【毕业学位论文】（Word原稿）基于云计算的电子公交站牌系统研究-软件工程

硕士学位论文 （专业学位） 基于云计算的电子公交站牌系统研究 姓 名： 学 号： 所在院系： 软件学院 职业类型： 专业领域： 软件工程 指导教师： 副指导教师： 二 一二 年 九 月 in , 2011 on 基于云 计算 的电子公交站牌系统研究 X X 同济大学 位论文版权使用授权书 本人完全了解同 济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日同济大学 硕士学位论文 摘要 I 摘要 随着 代的来临，越来越多行业加入了信息化的行列，智能公交系统也开始走上了电子化的道路。随着公交系统的智能化，电子公交站牌与云计算的有机结合成为公交系统智能化发展的方向之一 ,智能化公交系统可以帮助各级政府更好地服务广大市民，在整体上更加全面地促进社会政治、经济和文化的进步 。 云计算是一种基于 新计算模式，通过 个人和企业用户提供按需即取的服务。这一技术使得企业可以根据自身需求访问计算机和存储系统 ，从而在很大程度上节约了资源。同时针对应用版本的变更，能降低其变更成本，提高版本变更效率。本论文通过对云平台上智能电子公交站牌系统的研究，并尝试在 计算平台下使用 术实现公交车智能化报站及显示系统，有效的解决了从传统电子公交站牌报站及显示不准确的若干问题。 论文首先对云计算技术做出详细的介绍，包括云计算概念、应用领域等内容，对云计算模式与传统模式进行比较，并介绍几种现有的云计算平台。 介绍了 术，其中详细介绍了 术的概念、设计目标和层次结构 ，着重的介绍 系。然后通过对传统站牌和现已商业化实施的电子站牌的分析对智能电子站牌系统做出详细分析和设计，在需求分析好总体设计的基础上对各个完成了对站牌、通信、数据中心访问核心部分的设计，并对其中的技术要点做相应阐述。 关键词： 云计算；智能公交系统； I s T of on As of of of of to to on is to to so At of of to WT in to in a of on to WT WT of of of of to of on of of 济大学 硕士学位论文 目录 录 摘要 . I . 录 . 1 章 绪论 . 1 题研究背景与意义 . 1 题研究现状 . 2 文的主要研究内容 . 4 文的组织结构 . 4 第 2 章 系统相关技术分析 . 5 计算平台简介 . 5 介 . 6 据库简介 . 7 他相关技术简介 . 7 . 7 . 8 计模式 . 9 第 3 章 系统需求分析 . 11 统开发必要性 . 11 务流程分析 . 11 统用例图设计 . 15 统需求目标 . 16 统功能需求目标 . 16 统性能需求目标 . 17 第 4 章 系统设计 . 20 统技术架构设计 . 20 据流设计 . 21 统功能模块设计 . 22 信核心部分 . 22 制中心核心部分 . 23 功能的时序图 . 23 据库设计 . 24 据库概念设计 . 24 据库逻辑设计 . 25 第 5 章 系统的实现 . 29 统功能界面的实现 . 29 同济大学 硕士学位论文 目录 抽象工厂模式 . 29 局构建 . 32 面系统基本框架实现 . 32 统其他 主要功能的代码实现 . 43 置开发板连接以太网 . 43 时信息保存 . 43 第 6 章 总结与展望 . 44 论 . 44 一步工作的方向 . 44 致谢 . 46 参考文献 . 47 个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果 . 49 第 1 章 绪论 1 第 1章 绪论 本章首先对国内外 智能电子公交站牌系统 的研究背景和意义进行分析，然后扼要的介绍本文的研究内容和目标。 题研究背景与意义 1933 年，城市规划的纲领性文件雅典宪章明确提出了城市的四大基 本功能：居住、劳动、休息和交通，交通是其他三项功能之间联系的纽带，体现着城市的动态功能关系。 城市公共交通是国家综合运输网中的枢纽和节点，是城市客运交通体系的主体，是城市建设和发展的重要基础之一，是生产和生活必不可少的社会公共设施，也是城市投资环境和社会生产的基本物质条件，同时又是展示城市精神文明，反映城市国民经济、社会发展水平和市民道德思想风貌的窗口，它指的是在城市及其近郊范围内为方便居民和公众的出行，使用各种客运工具的旅客运输体系 1 公共交通是城市发展的必然产物，也是城市赖以生存的重要基础设 施之一。