公交车运营与节能减排监测评价系统系统架构及功能设计V10

新城公交车运营与节能减排监测评价系统研究与示范应用系统架构及功能设计北京工业大学2013.8目录TOC\o"1-5"\h\z1. 编写目的 32. 需求分析 32.1用户需求 3\o"CurrentDocument"2.2业务功能需求 5\o"CurrentDocument"2.3数据资源需求 62.4性能保障需求 93. 系统构架设计 93.1设计原则 93.2系统架构 103.3数据架构 124. 系统功能设计 134.1数据采集功能 134.2实时监测功能 14\o"CurrentDocument"4.3统计监测功能 154.4能耗预警功能 174.5评价决策功能 17\o"CurrentDocument"4.6能耗审计功能 18\o"CurrentDocument"4.7运营组织功能 191.编写目的为项目《新城公交车运营与节能减排监测评价系统研究与示范应用》进行系统架构和功能设计，为后续系统构建建立基础。2.需求分析结合房山区公共交通运营发展的现状，掌握区域内公共交通能源消耗、线路运营、客运情况等发展现状，针对不同用户（如公交企业、区政府、区交通局等），研究用户对公交节能减排系统的不同需求，包括基础数据需求、业务需求、具体功能需求等。针对公交运营与节能减排监测评价系统进行多角度的需求分析，并以此为基础设计系统功能和建设方案。2.1用户需求房山区公交车运营与节能减排监测评价系统要同时满足政府部门和公交企业两方面需求。系统用户对象如下图所示。图1系统用户对象上级领导及业务主管部门：上级领导及业务主管部门主要是从全市整体社会发展的角度既定政策，需要了解和掌握房山区交通领域的能耗情况以及发展趋势。对监测平台的需求是：•及时掌握房山区交通领域能耗总量情况及趋势。•通过统计分析结果为制定相应的政策和考核指标服务。房山区领导：区领导主要是从全区整体经济、产业、社会发展的角度既定政策，需要了解和掌握全区交通领域的能耗情况以及发展趋势。对监测平台的需求是：及时掌握房山区公交运营能耗情况及趋势。通过统计分析结果输出为制定相应的政策和考核指标服务。制定公交行业的节能减排任务，监测公交运营企业的能源利用情况并考核其具体节能减排指标。通过公交运营系统及时获得道路上公共交通的运行情况、行人出行情况等，制定合理策略，提高公共交通的运行效率。区交通局：系统可以提供多角度全方面的能耗分析数据，基于此，区交通局可以制定详细的节能减排实施方案，提高公交行业的能源利用效率。了解和掌握房山区地面公交车辆运行及能耗情况信息。掌握不同线路、不同车型的能耗情况，不同运营组织模式的车辆能耗情况。了解和掌握北京市旅游客运车辆运行及能耗情况信息。全面监测旅游客运能耗情况。提高公共交通服务水平。需要定期得到关于公共交通服务水平的调查信息，及时反馈给公交公司，达到监督的目的，促进公共交通的服务水平稳步提高。公交企业：全面掌握公交客流情况及公交车辆的能耗效率，为运营调度和生产指挥、线路线网优化调整等运营生产管理工作提供更准确、可靠、丰富的数据支持，为经营管理者的决策分析提供更科学、可靠的参考依据。•全面掌握GPS定位信息监控道路及客流情况及公交车辆的能耗情况及车辆能耗效率。分析车辆能耗随车辆类型、车龄、时空分布的变化特征。识别企业内的高能耗车辆，为企业更新车辆提供依据。提高公交企业管理水平。公交企业节能驾驶的培训力度，提升汽车驾驶员的节能意识与素质。设定行车规范、开展燃油消耗监督工作，在考核机制中加入对燃油节约的考核指标，培养公共交通企业及其员工节能减排的意识。提升公交服务水平，在运营速度、可靠性、舒适性、运送能力的提高。业务功能需求系统的总体目标是通过动态采集公交车辆的能耗排放数据，与相关的运营数据（即IC卡数据）相匹配，并通过估算模型和算法，统计和监测地面公交车辆的能源消耗情况，从而全面掌握地面公交能耗排放的具体现状、发展趋势和影响因素，为政府在交通领域做科学、合理、高效且可持续节能减排方案提供必要的决策支持。