電動(dòng)車充電預(yù)約平臺(tái)智能車位管理裝置的研制

宋 毅 湯樹人

(1. 上海市科技咨詢服務(wù)中心， 上海 200020； 2. 上海宇航系統(tǒng)工程研究所， 上海 201109)

電動(dòng)車充電預(yù)約平臺(tái)智能車位管理裝置的研制

宋 毅1湯樹人2

(1. 上海市科技咨詢服務(wù)中心， 上海 200020； 2. 上海宇航系統(tǒng)工程研究所， 上海 201109)

隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展，可充電停車位因土地和電力等資源制約，其數(shù)量在不能滿足快速增加的電動(dòng)汽車使用需求的同時(shí)，更存在著被非電動(dòng)汽車占用，以及電動(dòng)汽車在完成充電操作后，不執(zhí)行程序要求的動(dòng)作，即駛離可充電停車位或持續(xù)占用停車位等現(xiàn)象。為解決上述問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了可配套用于電動(dòng)車充電預(yù)約平臺(tái)的新型智能車位管理裝置，具有感知車位被占用情況及計(jì)時(shí)計(jì)費(fèi)，避免非授權(quán)車輛進(jìn)入等功能。且具有結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、使用便捷等優(yōu)點(diǎn)，在防止車位非授權(quán)占用、提高車位利用率等方面具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

電動(dòng)車 充電 預(yù)約 智能 車位管理

0 引言

由于現(xiàn)階段停車位難以跟上汽車保有量的增長速度，致使固定車位存在著被亂停放、被占用的現(xiàn)象。與此同時(shí)，隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展，具有給電動(dòng)汽車充電功能的可充電停車位也在普及。在可充電停車位數(shù)量尚不能滿足電動(dòng)汽車數(shù)量快速增加需要的同時(shí)，更存在著非電動(dòng)汽車占用可充電停車位，使得可充電停車位無法給電動(dòng)汽車充電的情況；以及電動(dòng)汽車在完成充電操作后，不執(zhí)行程序要求的動(dòng)作，即駛離可充電停車位或長時(shí)間占用等不文明現(xiàn)象?，F(xiàn)有的車位管理裝置如車位鎖，一般用于鎖定汽車底盤，但存在著智能化程度低和可視化標(biāo)識(shí)少等方面問題，容易導(dǎo)致駕駛員誤操作，進(jìn)而使得車位鎖碰撞并損傷汽車底盤，不能滿足類似于可充電停車位的智能化管理需求。因此，為促進(jìn)可充電新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，支持電動(dòng)車充電預(yù)約平臺(tái)實(shí)現(xiàn)智能閉環(huán)管理，開展新型智能車位管理裝置的研制工作。

1 智能車位管理裝置任務(wù)分析與相關(guān)技術(shù)

電動(dòng)車充電預(yù)約平臺(tái)系統(tǒng)組成如圖1所示，智能車位管理裝置是其重要組成部分，它具有車位信息采集分析和通信控制等功能，并能夠與電動(dòng)車充電預(yù)約平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程信息收發(fā)、獲知授權(quán)用戶車輛已到達(dá)并要進(jìn)入車位，進(jìn)而自動(dòng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，使之由原本處于阻擋汽車進(jìn)入車位的狀態(tài)，變更為準(zhǔn)許授權(quán)用戶車輛進(jìn)入狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)以上功能，智能車位管理裝置立足于互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，為用戶提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的可使用或預(yù)約使用充電車位信息，對(duì)減少不必要的充電車位尋找或等待時(shí)間，避免充電車位被傳統(tǒng)燃油車輛非授權(quán)情況下的占用，提高充電車位的利用效率和用戶體驗(yàn)滿意度，具有積極的意義。現(xiàn)對(duì)新型智能車位管理裝置進(jìn)行概略設(shè)計(jì)，并對(duì)車位上有無車輛辨識(shí)所涉及的車位探測技術(shù)，和通信技術(shù)進(jìn)行方案對(duì)比分析和確定工作如下。

圖1 電動(dòng)車充電預(yù)約平臺(tái)示意圖Fig.1 Sketch Map of Electric Vehicle Charging Reservation Platform

1.1車位探測技術(shù)

