智慧停車設(shè)施中信息化系統(tǒng)解析與前沿技術(shù)研究

許毅，馬會凱，奚迪

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院電子電器家用電器質(zhì)量檢驗(yàn)所，上海 201114）

引言

近年來，停車難已然成為眾所周知的大中型城市生活的弊病，鑒于停車資源的有限性、環(huán)境復(fù)雜性和不可復(fù)制性，限與放兩方面需要不斷平衡，一方面對于源頭私家汽車的數(shù)量和出行限制，另一方面，放開信息營的束縛，更要注重利用新型智能裝備以及物聯(lián)網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)+等高新技術(shù)，大力發(fā)展和完善城市智慧停車領(lǐng)域的建設(shè)與管理，打破信息不對等造成的資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)存的有限停車資源的合理調(diào)度與有效利用，這些需求都驅(qū)使著基于智能化停車引導(dǎo)新型信息化系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理平臺亟待開發(fā)。

日前，國務(wù)院辦公廳轉(zhuǎn)發(fā)國家發(fā)展改革委、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、公安部、自然資源部幾大部門《關(guān)于推動城市停車設(shè)施發(fā)展的意見》[1]，強(qiáng)調(diào)我國城市停車設(shè)施規(guī)模持續(xù)增大，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展日漸深入，指出尚且存在供給力短缺、治理水平低、市場進(jìn)程滯后等問題，為加快補(bǔ)齊停車供給的短板、改善城市交通環(huán)境、推進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展，提出了推進(jìn)停車設(shè)施規(guī)劃建設(shè)、加快設(shè)施提質(zhì)增效以及相關(guān)政策保障等共計(jì)二十二條要求和意見，其中，針對智慧停車信息化系統(tǒng)領(lǐng)域，關(guān)于提升裝備技術(shù)水平、優(yōu)化停車信息管理、推廣智能化停車服務(wù)、鼓勵停車資源共享四個方面均提出了結(jié)合新技術(shù)和新模式的更為細(xì)化的支持措施。

早在2015年和2016年，國家發(fā)改委連續(xù)兩年發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)城市停車設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》[2]和《停車場建設(shè)工作要點(diǎn)的通知》[3]，均提出關(guān)于停車智能化和信息化的建設(shè)要求，大力開展城市級停車信息系統(tǒng)的開發(fā)，促進(jìn)與互聯(lián)網(wǎng)的融合發(fā)展，進(jìn)行停車數(shù)據(jù)平臺建設(shè)，建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫并實(shí)現(xiàn)動態(tài)更新與實(shí)時(shí)共享，用以充分發(fā)掘停車位的存量資源，為大眾提供更便捷和高效的停車引導(dǎo)服務(wù)。另，2017年上海舉辦中國商業(yè)年會（TASICC）[4]，主題為“開放、智慧、融合”，其中，國內(nèi)智慧停車行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)承辦“智慧城市+靜態(tài)交通發(fā)展論壇”，從政策與規(guī)劃的高度，指出智慧交通解決問題關(guān)鍵在于打破城市中交通、出行、停車和收費(fèi)等各個信息壁壘，推動整個大數(shù)據(jù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)開放、共享、集成，改變目前城市運(yùn)行和管理的不合理局面?！爸袊圃?025”重點(diǎn)領(lǐng)域明確的發(fā)展技術(shù)路線圖中指出智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展目標(biāo)是：至2025年將自主的智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)鏈與智慧交通體系基本建成[5]。

以停車為切入點(diǎn)，以智能信息化技術(shù)為依托，以停車場應(yīng)用為場景，“物聯(lián)/互聯(lián)網(wǎng)+停車”將是一個具備萬億級市場空間的領(lǐng)域。與智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用密切相關(guān)的智能停車領(lǐng)域正在成為智慧交通最重要的風(fēng)口和真正解決問題的關(guān)鍵所在。