它作为城市动态大系统中的一个重要组成部分，是城市整体发展中不可缺少的物质条件和基础产业，也是联系社会生产、流通和人民生活的纽带。它在城市的经济建设和社会生活中具有至关重要的作用，没有城市公共交通的高速运转，就没有城市的现代化 3。 据有关资料表明公共汽车占用道路和停车用地最为经济，这是因为公共交通系统具有运载量大、运送效率高、能源消耗低、相对污染少、运输成本低等优点。以每平方米每小时通行人数多少作为标准衡量道路的使用效率，公共汽车是小汽车的 1015 倍。运送同样数量乘客，公共交通（包括公共电 汽车、地铁、轻轨等）与私人小汽车相比，分别节省土地资源 3/4、建筑材料 4/5，投资 5/6；私人小汽车产生的废气是公共汽车的 10 倍；耗油量是公共汽车的 23 倍；交通事故比公交高出 100 倍。 因此，要解决大、中城市目前存在的交通拥挤、交通事故频繁和环境污染严重等问题，应特别重视优先发展城市公共交通。优先发展公共交通已经被世界各国公认为是解决大、中城市交通问题的最佳策略，它是城市可持续发展的必由之路 4。 同济大学 硕士学位论文 基于云计算的电子公交站牌系统研究 2 智能公交系统具有 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、文字信息显示、图像传输 等功能。广泛应用于 广泛应用于城市公交、水上巴士 5 系统具有两个特性： (一 )安全 (1) 规范车辆驾驶人员安全驾驶行为 (2) 监控车辆安全行驶状况 (3) 实时视频监控，保障乘客财物安全 (二 )效率 (1) 自动排班，提高运能 (2) 优化到站信息准确率 (3) 智能统计客流量 在使用智能公交系统的基础上 管理人员可通过平台的电子地图，实时监控车辆运营的轨迹和速度，发现异常时能立即警告提示，可以及时预防事故发生；乘客通过公交车站的电子显示屏，就可知 道公交车距离公交站点有多远；公交车的车载电子装备可以自动报站，过弯道前会提醒乘客站稳扶好 7 所谓电子站牌，就是电子显示屏幕形式的公交车的指示牌，通过该电子屏幕，可以看到下一辆乃至该线全部公交车的运行情况，即哪一车站有车、哪一车站没有车、估计什么时间到达本站、车上的人员拥挤状况、该车是否出现故障等信息。它集成了计算机、通讯、电子地图与现代控制技术，它是城市公交信息化、现代化的标志之一。因为公交电子站牌涉及到公交信息、城市建设、市容环境的美化等，所以该系统工程不仅需要公交公司的支持，更需要市政部门、通 信管理部门和有关部门的协同工作，才能使该工程得到完善 9。 先进的电子站牌系统一直被认为是有效解决交通拥挤的有效办法，它将汽车、公路、人等因素通过先进技术联合起来构成一个高效又开发的交通系统。 题研究现状 公共交通是城市发展的必然产物，也是城市赖以生存的重要基础设施之一。我国的公共汽车线路始于 1920 年，是由著名实业家张骞创办的江苏南通近郊公共汽车线路。建国以来，我国绝大部分城市公共交通的发展经历了一个从繁荣、衰缓、到目前亏损严重、难以维系的过程。二十世纪八十年代，随着经济体制改革的深入，经济建设迅速发 展，城市社会、经济结构发生了巨大变化，社会 第 1 章 绪论 3 经济文化活动空前繁荣，居民出行成倍增长。人民生活水平的不断提高，对公交服务水平的要求也越来越高。到二十世纪九十年代，公交的发展速度、发展水平已经不能满足城市人口、经济的发展需求，公交系统内部矛盾日益严重。公交线路和车辆的发展水平落后于居民需求日益增长的需要。公交失去吸引力的原因主要有 10： （ 1）乘公交车不方便 乘公交车不方便是使公交失去吸引力的主要原因。乘公交车不方便主要表现在公交线网与站点布设不合理，发车间隔长，使乘公交车出行的居民在车外步行时间长，车站等 车时间长，换乘次数多，使乘客感到乘车不便。 （ 2）乘公交车准时性不能得到保证 乘坐公交车的大部分为上班、上学出行，而上班、上学出行对到达目的地的准时性要求很高，但公交车在上班高峰小时常常因交叉口阻塞和车流过多而产生延误，准时性很难保证，使一部分出行量分流到准时性较高的其它出行方式 11。 （ 3）公交车服务质量低 随着总体生活水平的提高，市民对出行舒适度提出了更高的要求，而与更高的要求相对的是公交车车况差、座位率低、运行速度慢等问题，当前公交车服务质量并不能满足人们对舒适度的要求。 智能公交系统具有 明显的先进性改进交通水平：智能交通系统的普及使交通拥挤降低 20%，延误损失减少 10%车祸降低 50%油料消耗降低30%12。 