陳 婷，鄔 嵐，林 麗，唐 帆，徐曉丹

(南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，南京 210037)

出租車作為一種“門到門”的公交方式，可以作為居民中長距離出行的有效方式。隨著交通需求的不斷增長，出租車逐漸出現(xiàn)供不應(yīng)求的現(xiàn)象，“打車難”問題日益突出，合乘出租車可以有效緩解打車難的問題，同時節(jié)約資源。

遇到高峰期“打車難”時，出租車司機會在不空載的情況下搭載路邊有合乘需求的第二批乘客，但現(xiàn)存的出租車合乘方式較為落后，主要是司機和乘客的口頭協(xié)議，或者是乘客之間自主協(xié)商，并沒有一種合理合法的運營模式。特別是高峰時期，交通流極大，合乘需求也極大，但存在的合乘問題也越多，大多數(shù)人無法打到出租車，更無法合乘[1]。

1 智能出租車合乘系統(tǒng)的研究

出租車調(diào)度系統(tǒng)的發(fā)展歷程可以分為以下四類：第一代基于無線電通訊技術(shù)的電召出租車服務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中調(diào)度員通過車載電臺向駕駛員進行呼叫完成調(diào)派。第二代車輛調(diào)度中心系統(tǒng)，特征是無線電語音呼叫+計算機信息處理，訂單的輸入和數(shù)據(jù)統(tǒng)計、報表輸出已依賴計算機強大的處理能力[2]。第三代服務(wù)系統(tǒng)，利用 GPS 全球定位系統(tǒng)，車輛移動位置可實時知曉，無線電信號通過調(diào)制解調(diào)可以傳輸語音信息和數(shù)字信息，調(diào)度軟件通過對乘客上車點(經(jīng)緯度)和車輛位置(經(jīng)緯度)的比較，可以將最近車輛調(diào)派給乘客。第四代車輛自動調(diào)度中心系統(tǒng)，近年來移動通信技術(shù)GSM迅速發(fā)展，構(gòu)筑在 GSM 平臺上的3G網(wǎng)絡(luò)為更先進。對車輛調(diào)度系統(tǒng)，3G網(wǎng)絡(luò)正好可以在車輛地理位置信息的上傳和信息的雙向傳輸上發(fā)揮作用，GIS為車輛的跟蹤和地理位置的顯示提供了圖形界面[3]。所以，3G網(wǎng)絡(luò)+GPS+GIS+智能調(diào)度算法成為第四代智能調(diào)度中心系統(tǒng)的特征。但該系統(tǒng)仍不成熟，沒有很好的推廣[5-6]。

結(jié)合國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，國外的合乘服務(wù)系統(tǒng)達到第三代調(diào)度中心系統(tǒng)的水準且較成熟，處于半智能化階段。而國內(nèi)第三代調(diào)度中心系統(tǒng)剛起步，由于合乘存在爭議，國內(nèi)外學(xué)者大多研究的是合乘的基本理論，對合乘的關(guān)鍵技術(shù)研究較欠缺，很少學(xué)者開始嘗試向第四代智能化調(diào)度中心系統(tǒng)方向研究。

2 合乘系統(tǒng)的功能及系統(tǒng)設(shè)計

合乘系統(tǒng)的主要功能是在高峰時段即時提供合乘叫車服務(wù)，系統(tǒng)設(shè)計的原則要求簡單易操作，數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)的分析要求得出最優(yōu)路徑并對乘客和出租車進行匹配，通過集成一體的中央控制中心對雙方信息進行實時交換及合理調(diào)度。主要利用的技術(shù)有智能手機的3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GPS技術(shù)、GIS技術(shù)和智能調(diào)度算法技術(shù)。

2.1 系統(tǒng)模塊

系統(tǒng)分為三個模塊，第一模塊是移動設(shè)備上的乘客客戶端，第二模塊是出租車上的車載設(shè)備端，第三模塊是數(shù)據(jù)庫及中央控制中心。三模塊之間的功能關(guān)系如圖1所示。

