基于藍(lán)牙識別的反向?qū)ぼ囅到y(tǒng)

彭金栓，舒麟棹，劉 銀，孫鵬程，朱浩銘，劉 珂

(重慶交通大學(xué)，交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

在大型地下停車場中，車主們時常會忘記自己愛車的停放位置，耗費(fèi)半個小時甚至更多時間也未找到車輛的報(bào)道屢見不鮮，停車難、找車難日益成為制約我國大中城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸[1-2]。單調(diào)的停車場環(huán)境、場內(nèi)微弱的網(wǎng)絡(luò)信號都是車主難以順利找回愛車的阻礙[3]。樊勇等[4]開發(fā)了采用指紋識別技術(shù)的尋車系統(tǒng)，客戶在整個停車及尋車的過程中只通過指紋進(jìn)行定位或驗(yàn)證，擺脫其他輔助定位物品如停車卡、條碼等的限制；劉譯澤等[5]則提出了智能車庫的理念，利用停車庫內(nèi)指示燈對進(jìn)庫車輛引導(dǎo)至停車位，確定車輛停車位置，尋車時再依靠尋車查詢屏(器)幫助車主尋車；郭芝源等[6]利用二維碼技術(shù)設(shè)計(jì)了停車場的反向?qū)ぼ囅到y(tǒng)，通過3G/WiFi網(wǎng)絡(luò)上傳、下載停車位信息，完成反向?qū)ぼ嚨囊龑?dǎo)；國外對于反向?qū)ぼ嚰夹g(shù)方面的研究比較少，側(cè)重于研究泊車時的微觀巧為，其中最早的是W. YOUNG等[7]設(shè)計(jì)的PARKSM系統(tǒng)，最大的特點(diǎn)是能夠借助手段模擬停車場內(nèi)車輛尋找停車位的過程；而P. V. WAERDEN等[8]通過對愛因霍芬市相關(guān)停車場內(nèi)駕駛員停車行為的統(tǒng)計(jì)研究，得出駕駛員停車位選擇與停車位本身特點(diǎn)之間的聯(lián)系。

以上研究成果主要存在兩方面的缺陷：一是對硬件設(shè)備要求較高(如尋車查詢屏)，停車場管理方所需安裝成本較高；二是尋車系統(tǒng)需依賴于網(wǎng)絡(luò)信號，不利于地下停車庫等信號不穩(wěn)定處使用。通過藍(lán)牙設(shè)備將停車場進(jìn)行區(qū)域劃分，利用手機(jī)對停車場定位信號的識別能力(即藍(lán)牙信號ID的識別)對停車場區(qū)域進(jìn)行定位，并結(jié)合停車場地圖完成尋車路徑的規(guī)劃，降低了停車場購買設(shè)備的成本，對車主的尋車體驗(yàn)也有了很大的提升。

1 反向?qū)ぼ囅到y(tǒng)

反向?qū)ぼ囅到y(tǒng)的設(shè)計(jì)主要由定位系統(tǒng)、路徑規(guī)劃兩部分組成。在停車場內(nèi)，通過對定位信號的合理布置，使每一個信號控制、管理一個特定區(qū)域，構(gòu)成完整的定位系統(tǒng)，并以此為依據(jù)輸出停車場區(qū)域分布圖作為路徑規(guī)劃中的地圖。系統(tǒng)識別的定位信號確認(rèn)用戶或停車位置，根據(jù)區(qū)域圖及用戶、車的相對位置，規(guī)劃出一條有效的最短尋車路徑。系統(tǒng)的運(yùn)行流程圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)Fig. 1 Diagram of system operation structure

2 定位系統(tǒng)

本系統(tǒng)要求信號節(jié)點(diǎn)能長時間、持續(xù)正常工作，避免管理方頻繁的維護(hù)；其次，本系統(tǒng)中的信號節(jié)點(diǎn)能被手機(jī)藍(lán)牙檢測到即可，無需承擔(dān)其他復(fù)雜的工作。因此，可選擇具有BLE技術(shù)的iBeacon設(shè)備作為系統(tǒng)中的信號節(jié)點(diǎn)。

2.1 定位原理

在停車場內(nèi)安置的iBeacon設(shè)備，利用其BLE技術(shù)向周邊發(fā)送自己特有的ID，手機(jī)掃描定位信號并加以識別，以確認(rèn)車與人的位置。通過對設(shè)備的合理布置，完成區(qū)域的有效劃分，保證停車場內(nèi)所有停車位均被信號覆蓋，且盡可能降低相鄰信號間的干擾，確保系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 區(qū)域劃分方法

經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大部分停車場布置型式均如圖4，行車道兩側(cè)均布置有停車位，且車頭朝向行車道：

圖2 停車場部分示意Fig. 2 Diagram of partial park

基于停車位布置格局，對區(qū)域劃分原則如下：

1)區(qū)域內(nèi)的停車位均被至少一個、至多兩個信號覆蓋；

2)任一停車位能且僅能在一個區(qū)域內(nèi)；

3)一個區(qū)域僅包含緊鄰行車道兩側(cè)的停車位；

4)區(qū)域的形狀呈矩形；

5)特殊位置如停車場角落、拐角處等，一個區(qū)域內(nèi)的停車位可少于(不可多于)既定數(shù)量。

2.3 停車場劃分模型

2.3.1 條件假設(shè)

