基于智慧城市建設(shè)的共享停車系統(tǒng)

白亞靜　王連震　袁豐祥　劉建國　侯睿婕

摘? 要：隨著我國國民經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展，城市機(jī)動(dòng)車數(shù)量快速增長，導(dǎo)致交通供需矛盾日益突出，不僅體現(xiàn)在動(dòng)態(tài)交通上，也反映在以停車設(shè)施為代表的靜態(tài)交通上，“停車難”成為影響居民出行的民生問題。停車的相關(guān)建筑設(shè)施數(shù)量與汽車持有量差距較大是導(dǎo)致停車難問題的根源性原因，然而，現(xiàn)有部分停車設(shè)施利用率不高、配套設(shè)施不完善也加劇了這一問題。“共享車位”的理念能合理地分配、共享泊車位的資源和泊車需求之間的信息。該項(xiàng)目以“互聯(lián)網(wǎng)+共享停車”的理念，設(shè)計(jì)一套基于物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)智能終端數(shù)據(jù)共享交換平臺(tái)技術(shù)相結(jié)合的城市共享停車管理服務(wù)系統(tǒng)，促進(jìn)停車設(shè)施的有效盤活、高效利用，推進(jìn)城區(qū)區(qū)域模塊化停車、泊位有償錯(cuò)時(shí)共享停車，進(jìn)而解決停車供需的矛盾。

關(guān)鍵詞：共享停車系統(tǒng)；智慧城市；NB-IoT技術(shù)；停車難

中圖分類號(hào)：TP311? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）20-0130-06

Shared Parking System Based on Smart City Construction

BAI Yajing， WANG Lianzhen， YUAN Fengxiang， LIU Jianguo， HOU Ruijie

（Northeast Forestry University， Harbin? 150040， China）

Abstract： With the rapid development of Chinese national economic level， the rapid growth of the number of urban motor vehicles results in the increasingly prominent contradiction between traffic supply and demand， which not only reflects in dynamic traffic， but also reflects in the static traffic represented by parking facilities， and the “parking difficulty” has become a people's livelihood problem affecting residents' travel. The large gap between the number of parking-related building facilities and the number of car ownership is the root cause of the parking difficulty problem. However， the low utilization rate of some existing parking facilities and the imperfect supporting facilities have also exacerbated this problem. The concept of“shared parking spaces”can rationally distribute， share resources of parking space and information between and parking needs. With the concept of“Internet + Shared Parking”， this project designs a set of urban shared parking management service system based on the combination of Internet of Things， Internet and mobile intelligent terminal data sharing and exchange platform technology. It promotes the effective revitalization and efficient utilization of parking facilities， and promotes modular parking in urban areas， pay for shared parking when the parking spaces at different times， thereby solving the contradiction between parking supply and demand.

Keywords： shared parking system; Smart City; NB-IoT technology; parking difficulty

0? 引? 言

相關(guān)研究表明，路面上大約 30% 的行駛車輛的目的是尋找停車位，平均停車時(shí)間是7.8 分鐘，由此不僅會(huì)浪費(fèi)資源，造成關(guān)鍵道路節(jié)點(diǎn)擁堵，還會(huì)進(jìn)一步加重大氣污染[1]。據(jù)報(bào)道，北京、上海、廣州、深圳、南京等城市的停車位缺口已高達(dá)69～150萬個(gè)，由此可見，在城市空間資源越來越稀缺的情況下，解決停車難不可能靠增加車位一蹴而就。一味的增加公共停車場(chǎng)建設(shè)數(shù)量，僅可以緩解用地寬松地區(qū)的停車?yán)Ь?，在用地緊張地區(qū)，增加停車泊位供給數(shù)量有一定的難度。車輛對(duì)于泊位的需求實(shí)質(zhì)上是對(duì)停車時(shí)數(shù)的需求，在平衡不同時(shí)間的停車時(shí)數(shù)的基礎(chǔ)上加以提高，將是解決停車?yán)Ь车挠行緩絒2]。