用于識(shí)別車位上有無車輛的車位探測技術(shù)，是新型智能車位管理裝置的重要技術(shù)之一，整理文獻(xiàn)[1]-[4]等相關(guān)探測技術(shù)如下：

(1) 視頻探測：安裝操作簡單，但識(shí)別技術(shù)難度大，受天氣環(huán)境因素影響大，成本高；

(2) 紅外探測：抗機(jī)械、電磁波干擾性能強(qiáng)，響應(yīng)速度快；但在霧霾天氣下，識(shí)別效果不佳；

(3) 超聲探測：費(fèi)用低廉，技術(shù)成熟，但易受外界溫度、氣流、行人等因素影響，露天場所適用性欠佳；

(4) 壓力探測：探測車輛進(jìn)出車位的壓強(qiáng)變化，辨識(shí)車位占用情況；采用地稱形式實(shí)施成本高，采用局部壓力監(jiān)測形式則需要進(jìn)行合理的檢測位置和程序設(shè)計(jì)；

(5) 地磁探測：功耗低、體積小、靈敏度高，適于露天場合使用；類似霍尼韋爾公司的HMC5883三軸地磁傳感器，就可以檢測到車輛在停車位上，對(duì)地磁所產(chǎn)生的擾動(dòng)信號(hào)，從而判斷停車位是否已被車輛占用；

(6) 無線射頻探測：無線射頻探測識(shí)別方式有無源和有源兩種，無源即非接觸IC打卡方式，有源射頻探測識(shí)別方式在車輛慢速通過時(shí)可以不停車打卡；如以射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)為核心的電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)(ETC)在高速公路收費(fèi)系統(tǒng)上獲得了很好的應(yīng)用；但需要在車輛上預(yù)裝車載電子標(biāo)簽(OBU)[4]，因而適用范圍受限。

通過對(duì)探測技術(shù)整理分析，結(jié)合新型智能車位管理裝置所涉及的車輛探測目標(biāo)特性、經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)可靠性分析，最后選用地磁探測傳感器和壓力探測傳感器相結(jié)合的方式，作為優(yōu)選實(shí)施例。

1.2通信技術(shù)

智能車位管理裝置與電動(dòng)車充電預(yù)約平臺(tái)之間的信息交互，離不開通信技術(shù)的保障。日常工業(yè)生產(chǎn)中，常用的有線通信方式有CAN總線、USB總線、RS-232、RS-485、Lonworks等等。有線通信方式具有可靠性高、抗干擾性強(qiáng)等方面有點(diǎn)，但在停車場較大范圍內(nèi)使用時(shí)，也存在著需要預(yù)先線路敷設(shè)的弊端，因此，智能車位管理裝置除在具備線路鋪設(shè)的停車場，采用有線通信的方式外，其余主要考慮無線通信方式實(shí)現(xiàn)。關(guān)于無線通信，參考文獻(xiàn)[5]、[6]可以采用藍(lán)牙，Wi-Fi或Zigbee等技術(shù)，并簡介如下：

(1)藍(lán)牙技術(shù)：發(fā)射功率從1 mW、2.5 mW、100 mW不等，1 Mb/s速率，工作在2.4 GHz頻段；通信距離一般15 m以內(nèi)，采用高敏感度和發(fā)射功率藍(lán)牙設(shè)備，也可以達(dá)到百米射程；可用于多至8個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸；

(2) Wi-Fi技術(shù)：發(fā)射功率100 mW功耗，11 Mb/s速率，工作在2.4 GHz頻段，通信距離可達(dá)100 m，可用于多至30個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸；

(3) Zigbee技術(shù)：是高可靠，發(fā)射功率僅1 mW低功耗，20-150 Kb/s低速率；每個(gè)Zigbee模塊成本不到40元，“基站”建設(shè)成本不到千元；可以工作在868 MHz、915 MHz和2.4 GHz頻段；通信距離從標(biāo)準(zhǔn)的75 m到幾百米、幾千米，并且支持無限擴(kuò)展；可用于多至65000個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的周期性、間歇性和低反應(yīng)時(shí)間的數(shù)據(jù)傳輸。

