基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市路邊泊位管理系統(tǒng)

羅志霄，張 卿，李維興，劉志芳

（廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

0 引 言

隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，過(guò)去10年全國(guó)汽車(chē)保有量出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，截至2020年末，我國(guó)汽車(chē)保有量已達(dá)2.81億輛，其中私家車(chē)占比接近87%，達(dá)2.44億輛[1]。汽車(chē)保有量的增長(zhǎng)使大中型城市“停車(chē)難”問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)，且該問(wèn)題在因前期規(guī)劃不足導(dǎo)致歷史欠賬嚴(yán)重的老城區(qū)尤為顯著。違規(guī)停車(chē)、停車(chē)亂收費(fèi)、長(zhǎng)期霸占路邊泊位等亂象頻發(fā)，嚴(yán)重制約了城市的持續(xù)健康發(fā)展[2-3]。因此，有必要通過(guò)引進(jìn)新技術(shù)改善路邊停車(chē)難問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有路邊泊位資源利用率最大化。

為解決上述問(wèn)題，智慧物聯(lián)停車(chē)系統(tǒng)的研究和優(yōu)化受到了眾多專(zhuān)業(yè)人士的關(guān)注[4-8]。目前主流思路主要通過(guò)基于無(wú)照帶寬通信的地磁感應(yīng)系統(tǒng)[9]、基于射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）的車(chē)輛識(shí)別計(jì)費(fèi)系統(tǒng)[10]以及基于嵌入式系統(tǒng)（SoC）的智能咪表系統(tǒng)[11-12]對(duì)路邊泊位進(jìn)行智能化管理。但在實(shí)際應(yīng)用中存在建設(shè)維護(hù)成本高、車(chē)主逃費(fèi)無(wú)法監(jiān)管、車(chē)輛識(shí)別效率低等問(wèn)題。本文通過(guò)分析廣東省清遠(yuǎn)市城市路邊停車(chē)系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)化方案，在降低管理成本的同時(shí)，進(jìn)一步提高車(chē)位資源使用效率及經(jīng)濟(jì)效益。

1 智慧停車(chē)管理系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

清遠(yuǎn)市智慧停車(chē)路邊泊位管理系統(tǒng)主要采用圖像采集、車(chē)輛識(shí)別、傳感器、電子支付、車(chē)位引導(dǎo)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全市繁忙路段3 827個(gè)（截至2020年末）路邊公共停車(chē)位的無(wú)人化、智能化管理。該系統(tǒng)主要分為圖像采集、云端識(shí)別、計(jì)時(shí)計(jì)費(fèi)、車(chē)位引導(dǎo)和后臺(tái)管理中心等模塊，如圖1所示。

圖1 智慧停車(chē)路邊車(chē)位管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1.1 基于圖像識(shí)別技術(shù)的車(chē)輛識(shí)別系統(tǒng)

本系統(tǒng)的車(chē)輛識(shí)別功能主要利用圖像識(shí)別技術(shù)和傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)預(yù)先在路邊泊位加裝的智能圖像采集感應(yīng)一體樁（下稱(chēng)“一體樁”），對(duì)泊位進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)管。一體樁主要由超聲波測(cè)距雷達(dá)、圖像采集模塊、補(bǔ)光模塊、通信模組和電源模塊構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 智能圖像采集感應(yīng)一體樁

當(dāng)車(chē)輛駛?cè)氩次粫r(shí)，內(nèi)置超聲波雷達(dá)可探知泊位內(nèi)物體靠近，并啟動(dòng)圖像采集模塊拍攝泊入物體圖像，再通過(guò)通信模組將圖像信息上傳至云端服務(wù)器。云端服務(wù)器通過(guò)內(nèi)嵌的車(chē)牌定位、數(shù)字圖像處理、字符切分、字符識(shí)別等技術(shù)，對(duì)泊入車(chē)輛進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別（車(chē)牌號(hào)需根據(jù)《中華人民共和國(guó)公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》（GA36-1992）制作），并記錄車(chē)輛駛?cè)霑r(shí)間和號(hào)牌信息。工作流程如圖3所示。

圖3 圖像處理流程

1.1.2 計(jì)時(shí)計(jì)費(fèi)