1 智慧停車產(chǎn)業(yè)發(fā)展與系統(tǒng)基本構(gòu)成

1）智慧停車產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

智慧停車產(chǎn)業(yè)涉及的不單是停車功能的需求，還涉及整套由停車為起始所引發(fā)的生態(tài)圈和服務(wù)產(chǎn)業(yè)鏈（如圖1所示）：第一層面是停車基礎(chǔ)功能方面的需求，如空車位查詢與預(yù)定、停車路線定位與導(dǎo)航等；第二層面涉及支付相關(guān)的需求，如停車費(fèi)支付、預(yù)約繳費(fèi)和補(bǔ)繳等；第三層面，車生活相關(guān)的需求，如停車代泊、汽車保養(yǎng)和保險(xiǎn)等；第四層面，最終數(shù)據(jù)共享方面的需求以及與其它行業(yè)的數(shù)據(jù)對接與融合等。

圖1 停車生態(tài)圈和服務(wù)產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)圖

城市解決停車難，停車線一端連接著動態(tài)交通，一端扎進(jìn)社區(qū)和公路內(nèi)外，各應(yīng)用場景的管理方式也不盡相同，一方面，需要建立一個高效、高性能的新型信息化裝備系統(tǒng)和實(shí)時(shí)、動態(tài)化、多樣化集成、分布式控制的交通信息數(shù)據(jù)網(wǎng)，另一方面這也是一個城市多方面綜合治理的社會課題，智能停車涉及諸多權(quán)益關(guān)系的分界與協(xié)調(diào)，需要政府機(jī)構(gòu)、企業(yè)、用戶個人相匹配適應(yīng)的綜合智慧治理架構(gòu)。這不只是目前北上廣深的迫切需求，更是全國所有大中型城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要考慮的社會問題。

高新技術(shù)固然是解決問題的工具和手段，另一方面真正的設(shè)施建設(shè)和社會化推廣絕對需要“兼容并舉”。目前提供智慧停車解決方案的企業(yè)、系統(tǒng)集成商、設(shè)備研發(fā)制造商等各自分頭行動，技術(shù)能力良莠不齊，車位信息采集的實(shí)現(xiàn)方式多種多樣、采用設(shè)備性能層次高低不等、信息處理與查詢算法千變?nèi)f化、信息傳輸模式、通信協(xié)議和軟件數(shù)據(jù)接口復(fù)雜多元，更是難以互聯(lián)互通，利益驅(qū)使各自為政、圈地為營，數(shù)據(jù)信息靜態(tài)化且數(shù)據(jù)存儲彼此獨(dú)立，更談不上實(shí)時(shí)性和動態(tài)化共享，用戶跨域使用不便，城市管理難以升級，停車也就難以真正實(shí)現(xiàn)“智慧化”。

智慧停車系統(tǒng)的用戶主體包括停車場業(yè)主方、停車場建設(shè)者、物業(yè)管理者、運(yùn)營管理者、公共安全保障部門、相關(guān)機(jī)構(gòu)等六大類。智慧停車系統(tǒng)的服務(wù)主體主要包括軟硬件產(chǎn)品/設(shè)備提供商、產(chǎn)品/服務(wù)提供商、政府執(zhí)法部門、停車信息服務(wù)提供者、基礎(chǔ)設(shè)施管理部門等幾大類，隨著智慧停車平臺技術(shù)和規(guī)模擴(kuò)展，智能化程度提高，可應(yīng)用的商業(yè)模式也會不斷拓展，未來也可能會涉及交通管理部門、旅客運(yùn)輸部門、緊急事件管理部門、貨物運(yùn)輸服務(wù)提供者等新的服務(wù)對象。

2）基于已有技術(shù)的智能停車系統(tǒng)基本構(gòu)成

從目前客戶應(yīng)用的角度進(jìn)行簡單通俗描繪，智慧停車系統(tǒng)平臺即通過通信信息網(wǎng)絡(luò)和智能自動化裝置協(xié)助車輛駕駛員或自動駕駛機(jī)制在一定時(shí)限內(nèi)獲取本車可用的停車位置信息，并提供給駕駛員或自動機(jī)制精確的定位和路線導(dǎo)航，完成最終停泊/取車的任務(wù)全流程，也包括預(yù)定和移動支付等服務(wù)項(xiàng)目的延展應(yīng)用。

