張舒茜　武慧榮　王科杰　許澤新　張倩

摘? 要：公交客流的獲取是保障城市公交線路有效規(guī)劃、合理調(diào)度以及良好運營的重要依據(jù)。文章設(shè)計了一套集成光電效應(yīng)和壓電效應(yīng)的公交客流統(tǒng)計系統(tǒng)，該系統(tǒng)由客流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)及顯示系統(tǒng)構(gòu)成，用以實現(xiàn)公交運行線路各站點、各時間段客流數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計及傳輸，便于精確獲取公交線路乘客出行數(shù)據(jù)，可滿足行業(yè)管理部門、公交企業(yè)等臨時或長期的客流統(tǒng)計需求，為公交線路規(guī)劃、調(diào)度以及合理分配城市公共資源提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：城市公交；集成化；客流計數(shù)；Arduino；智能交通

中圖分類號：TP391.4；U121 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）13-0022-04

Design of Bus Passenger Flow Counting System Based on Integrated Technology

ZHANG Shuxi， WU Huirong， WANG Kejie， XU Zexin， ZHANG Qian

（School of Traffic， Northeast Forestry University， Harbin? 150040， China）

Abstract： The acquisition of bus passenger flow is an important basis for ensuring effective planning， reasonable scheduling， and good operation of urban bus routes. This paper designs a set of public transport passenger flow statistics system integrating the Photoelectric effect and Piezoelectricity. The system is composed of a passenger flow data acquisition system， a processing system， a transmission system and a display system， which is used to realize the collection， count and transmission of passenger flow data at each stop and in different time segments of the public transport line， facilitate the accurate acquisition of passenger travel data on public transport lines， and meet the temporary or long-term passenger flow count needs of industry management departments， public transport enterprises. Provide effective data support for bus line planning， scheduling， and rational allocation of urban public resources.

Keywords： urban public transportation; integration; bus passenger flow counting; Arduino; intelligent transportation

0? 引? 言

公共交通是城市居民出行的主要方式之一，能夠滿足人民群眾基本出行需求，也是有效緩解城市交通擁堵的重要手段。2020年，交通運輸部強調(diào)“加快構(gòu)建以公共交通為主體的城市出行服務(wù)體系，提高公交服務(wù)的運行速度和準(zhǔn)點率，持續(xù)改善城市公交服務(wù)品質(zhì)，不斷提高城市公共交通吸引力。”由于客流量實時數(shù)據(jù)不夠精確，致使現(xiàn)有的公交線路規(guī)劃存在時間、空間上分配不均的問題。精確獲取不同時段的公交線路客流數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)科學(xué)規(guī)劃城市公交線路網(wǎng)、高效利用城市公共交通資源，合理編制公交車作業(yè)計劃、提升城市公交的運營調(diào)度水平是改善城市公交服務(wù)質(zhì)量、提升公交吸引力的基礎(chǔ)，也是行業(yè)管理部門和城市公交企業(yè)亟需解決的問題。

目前，客流檢測技術(shù)研究主要有紅外客流檢測技術(shù)[1]、公交IC卡客流調(diào)查[2]、圖像識別客流檢測技術(shù)[3，4]、壓力傳感器客流檢測[5]、RFID網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[6]、機(jī)器視覺技術(shù)[7]等。紅外客流技術(shù)法的核心是紅外傳感器，易受干擾物的影響，導(dǎo)致統(tǒng)計精度不高[1]。公交IC卡客流調(diào)查法操作簡單，但只能獲取使用IC卡出行的乘客的數(shù)量，造成大量客流數(shù)據(jù)未能有效及時獲取[2]。圖像識別公交客流調(diào)查方法對圖像采集質(zhì)量要求較高，易受到車體振動引起的視頻抖動問題和攝像頭角度引起的圖像梯形失真，產(chǎn)生計量不準(zhǔn)確的情況[4]。壓力傳感器客流檢測方法，僅依靠壓力數(shù)據(jù)判斷客流，擁擠時易出行重復(fù)計數(shù)情況，影響檢測數(shù)據(jù)結(jié)果的精度等[5]。基于RFID網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所獲取的客流數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率較高，但其具有較高的使用成本，無法廣泛應(yīng)用[6]?；跈C(jī)器視覺技術(shù)的客流檢測系統(tǒng)，能夠很大程度上對傳統(tǒng)檢測方法的不足進(jìn)行補充，但需要投入昂貴的前期成本及運營使用成本，性價比較低?；诖?，本文設(shè)計了一種基于光電效應(yīng)與壓電效應(yīng)的集成化技術(shù)的公交客流統(tǒng)計系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由單片機(jī)、光電傳感器、壓力傳感器等裝置組成，通過集成化光電傳感器與壓力傳感器配合使用，提高公交車在營運過程中客流量數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。