结合之前对系统用户的需求分析，借助可视化的表现手段和方式对地面公交在路网中的运营及能耗情况进行实时监测和长期统计分析，主要包括以下几方面的业务功能：1） 通过柱状图或者折线图的形式，展示地面公交行业能耗总量随小时数、时间段、周天、月份、季节和年份等的变化趋势。2） 通过折线图的形式，展示地面公交车辆能耗随车型、车龄、行驶工况等的变化趋势。3） 结合GIS路网，展现不同线路的地面公交车辆能耗情况。通过不同的颜色划分，显示出不同线路的地面公交车辆的能耗水平，借以反映地面公交线路的能耗情况。4）结合GIS路网，展现不同空间分布下的地面公交车辆能耗情况。通过不同的颜色划分，显示出不同区域路网上的地面公交车辆的能耗水平，借以反映路网的能耗情况。5）建立相应的能耗预警体系，及时发现异常状况，保障公交运营始终处于正常的能耗水平。6）设计公交能耗评价指标，建立能耗水平分级体系，以此作为公交能耗效率的评价依据，同时为能耗控制与能耗管理提供决策支持数据资源需求为有效支撑系统业务功能的实现，全面的数据资源是必不可少的数据资源包括静态基础信息和动态上传信息两类。静态基础信息包括GIS地图信息，公交企业基础信息，公交线路静态信息，公交车辆静态信息，站点信息，公交人员信息，IC卡基本信息和公交运营计划及其排班安排信息。动态上传信息主要包括公交车辆定位及运营状态信息（GPS）,公交IC卡刷卡信息和公交车辆能源消耗检测信息。房山区地面公交共有客运场站10个，驻班点15个，线路45条，线路总里程2130.3公里，运营车辆342台。其中山区线路15条，运营车辆81台，总里程910.4公里；平原线路31条，运营车辆261台，总里程1219.9公里。•车辆编号•时间•经度•纬度•方向角•速度运营数据运营数据是进行单位客运量能耗、单位客运周转量能耗等指标抽取的数据基础，运营数据主要包括：•交易日期•交易时间•线路号•上车站号•下车站号油耗数据通过油耗仪进行实时车辆油耗数据采集，并通过车载控制器控制收集数据情况，通过一体的车载终端设备将交易数据上传到监测平台包括：日期时间经度•纬度•车速•走行距离•能耗量能耗效率测算结合油耗数据和IC卡数据，对地面公交车辆、地面公交行业的能耗效率指标进行测算。•速度通过公交运行轨迹数据，即可获取车辆实时速度。•经度通过公交运行轨迹数据，即可获取公交车辆实时经度信息。•纬度通过公交运行轨迹数据，即可获取公交车辆实时经度信息。•单车行驶里程通过运行轨迹数据，即可获取单辆公交车辆行驶里程数据。单车客运量通过运营数据，即可获取单辆公交车辆客运量数据。单车燃油消耗通过油耗数据累加，即可获取单辆公交车辆燃油消耗数据。分线路燃油消耗量通过扩样计算某线路公交车辆燃油消耗总量即可获得分线路的燃油消耗量。分车型燃油消耗量通过扩样计算所有公交某种车型车辆燃油消耗总量即可获得分线路的燃油消耗量。总客运量计算所有地面公交车辆客运量之和即可获得总客运量。总行驶里程计算所有地面公交车辆的行驶里程之和即可获得总行驶里程。分线路客运周转量通过公交运行轨迹数据整合处理、公交客流分析获得单车客运周转量，计算某线路所有地面公交车辆客运周转量。分车型客运周转量通过公交运行轨迹数据整合处理、公交客流分析获得单车客运周转量，计算地面公交某种车型车辆客运周转量。地面公交行业总能耗量通过扩样计算地面公交所有车辆能耗总量。车公里能耗通过扩样计算地面公交所有车辆平均每车公里能耗量。•单位周转量能耗通过扩样计算地面公交所有车辆平均每人公里能耗量。•单位客运量能耗通过扩样计算地面公交所有车辆平均每人的能耗量。2.4性能保障需求系统的性能主要包括下面三方面内容。系统安全性。由于系统使用的数据有部分属于不需要公开的数据还有部分地理空间信息数据属于保密数据，因此对数据的安全和开放应设计一套完善的安全管理机制。系统响应时间。需要根据具体情况而定，在此给出一个参考范围。简单计算平均响应时间：1-3（秒）复杂计算平均响应时间：3-5（秒）地理信息处理平均响应时间：5-8（秒）结果图形展示平均响应时间：5-10（秒）系统的兼容性和扩展性。