北京市智能公交查询系统.doc

北京市智能公交查询系统北京快速公交智能查询系统管理信息系统与系统分析与设计课程综合设计报告作者学号： 20097124 作者姓名： 王泽培 目录1. 引言1.1. 引导性说明设计报告所研究的领域1.2. 设计工作的背景1.3. 设计工作的目的和意义2. 问题定义与分析2.1. 报告所研究的具体问题的定义2.2. 问题的边界2.3. 问题的相关部门和系统2.4. 问题的特征2.5. 解决问题的重点和难点2.6. 解决问题的技术路线3. 问题调研与需求分析3.1. 调研内容3.2. 调研方式和过程3.3. 调研数据3.4. 系统需求分析3.5. 面向对象的系统分析与设计方法之-用例图4. 参考文献综述4.1. 与拟解决问题相关的文献综述4.2. 与拟采用技术相关的文献综述5. 系统规划5.1. 系统总目标及关键成功因素5.2. 系统具体目标及KPI（Key Performance Indicator，关键绩效指标）5.3. 相关子系统规划5.4. 系统主要功能规划5.5. 系统功能与数据之间的关系规划5.6. 向对象的系统分析与设计方法之-对象图6. 系统业务分析6.1. 系统原有业务流程图6.2. 基于信息技术的业务流程再造（BPR）6.3. 业务流程再造（BPR）前后业务流程对比分析6.4. 向对象的系统分析与设计方法之-顺序图7. 系统数据分析7.1. 顶级数据流程图7.2. 一级数据流程图7.3. 二级数据流程图7.4. 三级数据流程图7.5. 主要数据字典7.6. 向对象的系统分析与设计方法之-类图7.7. 向对象的系统分析与设计方法之-状态图8. 数据库系统分析与设计8.1. 数据建模分析E-R图8.2. 关系数据库设计8.3. 数据完整性与一致性设计8.4. 向对象的系统分析与设计方法之-类图9. 关键程序设计9.1. 系统复用程序（公共子程序、通用函数、组件）设计9.2. 向对象的系统分析与设计方法之-构件图9.3. 系统关键业务处理程序设计9.4. 向对象的系统分析与设计方法之-时序图9.5. 向对象的系统分析与设计方法之-协作图9.6. 向对象的系统分析与设计方法之-活动图10. 系统管理优化模型与算法设计10.1. 管理优化问题描述10.2. 管理优化模型10.3. 求解优化模型的算法设计与实现10.4. 算法有效性验证实例11. 系统软件用户界面设计11.1. 软件系统总控主界面设计11.2. 主要图形界面设计11.3. 主要人机交互界面设计12. 系统应用部署设计12.1. 系统网络拓扑结构图12.2. 系统主要硬件设备部署图12.3. 系统软件体系与应用部署图12.4. 向对象的系统分析与设计方法之-部署图13. 报告总结13.1. 学习了采用数据库技术和数学化解决现实问题的一般方法13.2. 应用基于离散数学知识的求最短路径智慧创新性地解决如何找到最快捷乘车路线的关键问题14. 研究展望14.1. 本报告的未完成或不足之处14.2. 有待进一步完善和改进之处15. 参考文献16. 致谢17. 附录1. 引言1.1 引导性说明设计报告所研究的领域1.1.1 城市智能公交管理系统城市智能公交管理服务系统采用GPS、GPRS/SMS、GIS、网络技术、图形图像技术等高科技技术通过对公交车辆的动态位置信息采集、客流量的统计、路面状况的信息收集、各类信息的发布的手段，实现公交车辆的实时监控和调度、车内自动报站、电子站牌等功能。实现公交车辆运营调度的智能化，公交车辆运行的信息化和可视化，实现面向公众乘客的完善信息服务，通过建立电脑营运管理系统和连接各停车场站的智能终端信息网络，加强对运营车辆的指挥调度，推动智慧交通与低碳城市的建设。一方面，提升了城市公交的总体形象，为乘车、候车提供了更优良的环境和更优质的服务；另一方面，通过减少报站的人工操作降低了司机的劳动强度从而改善了司机的工作环境；第三，公交公司能够通过对各种数据信息的采集和分析，提高管理水平和运营效率、降低运营成本。1.1.2 数据库系统数据库（Database）是按照数据结构来组织、存储和管理数据的仓库，它产生于距今五十年前，随着信息技术和市场的发展，特别是二十世纪九十年代以后，数据管理不再仅仅是存储和管理数据，而转变成用户所需要的各种数据管理的方式。数据库有很多种类型，从最简单的存储有各种数据的表格到能够进行海量数据存储的大型数据库系统都在各个方面得到了广泛的应用。 数据库系统（database systems），是由数据库及其管理软件组成的系统。它是为适应数据处理的需要而发展起来的一种较为理想的数据处理的核心机构。它是一个实际可运行的存储、维护和应用系统提供数据的软件系统，是存储介质、处理对象和管理系统的集合体。 数据库技术是信息系统的一个核心技术。