1)iBeacon廣播半徑可根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)控；

2)用戶具有基本的判斷能力；

3)停車場布置大部分區(qū)域如說明文檔中圖2，即垂直式停車位，且行車道兩側(cè)各一排。

4)廣播信號的傳播范圍呈圓形擴(kuò)散，而區(qū)域的形狀呈矩形，如圖3：

圖3 停車位區(qū)域Fig. 3 Area map of parking space

圖4 iBeacon信號覆蓋Fig. 4 iBeacon signal coverage

本系統(tǒng)中，要求每一個區(qū)域中所有的停車位都必須被該區(qū)域?qū)?yīng)的定位信號所覆蓋。其中，信號覆蓋的認(rèn)定條件為：停車位(包括上下列距各一半)投影在行車道邊線上的線段(如圖4中1號停車位虛線對應(yīng)線段)完全被藍(lán)牙信號覆蓋。如圖4中1號車位即被視為不在該圖所示藍(lán)牙信號覆蓋范圍內(nèi)。

2.3.2 模型的建立

本系統(tǒng)涉及的相關(guān)參數(shù)定義如表1。

表1 參數(shù)定義Table 1 Definition of the parameters

1)iBeacon廣播半徑

本系統(tǒng)要求用戶需在行車道上使用系統(tǒng)，即在行車道任何位置均能檢測到至少一個信號。另外，相鄰行車道信號間的影響較大，因此需避免其干擾，則對于iBeacon廣播半徑r的約束條件為

(1)

2)區(qū)域參數(shù)

由“信號覆蓋條件”與“區(qū)域劃分原則”可得出在給定iBeacon廣播半徑時，區(qū)域?qū)挾萢與r的關(guān)系：

(2)

其中，一個區(qū)域內(nèi)的停車位個數(shù)為k=2(i+1)。

3)iBeacon位置

由于要求停車位范圍內(nèi)的行車道處處能被至少一個信號覆蓋，因此，iBeacon設(shè)備的放置應(yīng)保證相鄰兩信號的交點(diǎn)不能在行車道以內(nèi)，則相鄰兩iBeacon設(shè)備的距離h為

(3)

其中，l為車道寬度，x為停車位與車道之距，y為同行相鄰兩停車位之距同，z為列相鄰兩停車位之距，m、n分別為停車位長度與寬度，單位均為cm。具體數(shù)據(jù)見表1。

4)模型求解

將表2中停車場內(nèi)數(shù)據(jù)代入各約束中可得：

表2 參數(shù)取值Table 2 Value table of parameters

通過對停車場實(shí)地調(diào)查，我們隨機(jī)選擇50位車主作為調(diào)查對象。通過對車主講解反向?qū)ぼ囋恚儐栜囍鳟?dāng)變量k取多少時，車主最容易找到自己的車輛。其中38位車主選擇了當(dāng)i=4，即k=10，rmin=1 121，h=2 160時；8位車主選擇了k=12，4位車主選擇了k=8；此外，我們還咨詢了相關(guān)專家，他們從經(jīng)濟(jì)成本和系統(tǒng)的最優(yōu)化方面認(rèn)為當(dāng)k=10是比較合理的。為保證信號的檢測效果，信號半徑應(yīng)略大于rmin，信號間距略小于h，因此，筆者對停車場的劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行最終的確定：

i=4，k=10，r=1 200，h=2 100

2.3.3 停車位位置的確定

用戶找到停車位并將車輛停止后，打開系統(tǒng)，選擇“記住停車位”，用戶根據(jù)停車場內(nèi)區(qū)域指示牌在界面中選擇區(qū)域名。當(dāng)用戶進(jìn)行尋車時，系統(tǒng)根據(jù)對應(yīng)地圖對用戶停車時選擇的信號進(jìn)行處理，將該信號代表的停車場區(qū)域以藍(lán)色三角形展示在地圖之中，如圖5。

圖5 停車位置示意Fig. 5 Sketch map of parking position

2.3.4 用戶位置的確定

當(dāng)用戶處在單信號范圍時，系統(tǒng)直接判斷出用戶所在區(qū)域即為該信號對應(yīng)區(qū)域；當(dāng)用戶處在兩區(qū)域交界處，系統(tǒng)檢測到兩個信號，如“2-6”、“2-7”。此時，系統(tǒng)自動將用戶判定為處在區(qū)域號較大的位置，即“2-7”；當(dāng)用戶位置確定后，系統(tǒng)在地圖中以藍(lán)色矩形對該位置進(jìn)行展示,如圖6(a)；當(dāng)系統(tǒng)判斷出用戶所在位置與停車位置處于相同區(qū)域時，系統(tǒng)在地圖中以藍(lán)色圓形覆蓋原矩形,如圖6(b)。

