CN111967710A - 一种基于区块链与边缘计算技术的共享单车调度系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及共享单车调度领域，尤其为一种基于区块链与边缘计算技术的共享单车调度系统，包括管理模块、动态监控模块、调度优化模块，所述所述管理模块分别与所述动态监控模块、调度优化模块数据连接，所述动态监控模块与共享单车数据连接；本发明通过区块链与边缘计算技术解决共享单车调度问题；将共享单车调度所需数据存储和处理迁移至互联网边缘端，在边缘端进行计算可减轻中心服务器的压力，并利用区块链技术保证数据的安全性，利用云服务器提供调度优化方案，解决了现有的共享单车调度时间过长，中心服务器处理数据过多而瘫痪的问题。
Description
技术领域
本发明涉及共享单车，具体提供用于一种区域间的共享单车调度的方法。
背景技术
机动化水平的日益提高带来环境污染、能源短缺等一系列问题，严重制约着城市的发展。全球温室气体排放中，城市交通是仅此于能源供应和工业生产的第三排放部门，若不采取一定的控制措施则将超过工业能耗。面对不断恶化的气候和环境，以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济交通应运而生，共享单车作为一种零污染、零排放的低碳环保交通方式，有必要大力推广。
在国内多个城市公共单车系统的实践中，“租车难、还车难”是共性问题，主要原因是站点间的调度不及时。国内大部分实施公共单车的城市未充分重视调度问题，采取的调度方法落后。信息未能共享，导致无法进行实时调度，系统周转率率底下。除了在早晚高峰潮汐式的单向自行车流情况下，网点间需要及时调度，同时也存在偶发性的调度需求，因此建立完善的调度机制，实现“有车可租，有处还车，安全运作”的良性循环。
本发明主要研究共享单车系统调度问题，构建调度系统框架，进行功能模块设计，深入研究调度模块及算法，统筹兼顾，节约资源，使共享单车系统处于良好的运营状态。
发明内容
本发明旨在解决现有城市站点间的共享单车调度不及时问题以及如何快速向紧缺共享单车的网点调度所需共享单车的问题。为此目的，本发明提供一种基于区块链与边缘计算技术的共享单车调度系统。该系统包括以下几个模块：管理模块、动态监控模块、调度优化模块。其特征在于：所述管理模块分别于所述动态监控模块、调度优化模块数据连接，所述动态监控模块与共享单车数据连接。
在本系统中，所述动态监控模块由共享单车的智能电子锁监控共享单车的地理位置信息及租借还车信息，所述动态监控模块搭建在边缘节点服务器上，且边缘节点服务器内搭建区块链数据库，即所述动态监控模块将上述数据存储和处理迁移至互联网边缘端，在边缘端进行计算可减轻中心服务器的压力，并利用区块链技术保证数据的安全性，将共享单车的智能电子锁监控的地理位置信息及租借还车信息上传至边缘节点服务器内，在位于网络边缘的节点服务器上对数据进行处理，安全记录用户的用车信息，减小中心服务器的计算压力，在一定程度上缩短对用户请求的响应时间。同时在所述动态监控模型中将用户使用单车过程中产生的位置信息、交易信息等数据记录在区块链上，如某段骑行的用户ID、单车身份码、开始位置、开始时间、结束位置、结束时间、骑行里程、总耗时、消耗费用等。
在本系统中，边缘节点服务器上对用户的用车请求做处理，并将收集到的用户用车数据作为区块链中Merkel树结构节点的输入，经过逐层哈希加密后存储在不可篡改、可追溯的链式数据库中，区块链技术的安全机制保证了用户信息在边缘端也能安全存储，其用车交易过程被所有网络节点共同监管。基于区块链和边缘计算的共享单车系统将每次用车相关数据存储在区块链中，实现对用户行为信息的永久性监管。
在本系统中所述管理模块分别与所述动态监控模块和所述调度优化模块具有信息交互的接口，所述管理模块信号接收/发送接口从所述动态监控模块的信号发送接口接收调度信号，管理员根据可能需要调度的信号通知所述调度优化模块，即所述管理模块信号接收/发送接口发送调度要求给所述调度优化模块，通知所述调度优化模块提供所需调度区域内的共享单车的调度方案。