世界上已形成了美国、日本、欧盟三大智能交通研发基地，我国在智能公交系统已开始取得长足的进步， 2004 年 3 月 6 日，国家建设部等六部委联合发布关于优先发展城市公共交通的意见（以下简称意见），明确了我国城市公共交通的发展政策和发展要求，值得注意的是，意见中提出了 “ 因地制宜发展大运量快速公共汽车系统 ” 的思路，由此揭开了快速公交系统（ 国内发展的序幕。温家宝总理和曾培炎副总理也分别对意见做出重要批示： “ 优先发展城市公共交通是符合中国实际的城市发展和交通发展的正确战略思想 ” 、 “ 建设部要进一步采取措施，引导各地优先发展公共交通 ”。 2005 年 9 月 23 日，国务院办公厅第 46 号文向各省、自治区、直辖市人民政府及国务院各部委、各直属机构转发了意见 ， 并要求认真贯彻执行 13。 全国很多城市都 开始搭建 类似的公交智能调度平台 以缓解交通问题。 但是搭建智能公交系统 出现问题的情况也很多。江苏省某市的市民在网上发帖抱怨，他们所在的城市 花费大额资金建造公交车站电子显示屏，但是这些高科技产品 同济大学 硕士学位论文 基于云计算的电子公交站牌系统研究 4 形同虚设，从来都没有亮过；浙江省某市在市政府附近的公交车站立了一块电子显示屏，但如同聋子的耳朵，而且做工粗糙；北京市公交车内部的电子装备也经常出现问题，不是车载电子显示屏显示的时间不准确，就是自动报站设备报错站 名， 这样的情况不胜枚举 14 近几年来，国内的公交事业发展迅速，尤其是在国家大力发展城市公交的优惠政策引导下，公交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 收费形式也在国内许多大中城市迅速普及。相信在不久 的将来城市公交电子站牌必将出现在我国各个大中城市的街头，不仅为人们的出行带来极大的方便，而且也会为美丽的城市增添一道亮丽的风景线。 文的主要研究内容 本论文主要做了以下几个方面的研究和开发工作： 1 介绍现今商业化的云计算平台和如何把云计算技术应用到智能公交系统的设计与实现中。 2 分析了基于传统站牌和已商业化电子站牌的需求和特点，设计一个全新的基于云计算的智能电子站牌系统，对各模块的核心内容做了详细设计。 文的组织结构 本论文主要分为六章： 第一章：引言。系统介绍论文的背景知识以及组织结构； 第二章： 在本章节中主要介绍云计算的定义和相关特点以及相关技术介绍，简要地介绍了当前商业化的云计算平台，介绍在实现构思的过程中应用到的技术，主要包括 时介绍了 术； 第三章：系统的需求分析，对总的系统结构进行设计与阐述； 第四章：对各个模块的核心内容进行设计，给出切实可行的解决方案。 第五章：对整个系统的核心部分给出具体实现并给出实验结果。 第六章：总结和展望。对已完成的工作进行系统的总结，同时进行展望，提出下一步的工作计划。 第 2 章 系统相关技术分析 5 第 2章 系统相关技术分析 计算平台 简介 云计算（ 基于互联网的服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。狭义云计算指础设施的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需资源；广义云计算指服务的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需服务。这种服务可以是 软件 、 互联网 相关，也可是其他服务。它意味着计算能力也可作为一种商品通过互联网进行流通。云其实是网络、互联网的一种比喻说法。过去在图中往往用云来表示电信网，后来也用来表示互联网和底层基础设施的抽象 16。 “云”是指计算机群，每一群包括了几十万台、甚至上百万台计算机，是数据存储和应用服务的中心，用来完成存储和计算的工作，“云”中的计算机可以随时更新，并且这种更新是透明的。 云计算（ 网格计算 （ 分布式计算（ 并行计算 （ 效用计算 （ 网络存储 （ 虚拟化 （ 负载均衡 （ 传统 计算机 和网络技术发展融合的产物 。 从本质上来讲，云计算是服务虚拟化技术和基础架构即服务 (as a 者的结合，其核心是将某一或某几个数据中心的计算资源虚拟化之后，向用户提供以计算资源为形式的服务。 云计算主要具有以下特点 17 1 高灵活性。云计算能迅速和廉价地重新提供 技术基础设施资源，增加响应用户用需求变更的能力。 2低成本。企业可以根据自身的需要访问计算机和存储设备，无需负担日益高昂的数据中心管理成本，并只要花费较低的价格、较少的时间就能完成以前需要数万美元、数月时间才能完成的任务。 