考慮是在停車場區(qū)域內(nèi)使用，停車位數(shù)量往往多于30個(gè)，且停車位與電動(dòng)車充電預(yù)約平臺(tái)所需要交互的信息并不多，對(duì)信息交互的快速時(shí)時(shí)性要求也并不高，因此，智能車位管理裝置采用Zigbee協(xié)調(diào)器模塊與傳感器節(jié)點(diǎn)模塊通過Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信。

2 智能車位管理裝置設(shè)計(jì)方案

在對(duì)車位探測技術(shù)和通信技術(shù)分析選用的基礎(chǔ)上，開展進(jìn)一步的新型智能車位管理裝置方案設(shè)計(jì)工作。所著重的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，在于解決現(xiàn)有的類似功能車位管理裝置如車位鎖，存在著需要車主手動(dòng)或遙控開鎖，智能化程度低，可視化標(biāo)識(shí)少，同時(shí)駕駛員誤操作容易導(dǎo)致車輛損失等二次事故等安全性問題；與此同時(shí)，綜合考慮智能車位管理裝置的使用舒適性、可靠性等方面因素，開展如下設(shè)計(jì)工作。

2.1設(shè)計(jì)方案

按照智能車位管理裝置概念設(shè)計(jì)思路，完成新型智能車位管理裝置設(shè)計(jì)如圖2所示, 其中右側(cè)為翻轉(zhuǎn)板19處于直立狀態(tài)示意圖，由固定鎖體1和翻轉(zhuǎn)板19組成。固定鎖體1通過若干個(gè)安裝孔4緊固安裝在車位地面上，翻轉(zhuǎn)板19通過上下兩端支撐的翻轉(zhuǎn)板軸承15可以繞著翻轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)軸16旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。固定鎖體1最上方為上軸承座2，上軸承座2左下方為翻轉(zhuǎn)板19，翻轉(zhuǎn)板19下方的翻轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)軸16與從動(dòng)輪18緊固連接；上軸承座2右下方緊固連接著基座3，基座3內(nèi)布置有車位探測器5、控制器6和減速電機(jī)13，基座3下方緊固連接著傳動(dòng)箱9?；?內(nèi)近上方安裝著，用于感知智能車位管理裝置正上方有無車輛停放的車位探測器5，基座3內(nèi)近中間位置安裝著控制器6，基座3內(nèi)控制器6左下方安裝著用于感知翻轉(zhuǎn)板19平展到位的解鎖傳感器7，基座3內(nèi)解鎖傳感器7下方安裝著用于感知翻轉(zhuǎn)板19直立到位的鎖定傳感器8?；?下方緊固連接著傳動(dòng)箱9，傳動(dòng)箱9上緊固連接的減速電機(jī)13主體處于基座3內(nèi)，減速電機(jī)13的輸出軸上緊固連接著主動(dòng)輪11，主動(dòng)輪11可以驅(qū)動(dòng)其左側(cè)的從動(dòng)輪18旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作。傳動(dòng)箱9下方緊固連接著下軸承座10，下軸承座10左上側(cè)安裝著為翻轉(zhuǎn)板19提供旋轉(zhuǎn)支撐的翻轉(zhuǎn)板軸承15，翻轉(zhuǎn)板軸承15右側(cè)裝配著為減速電機(jī)13的輸出軸提供旋轉(zhuǎn)支撐的主動(dòng)輪軸承14。

圖2 智能車位管理裝置設(shè)計(jì)Fig.2 Design of Intelligent Parking Management Mechanism

在以上新型智能車位管理裝置設(shè)計(jì)方案之中，考慮使用環(huán)境和人機(jī)工效性能等方面因素，舉例如下方面設(shè)計(jì)考慮：

(1)雨水環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)：上軸承座2、基座3、傳動(dòng)箱9和下軸承座10緊固連接后，具有良好的密封功能，能夠避免外界雨水泥沙等雜物進(jìn)入，避免對(duì)所安裝的各種傳動(dòng)器件、傳感器和控制器等器件的影響；

(2)阻擋有效性設(shè)計(jì)：智能車位管理裝置安裝時(shí)，下軸承座10靠近車位的側(cè)邊，而其整體設(shè)計(jì)長度超過一半的車位寬度，從而使得智能車位管理裝置翻轉(zhuǎn)板19處于直立狀態(tài)時(shí)，其有效阻擋寬度和高度，能夠阻擋汽車至少一側(cè)車輪進(jìn)入車位；