在本系统中所述调度优化模块搭建在云服务器内，边缘节点上完成对数据的初步分析处理，当所述调度优化模块的信号接收/发送接口接收到所述管理模块发送的调度要求后，将所需调度区域及其周边区域上的边缘节点分析的结果发送至相应的云端服务器处理，云服务器内搭建好算法模块，将上述的数据分析结果通过算法模块得出调度优化结果，最后通过云端服务器的信号接收/发送接口将调度方案发送到所述管理模块，管理员通过所述管理模块调取所需调度方案并进行后续的现场调度操作。
附图说明
图1是基于区块链与边缘计算技术的共享单车调度系统总体设计框架图；
图2根据本发明的动态监控模块工作流程图；
图3是根据本发明的车辆调入/调出流程图；
图4是根据本发明的智能电子锁内的终端BLE模块实施操作图；
图5是监控区域内共享单车远程信号控制示意图。
图中：1、智能电子锁由终端BLE模块。
具体实施方式
实施方式一。
在本实施方式一中，所述动态监控模块由共享单车的智能电子锁作为动态监控子模块组成；由所述动态监控子模块监控共享单车的定位及租借还情况并将上述信息通过GPRS网络通讯技术上传至边缘节点，为保障高效准确地对每辆共享单车的动态监控，所述智能电子锁由终端BLE模块(内含控制器)、GPS/GPRS定位模块、通讯模块、状态检测模块及电源模块组成。
本实施方式是对具体实施方式一所述的GPS/GPRS定位模块进一步说明，所述GPS/GPRS定位模块内置定位通讯芯片，定位通讯芯片负责提供GPRS和GPS/AGPS技术，同时通过定位通讯芯片内置GPRS模块，建立GPRS网络通讯。
本实施方式是对具体实施方式一所述终端BLE模块(内含控制器)的进一步说明，所述终端BLE模块(内含控制器)提供单车的租借还信息，所述终端BLE模块具体实施工作为：一方面终端BLE模块接收边缘节点发送过来的指令和信息，终端BLE模块向边缘节点传送状态监测器信号，其中状态检测信号由所述状态检测模块提供，当自行车上锁后所述状态检测模块能检测到自行车锁上，并报告给终端BLE控制器；另一方面终端BLE模块内含的控制器控制智能锁开关和电池使用功能。
实施方式二。
本实施方式应当理解为包含前述全部实施方式的技术手段的全部内容，并且进一步的，在本实施方式二中，本系统中所述动态监控模块监控的数据需上传至规定的边缘节点服务器上，放置边缘节点服务器的具体操作如下：
一、先将负责监控区域分为六种类型：服务于附近的住区、校园、景区、办公区、商业区、换乘点，将属于以上六种类型的地区设置为大型的调度区域并且放置大型边缘节点服务器。
二、规定共享单车的最远服务半径是2km，因此以步骤一所述的六种类型地区为中心地区向四周发散以距中心地区每2km处设置成小型的调度区域并且放置小型边缘节点服务器。其中规定所述大型边缘节点服务器比所述小型边缘节点服务器内置的GPRS网络通讯模块功率大2倍。
实施方式三。
本实施方式应当理解为包含前述全部实施方式的技术手段的全部内容，并且进一步的，在本实施方式三中，本系统中所述边缘节点服务器的进一步说明，所述边缘节点服务器由采集单元和分析单元组成，采集单元有三个接口，一号接口负责与所述智能电子锁内的终端BLE模块进行信息交互，二号接口负责与云端交互的接口，三号接口负责将本地信息传递给区块链的接口；所述采集单元通过一号接口将所述终端BLE模块提供的信息流按一定规则过滤打包通过三号接口上传至区块链数据库，分析单元运行于Linux操作系统之上，部署实时数据流分析算法模块，其中，区块接收模块通过处理采集单元传输的区块消息，接收网络流量区块；区块调度模块根据指定规则，如不同协议，将区块输入到不同的实时分析算法模块中，进行网络流量区块的挖掘；通过发送模块，可以将实时分析结果发送到云端中心节点。实时分析算法可根据需求开发部署基于有监督或无监督的统计学习的模型，在本实施例中采取的数据挖掘算法所确定的目的变量为“是否需要调度”，特征变量为“调度区域车辆数”，分析算法采取有监督学习算法中的分类算法，第一步计算区域车辆，第二步确定调度区域的车辆数是否超过阈值，若超过阈值则执行第三步，将发送调度信号给所述调度优化模块。