是一种计算机辅助管理数据的方法，它研究如何组织和存储数据，如何高效地获取和处理数据。是通过研究数据库的结构、存储、设计、管理以及应用的基本理论和实现方法，并利用这些理论来实现对数据库中的数据进行处理、分析和理解的技术。即：数据库技术是研究、管理和应用数据库的一门软件科学。 数据库技术是现代信息科学与技术的重要组成部分，是计算机数据处理与信息管理系统的核心。数据库技术研究和解决了计算机信息处理过程中大量数据有效地组织和存储的问题，在数据库系统中减少数据存储冗余、实现数据共享、保障数据安全以及高效地检索数据和处理数据。数据库技术研究和管理的对象是数据，所以数据库技术所涉及的具体内容主要包括：通过对数据的统一组织和管理，按照指定的结构建立相应的数据库和数据仓库；利用数据库管理系统和数据挖掘系统设计出能够实现对数据库中的数据进行添加、修改、删除、处理、分析、理解、报表和打印等多种功能的数据管理和数据挖掘应用系统；并利用应用管理系统最终实现对数据的处理、分析和理解。1.1.3 数据库管理系统（DBMS）数据库管理系统(database management system)是一种操纵和管理数据库的大型软件，用于建立、使用和维护数据库，简称dbms。它对数据库进行统一的管理和控制，以保证数据库的安全性和完整性。用户通过dbms访问数据库中的数据，数据库管理员也通过dbms进行数据库的维护工作。它可使多个应用程序和用户用不同的方法在同时或不同时刻去建立，修改和询问数据库。DBMS提供数据定义语言DDL（Data Definition Language）与数据操作语言DML（Data Manipulation Language），供用户定义数据库的模式结构与权限约束，实现对数据的追加、删除等操作。主要功能：（1）数据定义：DBMS提供数据定义语言DDL（Data Definition Language），供用户定义数据库的三级模式结构、两级映像以及完整性约束和保密限制等约束。DDL主要用于建立、修改数据库的库结构。DDL所描述的库结构仅仅给出了数据库的框架，数据库的框架信息被存放在数据字典（Data Dictionary）中。（2）数据操作：DBMS提供数据操作语言DML（Data Manipulation Language），供用户实现对数据的追加、删除、更新、查询等操作。（3）数据库的运行管理：数据库的运行管理功能是DBMS的运行控制、管理功能，包括多用户环境下的并发控制、安全性检查和存取限制控制、完整性检查和执行、运行日志的组织管理、事务的管理和自动恢复，即保证事务的原子性。这些功能保证了数据库系统的正常运行。（4）数据组织、存储与管理：DBMS要分类组织、存储和管理各种数据，包括数据字典、用户数据、存取路径等，需确定以何种文件结构和存取方式在存储级上组织这些数据，如何实现数据之间的联系。数据组织和存储的基本目标是提高存储空间利用率，选择合适的存取方法提高存取效率。（5）数据库的保护：数据库中的数据是信息社会的战略资源，随数据的保护至关重要。DBMS对数据库的保护通过4个方面来实现：数据库的恢复、数据库的并发控制、数据库的完整性控制、数据库安全性控制。DBMS的其他保护功能还有系统缓冲区的管理以及数据存储的某些自适应调节机制等。（6）数据库的维护：这一部分包括数据库的数据载入、转换、转储、数据库的重组合重构以及性能监控等功能，这些功能分别由各个使用程序来完成。（7）通信：DBMS具有与操作系统的联机处理、分时系统及远程作业输入的相关接口，负责处理数据的传送。对网络环境下的数据库系统，还应该包括DBMS与网络中其他软件系统的通信功能以及数据库之间的互操作功能。技术特点：（1）采用复杂的数据模型表示数据结构，数据冗余小，易扩充，实现了数据共享。（2）具有较高的数据和程序独立性，数据库的独立性有物理独立性和逻辑独立性。（3）数据库系统为用户提供了方便的用户接口。（4）数据库系统提供4个方面的数据控制功能，分别是并发控制、恢复、完整性和安全性。数据库中各个应用程序所使用的数据由数据库系统统一规定，按照一定的数据模型组织和建立，由系统统一管理和集中控制。 （5）增加了系统的灵活性。1.1.4 全球定位系统GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称，而其中文简称为“球位系”。GPS是20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，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。主要功能：（1）导航（2）测量（3）授时组成部分：（1）空间部分GPS的空间部分是由24颗卫星组成(21颗工作卫星；3颗备用卫星），它位于距地表20200km的上空，均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗),轨道倾角为55。