根據(jù)我國國民經(jīng)濟(jì)從十五規(guī)劃到十四五計(jì)劃，國家政策也從鼓勵(lì)交通智能化到推行傳統(tǒng)交通設(shè)施的數(shù)字化改造，國家在十五計(jì)劃中提出要以信息化、網(wǎng)絡(luò)化為基礎(chǔ)，加快智能化停車的發(fā)展，十三五期間，要加強(qiáng)對(duì)停車場(chǎng)設(shè)施的建設(shè)，提高交通運(yùn)輸信息的實(shí)時(shí)共享能力，到2025年，智慧停車行業(yè)的發(fā)展目標(biāo)是基本建立以路內(nèi)停車區(qū)域泊車為主要手段，路外公共區(qū)域泊車為輔助措施，全社會(huì)資本都積極參與到智慧停車系統(tǒng)的建設(shè)中，實(shí)現(xiàn)信息產(chǎn)業(yè)與停車產(chǎn)業(yè)的高度融合，實(shí)現(xiàn)全城區(qū)停車規(guī)范有序，社會(huì)停車供需穩(wěn)定局面基本形成的目標(biāo)。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，共享經(jīng)濟(jì)逐漸成為國民經(jīng)濟(jì)中不可缺少的一部分，共享停車系統(tǒng)也從最開始的牛刀小試到現(xiàn)在的日漸普及。建立一個(gè)成熟的共享停車系統(tǒng)在未來智慧城市建設(shè)方面會(huì)是必不可少的舉措。共享停車系統(tǒng)為促進(jìn)停車設(shè)施的有效盤活、高效利用，推進(jìn)城區(qū)區(qū)域模塊化停車、泊位有償錯(cuò)時(shí)共享停車，解決停車供需的矛盾；并且地方政府可以借助這一舉措加強(qiáng)對(duì)醫(yī)院，小區(qū)，住宅等公共大型建筑設(shè)施周圍的停車設(shè)施的管理，綜合治理道路交通行為，努力構(gòu)建以政府為中心引導(dǎo)、市場(chǎng)為監(jiān)督部門、系統(tǒng)為主要運(yùn)作結(jié)構(gòu)、社會(huì)為主要參與對(duì)象、個(gè)人形成自律意識(shí)的“五位一體”，從而共同營造共享停車的良性循環(huán)工作布局。

在共享停車的社會(huì)效益方面：它可以通過高效實(shí)時(shí)配置停車位資源來改變閑置車位長時(shí)間空閑無人使用的現(xiàn)狀，可以減少現(xiàn)階段的各種車輛亂?，F(xiàn)象的發(fā)生從而降低城市道路的擁擠程度，建立一個(gè)高效、方便、有序、便民的停車秩序平臺(tái)，做到停車有位，有位可停。

1? 共享停車的發(fā)展現(xiàn)狀

共享停車系統(tǒng)在近幾年贏得了很多人的關(guān)注與研究，在理論方面，有部分學(xué)者已經(jīng)通過數(shù)字建模、利用logistic回歸、層次分析、博弈模型等來驗(yàn)證共享停車系統(tǒng)的的可行性，并提出了一系列的收益分配的相關(guān)方法；在實(shí)現(xiàn)方法方面，現(xiàn)在市場(chǎng)上存在的共享停車系統(tǒng)大多數(shù)是以ZigBee、Wi-Fi通信等方式來實(shí)現(xiàn)泊位共享，但是這些已有平臺(tái)的通病在于共享車位與系統(tǒng)平臺(tái)的連接需要搭建新的網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)，而且在地下停車場(chǎng)內(nèi)，Wi-Fi信號(hào)沒有辦法保持實(shí)時(shí)通信，從而在信息共享方面會(huì)產(chǎn)生時(shí)間和空間上的誤差，可以會(huì)導(dǎo)致共享系統(tǒng)平臺(tái)出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。

目前，由于我國共享停車系統(tǒng)的發(fā)展正處于起步階段，很多地方處理的方法略顯青澀，因此還有很多不可避免的問題?，F(xiàn)有平臺(tái)所用共享停車系統(tǒng)覆蓋面積較小，分布較為分散，停車場(chǎng)的業(yè)態(tài)較為復(fù)雜，私人車位的情況更是錯(cuò)綜雜亂，從而無法高效迅速的配置閑置停車位的資源；現(xiàn)在市場(chǎng)上存在的共享停車系統(tǒng)面向的對(duì)象絕大多數(shù)是停車場(chǎng)，沒有對(duì)私有停車位資源進(jìn)行合理利用和盤活，為用戶提供的閑置停車位信息僅僅提供了導(dǎo)航到所選擇的停車場(chǎng)附近的路線，并不能直接給用戶提供精準(zhǔn)的停車位信息，導(dǎo)致用戶在停車過程中花費(fèi)較多時(shí)間去尋找停車位，增加用戶不必要的麻煩。我們團(tuán)隊(duì)研究的共享停車系統(tǒng)相比于現(xiàn)有的共享系統(tǒng)功能更加全面，使用更加便捷，同時(shí)給予車主更佳的使用體驗(yàn)感。

