智能停車系統的設計及實現研究

摘要：為進一步解決“停車難”的現實問題，圍繞一種實用智能停車管理系統的主要功能及系統構架，結合智能停車的實際過程，從全局考慮把智能停車場停車誘導系統、車位預定、不規范停車監測等系統綜合起來，實現以最佳方式共同開發一個比較完善的體系，以期為智能停車系統的實際應用提供必要的理論指導。

關鍵詞：智能停車系統；系統設計；系統監測

中圖分類號：U462 收稿日期：2023-05-18

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.10.023

1 系統整體架構設計

近年來，隨著各地機動車保有量的進一步提升，“停車難”的問題也愈發凸顯。本文通過對相關停車場管理方和部分機動車駕駛人的調研，確定智能停車系統的工作重點需解決以下幾方面的問題：a.該系統應當與地圖導航和實時交通路況等應用程序相關聯，擴大信息覆蓋范圍；b.應當實現車位預訂功能，從數據庫中找到此車位的最短路徑以及相關交叉口的指示信息，引導駕駛員到達該目標車位，此時釋放車位鎖，避免出現以往的車位占用等問題；c.系統應當能夠對停車不規范問題進行有效監控識別和提示，以解決停車不規范帶來的交通擁堵問題[1-2]。

基于以上需求，確定本次智能停車系統的整體架構如圖1所示。該系統采用四層架構設計，自上而下分別為用戶應用層、云端服務器層、通信層和智能監測終端層。其中，用戶應用層主要通過移動終端顯示車位信息數據，并向用戶提供停車業務辦理。云端服務器層主要用于接收和存儲車位信息數據，并與用戶應用層進行數據對接。通信層采用NB-IoT通信模塊，通過物聯網技術建立服務器和移動終端之間的連接，實現數據信息的傳輸。終端層則負責數據收集，通過STM32芯片、GPS模塊和圖像識別等，進行數據的檢測與反饋。

2 停車誘導系統功能模塊設計

為提升停車誘導系統的覆蓋范圍，使之與地圖導航、實時交通等應用程序相關聯，本次以“車路協同”的理念入手，對停車誘導系統的信息架構進行設計，參考已有研究資料，本次設計工作中，確定在該信息架構下，停車場實體擁有ID、經度、緯度、類型、總車位數、收費和所屬聚類等屬性，以用于計算停車場的初始服務能力與空間關系。此外，停車場實體還擁有包括可用車位數、采集時間屬性的采集數據實體，以用于對缺失的停車場可用車位數據進行修復與各停車場實時服務能力的量化。同時，道路實體則包括地圖網站上的坐標信息、道路類型、幾何形狀等屬性。基于這些內容，本次應用PostgreSQL數據庫，分別設計停車場靜態信息表、停車場動態信息表與道路信息表，將其與服務器相對接，以實現停車誘導系統的拓展。該功能模塊的結構如圖2所示。

為進一步提升停車誘導系統的決策能力，本次研究將停車系統及其相關路網作為一個整體進行分析，因其涉及多個關系復雜的物理實體，故采用基于復雜網絡的系統拓撲結構進行建模，并使用吸引力模型對拓撲結構中各個節點之間的連接權重進行評估，該連接權重值決定行駛路線，即行駛路線始終按照連接權重值最高的路徑進行，以確保到達停車位的路徑始終為最短。

參考上述內容，該拓撲結構采用有向加權網絡模型進行設計，并應用Infomap社區發現算法對系統中的節點進行聚類。在聚類過程中，首先采集一段車輛在路網上的隨機行進軌跡，假設車輛從節點j出發，則根據其轉移概率選擇下一節點i，重復此方式選擇下一節點即可得到一段隨機游走軌跡。其次，在得到隨機游走軌跡后，按照隨機游走軌跡中各節點被訪問的頻數為順序，依次嘗試將每個節點賦給相鄰節點所在的子網絡，如果對應的平均每步編碼長度均沒有下降，則該節點所屬的子網絡不變，否則將該節點賦給平均每步編碼長度下降最大的子網絡。重復該步驟直到平均每步編碼長度無法繼續優化為止，此時即可將駕駛人的規劃行進路徑壓縮至最低水平[3]。

3 車位預訂功能模塊的設計

為解決停車位被隨意占據的情況，本次設計基于“車位預訂”的理念，對停車場預訂導引功能進行設計。

a.設計智能車位導引的硬件部分，在硬件部分設計中，其整體思路如下：在停車場內部鋪設若干個車位信息集線器，以及每個車位鋪設磁阻傳感器，同時停車場過道每隔６～８ m鋪設一塊磁阻傳感器。每個車位信息集線器控制14個車位處和過道處磁阻傳感器進行磁通量數據的采集。車位信息集線器連接485數傳電臺。在停車場主控室內放置一塊車位信息集總器，車位信息集總器一端連接485數傳電臺，接收集線器傳輸的數據，另一端通過RS232串口與停車場服務器通信[4]。

b.對智能車位導引的軟件部分進行設計。結合實際需要，智能車位導引的軟件部分主要分為兩部分，分別為應用在單片機和ARM芯片中的嵌入式軟件和使用C#語言在Visual Studio 2019平臺下編寫停車場服務器中的云端數據提交軟件。嵌入式軟件主要是以C語言為開發環境，在keil μVision4平臺下編寫。運行于車位信息集線器和車位信息集總器中，主要負責數據采集、處理以及通信。基于此，一方面，設計人員通過keil μVision4軟件并使用C語言編寫嵌入式程序，程序內容則包括單片機傳感器采集函數、單片機采集數據處理函數、串口初始化函數、串口發送程序等部分。另一方面，設計人員應用C#語言對數據提交環節進行設計，包括應用MSComm通信控件編寫串口通信程序等內容，實現數據提交的需要[5]。

