基于激光测距的公交停靠站规范监管系统
福州大学物理与信息工程学院的研究人员陈俊、吴海金，在2018年第12期《电气技术》杂志上撰文，针对公交停靠站规范问题，提出了一种基于激光测距的公交停靠站规范监管系统。系统包括上位机控制台和下位机的测量监管设备两部分。
上位机控制台通过无线通信网络与下位机的测量设备进行数据通信，下位机的定点测量设备采用激光测距技术判断公交是否规范停靠站，并将结果通过无线通信网络传送给车载监管设备以告知司机，并将相关信息上传至上位机控制台以实现监督和管控。
试验结果表明，系统检测精度和测试效率高、操作简便，能够有效监管公交规范地停靠站，具有一定的实用价值。
近年来，我国城市交通拥堵问题日益严峻，优先发展公共交通已经成为社会各界的普遍共识。而设置公交车专用通道和规范公交停靠站等措施是保障公共交通安全、高效的有效手段。虽然目前国内许多一线与二线城市已经规范了公交停靠站标准，在每一个公交车站前都有一个规定的公交停靠站区域。
然而很多公交在实际停靠站过程中，没有做到规范停靠站，时常出现乱停、随停的情况，由于不确定公交车停靠站的具体位置，乘客们往往会追着公交跑，如果有多辆公交同时到达一个站点，有的公交可能直接在公交站尾就停车，这时乘客需要从公交站头跑到公交站尾，这无疑增加了安全隐患。
此外，公交没有定点停靠，可能会出现乘客错过等待的公交车等问题，这些问题在一定程度上影响着公交系统的运行效率和道路服务水平。
公交停靠站规范指的是识别和判断公交在相关站点停靠时是否遵循相关规定停靠在指定的区域范围内，规定的停靠站区域往往大小固定，且在定点停靠站位置有着明显的标线。目前，对于公交停靠站的规范问题，尚没有一种有效的监管方案，除了一些政策上的相关规定支持外，几乎没有具体可实施的监管方案。因此，急需一种可靠的方案来解决以上的问题。
鉴于此，本文提出了基于激光测距的公交停靠站规范监管系统，以弥补当前尚未有公交规范停靠站监管方案的缺憾。本文提出的一个全新的规范监管方案，对促进城市公交服务规范的实施有重大意义。
1 系统概述
本文针对公交停靠站规范的问题，利用了定点测距定位的方法实现了对公交定点停靠站进行测量和监管，公交停靠站规范监管系统的实现过程如图1所示。整个系统由上位机监控台和下位机测量监管设备组成。
上位机监控台包含了信号接收器、服务器及上位机软件等，监控台的主要功能是实现对于公交停靠站规范的实时监督和管控。下位机由定点测量设备和车载监管设备两部分组成，定点测量设备采用激光测距技术判断公交是否规范停靠站，车载监管设备与定点测量设备通过无线网络进行通信，将停靠站是否规范的结果告知司机，并将相关信息上传至上位机监控台。
此外，为了更好地区分每一辆公交车的信息，为每台车载监管设备分配一个惟一的ID编码，该ID编码和该车载监管设备所在的公交的相关信息对应，即每一个车载监管设备绑定了对应公交车的相关信息。
图1 系统方案拓扑图
系统的具体实现流程如下：每一部公交上都装有车载监管设备，而且车载监管设备的ID编码包含与之对应的公交的相关信息，如福州的55路公交，可将车载监管设备的ID编码为CNFZ55。在每一个公交站台安装有定点测量设备。
当公交停靠站后，定点测量设备的激光测距模块将测量定位公交的停车位置，经过数据解算得到判别结果，并将结果通过无线通信网络发送给车载监管设备，车载监管设备得到该数据信息后，在其消息字段加上公交的定位信息、时间信息、设备健康状态等字段通过无线网络通信模块发送给上位机监控台，从而实现对公交停靠站的实时监督和管控。
此外，上位机控制台还可提供相关反馈信息给车载监管设备，为公交司机提供下一步有益操作的建议。
2 公交车停车规范监管系统设计
2.1 硬件设计
定点测量设备包括定点测量模块、无线通信模块、中央控制模块、防盗报警模块、电源以及电源管理模块，车载监管设备包括定位模块、无线通信模块、中央控制模块，系统的总体结构如图2所示。
其中，定点测量设备的中央控制模块选用的主控芯片是STM32单片机，测量模块选择激光测量测距模块，防盗报警模块采用高分贝的蜂鸣报警器，无线通信模块选用NRF24L01通信模块，电源部分采用锂电池供电。
车载监管设备中的中央控制模块的主控芯片同样采用了STM32单片机，无线通信模块采用配对的NRF24L01通信模块和SIM800H网络通信模块，定位模块采用的是和芯星通的UM220模块，电源取自公交车上电源，车载监管设备支持9～24V的直流电源输入。
图2 系统组成
定点测量设备和车载监管设备所采用的主控芯片都是意法公司的的STM32-F103C8T6单片机，主控芯片的最小系统电路图如图3所示。这款单片机是基于ARM的Cortex-M3内核，处理器的最高工作频率可达72MHz，拥有64K容量的程序存储器和丰富的外围设备接口，满足定点测量设备和车载监管设备的信息采集、数据处理和无线通信的要求。
