智能停車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)研究

摘要：為進(jìn)一步解決“停車難”的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，圍繞一種實(shí)用智能停車管理系統(tǒng)的主要功能及系統(tǒng)構(gòu)架，結(jié)合智能停車的實(shí)際過(guò)程，從全局考慮把智能停車場(chǎng)停車誘導(dǎo)系統(tǒng)、車位預(yù)定、不規(guī)范停車監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)綜合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)以最佳方式共同開發(fā)一個(gè)比較完善的體系，以期為智能停車系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供必要的理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：智能停車系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；系統(tǒng)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：U462 收稿日期：2023-05-18

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.10.023

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

近年來(lái)，隨著各地機(jī)動(dòng)車保有量的進(jìn)一步提升，“停車難”的問(wèn)題也愈發(fā)凸顯。本文通過(guò)對(duì)相關(guān)停車場(chǎng)管理方和部分機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)说恼{(diào)研，確定智能停車系統(tǒng)的工作重點(diǎn)需解決以下幾方面的問(wèn)題：a.該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)與地圖導(dǎo)航和實(shí)時(shí)交通路況等應(yīng)用程序相關(guān)聯(lián)，擴(kuò)大信息覆蓋范圍；b.應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)車位預(yù)訂功能，從數(shù)據(jù)庫(kù)中找到此車位的最短路徑以及相關(guān)交叉口的指示信息，引導(dǎo)駕駛員到達(dá)該目標(biāo)車位，此時(shí)釋放車位鎖，避免出現(xiàn)以往的車位占用等問(wèn)題；c.系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠?qū)ν＼嚥灰?guī)范問(wèn)題進(jìn)行有效監(jiān)控識(shí)別和提示，以解決停車不規(guī)范帶來(lái)的交通擁堵問(wèn)題[1-2]。

基于以上需求，確定本次智能停車系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)采用四層架構(gòu)設(shè)計(jì)，自上而下分別為用戶應(yīng)用層、云端服務(wù)器層、通信層和智能監(jiān)測(cè)終端層。其中，用戶應(yīng)用層主要通過(guò)移動(dòng)終端顯示車位信息數(shù)據(jù)，并向用戶提供停車業(yè)務(wù)辦理。云端服務(wù)器層主要用于接收和存儲(chǔ)車位信息數(shù)據(jù)，并與用戶應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接。通信層采用NB-IoT通信模塊，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立服務(wù)器和移動(dòng)終端之間的連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸。終端層則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集，通過(guò)STM32芯片、GPS模塊和圖像識(shí)別等，進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢測(cè)與反饋。

2 停車誘導(dǎo)系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

為提升停車誘導(dǎo)系統(tǒng)的覆蓋范圍，使之與地圖導(dǎo)航、實(shí)時(shí)交通等應(yīng)用程序相關(guān)聯(lián)，本次以“車路協(xié)同”的理念入手，對(duì)停車誘導(dǎo)系統(tǒng)的信息架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，參考已有研究資料，本次設(shè)計(jì)工作中，確定在該信息架構(gòu)下，停車場(chǎng)實(shí)體擁有ID、經(jīng)度、緯度、類型、總車位數(shù)、收費(fèi)和所屬聚類等屬性，以用于計(jì)算停車場(chǎng)的初始服務(wù)能力與空間關(guān)系。此外，停車場(chǎng)實(shí)體還擁有包括可用車位數(shù)、采集時(shí)間屬性的采集數(shù)據(jù)實(shí)體，以用于對(duì)缺失的停車場(chǎng)可用車位數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)與各停車場(chǎng)實(shí)時(shí)服務(wù)能力的量化。同時(shí)，道路實(shí)體則包括地圖網(wǎng)站上的坐標(biāo)信息、道路類型、幾何形狀等屬性。基于這些內(nèi)容，本次應(yīng)用PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)，分別設(shè)計(jì)停車場(chǎng)靜態(tài)信息表、停車場(chǎng)動(dòng)態(tài)信息表與道路信息表，將其與服務(wù)器相對(duì)接，以實(shí)現(xiàn)停車誘導(dǎo)系統(tǒng)的拓展。該功能模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為進(jìn)一步提升停車誘導(dǎo)系統(tǒng)的決策能力，本次研究將停車系統(tǒng)及其相關(guān)路網(wǎng)作為一個(gè)整體進(jìn)行分析，因其涉及多個(gè)關(guān)系復(fù)雜的物理實(shí)體，故采用基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并使用吸引力模型對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的連接權(quán)重進(jìn)行評(píng)估，該連接權(quán)重值決定行駛路線，即行駛路線始終按照連接權(quán)重值最高的路徑進(jìn)行，以確保到達(dá)停車位的路徑始終為最短。

