（机械电子工程专业论文）公交调度管理系统研究暨中继式电子站牌的开发.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着城市交通问题的日益突出及公交优先战略的逐步确定，传统的公交调度管理系 统已不能满足乘客对公交服务及时性和舒适性的更高需求。如何应用地理信息系统、车 辆定位、数字通讯、计算机网络等现代科学技术，改善目前的调度管理水平、提高服务 质量，已成为当前城市发展的一个重要问题。本课题就是针对这一问题，并结合我国的 实际情况，研究开发了基于无线接力传输方式的公交调度管理系统。 公交调度管理系统主要由调度中心、电子站牌和公交车载设备三部分组成。本文主 要完成了电子站牌的设计和调度中心的软件开发工作。电子站牌部分主要完成了以单片 机a t 8 9 s 5 2 为核心部件的硬件结构设计，通过c 语言编制的软件程序支持，实现了公交 车辆的运行情况、预计到站时间和到站站点的显示功能，同时根据系统的工作环境进行 了抗干扰设计。调度中心管理平台的开发从系统的需求分析入手，搭建了调度中心的数 据库结构，并在v c 下使用a d o 数据存储技术编程实现用户管理、信息查询、图形显示、 统计分析、车辆调度等功能，同时完了电子地图数据库的设计。整个系统通过无线数传 模块d 2 1 d l 建立起通讯网络，并采用中继传输方式来实现调度中心、电子站牌和公交车 辆之间的相互通信，提高了数据传输的稳定性，降低了系统通讯费用。 通过实验室实际调试，运行结果表明：系统整体设计合理、运行稳定，基本上实现 了预期的日标。本系统价格低廉，具有较高的实用性和可靠性，适合在大中城市普遍推 广。 关键词；公共交通：电子站牌；无线通讯；数据库 公交调度管理系统研究暨中继式电子站牌的开发 s t u d yo nt h ep u b l i ct r a f f i cd i s p a t c h i n gs y s t e ma n dt h e d e v e l o p m e n to fr e l a ye l e c t r o n i cb u ss t o pb o a r d a b s t r a c t 伊锄t h eu r b a nt r a n s p o r t a t i o ns i t u a t i o ng e t t i n gw o r s ea n dt h ep u b l i ct r a n s p o r t a t i o n s t r a t e g i cp r i o r i t ye s t a b l i s h i n g ，t h et r a d i t i o n a lp u b l i ct r a l ! f i cd i s p a l c h i n gs y s t e mc a n tm e e tt h e h i g h e rr e q u i r e m e n to f p a s s e n g e r sf o rt i m e l ya n dc o m f o r t a b l et op u b l i ct r a n s i t h o wt ou t i l i z e t h e g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m , v e h i c l el o c a t i o n , d i g i tc o m m u n i c a t i o n , c o m p u t e r n e t w o r ka n do t h e rm o d e ms c i e n t i f i ct e c h n o l o g i e st oi m p r o v et h em a n a g e m e n tl e v e lo f c u r r e n t d i s p a t c h i n ga n ds e r v i c eq u a l i t yh a sb e e o m ea ni m p o r t a n ti s s u ef o ru r b a nd e v e l o p m e n t a i m i n ga tt h i si s s u ea n dc o m b i n i n gw i t ho u rc o u n t r y sa c t u a ls i t u a t i o n , t h i sp a p e rd e v e l o p e da p u b l i ct r a n s i td i s p a t c h i n gm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nr e l a yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h ep u b l i ct r a 伍cd i s p a t c h i n gs y s t e mi sm a i n l yc o m p o s e do ft h r e ep a r t si n c l u d i n gt h e c