基于Android平臺的室內停車場智能尋車系統研究

李華蓉，潘國兵，趙 一，吳華玲

(1. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；2. 重慶交通科研設計院，重慶 400067；3.東華理工大學 測繪工程學院，江西 南昌 330029)

基于Android平臺的室內停車場智能尋車系統研究

李華蓉1，潘國兵1，趙 一2，吳華玲3

(1. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；2. 重慶交通科研設計院，重慶 400067；3.東華理工大學 測繪工程學院，江西 南昌 330029)

為了解決車主在大型室內停車場找車的難題，提出了一種室內停車場反向尋車系統技術方案。采用Android智能手機作為信息采集和處理終端，結合二維碼掃描定位技術、慣性傳感器的室內導航技術、ArcGIS地圖服務和離線地圖包技術，ArcGIS API for Android插件技術實現了車輛精確定位、反向查找、實時路徑引導等功能。并設計實現了軟件系統，在某大型室內停車場進行了實施驗證，結果證明了技術方案的可行性。

交通運輸工程；反向尋車；Android平臺；ArcGIS；二維碼

0 引 言

隨著經濟的發展和科學技術的進步，現代室內停車場逐漸向大型化、多空間、多功能、智能管理的方向發展，相應的智能反向尋車系統應運而生。當室內停車場空間較大，樓層不單一，停車位較多時，車主返回停車場，面對相似的環境，很容易分不清楚車輛所停靠的位置，從而浪費一些時間在尋找車輛上，同時也給停車場內的行車安全帶來一定的隱患。智能反向尋車系統通過二維碼掃描將車輛所停的位置信息記錄在車主的智能手機中，并提供路徑導航功能，從而方便車主尋車，提高車主的滿意度；同時加快停車場的車輛周轉，提高使用率和收入，使停車服務做到安全、簡便、準確。

目前，地下停車場智能反向尋車的方式主要有3種[1-5]：基于讀卡器方式，基于車牌識別方式和基于無線電射頻技術(如RFID)方式。分析這3種方式，發現現有的反向尋車系統存在兩個問題：需要在停車場設置額外的大型定位設備，設備的密集程度直接影響了定位精度；需要在出入通道設置固定的終端查詢機，并且終端查詢機的多寡影響了查詢信息的便捷性，制約了其普及推廣。

1 系統工作原理

在分析現有反向尋車系統的基礎上，揚長避短，提出了一種基于智能手機的停車場反向尋車系統技術方案，采用車主隨身攜帶的智能手機為信息采集和處理終端，結合二維碼掃描定位技術、慣性傳感器的室內導航技術、ArcGIS地圖服務和離線地圖包技術，實現車輛精確定位、反向查找、實時路徑引導。系統總體框架如圖1。

圖1 系統總框架Fig. 1 System general framework

系統建立在IP網絡基礎設施環境之上，通過WiFi網絡或移動網絡為定位導航終端提供定位地圖數據下載和地圖服務。停車場內在顯著位置張貼若干二維碼圖像，客戶端手機通過掃描二維碼，獲得服務器連接，下載當前停車場的地圖數據，同時獲得掃描點的空間位置信息。該位置信息提供了導航時的起訖點信息，結合下載的定位地圖，可以輕松實現路徑查詢功能，再結合客戶端手機自帶的慣性傳感器，進行導航引導。

圖2 給出了該系統的工作流程，具體過程如下：

1)車輛停車入位后，車主掃描車位附近立柱上二維碼圖像。手機終端解讀二維碼信息，獲得停車場地圖下載鏈接、車輛定位信息，并在移動端數據庫中添加其車輛停靠信息(包括時間和位置信息)。

2)客戶取車時，車主掃描附近的二維碼圖像。手機終端解讀二維碼信息，獲得停車場地圖下載鏈接、車主定位信息，并在移動端數據庫中添加其車主位置信息(包括時間和位置信息)。

3)手機終端通過網絡將地圖數據下載到本地或獲取對應的地圖服務，根據移動端數據庫中獲得的起訖點信息，定位車輛位置，并進行最短路徑的解算。

4)手機終端將路徑顯示在定位地圖上，并啟動慣性定位系統，通過運動檢測和路徑匹配來實現導航的實時引導，帶領客戶找到自己的車輛。

圖2 系統工作流程Fig. 2 System’s workflow

2 系統設計

2.1 室內導航電子地圖的設計

室內空間是一個三維空間。各樓層具有不同的高程信息，但因為是人造空間，幾何規則性強，上下層結構相似，其投影到平面上具有完全相同的平面坐標信息，造成了高程信息的唯一可辨識性。同時，室內空間具有更復雜的交通網絡。水平方向上，主要交通沿走廊布設，但房間之間的連通，墻壁的限制等使得道路錯綜復雜；垂直方向上，多層建筑樓梯、電梯形成了樓層間復雜的道路連通關系。根據應用背景和收集到的停車場原始數據，使用ArcGIS軟件對數據進行加工處理，制作室內導航電子地圖，并采用ArcGIS for Android的插件技術對地圖數據進行訪問和操作，實現導航功能。導航電子地圖的制作流程如圖3。