实施方式四。
本实施方式应当理解为包含前述全部实施方式的技术手段的全部内容，并且进一步的，在本实施方式四中，本系统所述边缘节点内的分析单元模块中的调度阈值确定的具体操作为：
一、收集整理调度区域i在一天内的单车流量数据，统计出行量、需求到大量、实际出行量、实际到达量。求出i地区的人车比数据，单车流量，所述单车流量为平均每小时流动的单车数目，其他调度地区到地区i的距离平均值。
二、将第一步得到的数据代入以下公式(1)中，公式(1)是以地区面积大小为尺度来进行划分车辆的数量，
其中：i为自然数，Di为地区i共享单车的需求指标，
为地区i的人车比，Hi为各调度地区到地区i的欧式距离平均值，Ei为平均每小时通过地区i的单车流量，0.60、0.20、0.20分别是
地区i的人车比、Hi各调度地区到地区i的欧式距离平均值、Ei平均每小时通过地区i的单车流量的平均权重值。
三、利用MATLAB软件将步骤一中得到的数据绘制出各调度地区一天内的时间流量折线图，本实施例中根据图形得到以单车流量为因变量，时间为自变量的流量和时间关系的流量模型：
其中：t为一天内连续的1440分钟，S为流量与时间关系的数量集合。
四、将步骤三得到的模型(2)带入以下公式(3)中，得到地区i三个不同时段的单车需求量。
其中：j为自然数，Ti为不同时间段内地区i对共享单车的需求量，
为该时间段内的人车比，Mij为地区间的欧式距离。
再将地区i三个时间段得出的单车需求量相加便是地区i一天内所需投放的单车数量，如公式(4)所示：
Wi＝Ti1+Ti2+Ti3 (4)
五、根据公式(3)建立的需求模型，在总调度地区计划投放X辆共享单车的基础上进行增补，得到所有地区的总投放量：
其中Ri设定为固定值，本实施例中将总调度区域划分为F个区域,F为固定整数，X由公式(7)可得。
X＝Ri×F (7)
六、根据公式(1)和公式(5)建立的需求模型得到公式(6)，根据公式(6)可得出地区i所需投放的共享单车数量，并以此得出F个地区分别所需投放的公交车辆。
Mi＝Dall×Di (6)
将步骤六得出各个区域所需投放的单车数量设为相应区域上边缘节点内的分析单元模块中的调度阈值。
实施方式五。
本实施方式应当理解为包含前述全部实施方式的技术手段的全部内容，并且进一步的，在本实施方式五中，本系统中所述的边缘节点服务器中采集单元的二号接口负责与云端交互，二号接口负责向云端发送卸载任务，所述边缘节点服务器内装有卸载计算系统模型，当边缘节点服务器内的任务处理过量时，边缘节点服务器通过二号接口将计算任务卸载到云服务器上，实现云边协同计算缓解计算和存储的限制，在本实施例中，地区i上的边缘节点服务器端有任务数据量Ki为500kbits到1000kbits，其全部存在于待计算任务队列中，这些任务通过计算卸载策略分别发送到卸载任务队列和本地执行任务队列中等待进一步处理。每个计算任务分成一个二元数组Ti＝(Ci,Ki)，其中Ci代表任务Ti所需要的CPU计算量，在本实施例中地区i的边缘节点服务器需要处理的其对应任务所需的CPU操作数Ci为1000Megacycles到2000Megacycles；Ki表示任务Ti所占的数据量大小；其中卸载任务队列中的任务需要通过所述边缘节点内采集单元模块的二号接口发送到云服务器中执行，执行完毕后由云服务器的发射单元将计算结果返回到边缘计算节点中，本地执行任务队列中的任务则在边缘计算节点本地执行单元中执行，其中云服务器执行任务所用到的运算模块是边缘计算节点内的分析单元的分析算法一致。
实施方式六。
本实施例进一步说明一种基于区块链与边缘计算技术的共享单车调度系统，所述系统用于共享单车的区域间调度；所述系统包括：管理模块、动态监控模块、调度优化模块，所述管理模块分别与所述动态监控模块、调度优化模块数据连接，所述动态监控模块与共享单车数据连接；