3高可靠性。云计算使用了数据多副本容错、计算节点同构并可互换等措施用来保障云服务的高可靠性，用户无需担心计算机因断电而数据丢失或因操作不适导致系统崩溃。 同济大学 硕士学位论文 基于云计算的电子公交站牌系统研究 6 4超大规模。像现实中的云一样，云计算中的 “ 云 ” 同样具备规模较大的特性，很多云计算的供应商具备相当大规模的 “ 云 ” 。由于 “ 云 ” 的规模 较大，它能提供用户前所未有的超强的计算能力。 5虚拟化。云计算支持用户在任意地点、使用任意终端获取相关应用服务。“ 云 ” 为用户提供请求资源，并提供应用运行的平台，用户只需知道应用在 “ 云 ”中某处运行即可，而运行的实际具体位置用户无需了解。使用一台终端，用户就可以通过 务来实现所需要的一切应用服务，甚至能进行超大规模的计算。 以上的特点使得云计算具有很强的生命力，自从 2007 年第 3 季度兴起的云计算这一新名词来看，现在云计算已经家喻户晓，这一技术也倍受企业和政府的青睐 19。 介 (异步 是一种创建交互式网页应用的网页开发技术 20。 该技术在 1998 年前后得到了应用。允许客户端 脚本 发送 求（ 第一个组件由 组写成。该组件原属于 微软 且迅速地成为了 一部分。部分观察家认为， 第一个应用了 术的成功的商业 应用程序 ，并成为包括 网络邮件产品在内的许多产品的领头羊。但是， 2005年初，许多事件使得 大众所接受。 它著名的交互应用程序中使用了异步通讯，如 论组、 图、 索建议、 个词由 A 文所创，该文的迅速流传提高了人们使用该项技术的意识。另外，对 支持使得该技术走向成熟，变得更为易用 21 核心是 象 对象在 中首次引入，它是一种支持异步请求的技术。简而言之， 您可以使用 服务器提出请求并处理响应，而不阻塞用户。 传统的 用允许用户填写 表单 (当提交表单时就向 务器发送一个请求。服务器接收并处理传来的表单，然後返回一个新的网页。这个做法浪费了许多带宽，因为在前後两个页面中的大部分 码往往是相同的。由于每次应用的交互都需要向服务器发送请求，应用的响应时间就依赖于服务器的响应时间。这导致了用户界面的响应比本地应用慢得多。 第 2 章 系统相关技术分析 7 与此不同， 用可以仅向服务器发送并取回必需的数据，它使用其它一些基于 口，并在客户端采用 此在服务器和浏览器之间交换的数据大量减少，结果我们就能看到响应更快的应用。同时很多的处理工作可以在发出请求的客户端机器上完成，所以 务器的处理时间也减少了。 使用 最大 优点 ，就是能在不更新整个页面的前提下维护数据。这使得 用程序更为迅捷地回应用户动作，并避免了在网络上发送那些没有改变过的信息。 据库简介 一个小型关系型数据库管理系统，开发者为瑞典 B 公司。在 2008 年 1 月 16 号被 司收购。而 2009 年 ,被 购。目前 广泛地应用在 的中小型网站中。由于其体积小、速度快、总体拥有成本低，尤其是开放源码这一特点，许多中小型网站为了降低网站总体拥有成本而选择了 为网站数据库 23。 首先由 发的数据库语言，主要功能为同各种数据库 建立联系，进行沟通。 国国家标准协会）规定 关系型数据库管理系统的标准语言。 句可用于执行数据库中的各种操作，如更新数据、提取数据等。目前，绝大多数流行的关系型数据库管理系统都采用了 言标准，很多数据库还对其进行了再开发和扩展 24。 他相关技术简介 是一种开源 件开发框架，可以使不会使用第二种浏览器语言的开发人员编写 图和 用程序时 更加轻松。如今，编写动态网络应用程序是一个单调乏味且易于出错的过程；您需要花费 90% 的时间来处理网络浏览器和平台之间细微的不兼容性问题，而且由于 不完善，使得 件的共享、测试和重复使用变得困难且不可靠 25。 同济大学 硕士学位论文 基于云计算的电子公交站牌系统研究 8 在使您避免这些麻烦的同时，还为您的用户提供同样的与标准兼容的动态体验。您只需使用 程语言编写您的前端， 译器会将您的 转换为与浏览器兼容的 工作原理 设计参考 设计，类命名规 则、接口设计、事件监听等都和 常类似。使用 具包可以轻松地为现有网页或整个应用程序构建一个 过 监听器的结合使用，开发者可以像编写普通的 面程序一样编写 用 26。 性 了支持将应用 言开发的应用转化为 用，同时提供了更多的高级特性 27 1. 译器 2. 跨平台支持 3. 宿主模式 (4. 式 (5. 命令行工具 势 1. 通过非常简单的 服务器通信 29。 2. 根据用户个人资料优化 本下载 3. 跨项目重复使用 件 4. 