1? 集成系統(tǒng)構(gòu)成

基于集成技術(shù)的公交客流計數(shù)系統(tǒng)由客流數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)的處理系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)的傳輸與顯示系統(tǒng)三個部分組成?？土鲾?shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于光電效應(yīng)與壓電效應(yīng)進(jìn)行集成化設(shè)計，兩者相互配合，保障客流數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。光電感應(yīng)模塊安裝在車門頂部，基于光電效應(yīng)的工作原理，利用乘客通過車門時所引起光照強度的變化，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，對上下車門客流數(shù)據(jù)進(jìn)行初步采集；壓電效應(yīng)模塊安裝在車門底部黃色區(qū)域，將乘客的重量通過壓力傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，對客流數(shù)據(jù)進(jìn)一步采集確認(rèn)。光電感應(yīng)模塊與壓電效應(yīng)模塊相互配合，可以確?？土鲾?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用Arduino UNO R3單片機(jī)作為整個系統(tǒng)的核心，對系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總與統(tǒng)計。數(shù)據(jù)傳輸及顯示系統(tǒng)主要以HC-05芯片為核心，可與移動設(shè)備相連接實現(xiàn)客流統(tǒng)計數(shù)據(jù)的實時傳輸與顯示。三個分系統(tǒng)配合使用，共同保障客流數(shù)據(jù)統(tǒng)計的準(zhǔn)確性與實時性。集成化的公交客流統(tǒng)計系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

2? 系統(tǒng)設(shè)計

2.1? 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以Arduino UNO R3為核心控制單片機(jī)。單片機(jī)是集成化公交客流計數(shù)系統(tǒng)的大腦，主要負(fù)責(zé)記錄、處理、傳輸與統(tǒng)計數(shù)據(jù)，必須保證能夠穩(wěn)定可靠地集成黃色踏板上的產(chǎn)生壓電效應(yīng)信號以及光電傳感器所產(chǎn)生的電信號，同時系統(tǒng)設(shè)計要求具有體積小、穩(wěn)定性高、方便安裝的特點，因此選用Arduino UNO R3開發(fā)板作為系統(tǒng)的核心控制單片機(jī)，Arduino UNO R3是一款基于微控制器ATmega328P的開發(fā)板，它有14個數(shù)字輸入/輸出引腳（其中6個引腳可以作為PWM輸出引腳）、6個模擬輸入引腳、16 MHz石英晶振、USB接口、電源接口，支持在線串行編程以及復(fù)位按鍵，具有便捷靈活、成本低、穩(wěn)定性好、低功耗以及高集成度等特點，可實現(xiàn)對公交客流數(shù)據(jù)的實時處理。

2.2? 光電感應(yīng)模塊設(shè)計

光電感應(yīng)模塊是基于光電效應(yīng)的基本工作原理，以靈敏型光敏電阻傳感器為核心，將乘客通過所引發(fā)的光照強度變化轉(zhuǎn)換為可用的輸出電信號[4]。為確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，基于多次實驗，本系統(tǒng)擬將光電傳感安裝在車門頂部，方便安裝且便于乘客上下車。無人上下車時，外界環(huán)境光線亮度超過設(shè)定閾值，DO端輸出低電平，當(dāng)乘客經(jīng)過車門時，外界環(huán)境光線亮度達(dá)不到設(shè)定閾值，DO端輸出高電平，內(nèi)部靈敏型光敏電阻傳感器產(chǎn)生相應(yīng)的高電平信號，驅(qū)動數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)核心單片機(jī)Arduino UNO R3，進(jìn)行關(guān)于是否計數(shù)的第一次判定處理。靈敏型光敏電阻傳感器具有非接觸、性能可靠、驅(qū)動能力強、響應(yīng)時間短、分辨率高等特點，可以較準(zhǔn)確地獲取實時數(shù)據(jù)，在工業(yè)自動化、汽車智能等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，同時因其是一種小型電子設(shè)備，小封裝，低功耗，高集成和簡單易用，能夠較好地滿足本系統(tǒng)的需求。具體接線如圖2所示。