o n t r o lc e n t e r , e l e c t r o n i cb u ss t o pb o a r da n dt h eo n - b o a r du n i t t h i sp a p e rm a i n l yc o m p l e t e s d e s i g no ft h ee l e c t r o n i cb u ss t o pb o a r da n ds o r w a r ed e v e l o p m e n to ft h ec o n t r o lc e n t e r 1 1 l e p a r to fe l e c t r o n i cb u ss t o pb o a r da c c o m p l i s h e st h ed i s p l a yf u n c t i o no fe x p e c t e da r r i v a lt i m e a n dr e l i a b i l i t yo f t h es m t i o mi t sh a r d w a r ei sd e s i g n e db a s e do ns i n g l e c h i pa t 8 9 s 5 2w h i c hi s t h em a j o rc o m p o n e n ta n dp r o g r a m m e db ycl a n g u a g e t h ed e v e l o p m e mo fc o n t r o lc e n t e r m m l a g e m e n tp l a t f o r mi ss t a r t e df r o m t h ea n a l y s i so f s y s t e m r e q u i r e m e n t i tb u i l d su pd a m b a s e s t r u c t u r eo fc o n t r o lc e n t e r , a n du s e sa d od a t am e m o r yp r o g r a m m i n gm e t h o dt oa c h i e v e c u s t o m e rm a n a g e m e n t , i n f o r m a t i o nq u e r y , f i g u r ed i s p l a y , s t a t i s t i oa n a l y s i sa n db u s d i s p a t c h i n ga n do t h e rf u n g o u sb yv c m e a n w h i l e t h ed a t a b a s eo f e l e c t r o n i cm a pi sd e s i g n e d t h r o u g hw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nm o d d eo fd 2 1 d l , t h ee n t i r es y s t e me s t a b l i s h e s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sw h i c ha p p l i e sr e l a ym o d et or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o no fb u s ， e l e c t r o n i cb u ss t o pb o a r da n dt h ec o n t r o lc e n t e rt oi m p r o v et h es t a b i l i t yo f c o m m u n i c a t i o na n d l o w e rt h ec o m m u n i c a t i o nc o s t f r o mt h er e s u l to fd e b u g g i n gw eo a ns e et h a tt h ew h o l es y s t e mh a sr e a l i z e dt h eb a s i c f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sa n dn l n ss t a b l ya n dr e l i a b l y i ti sw o r t h yo fw i d e l yu s i n gi nt h el a r g e a n dm e d i u m - s i z e dc i t i e sb e c a u s eo f t h ec h e a pc o s ta n dt h eh i g h e rp r a c t i c a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y k e yw o r d s ：p u b f i ct r a f f i