1.1 上班通勤的日常
叮铃铃”，“叮铃铃”，早上七八点，你还在温暖的被窝里和闹钟“斗智斗勇”。
突然，你意识到已经快迟到了，于是像个闪电侠一样冲进卫生间，速洗漱，急穿衣，左手抄起手机，右手拿起面包，边穿衣边啃早餐。
这个时候，通勤的老难题又摆在了你面前：要不要吃完这口面包、刷牙和洗脸，还是先冲出门赶车？
好不容易做出了一个艰难的决定——放下面包，快步冲出门。你拿出手机，点开了熟悉的地铁乘车 app 或公交地铁乘车码小程序。
然后，一张***在屏幕上亮了起来，这可是你每天通勤的“敲门砖”。
你快步走到地铁站，将手机***扫描在闸机上，"嗖"的一声，闸机打开，你轻松通过，不再需要排队买票，不再被早高峰的拥挤闹心。
你走进地铁车厢，挤到了一个角落，拿出手机，开始计划一天的工作。
1.2 公交&地铁乘车系统
正如上文所说，人们只需要一台手机，一个***就可以完成上班通勤的所有事项。
那这个便捷的公交或地铁乘车系统是如何设计的呢？它背后的技术和架构是怎样支撑着你我每天的通勤生活呢？
今天让我们一起揭开这个现代都市打工人通勤小能手的面纱，深入**乘车系统的设计与实现
在这个文章中，小❤将带你走进乘车系统的世界，一**竟，看看它是如何在短短几年内从科幻电影中走出来，成为我们日常生活不可或缺的一部分。
2.1 功能需求
用户注册和登录： 用户可以通过手机应用或小程序注册账号，并使用账号登录系统。路线查询： 用户可以查询地铁的线路和站点信息，包括发车时间、车票**等。获取乘车***系统根据用户的信息生成乘车***获取地铁实时位置： 用户可以查询地铁的实时位置，并查看地铁离当前站台还有多久到达。乘车扫描和自动支付： 用户在入站和出站时通过扫描***来完成乘车，系统根据乘车里程自动计算费用并进行支付。交易记录查询： 用户可以查询自己的交易历史记录，包括乘车时间、金额、线路等信息。2.2 乘车系统的非功能需求
乘车系统的用户量非常大，据《中国主要城市通勤检测报告-2023》数据显示，一线城市每天乘公交&地铁上班的的人数普遍超过千万，平均通勤时间在 45-60 分钟，并集中在早高峰和晚高峰时段。
所以，设计一个热点数据分布非均匀、人群分布非均匀的乘车系统时，需要考虑如下几点：
用户分布不均匀，一线城市的乘车系统用户，超出普通城市几个数量级。时间分布不均匀，乘车系统的设计初衷是方便上下班通勤，所以早晚高峰的用户数会高出其它时间段几个数量级。高并发： 考虑到公交车/地铁系统可能同时有大量的用户在高峰时段使用，系统需要具备高并发处理能力。高性能： 为了提供快速的查询和支付服务，系统需要具备高性能，响应时间应尽可能短。可扩展性： 随着用户数量的增加，系统应该容易扩展，以满足未来的需求。可用性： 系统需要保证24/7的可用性，随时提供服务。安全和隐私保护： 系统需要确保用户数据的安全和隐私，包括支付信息和个人信息的保护。3.1 核心组件
前端应用： 开发手机 app 和小程序，提供用户注册、登录、查询等功能。后端服务： 设计后端服务，包括用户管理、路线查询、**管理、订单处理、支付系统等。数据库： 使用关系型数据库 mysql 集群存储用户信息、路线信息、交易记录等数据。推送系统： 将乘车后的支付结果，通过**和离线两种方式推送给用户手机上。负载均衡和消息队列： 考虑使用负载均衡和消息队列技术来提高系统性能。3.2 乘车流程
1）用户手机与后台系统的交互
交互时序图如下：
1. 用户注册和登录：用户首先需要在手机应用上注册并登录系统，提供个人信息，包括用户名、手机号码、支付方式等。
2. 查询乘车信息：用户可以使用手机应用查询公交车/地铁的路线和票价信息，用户可以根据自己的出行需求选择合适的线路。
3. 生成乘车***用户登录后，系统会生成一个用于乘车的***这个***可以在用户手机上随时查看。这个***是城市公交系统的通用乘车***同时该码关联到用户的账户和付款方式，用户可以随时使用它乘坐任何一辆公交车或地铁。
2）用户手机与公交车的交互
交互 uml 状态图如下：