地圖表達采用二維平面圖與三維透視圖相結合的方法。并分別在這兩類視圖上實現定位導航功能。視圖的相互轉換采用比例尺控制：在小比例尺情況下，顯示室內三維地圖，具有全局性，當放大比例尺到閾值時，轉換為二維平面圖，通過當前鼠標所在位置來確定樓層并調入相應的平面圖，具有局部細節性。

圖3 室內導航電子地圖制作流程Fig. 3 Making process of in-door navigation electronic map

2.2 二維碼室內定位技術

二維碼利用計算機的“0”，“1”比特流原理，按一定規律用特定的幾何圖形在黑白相間分布的圖形平面上記錄數據符號信息，具有信息密度高、信息容量大，獨立性強等特點。利用二維碼信息容量大的優勢，將停車場名稱信息、車位地理位置(包括編號、地圖坐標系下的三維坐標，一般為投影坐標)等信息編碼為二維碼圖形，并實現二維碼與導航地圖的一一位置對應關系，即地圖匹配。分析室內停車場的室內環境，發現3～4個車位之間一般有立柱，因此將二維碼圖像張貼在立柱上，既便于用戶發現該二維碼。也能有效地實現定位功能。同時為了便于組織交通，在入口(如樓梯、電梯)處也要張貼二維碼，從而實現二維碼與導航地圖的匹配。

在導航應用中，利用Android手機中的二維碼掃描功能，讀取二維碼圖像并對其進行解碼操作，識別其中的信息，并分離出位置信息，為導航提供起訖點位置信息，從而實現室內定位導航功能，流程如圖4。

圖 4 二維碼室內定位技術Fig. 4 QR code for locating

2.3 最短路徑規劃

室內停車場的路徑規劃要解決的是從車主當前位置點到車輛停靠位置點之間如何到達的問題，是典型的最短路徑分析。為了簡化問題，便于計算機自動求解，需要將停車場內的實際交通路線抽象為邊和結點，邊代表路段，結點表示路段的端點和交叉點，由此構成有向加權圖G=(V,E)。形成網絡數據集，記錄任意兩個位置之間的可能路徑，如圖5。在此基礎上定義加權函數W∶E→R為從邊到權值的映射。路徑P=(V1,V2,…,Vk)。的權是指圖中所有邊的權值之和：

結點u到結點v之間的最短路徑權值可以定義為

則結點u到結點v之間的最短路徑定義為權W(P)=δ(u,v)的任意路徑。本研究中采用距離作為權值，研究的是從起點到終點的一條距離最短的路徑。在進行路徑搜索時采用Dijkstra廣度優先算法或A*啟發式算法。

圖 5 網絡數據集Fig. 5 Network Dataset

2.4 慣性定位引導

慣性定位的基本原理是運動推算，在已知用戶當前時刻的位置信息，根據用戶的運動速度和運動方向來推算出用戶下一時刻的位置。其實現的關鍵問題是起始位置的獲取、運動速度的獲取和運動方向的獲取[6]。利用用戶掃描的二維碼信息來獲得用戶的初始位置信息，具有精確性。

對于運動速度，考慮到室內停車場的應用環境，一般為步行方式，因此可轉化為步長和步數的乘積。步長因人而異，但變化有限，可以取經驗值(一般為60～80 cm)。步數可以通過Android移動終端上的加速度傳感器來檢測。當用戶行走時，Z方向上的加速度會產生相應的變化，并呈現周期性的規律，該周期數即為用戶行走的步數。

對于運動方向，考慮到路徑引導的功能，因此用戶一般會沿著導航路徑進行行走，因此將導航路徑作為用戶移動方向的先驗知識，使用Android移動端的電子羅盤設備進行路徑匹配驗證。需要注意的是電子羅盤的定位精度有限，長時間的導航將存在累計誤差。為了避免誤差偏離過大，可以在路徑匹配算法中為方向設置一個閾值(如與導航路徑夾角不大于60°)，在該閾值范圍內時路徑匹配成功，用戶正在沿導航路徑行走，當超過該閾值時，路徑匹配失敗，這時系統應提示用戶掃描附近的二維定位碼，確定當前位置，重新進行定位導航。

3 基于Android平臺的系統實現

終端查詢服務是系統的核心功能模塊，為反向尋車查詢的移動終端提供車輛定位、反向查詢服務、路徑導航服務等功能。系統基于谷歌Android操作系統，使用JAVA語言編程，在Eclipse環境中加入Android開發插件和ArcGIS API for Android插件實現該應用程序的開發[7]。移動客戶端的功能模塊設計如圖6。

3.1 移動端數據庫設計

Android提供了文件、數據庫和網絡方式來存取數據。考慮到移動手機的存儲空間有限，兼顧數據顯示和加載的速度，采用3種組合方式對數據進行管理，服務器端放置地圖二維離線導航數據下載包、三維地圖服務數據。移動客戶端用文件形式存儲二維離線導航數據包，即切片地圖；用SQLite數據庫存儲用戶位置信息，它是一種表格數據結構，本系統中包含了兩個表：車輛停靠位置信息表和車主位置信息表，分別用來存儲車輛和車主的位置信息，表的結構一致，如表1。