2.3? 壓電效應(yīng)模塊設(shè)計

壓電效應(yīng)模塊以壓力傳感器為核心感受壓力信號，并按照一定的規(guī)律將壓力信號轉(zhuǎn)換成可用的輸出電信號[7，8]。為了保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)將4個壓力傳感器以十字對稱式的相對位置安裝于公交車門底部的黃色區(qū)域，通過壓力信號的變化來檢測是否有乘客上車或下車。當(dāng)乘客踏上黃色區(qū)域，壓力傳感器將乘客的重量產(chǎn)生的壓力信號轉(zhuǎn)化成電信號，產(chǎn)生一個高電平并將信號發(fā)送給Arduino UNO R3，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)二次判定是否進(jìn)行計數(shù)處理。本系統(tǒng)結(jié)合一次判定與二次判定的結(jié)果，決定是否進(jìn)行計數(shù)處理，保證了客流量實時數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在本系統(tǒng)中，4個壓力傳感器串聯(lián)在一起，每個傳感器中采用的是雙聯(lián)片，相當(dāng)于是2個壓力傳感器組成的半橋電路，兩個半橋組成一個全橋電路，每個傳感器中中間的線路為公共出線，作為整個全橋電路的供電和輸出線，具體接線如圖3所示。

2.4? 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

基于公交客流數(shù)據(jù)采集位置的特殊性，需要對數(shù)據(jù)采集提供無線傳輸系統(tǒng)的支持。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是指集成藍(lán)牙功能的芯片基本電路集合，用于無線網(wǎng)絡(luò)通信，大致可分為3大類型：數(shù)據(jù)傳輸模塊、遠(yuǎn)程控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊。其中數(shù)據(jù)傳輸是低功耗藍(lán)牙中最重要的功能。系統(tǒng)選用HC05藍(lán)牙芯片便于與移動設(shè)備相連接，也可以實現(xiàn)兩個模塊間的數(shù)據(jù)互通，避免繁瑣的線纜連接，能直接代替串口線，方便簡潔，體積小巧，不易破損，符合本系統(tǒng)的功能需求。其工作過程主要是與移動設(shè)備終端進(jìn)行配合，對經(jīng)過單片機(jī)處理過的數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸?shù)膶崟r記錄與儲存。試驗中將其與手機(jī)自帶的藍(lán)牙進(jìn)行配合，在通電之后首先打開手機(jī)藍(lán)牙與電路板上的藍(lán)牙進(jìn)行配對，當(dāng)檢測到單片機(jī)通過藍(lán)牙發(fā)送給移動設(shè)備終端指令時，移動設(shè)備終端會根據(jù)所發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存與展示。

2.5? 數(shù)據(jù)顯示模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)顯示模塊主要目的為實時顯示當(dāng)前車次的上、下車人數(shù)以及車載人數(shù)。為了更好地實現(xiàn)這一功能，本系統(tǒng)選用LCDLM016L液晶字符顯示屏幕，外圍電路配置簡單，價格便宜，具有很高的性價比。該顯示屏幕可以同時清晰顯示兩行，每行16個字符，符合本系統(tǒng)的設(shè)計需求。該LCD液晶顯示塊可以顯示16×2個字符，把顯示的內(nèi)容分為2行，第1行為當(dāng)前乘車人數(shù)顯示，第2行為當(dāng)前車次上車人數(shù)顯示。Arduino通過D2-D5數(shù)字輸入引腳與LCDLM016L的D7-D4數(shù)據(jù)線相連，一般情況下使用10 kΩ的電位器對比度進(jìn)行調(diào)節(jié)，LCDLM016L的VEE、RW腳接開發(fā)板GND，LCDLM016L的VDD腳接開發(fā)板5 V，LCDLM016L的RS、E分別連接開發(fā)板數(shù)字引腳12、11，接線如圖4所示。