测距传感器采用意法半导体FlightSense技术的第二代激光测距传感器VL53L0X，VL53L0X是世界上最小的飞行时间（ToF）测距传感器，能够将测距的有效长度增加到2m，可将精确度控制在±3%的误差范围内，测距时间不足30ms。此外，FlightSense技术的核心优势之一是选用了940nm波段，该波段对于外部光源的抗干扰能力更强。同时，测距模块采用IIC通信，速度快，通过算法优化，可以达到极低延时的测距。
图3 STM32-F103C8T6最小系统电路图
2.2 软件设计
系统的工作流程如图4所示。首先进行系统的初始化操作，当公交车进站时，安装在公交站两端站牌上的定点测量设备中的定点测量模块会对公交车的位置进行定位，采集定点测量的数据，对采集的数据进行判别筛选，剔除异常数据，然后通过对于测试点的测量数据进行解算，判断公交车停靠站位置是否在预设的阈值范围内。
若不在阈值范围内，则通过内置的无线通信模块与车载监管设备内的无线通信模块通信，告知司机该公交车没有停靠到位，并将公交车的位置信息上传至上位机监控管理控制台，同时部署在公交车内的车载监管设备将定位模块采集的公交车位置信息等特征信息上传至上位机控制台。
图4 停车规范监管系统流程
定点测量部分是系统实现的重要环节，定点测量的工作流程如图5所示。在实际应用中，利用激光传感器进行测距的时候主要是对传感器芯片进行地址初始化、打开、测试模式等相关的指令写入操作，然后读取传感器芯片相关寄存器的值得到距离数据的字段，将该字段转为十进制即得到测距的初始数据。
操作传感器芯片的指令包含芯片地址码和功能码等字段，如果操作失败，就根据返回的代码提示进行修改，重新写入指令。完成初始化操作的相关指令时，模块处于待机状态，当完成写入开始测量的指令时，单片机将读取数据寄存器的数据字段。在完成测量任务时，可根据逻辑地址关闭相应的传感器。
此外，定点测量部分中需保证采集数据的可靠性，即测量得到的数据是设备到公交车身的有效距离。因此，必须对所采集的数据进行预处理，错误的数据将带来较大的误差，必须对采集数据进行判别，剔除异常数据。
图5 定点测量流程图
3 实验测试
为了验证所研发的公交停靠站规范监管系统的有效性和可用性，需要将定点测量设备安装在公交车站台的固定位置上，在测试的公交上安装车载监管设备并在公交实际停靠站过程中进行测试。
本文考虑到在实际环境中进行调试的成本和安全问题，采用了模拟真实环境的方式进行实验，为了最大程度上还原真实环境的特点，保证实验的真实性、可靠性，本文在实验室条件下按照真实的公交车站规格搭建了实验模拟平台，利用该平台完成了相关实验。
根据实际调研，公交车站牌的高度一般为2.5～2.7m，公交车的高度一般为2.5～3.5m之间。在模拟实验平台中，按照公交站牌和公交车的真实规格进行相关的部署，定点测量设备的安装位置如图6所示。
将装有激光传感器的定点测量设备在公交车站牌前后两侧各安装1台，安装高度为2.5m，测量角度向内30°。停靠区域为大于公交车身的矩形区域，以该矩形区域的几何中心为参考原点，由2台定点测量设备可以解算出公交车停靠站时公交车的几何中心相对于停车区域的几何中心的偏移量，从而确定公交车的停车规范程度。
图6 测量部署方案
在实验室搭建的模拟测试平台的实验环境较为理想，在不存在障碍物遮挡的情况，对于是否规范停靠站的判断的准确率可达90%以上，而在实际应用中，定点测量设备所在的高度也几乎不存在遮挡的情况。实际应用中，尽可能避免定点测量设备前方被遮挡的情况，以减少误判的几率。
只要两台定点测量设备检测的距离都为有效距离，即可较为准确地判断公交车是否规范停靠站。实验测试中标定的阈值范围为公交车车身不能超过规范停车区域的边沿。车子停稳后2～3s后即可得出判断结果，满足当前的应用要求。
由于系统设计的目的是实现停靠站的规范监管，需长时间连续工作，故对于系统进行了压力测试，实验结果表明，设备可以长时间、稳定可靠地工作。
针对公交停车规范问题，本文提出了一种基于激光测距的公交车停靠站规范监管系统，并通过模拟实验平台验证了系统的有效性和可用性。系统拟解决的是在现代公交车系统中如何管控公交规范停靠站的问题，以提高现代公交系统的服务水平和减少公交停靠站的安全隐患。
实验测试表明，该系统检测精度和测试效率高、操作简便，具有一定的实用价值，但仍存在较大的改进空间，当存在障碍物遮挡时，系统的准确率将会降低，在将来的研究中，笔者打算采用摄像头识别的方式进行辅助判断公交停靠站的规范程度，进一步提高系统的可靠性。