c ；e l e c t r o n i cb u ss t o pb o a r d ；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ； d a t a b a s e i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 互丞日期：型2 ：! ：2 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名 蚕泛 匀丝量 2 塑2 年上月_ 二l 日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 伴随着国民经济的飞速发展和城市化的不断进展，城市交通拥挤和阻塞现象日趋严 重，交通事故频发与环境污染越来越引起社会的普遍关注。城市交通问题已严重阻碍了 城市居民生活水平的提高和整个城市经济的可持续发展，成为城市发展的瓶颈。这些问 题不仅在发展中国家，就是在发达国家也是令人困扰的严重问题。 目前，解决城市交通这一瓶颈问题已到了刻不容缓的地步。最大限度的提高现有交 通资源的利用效率是解决问题的根本出路。城市公共交通由于具有运载量大，运送效率 高、能源消耗低、相对污染少等优点，能实现对交通资源的高效利用，从而有效地缓解 城市交通压力。因此，解决问题的关键是引导人们在出行时尽量选择公共交通工具。但 是要让市民心甘情愿的选择公共交通工具，就必须提高公共交通的服务质量，让出行的 人真正感觉到公共交通的方便、省钱、可靠和快捷等优点。所以说，开发和建设先进的 公共交通管理系统以改善公交管理和提高服务的质量，从丽改善整个城市交通状况是解 决城市交通问题的关键。 近年来，世界各国都比较重视对交通系统管理和控制技术的研究和开发，并致力于 应用通信技术、自动化技术及计算机技术等现代高新技术系统地解决城市交通问题。于 是提出了智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，i t s ) 的概念i i i t s 通过对 有关交通信息的实时采集、传输和处理，把握当前交通运行状况以及预测未来的交通状 况，借助多种手段和设备对各种交通情况进行处理。通过有力的信息交流手段使出行者 迅速获知交通信息，从而有效地提高交通效率，并使交通设施得到充分利用，实现交通 系统的集约式发展。因此，将i t s 技术应用于城市公共交通建设具有重要的现实意义 我国国家十五计划城市智能交通示范项目中也把实现公交管理智能化定为关键任务。 智能公交调度系统，是将计算机控制技术、无线通信技术、全球卫星定位技术、地 理信息技术等最新的科研成果应用于公共交通运输网络中该系统具有公交车辆的定位 跟踪、辅助导航、车辆调度指挥以及动态发布公交信息等功能。其目的是使公共交通满 足实时、动态的需求，以克服原有静态方法的局限性，并且提供准时、快速、舒适、便 捷和经济的服务，实现调度运营管理的高效、灵活，从而提高公交服务质量，更有效的 缓解城市交通压力，减轻环境污染。 公交调度管理系统研究暨中继式电子站牌的开发 1 2 国内外研究现状 美国、日本，加拿大、英国、法国、韩国等国家都投入了较大的人力和物力从事智 能公共交通系统研究，在国际上均处于领先地位，并已取得了显著的成果。自2 0 世纪 8 0 年代以来，许多国家公共交通部门开始应用先进的信息与通信技术进行公交车辆定 位、车辆监控、自动驾驶，计算机辅助调度及提供各种公共交通信息以提高公交服务水 平。下面介绍一下世界各国在智能公交系统方面的研究现状。 ( 1 ) 美国的研究现状 美国城市公共交通管理局( i m f r a ) 已经启动了先进的公共交通系统项目( a d v a n c e d p u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ，简称a p t s ) 。经过现场试验，u m t a 关于a p t s 的评价 是；“a p t s 可以显著提高公共交通服务水平，吸引更多乘客采用公交和合伙乘车的出 行模式，从而带来了减少交通拥挤，空气污染和能源消耗等系列社会效益”。根据1 9 9 8 年美国运输部的联邦公共交通管理局( f 1 a ) 出版的“a p r s 发展现状”，美国的a p t s 主要研究基于动态公共交通信息的实时调度理论和实时信息发布理论以及使用先进的 电子、通讯技术来提高公交效率和服务水平的实施技术。具体包括车队管理、出行者信 息、电子收费和交通需求管理等方面的研究。车队管理主要研究通信系统、地理信息系 统、车辆定位系统、自动乘车计数技术、公交运营软件和交通信号优先技术。目前，美 国一些开发公交车队管理系统的公司，采用自动确定车辆位置的全球定位系统( g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ，简称g p s ) 和计算机辅助发车系统等，进行实时管理公共汽车的运 营，并开发了一些先进的系统，如p a t h f i n d e r 系统翻。 ( 2 ) 欧洲的研究现状 目前欧洲各国正在进行t e l c m a t i c s 的全面应用开发工作，计划在全欧洲范围内建立 专门的交通无线数据通信网。