2? 共享停車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1? 共享停車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念

共享停車是在智慧城市運(yùn)營層面對(duì)傳統(tǒng)停車管理的重大轉(zhuǎn)型，充分利用“物聯(lián)網(wǎng)”“5G”等新一代通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)用“云計(jì)算”“物聯(lián)網(wǎng)”“大數(shù)據(jù)”“人工智能”等技術(shù)實(shí)現(xiàn)融合轉(zhuǎn)型。不僅解決停車場(chǎng)的停車效率問題，更解決停車場(chǎng)信息孤島問題，提升車位利用率[3]。我們團(tuán)隊(duì)研究的系統(tǒng)可以通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行信息的實(shí)時(shí)共享，對(duì)停車位的使用情況進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，可以讓車主及時(shí)查詢現(xiàn)有空閑車位的情況，確保共享停車系統(tǒng)的高時(shí)效性，也可以充分的利用現(xiàn)有的停車位資源，避免過多的建造停車場(chǎng)造成在寸土寸金的城市中不必要的浪費(fèi)，節(jié)省更多的土地資源避免拖慢城市的發(fā)展。

2.2? 智能共享停車鎖的設(shè)計(jì)原理

智能共享停車鎖通過模塊化技術(shù)設(shè)計(jì)思想，通過太陽能發(fā)電板和鋰電池組為單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等提供12 V電源，選用STM32L151單片機(jī)為主要單元，和其他核心模塊共同組成智能共享停車鎖的主控芯片，再選用移遠(yuǎn)通信公司開發(fā)的BC26的NB-IOT通信模塊承擔(dān)STM32單片機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)中心基站的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程交流、控制功能，實(shí)現(xiàn)小程序通過NBIOT模塊控制STM32單片機(jī)通過ULN2003驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，從而控制擋壁的升降，實(shí)現(xiàn)通過微信小程序?qū)崟r(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、操控共享停車鎖的功能，從而提高多數(shù)停車場(chǎng)的車位使用效率，合理化利用私人用戶的閑置停車位資源，以緩解靜態(tài)和動(dòng)態(tài)交通之間不均衡發(fā)展的矛盾。智能共享停車鎖的功能模塊包括電源模塊、超聲波檢測(cè)模塊、GPS定位模塊、NB-IOT通信模塊、ZigBee通信模塊等。

2.3? 網(wǎng)絡(luò)通信模塊的功能設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)通信模塊是共享停車系統(tǒng)的銜接部分，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)前端設(shè)備的管理、指揮調(diào)度、交易處理、清分結(jié)算、用戶服務(wù)、數(shù)據(jù)分析等功能[4]。團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的停車系統(tǒng)采用NB-IOT技術(shù)協(xié)議傳輸信息，通過后臺(tái)服務(wù)器的存儲(chǔ)和大數(shù)據(jù)的計(jì)算實(shí)現(xiàn)云端與停車位和云端與用戶終端的雙向信息傳輸[5]。網(wǎng)絡(luò)通信模塊的功能主要是獲取、傳輸、分析、共享停車鎖前端設(shè)備采集的車輛相關(guān)信息，把信息通過NB-IOT網(wǎng)絡(luò)通信樞紐傳輸?shù)狡脚_(tái)管理系統(tǒng)中，共享到手機(jī)移動(dòng)端小程序供用戶進(jìn)行停車服務(wù)。

NB-IoT通信模塊采用 BC26芯片進(jìn)行通信，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)（LPWA）。NB-IoT支持待機(jī)時(shí)間短、對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接，一般NB-IoT終端設(shè)備電池壽命為5～10年，還能提供非常全面的室內(nèi)蜂窩數(shù)據(jù)連接覆蓋。NB-IoT具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗少、架構(gòu)優(yōu)等特點(diǎn)，且支撐海量連接，NB-IoT一個(gè)扇區(qū)能夠支持10萬個(gè)連接，支持低延時(shí)敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[6]。

2.4? 共享停車系統(tǒng)的工作機(jī)理

當(dāng)車輛駛進(jìn)車位時(shí)，超聲波檢測(cè)到車輛位置信息，然后反饋給STM32單片機(jī)主控芯片，單片機(jī)通過NB-IOT通信模塊將車輛信息同步到網(wǎng)關(guān)，車位鎖得到指令解鎖下降，此時(shí)STM32單片機(jī)下達(dá)開啟車位攝像機(jī)模塊指令，獲取、采集駛進(jìn)車位的車輛信息，由ZigBee網(wǎng)絡(luò)接受各個(gè)智能鎖的信息來進(jìn)行管理分配，并反饋給STM32單片機(jī)的主控芯片，單片機(jī)將由車輛檢測(cè)模塊（超聲波檢測(cè)和車位攝像機(jī)）、ZigBee模塊傳輸?shù)能囕v信息進(jìn)行整理后發(fā)送給NB-IOT通信模塊，再由NB-IOT通信模塊上傳至云智慧管理平臺(tái)并完成備份，其原理圖如圖2所示。