圖1 模塊間的功能關(guān)系圖

乘客客戶端是一款供乘客叫車的軟件，乘客可以從網(wǎng)上下載安裝該軟件，主要操作有注冊和運行。乘客客戶端的功能主要是向數(shù)據(jù)庫傳輸乘客的注冊信息、位置信息(包括當前位置和目的地)。

出租車車載設(shè)備開啟時，向調(diào)控中心傳輸同意合乘的請求和第一批乘客的目的地信息，并以每10 s一次的頻率向數(shù)據(jù)庫傳輸出租車當前的位置信息。

調(diào)控中心根據(jù)乘客客戶端提供的位置信息，對周圍同意合乘的出租車進行檢索和匹配。調(diào)控中心將符合匹配條件的出租車車牌信息和實時位置信息傳輸?shù)匠丝涂蛻舳耍瑫r將乘客的身份信息和位置信息傳輸給出租車車載設(shè)備。調(diào)控中心從乘客和出租車成功匹配的時刻起，實時采集乘客和出租車的位置信息，對乘客和出租車實行監(jiān)督和管理，如有特殊情況及時通知雙方，提高合乘效率。

2.2 系統(tǒng)工作流程

出租車與乘客信息雙向感知的出租車合乘系統(tǒng)，需要人工操作的部分僅為乘客在用戶端軟件上進行的操作和出租車司機在車載設(shè)備上進行的操作。

乘客主要的操作流程分為注冊和運行軟件，具體操作流程如圖2所示。

2.2.1 注 冊

乘客登陸網(wǎng)站下載安裝用戶端軟件，安裝后需填寫注冊信息，包括該用戶的姓名、照片等信息，當乘客客戶端將該用戶的信息傳輸給調(diào)控中心后，數(shù)據(jù)庫以手機號碼為識別賬戶的唯一憑證，自動為該用戶開賬戶，該用戶的所有信息將被存儲在該賬戶中，方便以后調(diào)用。注冊后每次運行該軟件無需重新填寫注冊信息。

2.2.2 運行軟件

(1)當乘客有合乘需求時打開軟件并登陸，這時乘客需填寫此次合乘欲到達的“目的地”，為保證目的地信息有效，用戶端軟件對該信息進行識別，轉(zhuǎn)化為GPS數(shù)據(jù)后傳輸給調(diào)控中心。

(2)調(diào)控中心的數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行存儲和處理，關(guān)鍵技術(shù)分別為最優(yōu)路徑的計算和路徑匹配。當不存在與之匹配的出租車時，軟件將跳轉(zhuǎn)至登陸界面，乘客可自行選擇繼續(xù)下次登陸或放棄；當存在匹配的出租車時，繼續(xù)步驟③。

(3)調(diào)控中心將匹配的出租車車牌信息和本次服務(wù)驗證碼傳遞給用戶，軟件將自動跳轉(zhuǎn)至地圖界面，實時顯示該出租車的動態(tài)位置。

圖2 乘客操作流程圖

(4)當乘客在匹配成功后想放棄合乘時，需手動選擇放棄合乘；如果乘客離開合乘地，但未進行放棄合乘操作時，調(diào)控中心通過實時收集的GPS數(shù)據(jù)判斷乘客是否放棄合乘。

(5)當目標出租車到達乘客等待的地點時，調(diào)控中心發(fā)出指令，乘客尋找目標出租車。

(6)乘客搭載上目標出租車后，需將調(diào)控中心發(fā)送到用戶端軟件上的服務(wù)驗證碼輸入出租車的車載設(shè)備上，驗證通過后，方可認定此次合乘成功。

考慮到司機需開車，不便進行過于復(fù)雜的操作，車載設(shè)備上的軟件設(shè)計應(yīng)使操作盡可能簡單化，對司機干擾小。司機在車載設(shè)備上需手動進行的操作為：①打開設(shè)備并語音輸入車上A乘客的目的地信息。②放棄合乘時，關(guān)閉設(shè)備。