c.為確保車位的高效率利用，在已有的設計基礎上進一步增設基于共享理念的車位預訂控制策略。該功能以隨機動態規劃模型為基礎加以進行，并采用PRBD-D模型進行設計，該模型的算法步驟如下：①對參數進行初始化處理，包括預定周期、服務周期、預訂到達率、臨時需求到達率、臨時供給到達率和合同供給；②放松整數約束條件，對PRBD-D模型進行求解，得到初始的最優解，并對其進行取整數操作；③當預定周期t所對應的預定狀態為X時，參考已設置的參數的邊界條件，進行迭代計算，實現對初始最優解的更新，直至滿足實際需要為止。

d.為避免其他車輛對預定車位的占用，針對智能地鎖進行設計。參考已有研究文獻，智能地鎖硬件設計方面主要包括5個部分，分別為MCU模塊、NB模塊、藍牙模塊、外部傳感器模塊和電機驅動模塊。

基于該模塊的連接架構在運行過程中，當停車場管理系統接收到駕駛人APP端傳輸的信息后，將信息傳輸至NB模塊當中，再由NB模塊通過IoT通信模式將信息傳輸至MCU。MCU接收到指令后，向電機驅動模塊發出指令，實現電機驅動模塊的正轉或反轉，以實現地鎖的開關[6]。

4 不規范停車識別功能設計

a.車牌識別模組的設計。硬件部分采用OV7670攝像頭模塊，對車輛的車牌信息進行拍攝和信息上傳，軟件部分則采用邊緣檢測算法，應用攝像頭獲取的信息進行識別。在這一過程中，為兼顧地下停車場光線不足，根據頂帽變換和底帽變換公式來增強圖片的對比度，獲得對比度增強后的圖像enhanced（g），公式如下：

在此基礎上，進一步采用Sobel算子，面向對比度增強后的圖像進行水平差分處理，加上高斯平滑和二值化操作，以提高圖像的識別精度。

b.對車輛是否準確入位進行檢測，采用Retinanet作為基礎算法，并應用其中的backbone和anchor兩類函數對檢測數據進行優化，同時應用CIoU作為損失函數，由此得到該算法的公式如下：

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

根據該算法流程，使用C語言編寫檢測算法并存入系統服務器中完成該功能模塊的設計。

5 用戶端應用程序設計

在本次系統設計工作中，用戶端應用程序主要分為三個模塊，分別為車輛位置信息與采集到的停車場信息上傳、停車場信息服務以及停車引導服務。其中信息上傳模塊位于應用后臺，駕駛人可通過用戶端應用程序界面發出相應指令，進行功能模塊的選取。具體設計則分為以下三個部分：

a.車輛位置信息與采集到的停車場信息上傳部分的設計。在該部分的設計工作中，其主要通過XML文檔形式對相關信息進行上傳。

b.停車場信息服務部分，該部分主要通過調用地圖類軟件的數據接口加以實現。

c.停車引導服務部分，其主要通過地圖數據的要素服務與網絡分析服務加以實現，并通過超鏈接的方式，將相關信息共享到用戶端應用程序。

基于以上幾個部分，采用基于Android平臺開發APP，并編寫相應代碼實現用戶信息注冊、車牌綁定、目的地車位信息查詢、導航、移動支付等功能。其中，導航功能引用了某地圖APP的API函數，移動支付功能引用了當前常用支付軟件的支付接口API函數，以實現應用環節的快捷化與智能化。

6 模擬應用測試

在本次智能停車系統應用完成后，為初步測試其應用效果，對其主要功能指標進行測試，并引入傳統模式下的智能停車系統進行對比，主要測試指標及結果如表1所示。

根據表1中的數據對比結果可知，本次設計的智能停車系統在各項主要測試指標方面均具備優勢，表明該系統的設計工作取得初步成功。

7 結語

整體來看，在本次研究工作中，從全局考慮把智能停車場停車誘導系統、車位預定、不規范停車監測等系統綜合起來，實現以最佳方式共同開發一個比較完善的體系，以此實現智能停車系統的設計與實現。從初步測試分析可知，由于各個系統功能模塊的優勢得到了充分整合，因此其在解決停車問題方面也將發揮出更高優勢，其具體應用效果則需要在后續的工作中逐步予以驗證。

參考文獻：

[1]李濟平.基于區塊鏈的智能停車系統設計與開發[D].南京：南京郵電大學，2022.

[2]孔德財，崔杰，湯怡，等.智能停車系統研究綜述[J].物流工程與管理，2022，44（09）：109-111+108.

[3]王良彬，丘昌鑫，李佳.智能停車系統的設計與實現[J].科技創新與應用，2022，12（23）：44-48.

[4]張海龍.基于RFID技術的城市聯網智能停車系統設計和實現[J].信息記錄材料，2022，23（6）：240-242.

[5]胡寶玲，甄力，孫偉.智慧城市背景下基于動態資源分配的智能停車系統研究[J].信息與電腦（理論版），2022，34（4）：4-6.

[6]翟維，肖軍，郭遠超，等.基于RFID和WSN的新型物聯網智能停車系統[J].微型電腦應用，2022，38（1）：27-29.

作者簡介：

孫偉，女，1978年生，講師，研究方向為電子、智能產品及自動控制。