智能交通系统的交通管理、车辆行驶和电子收费等都围绕 t e l c r a a t i c s 和全欧无线数据通信网来开展。在公共交通方面，欧洲许多国家同中国一样 具有悠久的历史，城市街道一般比较狭窄。但是，他们通过实施公交优先政策，设立公 交专用道，为公交车提供优先通行信号，布设智能公交监控和调度管理系统等措施，提 高公交车辆运行速度和公交服务质量以吸引公众乘坐公交车出行。从而有效缓解了城市 交通压力，解决了城市交通问题，并取得了明显的社会经济效益 在德国科隆，该市公共交通由k v b 经营。k v b 公司8 0 年在德国率先建立德国第 一个公交调度指挥中心，并在全部的运营车辆上安装了g p s 设备，应用g p s 、标杆和 惯性定位三种手段实现对运行车辆的实时监控。而且，在整个运营网络的区域设立了电 子信息显示屏，使站台上候车的乘客了解车辆准确的到达时间，还可以从标题信息栏了 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 解影响交通的时间和未来重要交通信息。调度指挥中心开发了一个相应的g i s 平台，平 台通过电子地图调度运营的公交车辆 ( 3 ) 日本的研究现状 日本城市公共交通智能化经历了3 个阶段：2 0 世纪7 0 年代末开始应用公共汽车定 位系统一公共汽车接近显示系统；8 0 年代初开始应用公共交通运行管理系统，其中包括 乘客自动统计、运行监视和运行控制；进入9 0 年代，由于机动车数量增加和严重交通 拥挤的影响，要保持正常的行车速度是十分困难的，由此引起的公共交通的不便性和不 可靠性导致乘客数量的急剧减少。东京交通局开发了城市公共交通综合运输控制系统 ( c t c s ) ，旨在改进公共汽车服务，重新赢得乘客。它将运营中的公共汽车和控制室 之间建立信息交换，利用诱导和双向通信的方法，将服务信息提供给公共汽车运营人员 和驾驶入员，并把它提供给乘客。在上述系统中，公共汽车运营调度管理系统是整个系 统的一个基本的框架，其目的是通过掌握运行情况以及积累乘客数据实现精确平稳的公 共汽车运营服务【4 j 。 目前，日本已成功地开发了智能导航系统和公共交通管理系统。智能导航系统向用 户提供道路通行情况及天气情况等有关交通信息、线路电子地图及g p s 服务，为出行 者优选路线、安排行程，如9 0 年代开发的v i c s 系统。而公共交通管理系统则提供公共 交通运行情况信息，协助调度管理公交运营垆j ( 4 ) 我国的研究现状 与欧美、日本等国家相比，我国的公共交通事业还比较落后。截至2 0 0 0 年，我国 城市公交客车的现有量为2 3 万辆，比1 9 9 7 年增长6 7 万辆，每千人拥有公交车o 7 辆， 距离发达国家每8 0 0 人拥有一辆公交车的水平还有一定差距，而且公交智能化水平还较 低，绝大部分仍沿袭旧的运营体制。 但是，近几年，随着科学技术的不断发展，尤其是在国家大力发展城市公交的优惠 政策引导下，公共交通产业的电子化和信息化步伐正在加快，无人售票已经在国内许多 城市实行，同时i c 卡收费形式也在国内许多大中城市迅速普及，我国的智能公交系统 现已初见端倪。杭州、上海、北京，广州等地安装了车载g p s 定位仪、电子站牌等设 备，实现了车辆的实时跟踪、定位、公交车与调度室的双向通讯，以及在电子站牌上实 时显示下班车的位置信息等功能深圳市已经在一条公交线路上开始使用电子站牌，随 时报告公交车辆位置并估算预计到达时间。而且，不久前由海信集团、青岛市公交集团 和青岛移动通信公司三方合作开发国家智能公交示范工程项目一海信智能公交调度系 统示范工程，在青岛公交集团5 0 1 线路上正式启用了，据悉这是国内第一条通过g p r s 技术实现智能调度的公交线路。 公交调度管理系统研究暨中继式电子站牌的开发 1 3 课题的研究目的和意义 目前，由于城市规模不断扩大，公交网络急剧复杂化，基于传统的管理模式和简单 的m i s 系统已经不能满足管理者对城市交通系统进行有效管理的需求 0 3 。另一方面，城 市居民对交通质量的要求越来越高，“畅通、快捷、安全、舒适”越来越受到人们的重 视，迫切需要一种全新的更加方便、简单、直观、有效、图文一体化的动态交通信息发 布和查询模式。 智能公交调度系统综合运用了地理信息系统、无线通信技术、网络技术、数据库技 术、计算机技术等方面的最新科技成果，实现了对公交车辆的实时动态定位、监控、调 度、报警等。调度中心接收公交车辆的定位信息，与电子地图进行实时匹配，精确地表 示车辆位置，并根据优化调度模型和算法，实现公交车辆的优化调度。同时，将该信息 综合处理后，发送给相应的电子站牌，从而使乘客得知公交车况。另外，当车辆出现故 障、事故等紧急情况时，控制中心可及时获得报警车辆的信息、位置等，以便迅速通知 有关部门采取各种可行性措施，保证公共交通的畅通与安全。 城市公交调度系统的建立不仅可以让乘客享受到最多的便利，而且为运营者提供了 高度的智能化管理平台。通过设置电子站牌动态显示公交车的位置信息，便于乘客及时 掌握候车时间和乘车时间，使换乘衔接更为高效，换乘方案可预见性更强。通过电子地 图实时掌握公交车的位置信息，使调度管理更加灵活，使车辆、人力资源开发运用更高 效、经济，对事故等紧急信息的处理更及时。