當(dāng)車(chē)輛駛離泊位時(shí)，智能視頻檢測(cè)一體樁可通過(guò)超聲波傳感器探知，并再次采集車(chē)輛駛離時(shí)的圖像上傳至云端，云端服務(wù)器也再次進(jìn)行車(chē)輛號(hào)牌識(shí)別。若前后信息一致，則記錄車(chē)輛駛離時(shí)間，并根據(jù)后臺(tái)管理系統(tǒng)預(yù)設(shè)的停車(chē)收費(fèi)規(guī)則結(jié)算停車(chē)費(fèi)用，車(chē)主通過(guò)掃描一體樁上二維碼登錄微信小程序錄入車(chē)輛信息后進(jìn)行繳費(fèi)（僅首次使用時(shí)需車(chē)主操作，后續(xù)將自動(dòng)扣費(fèi)）；若前后信息不一致，則說(shuō)明該泊位一體樁可能存在安裝角度不合理，圖像采集模塊被遮擋及測(cè)距雷達(dá)靈敏度不適當(dāng)?shù)裙收希杈S護(hù)人員重新調(diào)試。

1.1.3 車(chē)位引導(dǎo)

在本系統(tǒng)中，云端服務(wù)器可通過(guò)一體樁對(duì)空閑泊位進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，并通過(guò)手機(jī)小程序或路邊LED引導(dǎo)牌向車(chē)主推送附近公共泊位的實(shí)時(shí)信息，車(chē)主可在系統(tǒng)指引下快速導(dǎo)航至空閑泊位停泊。引導(dǎo)車(chē)主前往指定泊位期間，為避免產(chǎn)生搶位糾紛，該泊位將被系統(tǒng)鎖定，不再通過(guò)小程序推送至其他車(chē)主，路邊LED引導(dǎo)牌車(chē)位數(shù)同步扣除。

1.1.4 后臺(tái)管理中心

管理中心由云服務(wù)器及配套管理系統(tǒng)構(gòu)成，用于提供和記錄相關(guān)停車(chē)信息，主要包括：車(chē)輛駛?cè)牒婉傠x泊位的圖像及時(shí)間、車(chē)位坐標(biāo)及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、車(chē)位熱度信息、計(jì)費(fèi)規(guī)則、車(chē)主繳費(fèi)欠費(fèi)記錄等。

1.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

結(jié)合本系統(tǒng)在清遠(yuǎn)市清城區(qū)投放以來(lái)的使用反饋，總結(jié)本系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）一體樁僅對(duì)車(chē)輛進(jìn)行感應(yīng)和拍攝，圖像識(shí)別運(yùn)算由云端完成，大幅減少一體樁分析運(yùn)算需求，降低一體樁硬件設(shè)備成本；且得益于云端強(qiáng)大的運(yùn)算資源保障，車(chē)輛識(shí)別成功率極高，在一體樁正常工作且車(chē)輛號(hào)牌無(wú)遮擋的前提下，車(chē)輛識(shí)別成功率高達(dá)99.21%。

（2）同一道路的一體樁可進(jìn)行子母樁設(shè)置，子樁僅具備與母樁近距離無(wú)照帶寬通信的能力，母樁才具備互聯(lián)網(wǎng)接入及通信能力，降低4G模組使用數(shù)量，從而降低通信資費(fèi)及運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

（3）可將實(shí)時(shí)車(chē)位需求與實(shí)時(shí)泊位信息點(diǎn)對(duì)點(diǎn)匹配，達(dá)到資源最優(yōu)利用和效益最大化，自本系統(tǒng)投入使用以來(lái)，泊位平均收入達(dá)到18.1元/日/泊位，市區(qū)核心路段每泊位每日停泊車(chē)次數(shù)達(dá)7.3車(chē)次/日，路邊泊位的經(jīng)濟(jì)效益和使用效率均顯著提升。

然而，在實(shí)際使用過(guò)程中，仍存在部分待解決問(wèn)題，具體如下：

（1）部分泊位所處環(huán)境無(wú)市政供電線(xiàn)路，加裝一體樁設(shè)備后無(wú)法取電。

（2）部分路段無(wú)運(yùn)營(yíng)商有線(xiàn)/無(wú)線(xiàn)信號(hào)覆蓋，導(dǎo)致拍攝圖片無(wú)法上傳。

（3）部分車(chē)主未繳費(fèi)駛離，且惡意欠費(fèi)。

2 整體優(yōu)化方案

2.1 蓄電式NB-IoT低位雷達(dá)一體機(jī)

由于部分泊位取電困難，不宜加裝一體樁，可使用蓄電式低位雷達(dá)一體機(jī)（下稱(chēng)“一體機(jī)”）替代，如圖4所示。該一體機(jī)的功能模塊和工作原理與上文所述一體樁基本一致，加裝25 Ah-DC-12 V電池模塊進(jìn)行供電，在日均?？?5車(chē)次的測(cè)試環(huán)境下，電池模塊供電時(shí)長(zhǎng)可達(dá)3個(gè)月，缺電時(shí)人工更換電池模塊即可。雖少量增加了人力維護(hù)成本，但實(shí)現(xiàn)了無(wú)電環(huán)境的泊位覆蓋。