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星，并能在卫星中预存导航信息，GPS的卫星因为大气摩擦等问题；随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。（2） 地面控制系统地面控制系统由监测站(Monitor Station)、主控制站(Master Monitor Station)、地面天线(Ground Antenna)所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市(Colorado Spring)。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息，并计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据。（3）用户设备部分用户设备部分即GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备。GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。其次则为使用者接收器，现有单频与双频两种，但由于价格因素，一般使用者所购买的多为单频接收器。GPS系统的特点：高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。（1）定位精度高应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6，100-500KM可达10-7m，1000KM可达10-9m。在300-1500M工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较，其边长较差最大为0.5mm,校差中误差为0.3mm。（2）观测时间短随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20KM以内相对静态定位，仅需15-20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。1.1.5 地理信息系统 (GIS)GIS即地理信息系统（Geographic Information System），经过了40年的发展，到今天已经逐渐成为一门相当成熟的技术，并且得到了极广泛的应用。尤其是近些年，GIS更以其强大的地理信息空间分析功能，在GPS及路径优化中发挥着越来越重要的作用。GIS地理信息系统是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供管理、决策等所需信息的技术系统。简单的说，地理信息系统就是综合处理和分析地理空间数据的一种技术系统。主要功能：（1）数据采集与编辑功能GIS的核心是一个地理数据库,所以建立GIS的第一步是将地面的实体图形数据和描述它的属性数据输入到数据中,即数据采集.为了消除数据采集的错误,需要对图形及文本数据进行编辑和修改.（2）属性数据编辑与分析属性数据比较规范,适应于表格表示,所以许多地理信息系统都采用关系数据库管理系统管理. 通常的关系数据库管理系统(RDBMS)都为用户提供了一套功能很强的数据编辑和数据库查询语言,即SQL,系统设计人员可据此建立友好的用户界面,以方便用户对属性数据的输入、编辑与查询. 除文件管理功能外, 属性数据库管理模块的主要功能之一是用户定义各类地物的属性数据结构. 由于GIS中各类地物的属性不同, 描述他们的属性项及值域亦不同, 所以系统应提供用户自定义数据结构的功能,系统还应提供修改结构的功能,以及提供拷贝结构、删除结构、合并结构等功能.（3）制图功能GIS的核心是一个地理数据库。建立GIS首先是将地面上的实体图形数据和描述它的属性数据输出到数据库中并能编制用户所需要的各种图件。因为大多数用户目前最关心的是制图。从测绘角度来看，GIS是一个功能极强的数字化制图系统。然而计算机制图需要涉及计算机的外围设备,各种绘图仪的接口软件和绘图指令不尽相同,所以GIS中计算机绘图的功能软件并不简单,ARC/INFO的制图软件包具有上百条命令,它需要设置绘图仪的种类,绘图比例尺,确定绘图原点和绘图大小等. 一个功能强的制图软件包还具有地图综合,分色排版的功能. 根据GIS的数据结构及绘图仪的类型,用户可获得矢量地图或栅格地图. 地理信息系统不仅可以为用户输出全要素地图, 而且可以根据用户需要分层输出各种专题地图,如行政区划图、土壤利用图、道路交通图、等高线图等等. 