圖6 移動客戶端功能模塊Fig. 6 Design of main function module of mobile customer表1 位置信息Table 1 Structure of database table

字段類型是否為空備注ID自動生成date日期否自動獲取time日期否自動獲取X_coordinate雙精度否坐標Y_coordinate雙精度否坐標Z_coordinate雙精度否坐標

3.2 二維碼掃描功能實現

目前，在自己的應用程序中內嵌二維碼掃描功能越來越普遍。然而，二維碼功能的實現還是比較復雜的，從零實現不太現實，比較好的做法是借助google公司提供的ZXing開源項目，對其進行修改來滿足自己的需要。利用ZXing項目的方式一般有兩種。一種是直接在自己的應用程序中調用二維碼應用程序(如BarcodeScanner.apk)。此種方式程序的改動最小，只需在需要掃描二維碼的地方加入激活該應用的代碼即可，代碼如下：

//構建新的activity，激活zxing掃描的掃描功能

Intent intent=new Intent("com.google.zxing.client.android.SCAN");

//設置掃描模式和解碼模式

intent.putExtra("SCAN_MODE", "QR_CODE_MODE");

//打開掃描應用，并獲得掃描結果

startActivityForResult(intent, 0)。

從代碼可以看出，這是一個簡單的調用，但具有很大的缺陷，即移動手機上必須安裝BarcodeScanner.apk這個應用程序，否則就會出錯。顯然，這種方式不是真正的內嵌。

要實現真正的內嵌，要將ZXing的源代碼復制到自己的程序中，然后根據需要進行修改化簡。本系統只用到了二維碼的解碼功能，因此簡化過后的二維碼解碼包如圖7(a)，掃描界面如圖7(b)。

圖7 二維碼掃描包和二維碼掃描界面Fig. 7 Simplified QR code scanner package and scanning interface

3.3 尋車導航功能實現

尋車導航功能實現的核心模塊是最短路徑分析，其基于網絡數據集來實現。 ARCGIS API for Android提供了RouteTask接口來實現最短路徑功能。該接口下提供了createLocalRouteTask( )函數來裝載地理數據庫和網絡數據集，solve(RouteParameters parameters)函數來執行路徑分析功能，其參數RouteParameters用來定義路徑分析所需要的停靠點、障礙點等信息，返回的結果為RouteResult類，包含了路徑行駛方向、行駛時間、路徑幾何形狀等屬性信息[8-9]。

4 結 語

基于上述設計與實現方案，本研究選取某大型室內停車場，對二維碼布設方案和開發的軟件進行了實施驗證。驗證方案為：車主先駕車從車行入口駛入停車場，將車輛停靠在任一車位上，用安裝了反向尋車軟件的智能手機掃描附近立柱上的二維碼，離開停車場；隨后從另一人行通道進入停車場，在入口處掃描二維碼，查找車輛位置信息并得到最短路徑。

上述驗證過程說明系統能夠準確地定位車輛停靠的位置，并用路徑形式引導車主快速行走到車輛位置。與定位到區域的反向尋車系統相比，定位精度顯著提高；采用用戶隨身攜帶的智能手機作為查詢終端，避免固定查詢端所導致的擁擠、非實時的缺點；二維碼室內定位成本低廉、掃描識別率高，避免了車牌識別方式的錯誤率，同時也免除了安裝額外的大型設備的需要，大大降低了系統的成本，具有普遍推廣的意義。

[1] 北京紫光百會科技有限公司．一種反向尋車系統：201020554925.8[P].2011-05-18. Beijing Unisplendour Baihui Technology Co., Ltd.．AnInverseVehicleTrackingSystem. China: 201020554925.8[P]. 2011-05-18.

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Research on an Intelligent Vehicle Tracking System in Indoor Parking Based on Android Platform

LI Huarong1，PAN Guobing1，ZHAO Yi2，WU Hualing3

(1.School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074，P.R.China;2. Communications Research & Design Institute Co., Ltd. China Merchants, Chongqing 400067,P.R.China;3. Faculty of Geomatics, East China Institute of Technology, Nanchang 330029 Jiangxi,P.R.China)

In order to find a solution to the headache problem that it is difficult for car owners to locate their cars in a large indoor parking building, an intelligent car tracking system was put forward. These performances of accurate positioning of car, reverse tracking and real-time path leading were achieved by use of the technology of Android intelligent cellphone as information collecting and processing terminal, in combination with technology of QR code scan for positioning , the indoor navigating technology of inertial sensor, ArcGIS map service and offline map package, and the technology of ArcGIS API for Android .Software was designed and put into practice was proved in the large indoor parking building. The results of testing proved the feasibility of the technological solution.

traffic and transportation engineering; vehicle tracking; Android platform; ArcGIS; QR code

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.04.22

2015-03-04；

2015-04-17

國家自然科學基金項目(41404026)

李華蓉(1980—)，女, 湖北宜昌人, 講師，博士, 主要從事地圖學與地理信息系統方面的工作。E-mail:lihuarong.cat@yeah.net。

TP391

A

1674-0696(2016)04-112-04