地面物体经 纬坐标位置信息不能作为车辆识别标志。
RFID 技术则可准确判定车辆身份，利于较好的扩展应用。