还可以通过空间分析得到一些特殊的地学分析用图,如坡度图、坡向图剖面图等等.（4）空间数据库管理功能地理对象通过数据采集与编辑后，形成庞大的地理数据集。对此需要利用数据库管理系统来进行管理。GIS一般都装配有地理数据库，其功效类似对图书馆的图书进行编目，分类存放，以便于管理人员或读者快速查找所需的图书。其基本功能包括：1.数据库定义 2.数据库的建立与维护 3.数据库操作 4.通讯功能1.1.6 快速公交系统快速公交系统（Bus Rapid Transit）简称BRT ，是一种介于快速轨道交通（Rapid Rail Transit，简称RRT）与常规公交（Normal Bus Transit，简称NBT）之间的新型公共客运系统，是一种大运量交通方式，通常也被人称作“地面上的地铁系统”。它是利用现代化公交技术配合智能交通和运营管理，开辟公交专用道路和建造新式公交车站，实现轨道交通运营服务，达到轻轨服务水准的一种独特的城市客运系统。快速公交系统是一种高品质、高效率、低能耗、低污染、低成本的公共交通形式，充分体现了以人为本，构建和谐社会的发展理念。快速公交系统采用先进的公共交通车辆和高品质的服务设施，通过专用道路空间来实现快捷、准时、舒适和安全的服务。组成部分：（1）专用路权通过设置全时段、全封闭、形式多样的公交专用道，提高快速公交的运营速度、准点率和安全性。（2）先进的车辆配置大容量、高性能、低排放、舒适的公交车辆确保快速公交的大运量、舒适、快捷和智能化的服务。（3）设施齐备的车站提供水平登乘、车外售检票、实时信息监控系统和有景观特色的建筑为乘客提供安全、舒适的候车环境与快速方便的上下车服务。面向乘客需求的线路组织采用直达线、大站快运、常规线、区间线和支线等灵活的运营组织方式更好地满足乘客的出行需求。（4）智能化的运营管理系统运用自动车辆定位、实时营运信息、交通信号优先、先进车辆调度，提高快速公交的营运水平。优势：快速公交系统系统可以解决走廊内公交车的拥挤和延误等问题，对城市而言，有极其重要的收益和好处。（1）乘客节省时间乘客节省时间是实施快速公交系统的最主要收益。乘客乘坐快速公交系统系统的出行速度要比乘坐目前的公交车快得多。（2）舒适和方便性除了节省时间外，快速公交系统乘客的乘车体验也会得到极大改善：乘客不再像以前一样，在日晒雨淋下候车；快速公交系统的车站十分宽敞，车站尺寸按乘客人数设计。乘客不会像以前一样，在狭小而拥挤的站台候车；现在在高峰时段，很多车十分拥挤，乘客甚至不能挤上公共汽车。快速公交系统系统运力得到极大提高，可以有效解决这个问题；安全性得到提高和改善；由于采用水平上下车，上下车变得更容易；乘客不必再翘首以待下一辆车。下辆车的到站信息和线路号码都会在电子站牌上显示出来。快速公交系统系统将根据目的地不同，合理安排线路停靠不同的子站。这意味着（不像现在这样）乘客可以在同一个子站等候那些目的地大方向相同的线路，可选性更强；快速公交系统车辆内部十分宽敞和舒适，上下车更加方便和快捷。（3）改善混合交通情况快速公交系统系统对于快速公交系统走廊沿线的混合交通将会产生重大、积极的影响。从常规交通中抽出并纳入快速公交系统走廊，公交车辆社会车流的运行速度将从得到有效提高。1、缓解城市的交通拥挤。2、可以提供舒适的乘车环境，并节约市民的出行时间。3、相比轨道交通可以节省巨额的投资建设费用。4、可以平衡城市交通方式的发展。5、可以提升城市的生活环境质量。（4）节约运营成本因为实施快速公交系统后公交车的行驶速度要比以前快得多，同时因为使用载客量较大的车辆，所以车辆数量可以大大减少。 从运营角度看，所需车辆数目的减少不仅意味着购置车辆费用的减少，同时还意味着燃料、维护、司机、存放和其他方面成本的减少。（5）改善驾驶员的工作条件快速公交系统车辆驾驶员的工作环境得到改善，驾驶环境变得更舒适，设备更先进。较高的行驶速度、不受其他车辆影响和干扰的专用车道、车外售检票（意味着驾驶员不必再监督上车人是否投币或刷卡），将会极大减轻司机的工作压力。（6）改善通勤条件和增加工作机会快速公交系统将首先为沿线的那些受时间和出行费用所限的人群带来更多的工作和商业机遇。出行时间和费用的节省将使得他们有更多机遇接触到更多的人和更好的工作机会。（7）提高改进生产力和投资环境快速公交系统系统可以节省乘客、社会车辆时间，对于商业来说意味着加快和缩短货物周转时间，不仅仅是在快速公交系统走廊内，对全市其他路段而言也是。快速公交系统走廊沿线的商铺和娱乐业，当然还有公交运营公司和相关附属服务产业也会从中直接受益。同时，由于员工压力减轻，生长率提高，商业也会得到收益。 快速公交系统的建设也会为厦门开创一个新的市场和商机。目前前往集美同安地区耗时多，但是修建快速公交系统后，从市中心到集美同安不到半个小时就可以到达。 