從應(yīng)用層面講，智慧停車平臺的功能就是實(shí)現(xiàn)有限資源的動態(tài)化實(shí)時(shí)調(diào)度與合理再利用。根據(jù)設(shè)計(jì)原理，智慧停車系統(tǒng)可分為三大部分：信息的采集與傳輸、信息的處理與人機(jī)界面、信息的儲存與查詢。一個先進(jìn)的智慧停車系統(tǒng)的基本架構(gòu)，從網(wǎng)絡(luò)平面而言主要有四個組成部分，其中三個是構(gòu)成系統(tǒng)架構(gòu)的硬件部分，包括停車信息采集終端子系統(tǒng)（傳感器組網(wǎng)的部分）、網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器的通信傳輸網(wǎng)中繼設(shè)備，一個是用戶端軟件，與城市級信息化數(shù)據(jù)中心的建立共同構(gòu)成架構(gòu)的軟件部分，后續(xù)大數(shù)據(jù)的積累將會產(chǎn)生更廣泛的應(yīng)用場景、滿足更多需求偏好。

2 新型智慧停車信息化系統(tǒng)的構(gòu)建與各部分關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

新型智慧停車平臺將是計(jì)算機(jī)統(tǒng)一管理下集多種技術(shù)于一體的復(fù)雜機(jī)電一體化信息系統(tǒng)，可能涉及但不限于：物聯(lián)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、組網(wǎng)技術(shù)、信息技術(shù)、新能源技術(shù)、自動控制技術(shù)、嵌入式軟件、數(shù)據(jù)存儲與處理、云計(jì)算技術(shù)等，將大量傳感器、嵌入式終端、智能中控、通信設(shè)備和設(shè)施通過虛擬網(wǎng)絡(luò)-實(shí)體物理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)CPS形成智能網(wǎng)，使人、機(jī)器與服務(wù)之間能夠互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)橫、縱向?qū)用嬉约岸藢Χ说母叨燃珊唾Y源整合，從而建立起的一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合停車管理系統(tǒng)，未來或?qū)⒕邆洹爸腔邸⒛茏詫W(xué)習(xí)、能進(jìn)化”的生命體特征。

從功能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)層面而言，目前智慧停車信息系統(tǒng)主要可分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心和用戶端三大部分（如圖2所示）。

圖2 智慧停車信息系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)靜態(tài)和動態(tài)停車數(shù)據(jù)的采集，包括可用車位數(shù)量，車位地理信息，收費(fèi)價(jià)格，等等。采集系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)通過無線通信發(fā)送或者人工錄入數(shù)據(jù)中心。

數(shù)據(jù)中心有兩個主要功能：第一功能為保存車位實(shí)時(shí)信息，歷史數(shù)據(jù)信息，采集系統(tǒng)設(shè)備信息，用戶信息，用戶記錄等；第二個功能是根據(jù)用戶需求給出大數(shù)據(jù)分析結(jié)果，比如5 min后用戶目的地址周圍可用停車位概率。數(shù)據(jù)中心提供接口給用戶端的停車引導(dǎo)應(yīng)用。

停車引導(dǎo)應(yīng)用為用戶提供獲取停車信息的界面和接口，包括手機(jī)應(yīng)用程序，web頁面，PC應(yīng)用程序等。用戶可以通過這些應(yīng)用獲得目的地址周圍的停車信息，比如：可用停車位數(shù)量，車位可得概率，收費(fèi)價(jià)格等，來幫助自己停車，也可用這些信息提前規(guī)劃行程。