當(dāng)超聲波感應(yīng)器的監(jiān)測(cè)模塊檢測(cè)原有車輛已經(jīng)駛離車位時(shí)，將通過智能控制器芯片傳輸信息給伺服電機(jī)，同時(shí)由共享停車鎖的電源模塊為伺服電機(jī)供電使停車裝置的搖升起進(jìn)實(shí)施車位鎖定功能，并利用NB-IOT通信模塊將車輛停車信息通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)傳遞給云服務(wù)器，在小程序用戶使用移動(dòng)終端小程序時(shí)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的刷新。

2.5? “享停車”的功能設(shè)計(jì)

2.5.1? “享停車”的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

“享停車”小程序包括登錄系統(tǒng)、認(rèn)證系統(tǒng)、查詢系統(tǒng)和繳費(fèi)系統(tǒng)。微信小程序可以為用戶提供實(shí)時(shí)查詢停車位信息、提前預(yù)定停車位、實(shí)時(shí)共享停車泊位、提供停車場(chǎng)微觀地圖導(dǎo)航、線上平臺(tái)繳費(fèi)和個(gè)人相關(guān)信息管理等功能。根據(jù)共享停車云平臺(tái)管理后端，手機(jī)小程序與后端平臺(tái)數(shù)據(jù)互通聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)終端的車位查詢，車位預(yù)約等功能。通過提前預(yù)留車位的方式，有效地確保停車用戶和車位供給用戶的實(shí)際停車需求得到滿足，提高服務(wù)水平[7]。且用戶可通過此平臺(tái)實(shí)現(xiàn)區(qū)域立體停車泊位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢、泊位導(dǎo)航預(yù)定、泊位無人化共享等功能，為緩解城市停車難問題提供數(shù)據(jù)化、智能化支撐[8]。

2.5.2? 系統(tǒng)通信架構(gòu)設(shè)計(jì)

共享停車系統(tǒng)主要分為幾大部分：智能鎖終端、SpringBoot服務(wù)器、微信小程序前端程序、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。各部分之間的通信協(xié)議如圖3所示。

智能車鎖終端是通過STM32單片機(jī)采集數(shù)據(jù)，采集后的數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議發(fā)送到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上，云平臺(tái)經(jīng)過數(shù)據(jù)解析，利用AMQP協(xié)議，將重要的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)到SpringBoot服務(wù)器上。之后再經(jīng)過校驗(yàn)等過程，將合法的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行持久化。微信小程序則是通過HTTPS協(xié)議，向服務(wù)器發(fā)送GET/POST請(qǐng)求，服務(wù)器根據(jù)請(qǐng)求的動(dòng)作來對(duì)其進(jìn)行響應(yīng)。

2.5.3? 受眾用戶需求

我們團(tuán)隊(duì)所開發(fā)的小程序平臺(tái)主要面向的受眾用戶分別為“私人車主用戶”“停車位戶主”和“管理運(yùn)營平臺(tái)”三類，其對(duì)我們團(tuán)隊(duì)所研究系統(tǒng)的主要功能需求如表1所示。

2.5.4? 小程序移動(dòng)端的設(shè)計(jì)

手機(jī)小程序?yàn)槭鼙娪脩舻脑L問共享停車系統(tǒng)的唯一平臺(tái)，使用小程序的用戶車主可以根據(jù)個(gè)人的需求在小程序上個(gè)性化查找目的地附近的停車場(chǎng)或者個(gè)人停車位，或者直接在搜索框中搜索自己的目的地，系統(tǒng)會(huì)以目的地為中心進(jìn)行相關(guān)的停車位信息查找，車主可以根據(jù)個(gè)人需求挑選自己心儀的停車位，在自己合適的時(shí)間并進(jìn)行預(yù)定付款手續(xù)的辦理，當(dāng)車主付款成功之后，可以通過小程序的路線導(dǎo)航到達(dá)剛剛選擇的停車場(chǎng)地，停車引導(dǎo)流程圖如圖4所示。