使用其他 和本机 码 5. 轻松支持浏览器的后 退按钮和历史记录 6. 高效地对应用程序进行本地化 7. 使用选择的开发工具提高生产力 8. 使用 试代码 9. 扩展或投稿 基于 准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂 (靠飞翔和 “嗡嗡 ”(抖动翅膀的 “舞蹈 ”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点 第 2 章 系统相关技术分析 9 是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成 本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之， 是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术 30。 底层技术基于 物理层 和 直接引用了 在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业，家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网 规模太小等，而工业自动化，对无线 数据通信 的需求越来越强烈，而且，对于工业现场，这种无线数据传输必须是高可靠的，并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。因此，经过人们长期努力， 2003 年正式问世。另外， 用了在它之前所研究过的面向家庭网络的 通信协议 F 线通信技术的应用场合很多，主要适合应用在功耗要求较低、数据传输率不是很高而且传输距离不是十分远的场合。而 术最大的优点和特点是低能耗。目前 无线传感器网络方面的应用技术研究越来越受到重视。 计模式 模型 (视图 (控制（ 缩写，其目的实现统的职能分工。其中 实现系统中的业务逻辑，通常可以用 实现； 用于与用户的交互，通常用 实现； 是 间沟通的桥梁，它可以分派用户的请求并选择恰当的视图以用于显示，同时它也可以解释用户的输入并将它们映射为模型层可执行的操作 31。 在 架构中，模型就是应用程序要操作的数据。对于应用系统来说，模型由系统的配件组成，因此把构建应用程序的配件的代码全部都放到模型包中。而且配件的框架要便于视图对其进行实例化，同时还要使控制器对其进行控制，例如配件状态的持久化。 同济大学 硕士学位论文 基于云计算的电子公交站牌系统研究 10 图 2抽象工厂模式 图 2 代表工厂，而 是这些类的实例。桌面系统中的每一个配件都有一个对应的 象，使得该配件能够访问静态的类属存取 (方 法 ， 创 建 一 个 新 的 法。 第 3 章 系统需求分析 11 第 3章 系统 需求分析 软件需求是指用户对目标软件系统在功能、行为、性能、设计约束等方面的期望 。 通过对应用问题及其环境的理解与分析，为问题涉及的信息、功能及系统行为建立模型，将用户需求精确化、完全化，最终形成需求 规格说明，这一系列的活动即构成软件开发生命周期的需求分析阶段。 需求分析是介于系统分析和软件设计阶段之间的重要桥梁。一方面，需求分析以系统规格说明和项目规划作为分析活动的基本出发点，并从软件角度对它们进行检查和调整；另一方面，需求规格说明又是软件设计、实现、测试直至维护的主要基础。良好的分析活动有助于避免或尽早剔除早期错误，从而提高软件开发率，降低开发成本，改进软件质量 32。 统开发必要性 通过对当前电子站牌的考察，结合自身的分析发现目前电子站牌集中存在的重点问题： （ 1） 站牌设计不合理；布局电子站牌价值昂 贵，许多城市将电子站牌的外包给某些公司，结果功能仅仅是广告展示平台。 （ 2） 通信设计不合理；现今采用的 式建立了移动的车辆与中心的联系，并能通过中心与电子站牌之间的联系将部分数据下传，服务于公交乘客。但城市的高楼、高架路使 能发挥预期作用，特别在特大的城市中 局限性更加凸显出来；通信开路且单一，开路通信的容错性不高， 如果某一部分通信出现问题将使整个系统瘫痪。 （ 3） 使用预测算法准确率不高。 （ 4） 站牌管理不严谨。 为了解决以上提出的问题，在进行系统设计与建立时应综合考虑各项的功能，才能使电子 站牌发挥其信息化作用，开发出有效的智能 电子公交系统。电子站牌的设计包括通信设计、数据中心设计、站牌设计等方面，而且每个方面都紧密联系，任何一项设计的失败都将使整个系统失效。 务流程分析 这个系统