总之，系统在改变落后的运营管理和调度 模式、实现公交资源的最优配置、提高公交企业效率、提升公交服务水平和吸引乘客等 方面具有重要的现实意义。 1 4 课题的主要研究内容 根据我国城市公共交通的现状，公交调度管理系统的设计首先要考虑的是所采用的 方案要适应我国大中城市公交网线路复杂、站牌密集、站牌环境恶劣等特点，而且还要 考虑系统投入的费用、运营成本以及系统的维护等问题。本课题针对上述问题并借鉴了 当前国际和国内在这方面的技术经验及其设计思想，开发了低成本的基于无线数据传输 模块的智能公交调度系统。 本文的具体研究内容如下： ( 1 ) 系统整体方案设计 对现有正在研究的公交调度管理系统做了一定的分析之后，针对各种形式的优缺 点，提出一种全新的设计构想，并进行整体结构方案的确定。 ( 2 ) 中继式电子站牌设计 - 4 一 大连理工大学硕士学位论文 介绍了电子站牌的结构组成，并在此基础上论述了电子站牌的硬件结构及其软件实 现。 ( 3 ) 系统通讯 在整个智能公交调度管理系统中，实现公交车与电子站牌及调度中心之间的双向通 讯是确保系统成功应用的前提。主要介绍系统的通讯方式、通讯网络建立以及系统通讯 的实现 ( 4 ) 调度系统设计与分析 分析城市公共汽车调度管理系统的建立过程，设计了系统数据库结构并在v c 下使 用a d o 数据存储技术编程实现信息查询、车辆调度等功能。 公交调度管理系统研究暨中继式电子站牌的开发 2 系统总体方案设计 2 1 系统功能设计的基本思想 ( 1 ) 智能化调度管理 目前，传统的公交调度管理主要采用以经验为主、被动、滞后的调度模式。在这种 公交车辆的调度中，由于调度人员无法了解已发车辆在路上的情况、乘客流量、交通环 境等情况，只能按照行车时刻表进行调度管理，司机在路上遇到了特殊情况也无法接受 正确的行驶引导和合理的调度命令本系统就是要改变这种人工经验式调度，实现一种 实时、可控的调度模式，交传统的、落后的调度模式为先进的、可视的和智能化的调度 模式，从而实现车辆、人力资源开发运用的高效性、经济性。 ( 2 ) 完善的信息服务 目前中国大部分城市的公交营运服务还不能很好的满足乘客出行的要求，乘客候车 时只能被动的等待，公交车何时到站、现在停在哪个地方等信息都是未知数。本系统就 是要改变这种被动等待的现状，为出行者提供更完善的信息服务。电子站牌实时发布车 辆的运行状态信息，为乘客合理选择乘车路线、安排候车时间提供了方便出行者还可 以通过i n t c r n e t 、触摸屏、公交信息语音查询系统等多种方式方便的查询公交车运行信 息，从而提高出行者的舒适度。 2 2 公交调度管理系统分析 公交调度管理系统是一种融计算机、通信、电子地图、现代控制技术等为一体的系 统，它由公交车载设备、电子站牌、调度中心和通讯网络等部分组成。公交车将车况信 息通过通讯网络发送到调度中心，调度中心将该信息综合处理后，发送给相应的电子站 牌，从而使乘客得知公交车况，调度中心也会根据情况的变化及时通知有关部门，采取 各种可行性措施，保证公共交通的畅通、安全 7 1 。现在比较常用的系统主要有基于 g p s g s m 的公交调度管理系统和有人工辅助操作的公交调度管理系统两种形式。 2 2 1 基于g p s g s m 的公交调度管理系统 基于g p s ，g s m 的公交调度管理系统是利用车载g - p $ 进行定位，通过g s m 短消息 业务来实现系统功能。它的核心网络采用g s m 网络，首先装有g p s 车载终端的公交车 辆将其位置及速度信息通过g s m 收发模块发送给g s m 短消息收发中心，再由g s m 短 消息收发中心转发给调度中心，调度中心将接收到的信息进行处理后生成到站信息，通 过g s m 短消息发送给各个电子站牌，电子站牌接收到相应信息后实时显示公交车的位 大连理工大学硕士学位论文 置情况。同时，调度中心根据车辆发送回来的位置信息，在地图上动态显示各车辆的位 置，并通过短消息实现调度功能嘲。系统的网络结构如图2 1 所示。 、念 n - 1 恒子站牌n 图2 1 基于g p s g s j 的智能公交系统结构图 f i g 2 1c o m p o s i t i o no f t h ei n t e l l i g e n tp u b l i cn 毽垭cs y s t e mb a s e do ng p s g s m 系统优缺点分析； 系统的优点是系统自成一体，无须外界的干预。随着现代无线通讯技术的日益成熟， 电子地图技术和g p s 技术的日益完善，也为系统的完善提供了充分的保证。但是，它 也存在着以下缺点： ( 1 ) 虽然利用g p s 接收机通过接收美国发射的2 4 颗通讯卫星信息，能够进行实时 快速的定位。但是，系统造价非常高，一般中小型企业难以承受。而且系统设计庞大， 需要有专业技术人员进行有效的维护 ( 2 ) 由于整个系统数据的收发都是通过g s m 网络实现的，系统数据传输耗资大。 虽然发送每条短信的费用很低，但是需要实时的收发公交车的状态信息，这样发送的短 信量就很大，这对公交公司来讲是一笔比较大的费用。 2 2 2 有人工辅助操作的公交调度管理系统 与第一种系统不同的是，有人工辅助操作的公交调度管理系统采用人工和计算机结 合的方式，有效地完成了电子站牌的各种功能，如图2 2 所示。 