1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

智慧停車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)能接納現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，并能和已建成基礎(chǔ)設(shè)施保證較好的兼容性。以壓力傳感技術(shù)作為停車位采集終端所構(gòu)成的系統(tǒng)為例，其中，靜態(tài)數(shù)據(jù)一般可采用人工采集和利用第三方數(shù)據(jù)庫來收集；而動態(tài)數(shù)據(jù)采集可有三種方式：

①對已建成的智能停車場設(shè)施，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過建立相應(yīng)接口，傳感器直接執(zhí)行采集。

②對于第三方的停車數(shù)據(jù)庫，如果其數(shù)據(jù)精確，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)接口獲取數(shù)據(jù)，這就要求兩方數(shù)據(jù)庫接口互相兼容。

③對于非智能停車場、路邊停車位、老舊小區(qū)停車和新建停車場，則可利用低成本的無源壓力傳感器件監(jiān)測車位狀態(tài)。

新型壓力傳感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含兩類設(shè)備（如圖3所示）：傳感器節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)測多車位并把車位占用信息發(fā)送到中繼節(jié)點(diǎn)；中繼節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將多個傳感器節(jié)點(diǎn)的信息轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)中心。傳感器節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)之間通信采用最新的低速率長距離通信技術(shù)（如LoRa、NB-IoT等）。

圖3 新型壓力傳感器的停車位數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

2）數(shù)據(jù)中心

智慧停車數(shù)據(jù)中心以功能實(shí)現(xiàn)的角度，包含四個子系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)中心的功能邏輯架構(gòu)

①設(shè)備信息系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的管理和維護(hù)。

②實(shí)時(shí)停車數(shù)據(jù)系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)停車數(shù)據(jù)的存儲、管理和維護(hù)，響應(yīng)來自用戶的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)請求，提供數(shù)據(jù)給歷史數(shù)據(jù)系統(tǒng)查詢。

③歷史停車數(shù)據(jù)系統(tǒng)負(fù)責(zé)對歷史數(shù)據(jù)的分析和結(jié)果的存儲，響應(yīng)來自用戶端對歷史數(shù)據(jù)分析結(jié)果的請求。

④用戶信息系統(tǒng)負(fù)責(zé)用戶信息的存儲、管理和維護(hù)，負(fù)責(zé)車位可得概率的分析，響應(yīng)來自用戶的各種請求。

智慧停車數(shù)據(jù)中心要實(shí)現(xiàn)的功能需求和效果（未量化）：

①數(shù)據(jù)要全面：數(shù)據(jù)既要包含如停車價(jià)格之類的靜態(tài)數(shù)據(jù)，也要包含實(shí)時(shí)可用停車位這樣的動態(tài)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)地域性信息要廣且及時(shí)，這是考慮到駕車者擴(kuò)地域行駛時(shí)，越是陌生地域?qū)?shù)據(jù)的需求越迫切。

②數(shù)據(jù)要準(zhǔn)確：精確的可用車位數(shù)據(jù)才能保證駕車者體驗(yàn)舒適度和用戶對停車引導(dǎo)系統(tǒng)的信任度。

③基于大數(shù)據(jù)分析的預(yù)測能力：基于精確的停車大數(shù)據(jù)，臨近的短期和極短時(shí)間內(nèi)的可用停車位概率預(yù)測對用戶的使用更有價(jià)值。比如5分鐘內(nèi)目的地周圍可用車位數(shù)量及可得概率可以幫助用戶停車；一天內(nèi)的停車預(yù)測更適合幫助用戶規(guī)劃自己的行程。

在數(shù)據(jù)中心的建設(shè)上，可采用自建云服務(wù)和購買云服務(wù)相結(jié)合方式構(gòu)建數(shù)據(jù)中心，平衡成本和安全兩個方面性能。為了保證數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)健性、安全性和可擴(kuò)展性，可采用以下技術(shù)：

①在數(shù)據(jù)采集服務(wù)集群中采用的A/B雙點(diǎn)負(fù)載均衡技術(shù)，以KeepAlive型服務(wù)為主，實(shí)現(xiàn)服務(wù)可用性；