在更深的社会层面，通过实施快速公交系统，满足群众出行需要和改善公共空间后，可以加强公众对城市自豪感和归属感，包括那些在一期走廊沿线聚居着的大量低收入人群，他们可以从快速公交系统中得到的收益是：不需花太多钱就可以满足出行需要，并且节省时间。快速公交系统可以提升城市的现代化都市形象。快速公交系统可以极大提高乘客舒适性，能提供类似地铁的服务水平。通过修建快速公交系统还可以改善其它机动车辆的交通状况，尤其是在快速公交系统走廊内。快速公交系统对改善空气质量也有好处。波哥大和首尔修建快速公交系统工程后，空气污染水平大为下降，在快速公交系统走廊上尤其如此。快速公交系统还能节省燃料和能源消耗，从另一方面改善空气质量。快速公交系统走廊沿线的土地会得到升值。政府可以引导土地发展。1.2 设计工作的背景我国多年来经济发展势头迅猛，北京作为首都，是我国政治，文化中心，各方面都飞速发展，但是北京同时也在经历着经济飞速发展带来的各种问题，如同纽约、东京、伦敦等国际性大都市在发展中所遇到的一样。其中城市交通是一个非常突出的问题，如何解决好这些城市发展的阵痛，对于城市的进一步发展有着深刻的作用。此处不妨把北京和东京进行对比。表1 北京东京交通现状对比表（09年）北京东京北京/东京（%）备注面积（平方公里）1680013280127%人口（万）1853353052.6%机动车辆（万辆）245155615.7%公共交通占比例26.580以上33.1%轨道交通在公共交通的比例9.883.811.7%巴黎70%轨道交通总公里数1142686（地铁322，其余为城铁）4.2%纽约、伦敦、巴黎地铁公里数均在300以上2010年初，北京常住人口2200万，流动人口460万，机动车保有量已达到451万辆，其中私人小汽车310万辆。北京的公共交通仅占市民出行比例的26.5左右，这与公共交通不够快捷方便有很大关系。因此在倡导大家乘坐公共交通的同时，改变以往的公交形式显得势在必行。一直以来，城市公交在城市交通运输中发挥着重要作用，其优点是运载量大、运输效率高、能源消耗低、相对污染小、运输成本低。世界各国都积极倡导多使用公交车辆，提高运输效率，从而缓解不断增加的机动车辆给城市交通带来的压力。如何更有效的管理公共车辆，成为发展公共交通运输业的目标，智能交通就是应运而生的一个合理调度公交车辆的发展方向。目前的公交车调度还是基于传统模式，根据人工经验，手工作业。调度人员根据传统的发车时刻表对车辆进行基本调度管理，而车辆一旦出发，在线路上行驶过程中调度人员就无法知道车辆的行驶速度、目前位置、车上乘客流量等情况，这样往往造成许多资源浪费。而随着现在无线通信技术、网络技术、GPS全球卫星定位技术、传感等各种技术的成熟，更加智能、合理的公交车调度系统已经成为可能。1.3 设计工作的目的和意义总体目标是建立一套能满足城市公交车公司通过互联网管理大量车辆及其相关事务的网页服务器系统。系统能够同时收集大量的车载终端各类数据，同时发送大量数据到各种终端。系统可根据用户需要呈现各类报表和车辆监控调度结果。对于公交公司，主要从合理调度管理车辆出发，包括静态信息管理和动态调度管理。静态信息管理包括整个系统中需要预输入的车辆基本信息、车辆分组信息、车辆油耗、维修管理、违章管理、超速管理、实收金额、管理费用、车辆保险保养等车辆相关信息的管理。还包括人员相关信息：操作员基本信息、驾驶员基本信息、线路情况、站点设置、排班情况、核定载客情况、发车时间表等。这些情况主要由调度管理人员在客户端进行录入更改，并根据情况实时更新。车辆动态调度管理包括：所有在线路上的车辆的实时位置、速度的查询，车辆跟踪，每辆车的预定到达时间，各辆车上载客量，整条线路和某些路段的实时客流情况，各站点的滞留时间。有了这些数据，就可以对线路上的问题及时发现、合理调度协调。实时了解司机的不规范行为，并可以及时与司机进行沟通，予以矫正。对于公交车司机，系统设计功能包括：自动报站、车辆遇故障和意外的及时求助，获知车辆行驶速度及距前后车辆距离等信息。对于乘客，主要是考虑乘客的方便乘车。在各站点设置电子站牌，乘客在车站可以随时了解下一般车辆的当前位置，便于乘客掌握候车时间。另外系统设计专门网站，乘客出门前可以通过互联网了解如何乘车、换车，可以了解各路车辆的行驶路线的电子地图、乘车的路线规划等信息。2. 问题定义与分析2.1 报告所研究的具体问题的定义利用先进的技术和设备实现公交的优化调度，充分满足人们的出行需要，是智能公交系统发展的目标。结合中国智能公交系统现状，通过对智能公交调度系统和调度特点深入分析，在GPS定位、通信、计算机等技术的支持下，将动态交通状态信息与车辆定位信息有效融合，将智能化算法引入到公交运营调度中，建立基于实时动态数据，兼顾乘客满意度和企业效益的动态调度优化模型。