所述动态监控模块被构造成通过共享单车的智能电子锁监控共享自行车的地理位置信息及租借还车信息，并将上述信息通过GPRS网络通讯技术上传至边缘节点，为保障高效准确地对每辆共享单车的动态监控，所述智能电子锁由终端BLE模块(内含控制器)、GPS/GPRS定位模块、通讯模块、状态检测模块及电源模块组成；其中所述终端BLE模块(内含控制器)提供单车的租借还信息，所述终端BLE模块具体实施工作为：一方面终端BLE模块接收边缘节点发送过来的指令和信息，终端BLE模块向边缘节点传送状态监测器信号，其中状态检测信号由所述状态检测模块提供，当自行车上锁后所述状态检测模块能检测到自行车锁上，并报告给终端BLE控制器；另一方面终端BLE模块内含的控制器控制智能锁开关和电池使用功能；
所述动态监控模块将上述地理位置信息及租借还车信息传输到边缘节点上，边缘节点对所述信息进行初步分析处理以确定监控区域内的共享单车是否可能需要调度，若可能需要调度则边缘节点发送调度信号给管理模块；其中边缘节点服务器的放置按照以下步骤进行：
a1、先将负责监控区域分为六种类型：服务于附近的住区、校园、景区、办公区、商业区、换乘点，将属于以上六种类型的地区设置为大型的调度区域并且放置大型边缘节点服务器；
a2、规定共享单车的最远服务半径是2km，因此以步骤一所述的六种类型地区为中心地区向四周发散以距中心地区每2km处设置成小型的调度区域并且放置小型边缘节点服务器。其中规定所述大型边缘节点服务器比所述小型边缘节点服务器内置的GPRS网络通讯模块功率大2倍；
本系统中所述边缘节点服务器由采集单元和分析单元组成，采集单元共有三个接口，一号接口负责与所述智能电子锁内的终端BLE模块进行信息交互，二号接口负责与云端交互的接口，三号接口负责将本地信息传递给区块链的接口；所述采集单元通过一号接口将所述终端BLE模块提供的信息流按一定规则过滤打包通过三号接口上传至区块链数据库，分析单元运行于Linux操作系统之上，部署实时数据流分析算法模块，其中，区块接收模块通过处理采集单元传输的区块消息，接收网络流量区块；区块调度模块根据指定规则，将区块输入到不同的实时分析算法模块中，进行网络流量区块的挖掘；在本实施例中采取有监督学习算法中的分类算法，第一步计算区域车辆，第二步确定调度区域的车辆数是否超过阈值，若超过阈值则执行第三步，将通过发送模块发送调度信号给所述调度优化模块；上述所述阈值确定的具体步骤如下：
b1、收集整理调度区域i在一天内的单车流量数据，统计出行量、需求到大量、实际出行量、实际到达量；求出i地区的人车比数据，单车流量，所述单车流量为平均每小时流动的单车数目，其他调度地区到地区i的距离平均值；
b2、将b1得到的数据代入公式(1)中，公式(1)是以地区面积大小为尺度来进行划分车辆的数量；
其中：i为自然数，Di为地区i共享单车的需求指标，
为地区i的人车比，Hi为各调度地区到地区i的欧式距离平均值，Ei为平均每小时通过地区i的单车流量，0.60、0.20、0.20分别是
地区i的人车比、Hi各调度地区到地区i的欧式距离平均值、Ei平均每小时通过地区i的单车流量的平均权重值；
b3、利用MATLAB软件将步骤一中得到的数据绘制出各调度地区一天内的时间流量折线图，本实施例中根据图形得到以单车流量为因变量，时间为自变量的流量和时间关系的流量模型(2)中；
其中：t为一天内连续的1440分钟，S为流量与时间关系的数量集合；
b4、将b3得到的模型(2)带入公式(3)中，得到地区i三个不同时段的单车需求量；
其中：j为自然数，Ti为不同时间段内地区i对共享单车的需求量，
为该时间段内的人车比，Mij为地区间的欧式距离；
再将地区i三个时间段得出的单车需求量相加便是地区i一天内所需投放的单车数量，如公式(4)所示；
Wi＝Ti1+Ti2+Ti3 (4)
b5、根据公式(3)建立的需求模型，在总调度地区计划投放X辆共享单车的基础上进行增补，得到所有地区的总投放量；
其中Ri设定为固定值，本实施例中将总调度区域划分为F个区域,F为固定整数，X由公式(7)可得；
X＝Ri×F (7)