(3)操控智能化設(shè)計(jì)：智能車位管理裝置控制器6具有遠(yuǎn)程信息收發(fā)、近程數(shù)據(jù)采集分析和通信控制等功能，能夠通過智能車位管理裝置上的車位探測器5和遠(yuǎn)程交互信息，獲知授權(quán)用戶車輛已到達(dá)并要進(jìn)入車位，進(jìn)而自動(dòng)控制智能車位管理裝置由原本處于阻擋汽車進(jìn)入車位的狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)板19由近乎垂直狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)到水平狀態(tài)，從而使得授權(quán)用戶車輛車輪可以從智能車位管理裝置上碾壓而過，進(jìn)入到授權(quán)車位。

(4)多模供電或自供電設(shè)計(jì)：智能車位管理裝置控制器6集成有可充放電的蓄電池功能，從而在外接電源斷電的情況下，也能夠正常工作；設(shè)計(jì)智能車位管理裝置基座3具有光伏發(fā)電表面或受壓發(fā)電特性，從而使得智能車位管理裝置在受光照射，或者車輛進(jìn)出碾壓智能車位管理裝置基座3后，就能夠產(chǎn)生電能并將之存儲(chǔ)進(jìn)入具有蓄電池功能的控制器6，從而使得智能車位管理裝置無需外接電源就可以正常工作。

(5)人機(jī)工效學(xué)設(shè)計(jì)：智能車位管理裝置上軸承座2上緣、翻轉(zhuǎn)板19和基座3的外緣均為緩變的坡面結(jié)構(gòu)，從而避免車輛越過智能車位管理裝置時(shí)，產(chǎn)生令人不適的過臺(tái)階振動(dòng)感；翻轉(zhuǎn)板19上方安裝有反光板20，反光板20在車燈光線照射下能夠反射紅色或白色或黃色等多種色調(diào)的光線，從而為駕駛員提供可視化標(biāo)識(shí)信息；智能車位管理裝置在非授權(quán)用戶車輛意外或強(qiáng)行駛向車位，控制器6感知到處于近乎垂直位置的翻轉(zhuǎn)板19所受車輪壓力超過設(shè)定值時(shí)，控制器6能夠發(fā)出高分貝警報(bào)聲，同時(shí)控制翻轉(zhuǎn)板19旋轉(zhuǎn)到水平解鎖狀態(tài)，以避免對(duì)車輛造成嚴(yán)重?fù)p傷，并可以向停車位自動(dòng)化管理系統(tǒng)發(fā)出遠(yuǎn)程報(bào)警信號(hào)。

新型智能車位管理裝置采用上述設(shè)計(jì)方案，使之具有良好的雨水環(huán)境適應(yīng)性，可以避免非授權(quán)用戶搶占車位，具有現(xiàn)場光線和聲音警示和遠(yuǎn)程報(bào)警，無需外接電源就可以正常工作等功能，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)緊湊、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

2.2工作流程

設(shè)計(jì)智能車位管理裝置的工作過程及原理如下：

新型智能車位管理裝置通過安裝孔4緊固安裝在車位地面上時(shí)，其下軸承座10靠近車位的側(cè)邊，而智能車位管理裝置的整體長度將使得上軸承座2所處位置超過一半的車位寬度，從而使得智能車位管理裝置翻轉(zhuǎn)板19處于近似直立狀態(tài)時(shí)，其有效阻擋寬度和高度，能夠阻擋汽車至少一側(cè)車輪進(jìn)入車位。當(dāng)有光線照射在智能車位管理裝置基座3具有光伏發(fā)電功能表面時(shí)隨即發(fā)電，并將所產(chǎn)生的電能傳輸至具有蓄電池功能的控制器6存儲(chǔ)，以供智能車位管理裝置在沒有外接電源供電時(shí)使用。在翻轉(zhuǎn)板19處于直立狀態(tài)，有車燈光線照射到智能車位管理裝置時(shí)，智能車位管理裝置直立的翻轉(zhuǎn)板19上所安裝的反光板20，能夠反射紅色或白色或黃色等多種色調(diào)的光線，從而為駕駛員提供可視化標(biāo)識(shí)信息。當(dāng)非授權(quán)用戶車輛意外或強(qiáng)行駛向車位，控制器6感知到翻轉(zhuǎn)板19所受的車輪壓力超過設(shè)定值時(shí)，控制器6能夠發(fā)出高分貝警報(bào)聲，同時(shí)控制翻轉(zhuǎn)板19旋轉(zhuǎn)到水平解鎖狀態(tài)，以避免對(duì)車輛造成嚴(yán)重?fù)p傷，并可以向停車位自動(dòng)化管理系統(tǒng)發(fā)出遠(yuǎn)程報(bào)警信號(hào)。