主要包括自动语音报站、客流量统计、班车路线管理、班车路线统计、实时视频监控、车辆调度管理、超速报警、指定线路行驶、油量监控、排班调度、驾驶员管理、实时视频监控、文字信息显示、图像传输。2.2 问题相关部门及系统 该智能公交系统包括设计系统如下:车载子系统、站台子系统、路口信号优先子系统、场站调度子系统、视频子系统、公交卡票务子系统、网络子系统、综合业务管理子系统、安全子系统、外部接口子系统。该智能公交系统设计部门有：公交调度中心、移动通信服务中心、GPS定位部门、业务统计部门等。2.3 问题的特征研究的问题主要有以下问题：（1）系统与城市交通信息中心及其它诸如市政管理系统等其它信息系统之间的信息共享通路不畅通，无法做到公交调度的实时调整和公交相关信息的实时发布；（2）由于系统软硬件的差异，很难与现存的交通管理系统、交通信息发布系统等系统的融合，违背了一次规划分步实现建设ITS的初衷；（3）系统内部各部门之间共享信息通路不畅，无法很好地满足实时公交调度的需求；（4）乘客信息系统存在提供的信息实时性差，查询界面不人性化，可供查询的信息较少，查询系统响应速；（5） 公交数量、质量与北京城市对公交需求不相适应，服务设施落后，既不准确又不舒适。（6） 乘客在车站滞留时间长，换乘车耗时且不方便。（7） 公交线路覆盖率低，重叠系数大。由于道路和立交桥等影响，公交线网和站点设置不合理。（8） 车辆运行效率不高，人工调度不能及时了解公共汽车在线路上的运行状态，无法及时进行调度。（9） 人工报站有时会出错，北京公交车上人流量很大，一旦出错会给乘客带来不便。（10） 部分司机开车速度过快，不能及时监督和纠正，将带来安全隐患。2.4 解决问题的重难点首先，GPS等车载终端的安装量较大，设备要求较高。且安装之后要求相关人员掌握操场方法，并要取代一部分车上人员。各个部门配合才能是GPS等车载终端发挥出应有的作用。其次，电子站牌的设计。电子站牌是整个系统和乘客接触最紧密的部分，需要将乘客所需信息尽量全部呈现，所以必须保证站牌信息的及时和准确，车辆距离站牌的距离和时间测算将成为一个难点。第三，信息基础建设的问题。现在，GPS在公交系统推广应用缺少合适的运营网。公交车是固定线路，对数据发送时间要求比较严格。经测试，运营车辆发送数据的间隔不能超过30秒，数据量相当庞大。考虑到服务费用问题，利用专网比较合适，但专网存在覆盖面的问题，企业自行建设费用很高，而现在没有合适的专网。最后，对于公交专用车道的使用，需要各部门和广大市民的配合，如果经常占道，那快速公交的效率将明显降低。2.5解决问题的技术线路主要涉及的技术和设备：GPS定位技术，GIS系统，线图调度系统，GPRS无线通讯技术，数据库技术，智能车载终端，电子站牌，客流量统计仪，视频监控技术等。其中主要是GPS的车辆定位和GPRS的通信，实现乘客和公交系统的互动。3. 问题调研与需求分析3.1 调研内容北京公交的现状，包括市民出行的时间、方便程度，公交线路的覆盖和运行效率。3.2 调研方式和过程首先查阅资料，了解北京公交的概况。为了更切实的体会北京公交的现状，选取了较为典型的地段和时间进行了实地体验。还编写了调查问卷，并对周围的人进行了调查。3.3 调研数据2009年，北京市公共交通运营里程18498公里，运营线路701条，运营车辆共2.4万辆，年客运总量65.9亿人次，公交车票价通常为1元起价。北京交通研究中心预测北京五年内机动车达700万，届时每天堵车6小时，时速15公里，基本等于步行速度。以乘坐355路公交车为例。从三义庙至肖庄站。17：03到三义庙车站，355路车17：23到站，车过四通桥后左转，走人大、中关村，这段比较堵，尤其是中关村地带，到中关村站是17：46，这段距离为2.7km。过了中关村站，往前一点过了四环路，此时为17：47车速有所提升，拐弯后走成府路后，这里的车流比较畅通，到了清华东门拐弯处是18：00，这段路程约2.5km，平均速度约11.5km/h。清华东门到道口这段，也就是双清路上，是我坐车最堵的一段了，大约0.6公里，走了16分钟，平均速度约2.3km/h，过了道口车速相对快了一些，到肖庄是18：18分。从三义庙到中关村这段，用时20分钟，行程2.7km，平均速度8.1km/h；四环路到清华东门段，用时13分钟，行程2.5km，平均速度11.5km/h：清华东门到铁路道口段，用时16分钟，行程0.6km,平均速度2.3km/h 总的这段路程平均车速5.3km/h，低于自行车的速度。 而问卷调查中多数人认为主要问题为：公交系统不够完善，交通拥堵，道路建设不完善，高峰时期人流量过大。3.4 系统需求分析就现在的北京公交智能管理系统来说，有两方面问题急需解决。1）查询不方便：现有的北京公交查询电话为96166，但很多人不清楚查询公交线路的电话，并且打电话查询难以记忆路线以及换乘方案。