用户进站扫码： 当用户进入地铁站时，他们将手机上的乘车码扫描在进站设备上。这个设备将扫描到的乘车码发送给后台系统。进站数据处理： 后台系统接收到进站信息后，会验证乘车码的有效性，检查用户是否有进站记录，并记录下进站的时间和地点。用户出站扫码： 用户在乘车结束后，将手机上的乘车码扫描在出站设备上。出站数据处理： 后台系统接收到出站信息后，会验证乘车码的有效性，检查用户是否有对应的进站记录，并记录下出站的时间和地点。3）后台系统的处理
乘车费用计算： 基于用户的进站和出站地点以及乘车规则，后台系统计算乘车费用。这个费用可以根据不同的城市和运营商有所不同。费用记录和扣款： 系统记录下乘车费用，并从用户的付款方式（例如，支付宝或微信钱包）中扣除费用。乘车记录存储： 所有的乘车记录，包括进站、出站、费用等信息，被存储在乘车记录表中，以便用户查看和服务提供商进行结算。通知用户： 如果有需要，系统可以向用户发送通知，告知他们的乘车费用已被扣除。数据库交互： 在整个过程中，系统需要与数据库交互来存储和检索用户信息、乘车记录、费用信息等数据。3.1 数据库设计
用户信息表（user），包括用户id、手机号、密码、支付方式、创建时间等。***表 (qrcode)，包括***id、用户id、城市id、生成时间、有效期及***数据等。车辆&地铁车次表 (vehicle)，包括车辆id、车牌或地铁列车号、车型（公交、地铁）、扫描设备序列号等。乘车记录表 (triprecord)，包括记录id、用户id、车辆id、上下车时间、起止站点等。支付记录表 (paymentrecord)，包括支付id、乘车记录id、交易时间、交易金额、支付方式、支付状态等。以上是一些在公交车&地铁乘车系统中需要设计的数据库表及其字段的基本信息，后续可根据具体需求和系统规模，还可以进一步优化表结构和字段设计，以满足性能和扩展性要求。
详细设计除了要设计出表结构以外，我们还针对两个核心问题进行讨论：
最短路线查询乘车***管理3.2 最短路线查询
根据交通部门给的公交&地铁路线，我们可以绘制如下站点图：
假设图中的站点有 a-f，涉及到的交通工具有地铁 1 号线和 2 路公交，用户的起点和终点分别为 a、f 点。我们可以使用 dijkstra 算法来求两点之间的最短路径，具体步骤为：
在用户查询路线之前，交通部门会把公交 & 地铁的站点经纬度信息输入到路线管理系统，并根据二维的空间经纬度编码存储对应的站点信息。
我们设定西经为负，南纬为负，所以地球上的经度范围就是[-180， 180]，纬度范围就是[-90，90]。如果以本初子午线、赤道为界，地球可以分成 4 个部分。
根据这个原理，我们可以先将二维的空间经纬度编码成一个字符串，来唯一标识用户或站点的位置信息。再通过 redis 的 geohash 算法，来获取用户出发点附近的所有站点信息。
geohash 算法的原理是将一个位置的经纬度换算成地址编码字符串，表示在某个矩形区域，通过这个算法可以快速找到同一个区域的所有站点
一旦获得了起始地点的经纬度，系统就可以根据附近的站点信息，调用路线管理系统来查找最佳的公交或地铁路线。
一旦用户选择了一条路线，导航引擎启动并提供实时导航指引。导航引擎可能会使用地图数据和 gps 定位来指导用户前往起止站点。
3.3 乘车***管理
乘车码是通过 qr 码（quick response code）技术生成的，它比传统的 bar code 条形码能存更多的信息，也能表示更多的数据类型，如图所示：
**的生成非常简单，拿 go 语言来举例，只需引入一个三方库：
import "github.com/skip2/go-qrcode"func main() else /定义背景色 qr.foregroundcolor = color.white //定义前景色 qr.writefile(256,".wechatgzh_qrcode.png") 转成**保存 }}4.2 未来发展
公交车/地铁乘车系统的未来发展可以包括以下方向：
智能化乘车： 引入智能设备，如人脸自动识别乘客、人脸扣款等。大数据分析： 利用大数据技术分析乘车数据，提供更好的服务。在设计和发展过程中，也要不断考虑用户体验、性能和安全，确保系统能够满足不断增长的需求。
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