考虑到系统未来可能会与地铁、出租车、城际客运等其他运输方式的节能监测进行集成和统一管理，同时系统作为北京市交通领域节能减排的组成部分应当与其建立相应的资源共享和互联机制。鉴于此，系统应当具有良好的兼容性和扩展性。3.系统构架设计3.1设计原则新城公交车运营与节能减排监测评价系统的构建应遵循以下基本原则:1．实用性原则：总体设计要充分考虑政府部门、公交企业等不同用户不同层次的需求，确保数据处理和应用的实用性。2．可扩展性原则：系统应具有良好的可扩展性，包括功能可扩展性、用户数量的可扩展性，便于对系统的统一管理，降低管理成本。3．安全性原则：系统应保证只有有权限的人才能访问被授权的信息，需要保证数据的准确和别的未经授权的用户的恶意的访问，保证信息安全。4．稳定性原则：系统应能够提供可靠稳定的服务，在突发情况下保证系统的稳定运行。5．标准化、开放性原则：系统设计应遵守相关标准，保证系统能与其它相关系统进行连接。3.2系统架构基于公共交通节能减排系统的需求分析以及公交节能减排评价指标体系，设计系统的总体架构，主要涵盖数据接入、采集、分析处理以及模型建立和系统功能应用；进一步研究功能设计，主要包含能耗数据采集、实时监测、统计监测、预警、评价决策与审计的功能。具体技术路线如图：系统架构采用多级分层结构模式，如下图3所示，由数据源层、数据采集层、数据资源层、数据处理层、系统功能层和用户层等组成。源数据经过数据采集层转换格式后进入数据资源层进行储存，通过数据处理层进行计算和提取，在系统功能层由不同用户进行使用。所有业务逻辑处理集中于数据处理层，系统功能层只负责数据展示，不涉及业务数据处理。

（1）数据源层主要对公交运营的基础情况和基础数据进行录入为后期系统建设提供基础数据平台。（2）数据采集层主要完成对行业数据中心源数据的抽取、质量分析、转换和加工，以及与其他相关业务系统的数据交互。（3）数据资源层主要对源数据进行适配处理，存入相应数据库供数据处理层调用。（4）数据处理层完成对相关数据的模型计算和指标计算，获取新城公交车运营与技能减排的监测指标值。（5）系统功能层完成对指标按照需求进行多维组合呈现，进行能耗水平监测和预警展示，并提供决策支持与效率提升。（6）用户层主要完成新城公交车运营与节能减排监测评价系统与其他系统的对接工作，满足其他用户对该系统的使用要求。处理层 〔能耗总量（.单位里程能耗：（单位客运量能耗）（单位周转量能耗■鏗朝與工1处理层 〔能耗总量（.单位里程能耗：（单位客运量能耗）（单位周转量能耗■鏗朝與工1图3系统构架设计3.3数据架构数据是整个系统的核心，建设安全、可靠、互联的数据中心，为数据的共享、交换和综合利用提供支撑。数据中心主要提供数据采集、存储、共享、处理、展现等功能。数据采集。采集公交企业静态基础数据、公交能耗数据、公交运营数据等，经过数据检验后存入数据库。数据存储。构建包括数据物理存储、分布存储、备份存储等数据存储体系架构，对采集的各类数据进行存储。数据共享。为各个用户访问提供数据接口，满足与政府管理部门、公交企业等进行数据共享的需求。数据处理。通过开发相关数据处理软件和分析工具，综合利用各类数据，进行数据统计、分析等，为应用系统提供支持。数据展现。借助可视化的表现手段和方式，如柱状图、者折线图、电子地图等，给不同的用户展现相关的业务功能。根据上述数据需求，数据架构体系如下图：图4数据中心构架4.系统功能设计新城公交车运营与节能减排监测评价系统主要包含六个功能：能耗数据采集功能、能耗实时监测功能、能耗统计监测功能、能耗预警功能、能耗评价与决策功能、能耗审计功能和运营组织功能。图5系统功能设计4.1数据采集功能通过对地面公交基础数据、能耗数据、运营数据的一系列规范化处理和分析前的预处理，为数据分析处理及综合应用提供可用性较强的输入数据；通过动态采集车辆的能耗排放数据，与相关的运营数据（即IC卡数据）相匹配，并通过估算模型和算法，统计和监测地面公交车辆及其配套交通设施的能源消耗情况，从而全面掌握地面公交能耗排放的具体现状、发展趋势和影响因素。