Google、百度等地图服务的搜索引擎可以提供很好的乘车路线查询服务，但操作比较复杂，只能在部分智能手机进行操作。2）查询成本高：从乘客角度来讲：除了在家通过网页查询和户外电子信息牌获知信息，其它的方式均需要花费一定的费用。电话查询需要支付一定的通话费用，而最昂贵的，便是通过手机客户端使用GPRS进行查询时所要支付的流量费用，因为地图和导航需要大量图片的下载和更新，所以流量很大。 因此，很多人并不选择在外出时，使用理应方便的手机客户端查询公交信息。从公交公司的实现部门角度说， 由于人工语音服务灵活性较差，当人们对公交出行信息需求量增大时，公交公司需雇佣更多人员，并加装更多座机，因此成本大幅度提高。而户外多功能信息显示屏幕也需要大量的金钱投入，并且很容易受到破坏。鉴于这两大问题，现在设计的系统必须人性化，从乘客的角度思考。对于系统用户，基本有以下几大需求：首先，用户的信息需求：查询用户希望能够通过系统获取所需的查询信息，包括对具体线路的查询，对经过某一站台的所有线路的查询，对指定起点和终点的合适线路的查询，以及如何换乘可以更快到达目的地的查询。同时，用户在站台需要最新最及时的信息更新，以便自己改变乘车方案。第二，用户的处理要求：系统管理员能够对公交线路进行执行线路的增加，删除操作；管理员能够修改，设置公交车站的信息；管理员能够对具体的公交线路的信息进行修改，包括途经站台，车票价格，规定营运时间等。第三，对系统的普遍性要求：系统能够不受未来公交线路设置变化的影响，仍能照常使用。系统不仅能够只针对某个地区进行公交线路查询，只需稍微做点修改，就能应用于其他地区的公交线路查询，这样可以在旧站台的设备回收之后再次利用。最后，对系统的安全性要求：非系统管理员不能操作系统的数据库，只能做查询操作及其他无关系统整体安全性的操作。因此，本智能公交系统旨在尽力满足用户的所有需求，提供更好的公共交通服务，提高市民出行效率。本智能公交系统需要车载GPS和GPS定位卫星，将车辆位置信息传送至场站调度中心，再经过网络子系统的GPRS将信息发至站台子系统的电子站牌，显示给乘客。同时，在车辆即将经过路口时，公交调度中心和交通信息中心协调，使路口信号给予公交优先。视频子系统和安全子系统协调合作，保证车辆的行车速度在安全的前提下尽量高速，并安全进出站。综合业务管理子系统将各子系统的业务数据收集处理，以便评估检测。3.5 面向对象的系统分析与设计方法之-用例图图2 整体公交智能系统子系统联系示意图4. 参考文献综述4.1.与拟解决问题相关的文献综述1) 最短路径算法Dijkstra(迪杰斯特拉)算法分析与实现(C/C+) Tanky Woo介绍如何使用C语言将迪杰斯特拉算法的思想实现，并且给出严谨的标示2) 叶苍年 北京市交通研究中心交通发展战略分析 2008介绍最近北京交通的变化及未来趋势3) 王静霞、张国华 城市智能公交管理系统 中国建筑工业出版社 2007介绍公交管理系统的实施原理及系统知识 4) 康悦 北京市政交通一卡通使用情况及公交满意度调查 介绍公众对限行公共交通的满意度以及公交卡的使用情况4.2.与拟采用技术相关的文献综述1)萨师煊，王珊 数据库系统概论 高等教育出版社 1997.9 介绍数据库系统的基础知识及建立系统数据库的注意事项2)潘锦平 软件开发技术 西安电子科技大学出版社 1999 介绍软件开发的发展，现在最流行的开发软件如何使用3)洪锦魁 网页设计梦幻组合 清华人学出版 2004 介绍网页的设计方法，结合系统的设计进行操作系统的界面设计4)于繁华 Access基础教程 中国水利水电出版社 2008 介绍Access的基础知识5)亚历克斯(美) Access数据分析宝典 电子工业出版社 2008 介绍Access的数据特点及如何进行数据分析最有效率 5. 系统规划5.1 系统总目标及关键因素（1）总目标：本方案从“方便乘客和合理管理调度车辆”两大问题入手，结合GPS，GIS，GPRS技术，以实现车辆的智能化调度，为公交企业在行车计划的制定、线路的调整及规划等方面的决策提供基础数据，解决司机的违规现象。在解决公交企业合理运营问题的同时提高了企业的服务质量，方便了市民的出行。采用集成化设计，实现公交的“站车道”一体化，发挥道路上公交优先、合理调度、快速上下、安全舒适、人性化服务的功能。满足公交现代化营运所需的“业务资金信息”三位一体的现代化业务要求，实现优化运行、优质服务、规范管理的目标。（2）关键因素图3 公交智能化示意图5.2 系统具体目标及KPI5.3 相关子系统规划图5 北京智能公交系统子系统规划示意图（1）车辆监控子系统：实现车辆的实时监控，可是调度中心了解车上人流量，司机驾驶状态等信息。（2）信息管理子系统：实现公交公司的信息化管理平台，主要功能有：配车排班、车辆技术信息管理、司乘人员考核、各种报表生成等。