基于LBS的停車位共享平臺設(shè)計

史 偉，張青云，李 帥

(遼寧工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

0 引 言

隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，私家車的數(shù)量急劇增長，然而城市停車位的數(shù)量卻增長緩慢，造成停車位供不應(yīng)求，停車位難找的情況時有發(fā)生。此外，一些車主的違章停車行為嚴重影響了正常的交通秩序，使得城市停車難[1]的問題愈加嚴峻。停車位受到城市空間和地理位置的限制，現(xiàn)已趨于飽和，但由于停車鎖和停車位的位置過于分散等原因，大量分布于城市中的私人停車位無法得到有效利用[2]。因此，亟需一種管理方法來集中管理空閑分散的停車位，以解決一方面沒地方停車，另一方面空閑的私人停車位不能被充分利用的矛盾問題。

現(xiàn)在市面上有很多停車相關(guān)的軟件，例如：停車寶、ETCP停車、慧停車+、無憂停車等等。這些軟件大多數(shù)是基于LBS定位技術(shù)[3]的服務(wù)軟件，將互聯(lián)網(wǎng)與停車場端相結(jié)合[4]，為用戶提供方便，但同時也具有一定的局限性。這些軟件只針對各地的停車場進行開發(fā)，用戶使用軟件只能查找周邊的停車場，對于私人閑置的停車位并無涉及。對此，部分學(xué)者順應(yīng)如今火熱的共享經(jīng)濟[5]潮流并結(jié)合車位資源緊缺的現(xiàn)狀，提出了私人車位共享模式[6-7]。文中在現(xiàn)有共享模型的基礎(chǔ)上設(shè)計出了基于LBS的停車位共享平臺。該平臺將商家車位、停車場、私家車位匯集為一體，為車主尋找空閑車位，打破車主找不到車位而車位閑置的窘境，實現(xiàn)最大程度的雙贏，并收獲巨大的經(jīng)濟效益。

1 總體設(shè)計

基于LBS的停車位共享平臺由用戶端和停車場端兩部分組成。在硬件方面，主要包括智能地鎖的各個組成硬件，實現(xiàn)看守車位的功能；在軟件方面，使用定位算法[8-10]、協(xié)同過濾推薦算法[11-12]和車位預(yù)測算法[13-15]對用戶的停車時間、出車時間和車位預(yù)定等信息進行智能化管理，達到停車位共享的效果。

1.1 體系結(jié)構(gòu)

平臺的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 體系結(jié)構(gòu)

軟件Server包含數(shù)據(jù)接收和發(fā)送、數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)庫四部分。平臺通過JSP編寫數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收及發(fā)送，同時為了緩解數(shù)據(jù)庫讀取壓力，加入了數(shù)據(jù)緩存模塊和緩沖數(shù)據(jù)[16]，然后根據(jù)用戶的需求對數(shù)據(jù)庫進行操作，調(diào)取相關(guān)數(shù)據(jù)。在Client中，軟件基于Android系統(tǒng)開發(fā)，實現(xiàn)軟件的相關(guān)功能，Server與Client通過http協(xié)議進行通信。

1.2 系統(tǒng)邏輯

在圖2所示的系統(tǒng)邏輯圖中，軟件由數(shù)據(jù)庫資源層、應(yīng)用集成層、展示層及服務(wù)層四部分組成。

圖2 系統(tǒng)邏輯

數(shù)據(jù)資源層包括兩個數(shù)據(jù)庫，其中一個為備用數(shù)據(jù)庫，以保證數(shù)據(jù)的安全性。應(yīng)用集成層則包含適配器、消息、接口及數(shù)據(jù)信息。展示層包含平臺擁有的相關(guān)功能。服務(wù)層則為用戶端APP和停車場端APP。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

智能地鎖為平臺的重要組成部分，可在無人看守的情況下看守車位，同時也為共享車位提供了基礎(chǔ)，如圖3所示。

圖3 停車地鎖結(jié)構(gòu)

智能地鎖硬件由搖臂組件、控制組件、開關(guān)組件、分離組件、動力組件、報警組件、天線組件、電池組件及軸承組件九部分組成。地鎖外殼上印有地鎖唯一標識的二維碼，使地鎖與相關(guān)車位的車主賬戶相關(guān)聯(lián)。當預(yù)約車位成功后，掃描地鎖上的二維碼，即可解除地鎖，平臺開始自動計時。智能地鎖控制組件包含聯(lián)網(wǎng)模塊，實時與平臺進行相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸。