其余操作均為調(diào)控中心完成，司機只需根據(jù)調(diào)控中心傳遞到車載設(shè)備上的指令完成便可如圖3所示。具體流程為：

(1)開啟設(shè)備，司機語音輸入已在車上的A乘客的目的地。

(2)如果在送A乘客至目的地的途中，沒有匹配的乘客，則行程不變；如中途有匹配的乘客，調(diào)控中心將B乘客的信息(包括姓名、照片、手機號碼、合乘點和目的地信息等)傳遞到車載設(shè)備上，告知司機，司機根據(jù)車載設(shè)備提供的到合乘點的導(dǎo)航尋找B乘客。

(3)如果匹配成功后，B乘客放棄合乘，系統(tǒng)將取消合乘的指令發(fā)送給車載設(shè)備。

(4)出租車在合乘點至少等待2 min，如果沒有找到B乘客，司機可以繼續(xù)下次合乘或關(guān)閉系統(tǒng)，不再參與合乘；如果找到B乘客，并且B乘客輸入的服務(wù)驗證碼驗證成功了，則合乘成功。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)采集

用戶通過手機上的合乘客戶端軟件輸入目的地等請求并發(fā)送至調(diào)控中心，調(diào)控中心接收并識別后，對用戶進行一定頻率的實時定位。司機輸入出租車上已有乘客的目的地并將合乘請求發(fā)送至調(diào)控中心，調(diào)控中心對出租車的位置進行實時定位。

圖3 司機操作流程圖

3.2 數(shù)據(jù)分析

(1)當乘客發(fā)出合乘請求，調(diào)控中心進行路徑匹配操作，如果有相匹配的車輛，則將目標車輛的車牌號和此次服務(wù)的驗證碼發(fā)送給乘客，并在乘客手持設(shè)備上顯示目標出租車的動態(tài)位置。出租車信息在乘客手持設(shè)備上的顯示結(jié)果如圖4所示；否則告知乘客沒有符合條件的出租車。

(2)當同意合乘的出租車與某一乘客匹配成功時，調(diào)控中心將該乘客的位置信息、姓名、照片等信息傳輸?shù)匠鲎廛囓囕d設(shè)備上，司機可以根據(jù)導(dǎo)航區(qū)尋找該乘客。乘客信息在出租車車載設(shè)備上的顯示如圖5所示。

圖4 手機顯示出租車信息

圖5 車載設(shè)備顯示乘客信息圖

(3)一旦發(fā)送合乘請求，乘客不得隨意更改位置。調(diào)控中心將以每10 s一次的速率收集乘客的GPS數(shù)據(jù)，當乘客移動的距離大于150 m時，則判定乘客放棄此次叫車服務(wù)，調(diào)控中心將取消叫車的指令發(fā)送給出租車。同時，系統(tǒng)將以每10 s一次的速率收集出租車的GPS數(shù)據(jù)，當出租車的實時位置與乘客位置之間的距離>1.5 km時，則認為出租車司機違反此次合乘規(guī)定，合乘取消，調(diào)控中心將合乘取消的指令發(fā)送給乘客。

(4)出租車到達乘客所在位置時，停車等待的時間不應(yīng)短于2 min。當2 min內(nèi)，系統(tǒng)檢測到出租車移動距離大于150 m時，則認定出租車違反規(guī)定，合乘取消。系統(tǒng)將合乘取消的指令告知乘客。當停車等待的時間大于2 min時，出租車司機可自行選擇繼續(xù)等待或離開，此時檢測到出租車移動距離大于150 m時，視合乘失敗，將合乘取消的指令告知乘客，并由乘客承擔(dān)責(zé)任。

(5)當乘客成功搭載上出租車后，需在上車時在車載設(shè)備上輸入此次服務(wù)的驗證碼，作為此次合乘成功與否的憑證。當驗證成功后，系統(tǒng)自動關(guān)閉，整個合乘叫車服務(wù)完成。

4 路徑獲取的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 計算最優(yōu)路徑

從乘客角度考慮，服務(wù)質(zhì)量與行駛時間和行駛路程有關(guān)，鑒于高峰時段擁堵、流量不穩(wěn)定的特點，行駛時間是考慮最多的因素，本研究中以行駛時間為衡量服務(wù)質(zhì)量的指標，故求解最優(yōu)路徑問題即求解出行時間最短問題[7]。

f=min[Tj]。

(1)