圖4 低位雷達(dá)一體機(jī)

同時(shí)，由于無(wú)法取電的泊位主要位于施工路段、城郊路段、城中村樓宇稠密區(qū)、地下公共停車(chē)區(qū)等地，常伴隨出現(xiàn)運(yùn)營(yíng)商4G（LTE）信號(hào)覆蓋弱且有線(xiàn)通信網(wǎng)尚未完成預(yù)覆蓋等問(wèn)題，導(dǎo)致終端無(wú)法完成與云端的信息交互。為此，一體機(jī)還可選裝窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程通信模組，利用NB-IoT相較于4G（LTE）強(qiáng)20 dB的信號(hào)增益[13-15]，實(shí)現(xiàn)少數(shù)4G（LTE）信號(hào)弱覆蓋及無(wú)覆蓋地區(qū)的信息傳輸與設(shè)備控制。

結(jié)合以上技術(shù)優(yōu)化方案，目前已可在技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)清城區(qū)建成區(qū)范圍內(nèi)路邊泊位的全覆蓋。經(jīng)測(cè)試，在挑選的市區(qū)較具代表性的5個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)，搭載NB-IoT模組的一體機(jī)信號(hào)強(qiáng)度仍能保持在-89.41 dBm至-104.82 dBm范圍內(nèi)，傳輸時(shí)延約400 ms，上行速率約4 Kb/s，下行速率約14 Kb/s，見(jiàn)表1所列。由測(cè)試結(jié)果可知，雖然測(cè)試地點(diǎn)NB-IoT信號(hào)覆蓋強(qiáng)弱不一，但上下行速率及時(shí)延的測(cè)試結(jié)果相差較小，體現(xiàn)出較高的傳輸穩(wěn)定性。

表1 NB-IoT通信模塊測(cè)試數(shù)據(jù)

另外，由于NB-IoT上下行傳輸速率均較低，無(wú)法進(jìn)行子母機(jī)分配，每臺(tái)一體機(jī)均獨(dú)立進(jìn)行信息傳輸。

2.2 可升降智能車(chē)位鎖

智能停車(chē)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)節(jié)中，停車(chē)結(jié)束時(shí)需車(chē)主進(jìn)行繳費(fèi)，但由于未設(shè)置強(qiáng)制措施，部分車(chē)主停車(chē)后直接欠費(fèi)駛離，后期系統(tǒng)雖可通過(guò)手機(jī)推送繳費(fèi)通知，但無(wú)權(quán)強(qiáng)制執(zhí)行，部分車(chē)主利用該漏洞惡意欠費(fèi)。

針對(duì)該問(wèn)題可通過(guò)在部分泊位加裝圖5所示可升降智能車(chē)位鎖（下稱(chēng)“車(chē)位鎖”）的方式進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)車(chē)輛駛?cè)氩次唬惑w樁或一體機(jī)完成車(chē)輛識(shí)別流程后，車(chē)位鎖可通過(guò)內(nèi)置的超聲波傳感器測(cè)量停放車(chē)輛底盤(pán)離地間距，并將金屬擋板自動(dòng)抬升至底盤(pán)下方3 cm處（最高不超過(guò)26 cm）。利用金屬擋板末端滑輪，在不接觸車(chē)身的情況下對(duì)泊位進(jìn)行鎖定，此時(shí)若車(chē)主未交費(fèi)，抬升的擋板及末端滑輪可使輪胎打滑，如圖6所示。在達(dá)到防逃效果的同時(shí)，避免對(duì)車(chē)體產(chǎn)生傷害以及衍生法律風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 可升降智能車(chē)位鎖

圖6 車(chē)位鎖工作原理

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)近年來(lái)城市中日益嚴(yán)重的停車(chē)難、收費(fèi)亂等問(wèn)題，本文以清遠(yuǎn)市清城區(qū)為例，提出了一種利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)路邊停車(chē)智能化管理的解決方案，并通過(guò)分析該方案在實(shí)施中所遇問(wèn)題，提出相應(yīng)的優(yōu)化解決辦法。相較于傳統(tǒng)的路邊停車(chē)管理模式，本方案具有無(wú)人化、智能化等特點(diǎn)，且在現(xiàn)有硬件設(shè)施的基礎(chǔ)上，通過(guò)加裝蓄電式NB-IoT低位雷達(dá)一體機(jī)和可升降智能車(chē)位鎖，進(jìn)一步解決系統(tǒng)取電、網(wǎng)絡(luò)覆蓋和停車(chē)逃費(fèi)問(wèn)題，使該方案突破原有限制，具有更廣泛的應(yīng)用價(jià)值和借鑒意義。