②在API服務(wù)集群中采用的多應(yīng)用服務(wù)輪詢負(fù)載均衡技術(shù)，以Nginx技術(shù)為主，保證服務(wù)性能；

③采用ElasticSearch多節(jié)點(diǎn)集群服務(wù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜查詢的拆解來保證分布式多節(jié)點(diǎn)的橫向擴(kuò)展、高可用、高性能等特征；

④內(nèi)存緩存（Redis）在高速訪問中對已有數(shù)據(jù)的key/value型緩存和定時(shí)持久化，為數(shù)據(jù)抽取代理提供緩存服務(wù)；

⑤針對不同的數(shù)據(jù)類型可采用不同技術(shù)型式的數(shù)據(jù)庫，保證實(shí)時(shí)和高效的數(shù)據(jù)查詢和管理，比如對用戶數(shù)據(jù)將采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，對車位數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)將采用時(shí)序型數(shù)據(jù)庫，等等。

⑥所有數(shù)據(jù)庫將采用異地定時(shí)同步主從備份技術(shù)（延遲在12~24 h內(nèi)），為容災(zāi)做準(zhǔn)備。

3）車位可得概率預(yù)測技術(shù)

實(shí)時(shí)的可用車位信息只能提供當(dāng)前的車位使用狀況，無法保證在用戶到達(dá)目的地的時(shí)候仍然有空余車位。而車位預(yù)測可以結(jié)合歷史與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，給用戶一個未來車位狀態(tài)的描述和反饋，依據(jù)用戶端需求給停車操作帶來更多的確定性。

新型智慧停車數(shù)據(jù)中心的預(yù)測服務(wù)器根據(jù)用戶的目的地址需求，可以利用車位預(yù)測算法對當(dāng)用戶到達(dá)所選停車場時(shí)可用停車位數(shù)量及相應(yīng)可取得概率進(jìn)行合理預(yù)測。

圖5給出一種新型車位預(yù)測算法流程：給定當(dāng)前的時(shí)間為T，目標(biāo)結(jié)果是預(yù)測未來?t時(shí)長后可用車位的數(shù)量及概率。首先使用聚類算法將城市中所有停車場進(jìn)行劃分，然后在每個類別內(nèi)進(jìn)行分析，先使用主成分分析將數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，再使用決策樹預(yù)測可用車位數(shù)量，最后使用生存分析預(yù)測相應(yīng)概率，給出最終計(jì)算結(jié)果。

圖5 一種可用停車位數(shù)量及相應(yīng)概率預(yù)測算法示例

3 結(jié)語

在諸多國家政策的大力推動下，為高新技術(shù)企業(yè)與質(zhì)檢機(jī)構(gòu)、試驗(yàn)室和研究所等機(jī)構(gòu)協(xié)作提供了一個重要契機(jī)，在技術(shù)評測的督導(dǎo)和監(jiān)管下，開發(fā)高性能的新型智能停車裝備、完善整體解決方案的架構(gòu)、改進(jìn)各組成子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和功能，在完成政府市場監(jiān)管職能的同時(shí)提供技術(shù)支持和數(shù)據(jù)支撐，促進(jìn)企業(yè)高標(biāo)準(zhǔn)地完成系統(tǒng)集成和工程實(shí)施，擴(kuò)大業(yè)務(wù)和實(shí)現(xiàn)市場積累，完成行業(yè)布局和推廣，為最終建立城市級的大型智慧停車管理示范平臺奠定基礎(chǔ)。這些工作將旨在推動系統(tǒng)發(fā)展和打破各方割據(jù)的局面，建立真正互聯(lián)互通的城市級智慧停車平臺，實(shí)現(xiàn)城市內(nèi)乃至全國范圍內(nèi)車位資源的合理管理與調(diào)配，為城市級乃至國家級戰(zhàn)略信息資源的開發(fā)和利用起到積極推動作用。