參考上述內(nèi)容，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，并應(yīng)用Infomap社區(qū)發(fā)現(xiàn)算法對(duì)系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聚類。在聚類過(guò)程中，首先采集一段車輛在路網(wǎng)上的隨機(jī)行進(jìn)軌跡，假設(shè)車輛從節(jié)點(diǎn)j出發(fā)，則根據(jù)其轉(zhuǎn)移概率選擇下一節(jié)點(diǎn)i，重復(fù)此方式選擇下一節(jié)點(diǎn)即可得到一段隨機(jī)游走軌跡。其次，在得到隨機(jī)游走軌跡后，按照隨機(jī)游走軌跡中各節(jié)點(diǎn)被訪問(wèn)的頻數(shù)為順序，依次嘗試將每個(gè)節(jié)點(diǎn)賦給相鄰節(jié)點(diǎn)所在的子網(wǎng)絡(luò)，如果對(duì)應(yīng)的平均每步編碼長(zhǎng)度均沒有下降，則該節(jié)點(diǎn)所屬的子網(wǎng)絡(luò)不變，否則將該節(jié)點(diǎn)賦給平均每步編碼長(zhǎng)度下降最大的子網(wǎng)絡(luò)。重復(fù)該步驟直到平均每步編碼長(zhǎng)度無(wú)法繼續(xù)優(yōu)化為止，此時(shí)即可將駕駛?cè)说囊?guī)劃行進(jìn)路徑壓縮至最低水平[3]。

3 車位預(yù)訂功能模塊的設(shè)計(jì)

為解決停車位被隨意占據(jù)的情況，本次設(shè)計(jì)基于“車位預(yù)訂”的理念，對(duì)停車場(chǎng)預(yù)訂導(dǎo)引功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。

a.設(shè)計(jì)智能車位導(dǎo)引的硬件部分，在硬件部分設(shè)計(jì)中，其整體思路如下：在停車場(chǎng)內(nèi)部鋪設(shè)若干個(gè)車位信息集線器，以及每個(gè)車位鋪設(shè)磁阻傳感器，同時(shí)停車場(chǎng)過(guò)道每隔６～８ m鋪設(shè)一塊磁阻傳感器。每個(gè)車位信息集線器控制14個(gè)車位處和過(guò)道處磁阻傳感器進(jìn)行磁通量數(shù)據(jù)的采集。車位信息集線器連接485數(shù)傳電臺(tái)。在停車場(chǎng)主控室內(nèi)放置一塊車位信息集總器，車位信息集總器一端連接485數(shù)傳電臺(tái)，接收集線器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，另一端通過(guò)RS232串口與停車場(chǎng)服務(wù)器通信[4]。