(2)

式中：Ti表示路徑j(luò)所需行駛時間i；tj表示路徑j(luò)中某路段i所需行駛時間。

路段阻抗與車流密度近似為正切函數(shù)關(guān)系，車流密度隨時間變化，故路段阻抗可以表示為隨車流密度和時間變化的函數(shù)[8]：

(3)

其中：Li為路段i對應(yīng)長度；ki(t)為路段i對應(yīng)t時刻的車流密度；kio為該路段交通流量最大時的車流密度；ai為常數(shù)(可以通過對該路段收集的數(shù)據(jù)進行擬合獲得)。

本系統(tǒng)所用的最優(yōu)路徑算法基于遺傳算法，在搜索過程中具有很好的靈活性，能夠適應(yīng)擁堵時實時變化的交通流量[9-11]。遺傳算法在解決最優(yōu)路徑問題時所代表的具體意義可參考文獻[9-10]。

4.2 路徑匹配

路徑匹配是判斷出租車和乘客的出行信息是否匹配的主要指標，也是雙方能否匹配的重要依據(jù)。路徑匹配遵循高效、合理的原則，基本理念是通過匹配起訖點來達到路徑匹配的目的，路徑匹配的技術(shù)核心是建立在計算最優(yōu)路徑的基礎(chǔ)上的。

算法流程基本可以分為兩部分：起點匹配和目的地匹配。

4.2.1 起點匹配

合乘用戶當前的位置為O0，以O(shè)0為圓心、1 km為半徑的圓為范圍，系統(tǒng)根據(jù)出租車車載設(shè)備傳輸?shù)慕?jīng)緯度信息自動搜索當前位置在此范圍內(nèi)的出租車，對搜索到的出租車分別編號i(i=1,2,3……)。如圖6所示。

4.2.2 目的地匹配

圖6 起點匹配

圖7 直線距離Li比較

圖8 確定參照的最優(yōu)路徑

(4)篩選得到最佳目標車輛。比較lt，最小值對應(yīng)的出租車即為篩選得到的最佳的目標車輛。如圖9所示。

圖9 路徑匹配圖解

5 結(jié)束語

本文主旨在于對乘客與出租車合乘的出行信息獲取和雙向感知的關(guān)鍵技術(shù)進行研究，以實現(xiàn)人性化合乘和智能調(diào)度。主要研究成果包括以下幾方面。

(1)對合乘系統(tǒng)進行設(shè)計，提出了將系統(tǒng)分為三個模塊。在乘客和出租車上分別配備軟件模塊，充分與現(xiàn)在科技相結(jié)合。兩軟件模塊能夠?qū)崟r收集乘客和出租車的信息，并將乘客和出租車方的需求傳遞給第三模塊控制中心，利用控制中心可高效快捷處理數(shù)據(jù)，并使數(shù)據(jù)傳遞給乘客和出租車，真正實現(xiàn)智能調(diào)度。

(2)對系統(tǒng)的操作流程進行闡述，詳細分析了各種情況下的操作，盡量使操作簡單化，驗證了該系統(tǒng)的合理性和可操作性。

(3)對乘客和出租車的匹配采用路徑匹配方式，更合理，乘客坐上出租車的效率更高，且匹配誤差更小。由于這種方法匹配得到的兩方乘客基本“順路”，乘客到達目的地也更快、更節(jié)省時間，縮短出租車繞行距離。

(4)本文中的路徑匹配，采用預(yù)測路程的方式，利用出發(fā)點和目的地匹配，而且采用實時更新的數(shù)據(jù)，得到的結(jié)果更準確有效。

(5)本文中預(yù)測的最優(yōu)路徑時通過遺傳算法優(yōu)化得到的最優(yōu)解，利用遺傳算法效率更高。同時通過遺傳算法中的變異操作，能夠充分考慮到高峰時段路段擁堵和交通事故易發(fā)的特點。

【參 考 文 獻】

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