公交车携带通讯机，在接近电子站牌时，由驾驶员在按下电子报站器的同时，将公 交车的站位等信息发送给电子站牌，装有通讯接收机的电子站牌通过地下光缆将信息传 送给调度中心和其他需要该信息的站牌。这样，调度中心可以监控公交车的位置信息， 而各电子站牌也能显示下一辆车的基本位置。 公交调度管理系统研究暨申继式电子站牌的开发 图2 2 有人工辅助操作的智能公交系统结构图 f i g 2 2c o m p o s i t i o no f t h ei n t e l l i g e n tp u b l i ct r a f f i cs y s t e mw i t ht h ea s s i s t a n tm a n u a lw o r k 系统的优缺点分析： 与第一种系统相比，这种系统在数据传输方面由于采用了地下光缆进行有线通信， 极大的降低了数据的传输费用，而且系统的数据传输速率稳定、及时。但是它也有明显 的缺点： ( 1 ) 使用光缆这种有线方式进行数据传输，不但铺设线路的旄工复杂、成本高，其 维护费用也很高，而且，如果出现断点，整个系统网络将处于瘫痪状态，系统可靠性不 高。 ( 2 ) 由于通讯机的功能有限，该系统一般只能显示前一个公交车站有车情况与否， 而不能确定车在两个站牌之间的确切位置，因此电子站牌实时显示的公交信息可信度不 高。 2 3 系统结构设计 本系统采用无线中继式传输方式进行数据传输，保证调度中心、公交车和电子站牌 之间的联系。系统结构如图2 3 所示。其工作原理为：调度中心定时向公交线路上的电 子站牌发送报表，报表沿公交线路的各电子站牌依次接力传输下去，直到调度中心再次 收到这个报表。电子站牌只有在收到报表时才具有发信权，模块处于发送状态，其它时 间则一直处于接收状态。当电子站牌收到报表后，依次对该线路上正在运行的所有公交 车辆进行呼叫，呼叫完成后逐次与应答车辆进行点对点通信，接收该车的位置信息和到 站信息，并将所有应答车辆信息打包后编入报表，然后进行处理显示和向下接力传送报 表。最后，包含了所有车站公交车辆信息的报表被传送回调度中心调度中心将接收到 的信息经过处理，再接力式的传回给各电子站牌，实现车辆位置信息的动态显示和车辆 大连理工大学硕士学位论文 预计到站时间的显示；调度中心将接收到的位置信息在电子地图上显示，从而掌握车辆 的动态位置，实现调度的智能化。 双向收 双向收 进行调度管理提高效率 图2 3 基于无线通讯的公交调度系统结构图 子站牌n f t g 2 3c o m p o s i t i o no f t 坞i n t e l l i g e n tp u b l i ct r a f f i cs y s t e mb a s e d0 1 1 t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n 本系统的最主要特征就是显著降低了成本和运营费用，并提高了系统的可靠性，有 效的解决了前面两种系统地问题。首先，系统的定位是通过能够记录车辆里程和速度的 车载设备来实现的，只需在公交车上都安装这种车载设备即可，其成本只需几百元，相 比g p s 定位成本降低了很多。其次，数据的传输是通过无线数据传输模块建立无线通 讯网络来实现的，只需在每个电子站牌、调度中心和公交车上都安装这种模块，在运营 中不需要增加任何费用就能够进行大量数据的相互传输，具有较好的独立性，维护方便 而且，系统实时的发送和接收信息，增强了信息的可靠性。 公交调度管理系统研究暨中继式电子站牌的开发 3 无线中继式电子站牌的设计 所谓电子站牌，是指安装于公交线路上，电子显示屏幕形式的公交车的指示牌。通 过电子屏幕，可以动态显示本线路所有运营车辆运行状态及当前所在的位置，即哪一车 站有车、哪一车站没有车。除了能动态显示车辆的位置信息外，还具有显示车辆预计到 站所需时间、当前时间及末班车的信息等。候车乘客可以很清楚的知道所要等候的车现 在何处，何对进站，从而合理的选择乘车路线、安排候车时间它综合运用了计算机、 通讯、电子地图与现代控制技术，是城市公交信息化、现代化的标志之一【6 】。 电子站牌具体呈现了所有功能的集成结果，也是乘客最能直接感受到系统便利性的 最佳媒介。它主要负责收发信息和显示信息，除了能动态显示车辆的位置信息外，还具 有显示车辆预计到站时间和当前时间等功能。为降低显示器的成本，电子站牌上部的行 车线路、始末车时间，行车区间和经停站等均是直接印刷上的。与普通站牌所不同的 是下部以l e d 光点的形式向乘客显示出本线路来车方向上运营车的动态位置，每一个车 站为一个光点。并用数码管显示当前时间和离本站最近车的预计到站时间。电子站牌示 意图如图3 1 所示( 以大连公交2 3 路为例) 。 图3 1 电子站牌示意图 f i 9 3 1t h ef i g u r e0 f t i 埠e l e c t r o n i cb u ss t o p 3 1 硬件设计 电子站牌的硬件电路设计首先应该能满足系统的功能要求，在此基础上运用先进的 控制芯片及外围芯片，设计性能良好的集成电路，使最终研制的产品做到可靠性高、体 大耀工大学硕士学位论文 积小、精度高、功能齐全、操作方便。