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)流程

通過調(diào)查問卷確定了平臺的主體框架，將車位共享劃分為按時收費和按次收費兩種經(jīng)營模式，擁有閑置車位的用戶根據(jù)自己的實際情況將閑置車位以其中一種模式把相關(guān)信息發(fā)布于平臺，需要車位的用戶在平臺上查找自己心儀的停車地點。平臺針對停車難問題開發(fā)，著力于解決閑置車位資源浪費的現(xiàn)狀，為需要車位的用戶提供一個找車位的平臺。平臺由移動端APP和智能地鎖組成，用戶通過移動端APP發(fā)布、尋找停車位。預(yù)約成功后，到達車位地點，掃描智能地鎖上的二維碼即可解除地鎖，計時停車。平臺有效地促進了私人資源和公共資源的合理分配，部分解決了政府難以應(yīng)對公共車位供不應(yīng)求的現(xiàn)狀。平臺分為四個部分：找車位、找停車場、發(fā)布車位及發(fā)布停車場，其流程如圖4所示。

3.2 算法設(shè)計

3.2.1 室內(nèi)定位算法

三邊測量法[9](trilateration)原理如圖5所示，已知A、B、C三個錨節(jié)點的位置坐標分別為(xa,xa)，(xb,xb)，(xc,xc)，它們到目標節(jié)點D的距離分別為da，db，dc，假設(shè)目標節(jié)點D的坐標為(x,y)。

圖4 系統(tǒng)流程

圖5 三邊測量法

那么存在下列公式：

(1)

由式1可得D點的坐標為：

(2)

對此可以準確地計算出目標點的位置坐標，在GPS較弱的建筑內(nèi)使用該定位能最大程度地定位車輛及車位的位置，方便用戶使用。

3.2.2 協(xié)同過濾車位推薦算法

當用戶在搜索空閑車位時，平臺利用協(xié)同過濾推薦算法[12]并結(jié)合用戶的歷史訂單情況和當時所在位置，為用戶推薦最近、最適合的停車場及停車位。

協(xié)同過濾車位推薦算法如下：

(1)表示：在基于用戶的協(xié)同過濾推薦算法的推薦系統(tǒng)中，輸入的數(shù)據(jù)通常被表示為Rm×n矩陣形式，m表示用戶數(shù)量，n表示項目數(shù)量，Ri,j則表示第i個用戶對第j個項目的評估值。評估值可以是用戶的偏好(喜歡/不喜歡)或消費(購買/未購買)狀態(tài)，表示為二進制的0或1，也可以是用戶對項目的等級評價，表示為十進制的0～9十個等級。

(2)形成鄰居：基于用戶的協(xié)同過濾推薦算法的核心思想是為需要推薦服務(wù)的用戶尋找偏好度相似的“最近鄰居”集(nearest-neighbor)?！白罱従印奔歉鶕?jù)不同用戶的興趣點偏好相似程度來進行排序的，如：根據(jù)用戶n產(chǎn)生一個“最近鄰居”集N={N1,N2,…,Ns,}，其中用戶n不屬于集合N，N1到Ns按照降序排列。

圖6為形成鄰居的概念圖。該圖示意了最近鄰居的形成過程：利用歐幾里得距離公式計算目標用戶6與其他用戶之間的相似度，以用戶6為中心，選擇相似度最大的k=5個用戶作為用戶6的最近鄰居。用戶之間的相似度還可以使用Pearson距離、余弦相似度和Jaccard相似度等方法進行計算。

圖6 形成鄰居的概念圖

確定鄰居用戶有兩種方法：一是預(yù)先確定一個相似性閾值，將計算后的相似性與閾值進行比較，若相似性大于閾值，則該用戶可以作為目標用戶的鄰居用戶，若小于，則反之；二是預(yù)先確定一個鄰居數(shù)N，選取相關(guān)性較大的前N個用戶作為目標用戶的鄰居用戶。

(3)產(chǎn)生推薦：根據(jù)目標用戶的“最近鄰居”集，可以計算出兩類結(jié)果：用戶對其他項目的興趣程度的預(yù)測值，以及以TopN形式進行推薦的推薦集。

3.2.3 車輛預(yù)測算法

車輛預(yù)測算法的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)為停車場多日的停車記錄，以小時為單位統(tǒng)計停車場的停車狀況。該算法以k-means聚類算法[15]為基礎(chǔ)進行了相應(yīng)的改進。k-means聚類算法首先在包含n個數(shù)據(jù)對象的數(shù)據(jù)集A中隨機選擇k個對象，每個對象代表一個初始聚類質(zhì)心。平臺需對停車場未來七個小時的車輛情況進行預(yù)測，即k取值為7。對于除去質(zhì)心的其余n-k個對象，根據(jù)該對象和每個聚類質(zhì)心之間的距離，將其分配到與之最相近的聚類集群中。然后，通過計算得出每個聚類的新質(zhì)心。重復(fù)以上過程，直到標準函數(shù)收斂為止。計算時，通常采用平方誤差準則函數(shù)(squared-error criterion)作為標準函數(shù)，即

(3)