3? 系統(tǒng)軟件控制流程

集成化的公交客流統(tǒng)計系統(tǒng)軟件部分程序的編寫采用C語言，控制工作流程如圖5所示。當(dāng)程序開始工作時，首先程序初始化，顯示板上顯示數(shù)值為0，考慮乘客上/下車的步驟，首先通過光電感應(yīng)模塊判讀是否有人經(jīng)過車門，若此時無人觸發(fā)光電感應(yīng)模塊則系統(tǒng)不做反應(yīng)，若檢測到有物體經(jīng)過傳感器時，啟動壓電感應(yīng)模塊對其進(jìn)行二次檢測。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，占用單獨客位的公交車乘客的體重數(shù)值大部分大于20 kg[4]，因此本文以20 kg為基準(zhǔn)進(jìn)行客流數(shù)據(jù)的二次判定，當(dāng)檢測該數(shù)值大于20 kg時，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將進(jìn)行公交客流量的記錄與累加，否則系統(tǒng)不做反應(yīng)。然后將系統(tǒng)所產(chǎn)生的客流量及統(tǒng)計數(shù)量變動信息即時更新到LCD液晶顯示屏幕上，并同時將系統(tǒng)記錄及統(tǒng)計數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊傳輸至移動設(shè)備，實現(xiàn)公交客流統(tǒng)計數(shù)據(jù)的實時無線傳輸與儲存[9]。

4? 實驗與結(jié)果分析

基于集成技術(shù)的公交客流計數(shù)系統(tǒng)，在完成軟件與硬件的設(shè)計之后，通過多次實驗對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行不斷完善，根據(jù)公交車在人流量大的站點?？繒r間約為2 min，在人流量較少的站點?？繒r間約為1 min的情況，設(shè)置試驗時間分別為60 s和120 s。為檢驗本系統(tǒng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與時效性，通過在規(guī)定時間改變實驗人數(shù)進(jìn)行多次實驗的方式，對系統(tǒng)進(jìn)行了測試，并對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析?；诩杉夹g(shù)的公交客流計數(shù)系統(tǒng)的測試結(jié)果如表1所示。

由表1的測試結(jié)果可知，相同時間內(nèi)當(dāng)測試樣本（人數(shù)）較少時，計數(shù)系統(tǒng)的準(zhǔn)確率較高，隨著測試人數(shù)的增加，計數(shù)系統(tǒng)在測試過程中存在一定程度的漏檢現(xiàn)象，但檢測率均達(dá)到90%，此結(jié)果驗證了系統(tǒng)的可行性，并通過實驗得出基于集成技術(shù)的公交客流計數(shù)系統(tǒng)具有低延時、高精度的特點，能夠及時做出反應(yīng)，能夠較為準(zhǔn)確地獲取客流數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了設(shè)計目標(biāo)。

5? 結(jié)? 論

本文設(shè)計了一套基于集成技術(shù)的公交客流計數(shù)系統(tǒng)，提高了客流數(shù)據(jù)采集及處理的準(zhǔn)確度與實時性。無線數(shù)據(jù)傳輸功能實現(xiàn)與移動設(shè)備連接，提升了系統(tǒng)使用的方便性，擴(kuò)大了系統(tǒng)的使用范圍，可解決目前公交客流計數(shù)系統(tǒng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)精度較低、裝置安裝困難、影響乘客正常通行、生產(chǎn)成本高等缺點。同時能夠?qū)崿F(xiàn)對采用公交車出行的乘客在每個站點、每個時間段的客流信息進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、傳輸、儲存與統(tǒng)計，為公共交通智能調(diào)度提供數(shù)據(jù)支持，提高運輸效率及居民乘車的舒適性，為城市公交客流量調(diào)查研究人員提供更方便的調(diào)查方式，為城市交通運輸管理部門及公交企業(yè)等提供更有效的客流數(shù)據(jù)支持，促進(jìn)城市公交系統(tǒng)快速發(fā)展，便利城市居民的出行，創(chuàng)造良性循環(huán)的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。如何將本系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)與手機(jī)終端的APP相結(jié)合，使乘客能夠更加便捷地獲取出行的公交信息，讓公共交通的客流信息趨于可視化、透明化，方便城市居民合理選擇適合自己的出行方式，將是今后需要解決的重要問題。

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作者簡介：張舒茜（2001—），女，漢族，福建龍

巖人，本科在讀，研究方向：交通工程；武慧榮（1980—），女，漢族，山西夏縣人，副教授，博士研究生，研究方向：交通運輸規(guī)劃與管理；王科杰（2002—），男，漢族，山東日照人，本科在讀，研究方向：車輛工程；許澤新（1998—），男，漢族，河北井陘人，碩士研究生在讀，研究方向：交通運輸；張倩（2001—），女，漢族，黑龍江綏化人，本科在讀，研究方向：車輛工程。

收稿日期：2023-02-13