（3）网络管理子系统：管理整个网络的状况，包括网络故障检测，设备故障检测，网络拓扑等功能。（4）电子站牌控制子系统：下发电子站牌的信息，包括公交线路，各线路公交车的到站信息，文本广告，天气信息等。（5）公交信息子系统：一个发布在互联网上的公交信息网站，可以提供公交线路，出行指导，实时路况等信息的查询等功能。（6）公交卡子系统：现有的公交卡系统主要用来完成车票支付功能。但是，公交卡系统具有潜在的可扩展性。当乘客刷卡时，公交卡机除了可以计算并扣除票价，同时也应能够在内置计数器内统计车厢内乘客人次数，如此一来，通过改造公交卡机并使之与车载GPS设备相互连接通讯，再通过车载通讯设备与公交指挥信息系统之间数据的传送，指挥信息系统再将所有车辆的乘客人次信息汇总，计算，发送到智能公交信息系统中枢，便可以通过主动查询和被动查询两种方式使乘客获知所查线路的乘客拥挤程度。总体看来，此功能比较容易实现。（7）车载子系统：GPS和GIS系统相互配合，为乘客提供目标线路车辆的位置和地理信息，是整个智能公交信息系统的硬件和软件系统的核心组成部件。只有将车辆的位置信息收集整理，才能做到整个系统的人性化和实用性5.4.系统主要功能规划图6 系统主要功能规划示意图（1）交通部门：交通部门的参与，主要出于以下三个方面的考虑。 首先，交通部门的协助将极大地帮助智能公交信息系统对实时交通信息的获取。这些实时交通信息一部分用于智能公交调度指挥系统，以作为其增车或临时改线等决策的依据。而另一部分将被用于提供给乘客。掌握了城市各条道路的拥堵情况，乘客才能心中有数，对自己的乘车计划有更加明确的想法和及时更改，极大的方便了乘客的出行，达到了方便乘客的目的。 其次，根据对乘客出行记录的统计及乘客意见的反馈，交通部门可以分析人流及车流的出行规律，依此可制定出更加符合人们出行需求的交通管理措施。从而使得人们出行的效率更高。 最后，交通部门协助建立和管理快速公交的专用道路，可以提高公共交通的效率，民众在享受这种方便之后，将会更加倾向于公共交通。(2) 乘客：通过主动和被动两种方式参与到了制定和优化公交线路的过程中。乘客作为公交系统作用的主体，在系统中也起到了重要作用。乘客的查询，乘车和反馈等活动都是影响公交车调度管理的重要因素。该系统通过对乘客各种活动的统计和智能化管理，来调度管理公交线路，从而减少了乘客的等待和乘车时间。电子站牌的出现，更方便了乘客及时迅速的选择公交车次，提高了出行效率。(3) 公交公司： 在这个智能公交信息系统的设计中，公交公司不仅仅为乘客提供信息，并且可以从乘客那里获取信息。通过对乘客出行及客流分布的统计，并结合交通部门提供的车流信息，公交公司可以很容易地对线路设置进行优化调整。而乘客的反馈意见，将成为公交公司改善服务，提高效率的重要依据。 5.5.系统功能与数据之间的关系规划本智能公交调度系统虽然复杂，子系统较多，但是各个子系统，功能和数据库之间的联系较为紧密，缺一不可，需要各部门和因素的良好配合，下图为关系图：表2 智能公交系统系统功能与数据关系规划表功能/数据库交通路况乘客回复车辆地理位置在途车辆车辆平均时速库存运力乘客数车况信息车速监控是是是车辆信息呈现是是是是是是乘客引导是是应急指挥调度是是是客流量统计是是是线路设计是是是是乘客建议反馈是是是客流量预测是是车况检测是是是5.6.向对象的系统分析与设计方法之-对象图图7 公交信息查询示意图图8 车载终端系统信息示意图6. 系统业务分析6.1 系统原有业务流程图图9 公交系统原有业务流程图如图，原有的业务主要是固定网络和定点旧式站牌来传递信息：当乘客在家里通过网站查询或是手机搜索站台信息和线路信息时，搜索引擎将调用公交系统的线路数据库，通过公交查询系统将线路信息与目标查询信息匹配，得出结果，通过电子地图等形式将信息提供给乘客。这些信息普遍更新较慢，乘客往往得不到及时的信息。 其次，乘客在车站时观看站牌，仅能知道停靠站信息以及首末班车信息，仅依据这些信息而做的出行决策，不够人性化。并且换乘信息很难把握，无法知道车站的具体位置无法将多条线路信息进行整合。6.2.基于信息技术的业务流程再造图10 查询系统改造示意图 改良之后，在现有的系统中，综合信息中心成为系统的中枢，将主动查询和直接显示有机的结合。能更好的向乘客提供路线信息。在查询方面，乘客不再局限于固定电脑的搜索，手机客户端可以执行相同的任务，实用性增强。并且查询内容有了根本性变化，过去乘客只是客观乘车，在站台执行站牌的路线。现在的查询系统能提供出发地到目的地的多种线路选择，交通路况信息，预计到达时间和换乘时的具体细节等，能让乘客主动选择路线并更有效率的乘车。在直接显示方面，电子站牌的内容更多，而且会根据数据库里的信息及时更新。乘客不会出现等车太久但是前方堵车不知情的情况，效率提