（1）GPS数据接入公交GPS数据，GPS设备将GPS定位信号、设备状态、行车状态等信息实时上传到平台，同时接受平台发来的调度指令等。（2）IC卡数据接入公交IC卡数据，IC卡刷卡器将刷卡数据实时上传到平台。（3） 能耗数据通过油耗仪进行实时车辆油耗数据采集，并通过车载控制器控制收集数据情况，通过一体的车载GPS终端设备将交易数据上传到监测平台。（4） 运营数据接入公交运营数据，运营数据是进行单位客运量能耗、单位客运周转量能耗等指标抽取的数据基础。表1各数据采集的主要字段序号数据类别采集的字段1GPS数据车辆编号，时间，经度，纬度，方向角，速度2IC卡数据乘客卡号，线路号，上车站点，下车站点，车辆号，司机编号3能耗数据日期，时间，经度，纬度，车速，走行距离，能耗量4运营数据交易日期，交易时间，线路号，上车站号，下车站号4.2实时监测功能实时监测功能采用可视化的手段和方法，采用图表和GIS地图的形式，对地面公交车辆在路网中的能耗情况进行动态的多维度的展示和监测，为掌握交通行业能耗排放水平提供支撑。（1） 全线网能耗监测通过采用柱状图或者折线图的形式，展示全线网地面公交行业能耗总量随时间的变化情况；通过不同的颜色划分，显示出不同路网上的地面公交车辆的能耗水平，借以反映路网的能耗情况。（2） 地面公交车辆能耗监测通过折线图的形式，展示样本地面公交车辆能耗随时间的变化情况，借以反映不同车辆的实时能耗情况。（3）不同车型能耗监测结合GPS数据，展现不同车型的地面公交车辆实时能耗情况，通过不同的颜色划分，显示不同车型的公交车辆能耗水平，借以反映能耗的车型差异情况。（4）不同线路能耗监测结合GIS路网，展现不同线路的地面公交车辆实时能耗情况，通过不同的颜色划分，显示出不同线路的地面公交车辆的能耗水平，借以反映能耗的线路差异情况。（5）不同运营区域能耗监测结合GIS路网，展现不同空间分布下的地面公交车辆能耗情况，通过不同的颜色划分，显示出不同区域地面公交车辆的能耗水平，借以反映能耗的区域差异情况。统计监测功能能耗统计监测功能主要对中长期地面公交能耗情况进行监测，分周期、分对象、分区域、分运营模式统计分析能耗情况，进行地面公交车辆的历史能耗变化趋势分析。（1）能耗总量及变化趋势根据公交车辆线路空间分布和车辆信息，选取典型地面公交车辆安装CAN总线油耗实时采集设备进行能耗监测，分析和图表展示中长期车辆能耗量、车辆能耗效率等指标项。（2）单位里程能耗通过不同线路、不同车型单位里程能耗，获取地面公交行业单位里程能耗。在能耗监测的基础上，将地面公交客运单位里程能耗用于评价地面公交客运行业能耗效率，评价地面公交客运在交通行业中所处的能耗水平，并结合单位客运量及单位周转量能耗用于交通出行方式能耗效率评价工作。主要统计指标如下：•地面公交不同车型行驶里程统计•地面公交不同线路行驶里程统计地面公交不同车型单位里程能耗分析地面公交不同线路单位里程能耗分析单位里程能耗及行驶轨迹时空分布分析（3）单位客运量能耗在能耗总量监测的基础上，结合GPS数据及运营信息，对地面公交不同线路、不同车型车辆的客运量、能耗情况进行统计测算，获得地面公交行业客运量、客运量能耗及客运量时空分布等指标，用于评价地面公交行业总体客运情况及整体的能耗效率，为地面公交行业运营组织优化及效率评价提供数据支持。主要统计指标如下：地面公交不同车型客运量统计地面公交不同线路客运量统计地面公交不同车型单位客运量能耗分析地面公交不同线路单位客运量能耗分析地面公交客运量及能耗时空分布分析（4）单位客运周转量能耗在能耗总量监测的基础上，结合GPS数据及运营信息，对地面公交不同线路、不同车型车辆的客运量、行驶里程、能耗情况进行统计测算，获得地面公交行业客运周转量、客运周转量能耗及单位客运周转量能耗等指标，用于评价地面公交行业整体的能耗效率。