b6、根据公式(1)和公式(5)建立的需求模型得到公式(6)，根据公式(6)可得出地区i所需投放的共享单车数量，并以此得出F个地区分别所需投放的公交车辆；
Mi＝Dall×Di (6)
将步骤b6得出各个区域所需投放的单车数量设为相应区域上边缘节点内的分析单元模块中的调度阈值；
本系统中所述的边缘节点服务器中采集单元的二号接口负责与云端交互，二号接口负责向云端发送卸载任务，所述边缘节点服务器内装有卸载计算系统模型，当边缘节点服务器内的任务处理过量时，边缘节点服务器通过二号接口将计算任务卸载到云服务器上，实现云边协同计算缓解计算和存储的限制，在本实施例中，地区i上的边缘节点服务器端有任务数据量Ki为500kbits到1000kbits，其全部存在于待计算任务队列中，这些任务通过计算卸载策略分别发送到卸载任务队列和本地执行任务队列中等待进一步处理；每个计算任务分成一个二元数组Ti＝(Ci,Ki)，其中Ci代表任务Ti所需要的CPU计算量，在本实施例中地区i的边缘节点服务器需要处理的其对应任务所需的CPU操作数Ci为1000Megacycles到2000Megacycles；Ki表示任务Ti所占的数据量大小；其中卸载任务队列中的任务需要通过所述边缘节点内采集单元模块的二号接口发送到云服务器中执行，执行完毕后由云服务器的发射单元将计算结果返回到边缘计算节点中，本地执行任务队列中的任务则在边缘计算节点本地执行单元中执行，其中云服务器执行任务所用到的运算模块是边缘计算节点内的分析单元的分析算法一致；
本系统中所述管理模块被构造成从所述动态监控模块接受所述可能需要调度的信号，并根据所述可能需要调度的信号通知所述调度优化模块提供所需调度区域内的共享单车的调度方案；
其中所述优化模块搭建在云服务器上，云服务器负责提供调度区域间的共享单车调度优化方案；其中云服务器内搭建了调度优化算法模块，当云服务器的发射/接收单元接收边缘节点服务器发出的调度信号时，云服务器的发射/接收单元将所需调度区域及其周边调度区域的边缘节点服务器内的分析结果调出，通过调度优化算法模块得出调度优化方案，然后通过云服务器的发射/接收单元发送调度优化方案给所述管理模块的接收端口，管理员通过所述管理模块的接收端口接收所述调度优化方案并进行后续的现场调度；其中，云服务器内的调度优化算法模块的算法具体步骤如下：
c1、设定算法的初始数值；在本实施例中，调度车一次装满共享单车的数量为30辆，调度优化算法的目标是基于调度距离最短，调度人员从离所需调度区域附近剩余共享单车最多的调度区域为起点出发，调度车辆的行驶速度为每小时30公里，每次在调度区域摆放/搬运单车所需平均时间为20分钟；
c2、计算所需调度区域需要的车辆数以及周边调度区域闲置的车辆数；在本实施例中，地区i需要调度车辆40辆，其周边共有地区p闲置车辆20辆、地区n闲置车辆12辆、地区y闲置车辆10辆可供调运共享单车到地区i；
c3、作最短距离矩阵；计算地区p、地区n、地区y与地区i的最短距离矩阵，并作出相应的最短距离表；
c4、作出各提供单车的区域的节约里程项目，从最短距离表中计算地区p、地区n、地区y分别与地区i的节约里程数，并作节约历程表；
c5、节约项目分类，将节约项目由大到小顺序进行排序；
c6、制定调度路线方案；在节约里程表内根据由大到小排序的节约里程数选择调度区域的组合，从地区i、地区n、地区y中选择距离地区i里程数最大的区域，将选择过的地区在节约里程表中删除均涉及的组合，并形成较优的调度路线；
根据上述算法步骤对所述动态监控模块提供的数据进行处理并生成调度优化方案发送之所述管理模块，管理人员通过管理模块提供的调度优化方案进行后续的现场调度操作。
Claims (4)