图3 2 给出了电子站牌的硬件原理图，主要包括 单片机控制单元、l e d 数码显示单元、l e d 站名指示单元、时钟电路、复位电路、无 线模块接口电路。 图3 2 电子站牌硬件原理图 f i 9 3 2d i a g r a mo f t h ee l e c t r o n i cb u ss t o ph a l d w a r c 3 1 1 单片机的选择 在我国，单片微控制器( 简称单片机) 己广泛地应用在智能仪器仪表、机电设备过 程控制、自动检测、家用电器和数据处理等各个方面。单片机自7 0 年代问世以来，以极 高的性价比，受到人们的重视和关注，应用很广，发展也很快。单片机的体积小，重量 轻，抗干扰能力强，环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较容易。目 前单片机的产品多达5 0 多个系列，3 0 0 多种型号。国内单片机应用中常见的有i n t e l 公司 的m c s 系列，m o t o r o l a 公司的6 8 h c 系列，p h i l i p s 公司的8 0 c 5 1 系列，1 1 公司的m s p 4 3 0 系列，a t m e l 公司的a t 8 9 系列，m i c r o c h i p 公司的p i c 系列等。 单片机的选择应从多方面考虑【9 1 ：第一，看单片机是否含有所需的f o 端口数目，如 果单片机的i o 端口数太少，就不可能满足有关的功能。如果i o 端口数太多，就会造成 单片机资源的浪费；第二，单片机是否含有所需的外围端口部件，如果单片机不舍有所需 的电器部件或不满足所需的f o 方式，那么就无法满足系统需要；第三，单片机的c p u 是否有合适的吞吐量，这是一个有关单片机的计算功能的问题。针对应用系统的需要，必 须认真考虑单片机对系统执行控制时的处理能力。如果单片机的处理能力过强，则浪费了 单片机的资源；如果处理能力不足，就无法正常进行工作；第四，单片机的极限性能是否 能满足要求，一个应用系统有其特定的应用环境、功耗和电压状态。必须考虑应用系统的 使用温度是否在单片机的最大温度范围内，使用电压、电流和功耗是否在单片机极限指标 之内。如果不是，单片机就不能满足应用系统的需要；最后要考虑开发设备和产品的成 公交调度管理系统研究暨中继式电子站牌的开发 本，当有很多种单片机满足以上要求时，那么要考虑单片机的开发设备和产品的成本，选 择性价比高的产品。 综合以上考虑，并结合系统功能设计要求，本系统选用了a t m e l 公司的a t 8 9 s 5 2 作为控制器。 a t 8 9 s 5 2 是一种低功耗、高性能c m o s 8 位微处理器，具有8 k 在系统可编程f l a s h 存储器。使用a t m e l 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业8 0 c 5 1 产品指令和引 脚完全兼容。片上f l a s h 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器在单芯片 上，拥有灵活的8 位c p u 和在系统可编程f l a s h ，使得a t 8 9 s 5 2 为众多嵌入式控制应 用系统提供高灵活、超有效的解决方案。a t 8 9 s 5 2 是一款高性价比的单片机，其突出特 点表现在【1 0 1 ： 8 k 字节在系统可编程f l a s h 存储器，可擦写1 0 0 0 次，使得在现场程序调试和修 改更加方便灵活； 全静态操作：0 h z 3 3 h z ，加快了指令的执行速度； 三级加密程序存储器； 3 2 个可编程湘i 口线，每个口线可以用作输入，也可以用作输出； 三个1 6 位定时器计数器，使得定时计数操作更方便； 八个中断源、六个中断矢量、两个优先级的中断控制系统； 全双工u a r t 串行通道，可以实现单片机与单片机或其它微机之间的串行通讯； 低功耗空闲和掉电模式，掉电后中断可唤醒； 片内看门狗定时器w d t ，提高了系统的抗干扰能力； 双数据指针d p t r o 和d f i r l ，方便了对片外r a m 的访闯过程； 掉电标识符 本系统采用的封装形式为p d i p ，芯片引脚如图3 3 所示。 a t 8 9 s 5 2 除了具有以上标准功能外，还可降至0 h z 静态逻辑操作，支持两种软件 可选择节电模式。空闲模式下，c p u 停止工作，允许r a m 、定时器计数器、串口、中 断继续工作。掉电保护方式下，r a m 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停 止，直到下个中断或硬件复位为止。 大连理工大学硕士学位论文 p d i p 瞄 p , c 心0 q o t m 1 ，i h & z 【恼 阼3 ( l m o c o 岫 p t 0 嘲 e 0 嘲 p 0 7 u , o t | 舀狮 m i 两霹 艘卿 p 2 7 聃俏 p 2 e “, t 3 p z s ( a t 3 佗 ” 封 p 2 3 t p 2 2 ( a 1 1 1 p 2 0 1 , 协 凰3 3 a t 8 9 s 5 2 引脚图 f i 9 3 3a t 8 9 s 5 2 p i n s 3 1 2l e d 信息显示电路 l e d 信息显示电路主要包括对两个部分的显示：车辆预计到站时间显示及到站站点 显示。