主要统计指标如下：地面公交不同车型客运周转量统计地面公交不同线路客运周转量统计地面公交不同车型客运周转量能耗分析地面公交不同线路客运周转量能耗分析地面公交全行业单位客运周转量能耗统计分析4.4能耗预警功能能耗预警功能主要通过对地面公交不同维度的能耗监测，分析能耗的预警阈值；对不同车型、线路及整体线网运营能耗超过额定正常水平的情况进行预警。（1）按车辆按驾驶员能耗预警根据不同车辆的中长期能耗统计分析，设置车辆和驾驶员的能耗预警阈值，实现对不同车辆和驾驶员的实时能耗的监测预警。（2）按车队按线路能耗预警根据不同车队和不同线路车辆的中长期能耗统计分析，获取不同车队和不同线路的能耗情况，设置不同车队和不同线路的能耗预警阈值，实现对不同车队和不同线路实时能耗的监测预警。（3）动态实时监测预警基于能耗实时监测功能，实现对整体公交线网、不同线路、不同车型、不同运营区域的公交能耗进行动态实时监测预警。（4）中长期统计指标预警基于能耗统计监测功能，实现对不同线路、不同车型、不同区域的公交线路分周期（按日、月、季度、年等统计周期）进行监测预警。4.5评价决策功能能耗评价与决策功能主要结合评价指标体系，针对地面公交节能减排水平开展分类评价；建立评价分析模型，评价不同地面公交客运能耗水平；为能耗控制与能耗管理提供决策支持。（1）行业能耗评价在监测分析的基础上，通过系统收集已有情况，科学制定各项评价指标标准，并对各项指标进行评价，并进行地面公交客运行业总体评价。具体设定能耗总量指标、单位里程能耗指标和单位载客量能耗指标。（2）服务水平评价在对地面公交客运节能减排整体情况进行评价分析的基础上，对地面公交客运节能减排工作进行评价，分析在不改变服务水平的情况下提高能源利用效率，达到节能减排的目的。具体包括车辆行驶舒适度、服务满意度、满载率等指标项进行统计监测和图表展示，结合能耗情况综合评价和打分，为今后的节能减排工作进行实际指导。（3）运营组织优化及车型结构调整支撑在对地面公交客运能耗及运营情况监测的情况下，为地面公交行业运营组织优化及车型结构调整提供决策支撑。4.6能耗审计功能能耗审计功能主要以标准格式生成审计报表，进行能源量平衡计算；对地面公交系统各耗能对象进行节能分析，提出节能技改方案；建立节能考核与奖惩体系。（1）能源量平衡计算以标准格式生成审计报表，对地面公交整体行业、不同线路、不同车型、不同区域的能耗量进行平衡计算。（2）节能技改方案基于能耗实时监测、能耗统计监测功能以及能耗预警功能，对地面公交系统各能耗对象进行节能分析，提出针对不同对象的节能技改方案，实现系统能耗最低化，系统效率最优化。（3）节能考核和奖惩基于对不同车辆和不同驾驶员的能耗监测，对驾驶员进行节能考核；基于不同车队和不同线路的能耗监测，对车队进行节能考核。对于运营过程中能耗浪费和节约等现象相应地提出奖惩方案，利用奖惩制度督促不同驾驶员和车队对公交能耗的控制。4.7运营组织功能运营组织功能主要是指公交运营中的驾驶员考核、线路考核、车速限制、事故报警和实时监控动态管理等。通过采集各种数据考核驾驶人员的驾驶行为、油耗等情况，考核公交线路和班次的运营情况，能够实时监控车辆运行轨迹，实现动态监控。（1）驾驶员考核以标准格式生成报表，对驾驶员的日常驾驶行为、准点、迟到早退等业务进行考核。（2）线路班次考核以标准格式生成报表，对公交线路、班次的日常驾驶行为、运营效率等业务情况进行考核。（3）动态监控通过GPS终端和电子地图，能够实时监控车辆运行轨迹，车辆发生事故时能及时报警，对车辆运行进行动态监控。上述功能如表2所示。表2功能概要基本功能功能描述所需设备、技术、基础、条件等数据采集GPS数据能够在线米集车辆运行轨迹数据：车辆编号、时间、经度、纬度方向角、速度等等。GPS终端、无线通信设备IC卡数据能够采集乘客上下车等数据需要知道一卡通硬件接口和软件数据标准，需要与一卡通中心进行沟通协调能耗数据能够在线采集车辆能耗数据能耗采集设备、无线通信设备运营数据能够在线米集车辆、驾驶员的运营数据采集设备、无线通信设备实时监车辆能耗监测能够在线实时监测单个车辆的能耗情况能耗数据、运营数据