b.對(duì)智能車位導(dǎo)引的軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)合實(shí)際需要，智能車位導(dǎo)引的軟件部分主要分為兩部分，分別為應(yīng)用在單片機(jī)和ARM芯片中的嵌入式軟件和使用C#語(yǔ)言在Visual Studio 2019平臺(tái)下編寫停車場(chǎng)服務(wù)器中的云端數(shù)據(jù)提交軟件。嵌入式軟件主要是以C語(yǔ)言為開發(fā)環(huán)境，在keil μVision4平臺(tái)下編寫。運(yùn)行于車位信息集線器和車位信息集總器中，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理以及通信。基于此，一方面，設(shè)計(jì)人員通過(guò)keil μVision4軟件并使用C語(yǔ)言編寫嵌入式程序，程序內(nèi)容則包括單片機(jī)傳感器采集函數(shù)、單片機(jī)采集數(shù)據(jù)處理函數(shù)、串口初始化函數(shù)、串口發(fā)送程序等部分。另一方面，設(shè)計(jì)人員應(yīng)用C#語(yǔ)言對(duì)數(shù)據(jù)提交環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括應(yīng)用MSComm通信控件編寫串口通信程序等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)提交的需要[5]。

c.為確保車位的高效率利用，在已有的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)一步增設(shè)基于共享理念的車位預(yù)訂控制策略。該功能以隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型為基礎(chǔ)加以進(jìn)行，并采用PRBD-D模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，該模型的算法步驟如下：①對(duì)參數(shù)進(jìn)行初始化處理，包括預(yù)定周期、服務(wù)周期、預(yù)訂到達(dá)率、臨時(shí)需求到達(dá)率、臨時(shí)供給到達(dá)率和合同供給；②放松整數(shù)約束條件，對(duì)PRBD-D模型進(jìn)行求解，得到初始的最優(yōu)解，并對(duì)其進(jìn)行取整數(shù)操作；③當(dāng)預(yù)定周期t所對(duì)應(yīng)的預(yù)定狀態(tài)為X時(shí)，參考已設(shè)置的參數(shù)的邊界條件，進(jìn)行迭代計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)初始最優(yōu)解的更新，直至滿足實(shí)際需要為止。

d.為避免其他車輛對(duì)預(yù)定車位的占用，針對(duì)智能地鎖進(jìn)行設(shè)計(jì)。參考已有研究文獻(xiàn)，智能地鎖硬件設(shè)計(jì)方面主要包括5個(gè)部分，分別為MCU模塊、NB模塊、藍(lán)牙模塊、外部傳感器模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

基于該模塊的連接架構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)停車場(chǎng)管理系統(tǒng)接收到駕駛?cè)薃PP端傳輸?shù)男畔⒑?，將信息傳輸至NB模塊當(dāng)中，再由NB模塊通過(guò)IoT通信模式將信息傳輸至MCU。MCU接收到指令后，向電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)地鎖的開關(guān)[6]。

4 不規(guī)范停車識(shí)別功能設(shè)計(jì)

a.車牌識(shí)別模組的設(shè)計(jì)。硬件部分采用OV7670攝像頭模塊，對(duì)車輛的車牌信息進(jìn)行拍攝和信息上傳，軟件部分則采用邊緣檢測(cè)算法，應(yīng)用攝像頭獲取的信息進(jìn)行識(shí)別。在這一過(guò)程中，為兼顧地下停車場(chǎng)光線不足，根據(jù)頂帽變換和底帽變換公式來(lái)增強(qiáng)圖片的對(duì)比度，獲得對(duì)比度增強(qiáng)后的圖像enhanced（g），公式如下：

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用Sobel算子，面向?qū)Ρ榷仍鰪?qiáng)后的圖像進(jìn)行水平差分處理，加上高斯平滑和二值化操作，以提高圖像的識(shí)別精度。

b.對(duì)車輛是否準(zhǔn)確入位進(jìn)行檢測(cè)，采用Retinanet作為基礎(chǔ)算法，并應(yīng)用其中的backbone和anchor兩類函數(shù)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)應(yīng)用CIoU作為損失函數(shù)，由此得到該算法的公式如下：