1.一种基于区块链与边缘计算技术的共享单车调度系统，所述系统用于共享单车的区域间调度；所述系统包括：管理模块、动态监控模块、调度优化模块，其特征在于：所述管理模块分别与所述动态监控模块、调度优化模块数据连接，所述动态监控模块与共享单车数据连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于区块链与边缘计算技术的共享单车调度系统，其特征在于：所述动态监控模块被构造成通过共享单车的智能电子锁监控共享自行车的地理位置信息及租借还车信息，并且动态监控模块并所述地理位置信息及租借还车信息传输到边缘节点上，边缘节点对所述信息进行初步分析处理以确定监控区域内的共享单车是否可能需要调度，若可能需要调度则边缘节点发送调度信号给管理模块。
3.根据权利要求1所述的一种基于区块链与边缘计算技术的共享单车调度系统，其特征在于：所述管理模块被构造成从所述动态监控模块接受所述可能需要调度的信号，并根据所述可能需要调度的信号通知所述调度优化模块提供所需调度区域内的共享单车的调度方案。
4.根据权利要求3所述的一种基于区块链与边缘计算技术的共享单车调度系统，其特征在于：所述调度优化模块用于根据所述需要调度的信号对所述动态监控模块提供的数据通过所述调度优化模块内置的算法处理并生成调度优化方案发送之所述管理模块。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202010640055.4A CN111967710A (zh) | 2020-07-06 | 2020-07-06 | 一种基于区块链与边缘计算技术的共享单车调度系统 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN202010640055.4A CN111967710A (zh) | 2020-07-06 | 2020-07-06 | 一种基于区块链与边缘计算技术的共享单车调度系统 |
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| CN111967710A true CN111967710A (zh) | 2020-11-20 |
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ID=73361556
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| CN202010640055.4A Withdrawn CN111967710A (zh) | 2020-07-06 | 2020-07-06 | 一种基于区块链与边缘计算技术的共享单车调度系统 |
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112600892A (zh) * | 2020-12-07 | 2021-04-02 | 北京邮电大学 | 面向物联网的区块链设备、系统及工作方法 |
| CN113888000A (zh) * | 2021-10-18 | 2022-01-04 | 支付宝(杭州)信息技术有限公司 | 一种共享单车的调度方法及装置 |
| CN114089919A (zh) * | 2021-11-25 | 2022-02-25 | 中国联合网络通信集团有限公司 | 异构mec数据协同方法、协同服务中心及系统 |
| CN114596667A (zh) * | 2022-03-08 | 2022-06-07 | 北京物资学院 | 一种数据共享方法、系统及计算机存储介质 |
| CN117172802A (zh) * | 2023-09-05 | 2023-12-05 | 湖南丰乐新材料有限公司 | 基于食品包装所承载信息的产品追溯系统和方法 |
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2020
- 2020-07-06 CN CN202010640055.4A patent/CN111967710A/zh not_active Withdrawn
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