在智能車位管理裝置通過車位探測器5和和遠(yuǎn)程交互信息，獲知授權(quán)用戶車輛已到達(dá)并要進(jìn)入車位時(shí)，智能車位管理裝置控制器6自動(dòng)控制智能車位管理裝置減速電機(jī)13旋轉(zhuǎn)，通過主動(dòng)輪11驅(qū)動(dòng)從動(dòng)輪18旋轉(zhuǎn)，最終使得翻轉(zhuǎn)板19處于水平狀態(tài)，解鎖傳感器7同時(shí)發(fā)出到位信號(hào)后，控制減速電機(jī)13停止運(yùn)動(dòng)。之后，授權(quán)用戶車輛車輪可以從智能車位管理裝置上碾壓而過，并在此過程中，智能車位管理裝置基座3隨即受壓發(fā)電，并將所產(chǎn)生的電能傳輸至具有蓄電池功能的控制器6存儲(chǔ)，從而使得智能車位管理裝置無需外接電源就可以正常工作。

在車輛進(jìn)入車位或駛離車位后，智能車位管理裝置可以按停車位自動(dòng)化管理系統(tǒng)設(shè)置，由智能車位管理裝置控制器6自動(dòng)控制智能車位管理裝置減速電機(jī)13反向旋轉(zhuǎn)，并通過主動(dòng)輪11驅(qū)動(dòng)從動(dòng)輪18反向旋轉(zhuǎn)，最終使得翻轉(zhuǎn)板19處于近似直立狀態(tài)，鎖定傳感器8同時(shí)發(fā)出直立到位信號(hào)后，控制減速電機(jī)13停止運(yùn)動(dòng)。

3 結(jié)論

通過對(duì)電動(dòng)車充電預(yù)約平臺(tái)所需的智能車位管理裝置任務(wù)分析，明確了智能車位管理裝置的功能要求，設(shè)計(jì)并投產(chǎn)了具有感知車位被占用情況及計(jì)時(shí)計(jì)費(fèi)，避免非授權(quán)車輛進(jìn)入等功能的智能車位管理裝置；并經(jīng)智能車位管理裝置和協(xié)同電動(dòng)車充電預(yù)約平臺(tái)的大系統(tǒng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了所研制的產(chǎn)品能夠解決停車位被非授權(quán)占用問題，能夠提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的可使用或預(yù)約使用充電車位信息，對(duì)減少不必要的充電車位尋找或等待時(shí)間，提高充電車位的利用效率和用戶體驗(yàn)滿意度，具有積極的意義；且具有結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、使用便捷等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車充電預(yù)約平臺(tái)對(duì)車位的智能化管理方面具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

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DevelopmentofIntelligentParkingManagementMechanismforElectricVehicleChargingReservationPlatform

SongYi1TangShuren2

(1.ShanghaiScienceandTechnologyConsultativeServiceCenter,Shanghai200020； 2.AerospaceSystemEngineeringShanghai,Shanghai201109)

Along with the development of electric vehicle, chargeable parking position was restricted by ground and electric power, and the quantity couldn’t satisfy the requirement of electric vehicle’s increasing, along with impropriated by non- electric vehicle, or electric vehicle finished electrification but left without regard to program, or continuing impropriated chargeable parking position. Therefor, developed of intelligent parking management mechanism for electric vehicle charging reservation platform, which could apperceive charging reservation platform whether been impropriated, calculate time and fare, prevent unaccredited vehicle’s entrance. This intelligent parking management mechanism also had excellence such as simple configuration, high security, convenient applicability, and would have extending application value.

Electric Vehicle Charging Reservation Intelligent Parking Management

TH122

B

1006-8244(2017)03-043-05