车辆预计到站时间显示要求电子站牌显示离它最近的特定车次公交车预计到达本 站的时间信息，而站点显示主要用于对公交车所停靠站点的状态显示。由于同一车次的 公交车很多，而实际要显示的是离本站点最近的公交车预计到达本站的时间状况，这就 要需要对所收到车辆信息进行检测，判断哪辆公交车离本站最近。 ( 1 ) 车辆预计到站时问显示电路 在一般的工业控制系统和单片机的开发系统中，利用数码管对数字量的显示是非常 普遍的。因为数字量显示与模拟量显示相比较，具有更直观明了的优点，特别是在集成 电路和计算机技术高速发展的今天，模拟量数字化已成为一种趋势，而合理的选用数码 管的驱动电路则是一个非常重要的环节。考虑到该系统中电子站牌要显示的是离本站最 近的公交车预计到达本站的时间和当前时间，其显示位数为八位。若采用一般的显示方 法则要大量的占用单片机的i o 口，这里采用总线驱动的方式，并通过三极管来片选数 码管显示。 车辆预计到站时间显示原理很简单：单片机对接收到公交车的位置信息与目标站牌 的位置信息进行处理后，得出离本站最近的公交车预计到达本站的时间，然后将该时间 信息通过片选及i o 口串行输出驱动相应的数码管，从而在各自的位置上显示即可。 公交调度管理系统研究暨中继式电子站牌的开发 a t 8 9 s 5 2 芯片与共阳极小电流l e d 数码管显示器的接口电路很简单，原理图如图3 4 所示。 图3 4 数码显示接口电路图 f i 9 3 4i n t e r f a c ec i r c u i to f s h o w 本系统选用共阳极数码管动态显示时间，其中p 21 2 的八条数据线通过总线方式来 直接驱动数码管对应的7 个段和小数点，p o 口的p o 7 至p 0 0 分别通过电阻r l 至r 8 与q l 至q 8 的基极相连接。这样通过p 2 口送出显示代码，通过p 0 口送出扫描选通代 码轮流点亮数码管1 至数码管8 ，就会将预计到站时间和当前时间在数码管上显示出来。 从p o 口输出的代码是位选码，从p 2 口输出的是段选码。 上图中，当p o 口中的莱一i o 口线输出为低电平对，三极管导通，从而点亮数码 管，这时通过p 2 口对数码管的段码进行输出，显示相应的数字。若执行m o vp 2 ，# 6 d h 和m o v p 0 ，# f e h ，p 0 口输出的位选码是“1 1 1 11 1 1 0 b ”，其中只有p 0 0 呈现低电位， 三极管q 8 导通，数码管8 位被选中，才具备发光的使能条件；p 2 口的段选码是“0 11 0 1 1 0 1 b ”，数码管a 、b 、c 、d 、g 字段被点亮，数码管8 就显示出“3 ”字，而数码管l 至数码管7 则不会被点亮。可见，在利用p o 口送出位选码，使各位轮流得到发光使能 条件的同时，通过p 2 口送出不同的段选码，就会在数码管上显示出不同的数字，从而 实现车辆到站时间和当前时间的动态显示。 ( 2 ) 站点显示电路 大翘工大学硕士学位论文 般而言，在每路公交站牌中都会标识出该辆车所要经过的各个站点。如果在相应 的站点下面加上一个发光二极管，以二极管的发光与否来显示离目的站最近的公交车现 在所停的站点位置情况，这样就能让乘客更直观的知道所要乘坐的公交车现在所在的大 概位置，以方便选择乘车方案。如果单纯的直接通过微控的v o 口来控制二极管的发光 状态，这样假设某路公交车经过的站点共有1 6 站的话，就需要1 6 个并行的f o 口来控 制，极大的浪费了宝贵的i o 口资源，但是采用扩展串入并出的移位寄存器7 4 l s l 6 4 的 方法，可以很容易的实现l e d 灯的控制，当需要增加站点l e d 控制路数时，只需串入 一个或几个7 4 l s l 6 4 即可，每扩展一片7 4 l s l 6 4 就可以扩展8 路。考虑到驱动电流的 问题，这里又接入了地址锁存器7 4 l s 3 7 4 来增强其驱动能力。其电路原理图如图3 5 所 示。 图3 5 站点l e d 控制接口电路图 r i 9 3 5i n m r f a c ec i r c u i to f t h ec o n t r o lo f s t o pl e d 由于单片机的串口用于无线数传模块的接口设计，这里移位寄存器串口扩展方式采 用v o 端口虚拟方式。7 4 l s l 6 4 的串行输入端a 、b 脚和时钟脉冲输入端c l k 分别与单 片机的p 1 3 和p 1 4 口相连。7 4 l s 3 7 4 的8 个数据输入端d 0 d 7 与7 4 l s l 6 4 的8 个数 据输出端q 0 - - q 7 相连接，时钟使能端c e 接地( 低电平) ，其时钟输入端c p 与p 3 2 口相连。在c p 的上升沿，7 4 l s 3 7 4 能把d 端状态锁存到q 端。然后q 端的输出端l 0 一l 7 与发光二极管相连，从而实现到站站点的指示考虑到站点的数目会超过8 个，所以这 里选用两片7 4 l s l 6 4 扩展1 6 路l e d 指示 1