式中，IoU表示交并比，指產(chǎn)生的候選框與原標(biāo)記框的交疊率（亦可稱之為二者的交集與并集的比值）；RCIoU表示CIoU損失函數(shù)的懲罰項(xiàng)；fCIoU表示CIoU損失函數(shù)的損失值；α表示正向的權(quán)衡參數(shù)；ρ2為歐式距離；v為測(cè)量橫縱比的一致性；c為車輛檢測(cè)框的對(duì)角線長(zhǎng)度；B為檢測(cè)的目標(biāo)邊界框尺寸；wide和h分別表示目標(biāo)邊界框架的寬度和高度；上標(biāo)gt則表示真實(shí)標(biāo)注的目標(biāo)邊界框。

根據(jù)該算法流程，使用C語(yǔ)言編寫檢測(cè)算法并存入系統(tǒng)服務(wù)器中完成該功能模塊的設(shè)計(jì)。

5 用戶端應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，用戶端應(yīng)用程序主要分為三個(gè)模塊，分別為車輛位置信息與采集到的停車場(chǎng)信息上傳、停車場(chǎng)信息服務(wù)以及停車引導(dǎo)服務(wù)。其中信息上傳模塊位于應(yīng)用后臺(tái)，駕駛?cè)丝赏ㄟ^(guò)用戶端應(yīng)用程序界面發(fā)出相應(yīng)指令，進(jìn)行功能模塊的選取。具體設(shè)計(jì)則分為以下三個(gè)部分：

a.車輛位置信息與采集到的停車場(chǎng)信息上傳部分的設(shè)計(jì)。在該部分的設(shè)計(jì)工作中，其主要通過(guò)XML文檔形式對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行上傳。

b.停車場(chǎng)信息服務(wù)部分，該部分主要通過(guò)調(diào)用地圖類軟件的數(shù)據(jù)接口加以實(shí)現(xiàn)。

c.停車引導(dǎo)服務(wù)部分，其主要通過(guò)地圖數(shù)據(jù)的要素服務(wù)與網(wǎng)絡(luò)分析服務(wù)加以實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)超鏈接的方式，將相關(guān)信息共享到用戶端應(yīng)用程序。

基于以上幾個(gè)部分，采用基于Android平臺(tái)開發(fā)APP，并編寫相應(yīng)代碼實(shí)現(xiàn)用戶信息注冊(cè)、車牌綁定、目的地車位信息查詢、導(dǎo)航、移動(dòng)支付等功能。其中，導(dǎo)航功能引用了某地圖APP的API函數(shù)，移動(dòng)支付功能引用了當(dāng)前常用支付軟件的支付接口API函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用環(huán)節(jié)的快捷化與智能化。

6 模擬應(yīng)用測(cè)試

在本次智能停車系統(tǒng)應(yīng)用完成后，為初步測(cè)試其應(yīng)用效果，對(duì)其主要功能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，并引入傳統(tǒng)模式下的智能停車系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，主要測(cè)試指標(biāo)及結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果可知，本次設(shè)計(jì)的智能停車系統(tǒng)在各項(xiàng)主要測(cè)試指標(biāo)方面均具備優(yōu)勢(shì)，表明該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作取得初步成功。

7 結(jié)語(yǔ)

整體來(lái)看，在本次研究工作中，從全局考慮把智能停車場(chǎng)停車誘導(dǎo)系統(tǒng)、車位預(yù)定、不規(guī)范停車監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)綜合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)以最佳方式共同開發(fā)一個(gè)比較完善的體系，以此實(shí)現(xiàn)智能停車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。從初步測(cè)試分析可知，由于各個(gè)系統(tǒng)功能模塊的優(yōu)勢(shì)得到了充分整合，因此其在解決停車問(wèn)題方面也將發(fā)揮出更高優(yōu)勢(shì)，其具體應(yīng)用效果則需要在后續(xù)的工作中逐步予以驗(yàn)證。

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作者簡(jiǎn)介：

孫偉，女，1978年生，講師，研究方向?yàn)殡娮?、智能產(chǎn)品及自動(dòng)控制。