其中，E是數(shù)據(jù)集A中所有對象的誤差平方和；p是數(shù)據(jù)集A中的一個數(shù)據(jù)對象；m是聚類C的質(zhì)心，即

(4)

k-means聚類算法步驟如下：

(1)從數(shù)據(jù)集A中隨機選擇k個對象作為聚類的初始質(zhì)心，記為C1,C2,…,Ck；

(2)計算其余各個對象到質(zhì)心的距離，將其分配到與之最相近的聚類集群中。每個聚類集群用其中所有對象的均值來表示，最相近的聚類集群是指該點與聚類質(zhì)心的距離最小。對于每個數(shù)據(jù)對象Vi，找出與它距離最小的質(zhì)心Cj，將Vi分配到第j組；

(3)將所有的數(shù)據(jù)對象都分配到與之相對應(yīng)的聚類中，然后重新計算每個聚類的質(zhì)心Cj；

(4)重復(fù)執(zhí)行步驟2和步驟3，直到標準函數(shù)收斂為止。

通過k-means聚類算法的計算，即可根據(jù)該停車場多日的停車狀況進行統(tǒng)計分析，估算出未來幾小時的車輛停留情況，停車場管理員可以根據(jù)預(yù)測做出相關(guān)的防范措施。

3.3 用戶端

用戶端由找停車位、找停車場、發(fā)布車位及個人中心四部分組成，如圖7所示。

圖7 用戶端功能

在找停車位部分中，有按時收費和按次收費兩種模式。按時收費需由下單的用戶填寫預(yù)計的到達時間并支付一小時的車位押金，支付成功后軟件提供相應(yīng)的訂單二維碼。預(yù)定后十五分鐘內(nèi)可以免費取消訂單；十五分鐘至半小時，取消訂單則需扣除押金的一半；預(yù)定半小時后用戶不能取消訂單。預(yù)定時間一小時后，如果車輛仍沒有到達車位，則車位變?yōu)殚_放狀態(tài)，其他用戶可以預(yù)定。按次收費則需用戶預(yù)約時支付全部費用，軟件提供停車二維碼。車位開始時間十五分鐘前可以免費取消訂單，之后則不能取消訂單。找停車場則包括停車場查詢和停車場預(yù)約兩部分。查找心儀的停車場，填寫相應(yīng)的信息預(yù)約停車場，軟件提供停車二維碼，入庫時向停車場管理員提供二維碼。發(fā)布車位中，擁有閑置車位的用戶可以將自己的車位發(fā)布在平臺上，供需要車位的用戶查看。用戶可以管理自己的車位情況、查看訂單信息、發(fā)布車位等。發(fā)布停車場中，停車場管理員可以管理停車場的相關(guān)信息，對相關(guān)數(shù)據(jù)進行增刪改查操作。個人中心中用戶可以更改個人信息、管理車牌、更改系統(tǒng)設(shè)置等。

3.4 停車場端

停車場端由信息管理、信息查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和個人中心四部分組成，如圖8所示。

圖8 停車場端功能

信息管理包含車位信息管理和停車場的添加刪除功能，停車場管理員可以對停車場進行相關(guān)的信息管理。信息查詢中停車場管理員可以查看歷史車輛的相關(guān)信息，例如車牌、停車時間、費用等，同時也可以查看停車場內(nèi)車輛的相關(guān)信息。數(shù)據(jù)統(tǒng)計則是對停車場的各項數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，其中包括停車場利用率、車輛統(tǒng)計、周統(tǒng)計及收入統(tǒng)計等。個人中心中，停車場管理員可以更改個人的相關(guān)信息、更改軟件的相關(guān)設(shè)置等。

3.5 軟件界面

用戶端主界面能夠適應(yīng)手機屏幕，除包括四個日常地圖操作按鈕和個人中心幾大功能模塊外，在地圖下方提供找停車場、找車位兩個功能按鈕。

用戶端的個人中心界面包括用戶管理及商家管理兩部分，用戶及商家可以在該界面管理自己的車位訂單。同時軟件提供更改個人信息的功能，并可更改軟件設(shè)置及反饋軟件的相關(guān)問題。

4 結(jié)束語

在共享經(jīng)濟的背景下，對傳統(tǒng)停車模式進行創(chuàng)新，設(shè)計了基于LBS的停車位共享平臺，實現(xiàn)了車位利用率的最大化。采用LBS定位技術(shù)，同時結(jié)合車位推薦算法、車位預(yù)測算法及k-means數(shù)據(jù)統(tǒng)計算法，使用戶能在最短的時間內(nèi)找到自己心儀的停車地點。并從平臺內(nèi)部進行相關(guān)的優(yōu)化，給用戶帶來更好的使用體驗。同時結(jié)合平臺開發(fā)了一款智能地鎖，實現(xiàn)看守車位的功能。該平臺的設(shè)計有助于解決停車難問題，緩解交通壓力。