圖6 用戶位置示意Fig. 6 Sketch map of user location

3 線路規(guī)劃

3.1 線路規(guī)劃

停車場地圖中，規(guī)定每列中兩停車位之間的距離為a，每列行車道之間的距離為b。系統(tǒng)獲取到停車位位置(x1,y1,z1)與用戶位置(x2,y2,z2)后(x為所在樓層，y為所在列，z為所在行)。根據(jù)改進(jìn)后的Dijkstra算法，只計(jì)算確定起點(diǎn)到確定終點(diǎn)的最短路徑，即以用戶位置為起點(diǎn)、停車位置為終點(diǎn)，規(guī)劃出最短有效路徑[9]，如圖7。其中，路徑僅由兩兩垂直或平行的線段組成。

圖7 線路規(guī)劃示意Fig. 7 Sketch map of path planning

由于各停車場內(nèi)實(shí)際環(huán)境的限制，為保證系統(tǒng)規(guī)劃路線的通達(dá)性，將默認(rèn)停車位間不可穿過，即區(qū)域間不可橫向穿越，車主只可沿行車道方向行走。系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上為車主提供最短尋車路線，保證車主依據(jù)該路線能以足夠短的時間找到愛車，稱該路線為“最短有效路線”。路徑通過繪制有色線段在地圖中顯示，用戶界面如圖8。

圖8 路線規(guī)劃界面Fig. 8 Path planning interface

3.2 尋車導(dǎo)航

在用戶尋找車輛的途中，系統(tǒng)將反復(fù)檢測用戶位置并進(jìn)行記錄、路線的繪制(以不同顏色繪制以區(qū)別于規(guī)劃路徑)如圖9中矩形、圖10中白色線段所示，以便于用戶參考兩條路線進(jìn)行實(shí)際最佳路線的判斷。參照規(guī)劃路徑與實(shí)際路線相互關(guān)系，以及對停車場內(nèi)標(biāo)識牌的利用，可實(shí)現(xiàn)無網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的導(dǎo)航功能。

圖9 尋車示意圖Fig. 9 Sketch map of car searching

此外，用戶根據(jù)自行行走路徑尋車失敗后，系統(tǒng)可重新規(guī)劃新路徑，并將原路線信息清除。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

利用MATLAB進(jìn)行了系統(tǒng)運(yùn)行模擬，以下為用戶與所尋車輛位于停車場同一樓層時，系統(tǒng)規(guī)劃尋車路徑對應(yīng)的部分代碼。

if z1==z2 %(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)分別為用戶、車輛坐標(biāo);

subplot(1,n3,z1)

if x1==x2

plot(x1,min(y1,y2):max(y1,y2),'k:o')

hold on

elseif x1～=x2

if y1+y2>2×n2+2

2015年以來，每一枚通過至臻天文臺認(rèn)證的歐米茄腕表都會獲得一張印有“MASTER CHRONOMETER CERTIFICATE”的紅色認(rèn)證卡，消費(fèi)者可通過上面的編號查看這一枚腕表在精準(zhǔn)度以及各項(xiàng)檢測中的性能表現(xiàn)。瑞士聯(lián)邦計(jì)量研究院 (METAS) 作為至臻天文臺表的第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)，確保這些數(shù)據(jù)是透明、公正、可信的。

plot(x2,y2:2×n2+3,'k:o')

hold on

plot(min(x1,x2):max(x1,x2),2×n2+3,'k:o')

hold on

plot(x1,y1:2×n2+3,'k:o')

hold on

else

plot(x2,1:y2,'k:o')

hold on

plot(min(x1,x2):max(x1,x2),1,'k:o')

hold on

plot(x1,1:y1,'k:o')

hold on

end

end

end

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)將iBeacon信號范圍與停車位區(qū)域相聯(lián)系，通過對信號半徑的設(shè)置避免了多信號的干擾，利用iBeacon廣播ID的特點(diǎn)，對人、車所在位置進(jìn)行區(qū)域定位。同時，系統(tǒng)作用于手機(jī)，用戶能隨時在手機(jī)上查看位置信息與規(guī)劃路線，擺脫了“找車機(jī)”終端的束縛；隨時隨地的路線規(guī)劃，也為用戶提供了便利，符合時代發(fā)展潮流[10-11]。而利用iBeacon的BLE技術(shù)以及藍(lán)牙的傳輸功能，在沒有網(wǎng)絡(luò)信號的停車場內(nèi)，系統(tǒng)也能為用戶提供便捷的服務(wù)，增強(qiáng)了本產(chǎn)品的實(shí)際運(yùn)用價值與應(yīng)用前景。

本設(shè)計(jì)在未來還可在以下幾個方面進(jìn)行發(fā)展：將定位信號的覆蓋范圍擴(kuò)大至停車場所有區(qū)域，取消用戶使用條件的限制；將定位信號與地圖信號融為一體，使停車場的布置簡單化；停車位置的確定從客戶確定向系統(tǒng)自動判定發(fā)展，讓用戶只有在需要使用該系統(tǒng)尋車時才需打開軟件，減少用戶的操作步驟；增加停車時尋找空閑車位功能。