手機(jī)小程序查看信息的操作流程如圖5所示，其流程包括注冊(cè)的用戶進(jìn)入手機(jī)小程序查詢系統(tǒng)個(gè)人主頁的相關(guān)信息、查詢相關(guān)訂單信息、查詢當(dāng)前車位的相關(guān)信息以及查詢個(gè)人停車記錄。

2.5.5? ?業(yè)務(wù)功能實(shí)現(xiàn)

1）小程序登錄功能實(shí)現(xiàn)機(jī)制如圖6所示。

在登錄過程中，首先需要小程序向微信服務(wù)器發(fā)送wx.login（），獲得code。

小程序通過wx.request（）方法將code傳入后端服務(wù)器中，后端服務(wù)器帶著code和appid、appSecret向微信官方服務(wù)器code2session接口請(qǐng)求獲得SessionKey與openID。

SessionKey作為此次會(huì)話的密鑰，將存入Redis緩存中，作為登錄狀態(tài)的憑證。服務(wù)器會(huì)生成一個(gè)唯一的UUID作為authorization返回給用戶。用戶之后的請(qǐng)求只需要攜帶該authorization即可通行。登錄業(yè)務(wù)主要的實(shí)現(xiàn)代碼如圖7所示。

2）車位租用業(yè)務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)：MQTT協(xié)議是一種以主題訂閱模型和消息發(fā)布模型為基礎(chǔ)的消息傳輸協(xié)議類型，其在有限設(shè)備資源、低帶寬和不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下具有較強(qiáng)適應(yīng)性，可以為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供支持[9]。在本設(shè)備中，智能車鎖終端承擔(dān)著發(fā)布者與訂閱者的角色，阿里云物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器承擔(dān)代理者的角色。

當(dāng)設(shè)備上線時(shí)，會(huì)通過MQTT協(xié)議向阿里云服務(wù)器發(fā)布（Publish）設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)，阿里云服務(wù)器會(huì)通過AMQP協(xié)議將消息發(fā)布（Publish）。Java后端會(huì)使用QPID工具來持續(xù)訂閱（Subscribe）阿里云服務(wù)器，來消費(fèi)消息。在消費(fèi)消息后，會(huì)將消息存入Redis數(shù)據(jù)庫中，更新設(shè)備狀態(tài)。本系統(tǒng)通過AMQP協(xié)議異步處理消息的主要邏輯如圖8所示。

當(dāng)使用小程序進(jìn)行車位查詢時(shí)，小程序首先會(huì)使用wx.request（）接口向Java服務(wù)器發(fā)起查詢請(qǐng)求，告知需要進(jìn)行查詢工作。Java服務(wù)器在接受請(qǐng)求后，會(huì)使用由SpringBoot提供的StringRedisTemplate查詢Redis服務(wù)器中設(shè)備狀態(tài)，并將狀態(tài)通過JSON格式返回給小程序。此時(shí)，用戶在小程序端可以選擇是否使用該車位，若確定使用，小程序則會(huì)再次通過wx.request（）接口向Java服務(wù)器發(fā)起使用請(qǐng)求。Java服務(wù)器在接受請(qǐng)求后，首先會(huì)驗(yàn)證用戶請(qǐng)求是否合法，若不合法，則直接返回錯(cuò)誤信息。若合法，則通過阿里云官方提供的SDK（aliyun.iot20180120）更改iot設(shè)備狀態(tài)，并返回更改結(jié)果。更改車位狀態(tài)的業(yè)務(wù)代碼實(shí)現(xiàn)如圖9所示。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)頁面如圖10所示。

3? 結(jié)? 論

對(duì)基于NB-IoT技術(shù)的智能共享停車系統(tǒng)，其功能實(shí)現(xiàn)技術(shù)理論為停車鎖的主控芯片與中心基站通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)實(shí)現(xiàn)車位信息實(shí)時(shí)共享對(duì)接，共享停車系統(tǒng)的后臺(tái)管理人員可以直接通過系統(tǒng)管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)停車系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)共享停車信息，達(dá)到盤活停車資源的目的。通過此項(xiàng)目的大力推廣和廣泛普及應(yīng)用，我們力求構(gòu)建以政府為中心引導(dǎo)、市場(chǎng)為監(jiān)督部門、系統(tǒng)為主要運(yùn)作結(jié)構(gòu)、社會(huì)為主要參與對(duì)象、個(gè)人形成自律意識(shí)的“五位一體”，從而共同營造共享停車的良性循環(huán)工作格局，建立一個(gè)高效、智能、惠民的共享停車系統(tǒng)。

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作者簡介：白亞靜（2002—），女，漢族，河南洛陽人，本科在讀，研究方向：交通運(yùn)輸。

收稿日期：2023-03-13