反燃油車占位系統的研究

摘要：設計了一種反燃油車占位系統，該系統由具有攝像頭的車輛識別系統和反破壞智能控制地鎖組成，并采用EFM32單片機，利用圖像掩膜和基于模板匹配的OCR算法進行車牌顏色和車牌字符識別，同時設計有前后可1800彈性擺動的車位鎖搖臂，防止暴力破壞。該系統可以精確識別來車屬性，結合停車收費策略調整開放策略，防止充電車位被侵占，能夠在專用充電場站版解決方案和自由停解決方案之間切換，為城市停車位不足、燃油車占位等問題提供解決方案，促進我國新能源電動汽車的發展。

關鍵詞：電動汽車；反占位；車牌識別；停車方案

中圖分類號：U463 收稿日期：2023-02-15

1前言

電動汽車因其能耗價格低廉、乘坐舒適以及限牌限行城市可無阻通行的特殊性成為越來越多人的選擇，依托電動汽車產業鏈發展的城市更是迎來電動汽車的快速增長。當前，城市的發展和規劃策略的滯后性導致停車位供應不足，尤其是城市老城區地塊使用飽和，停車位的建設難題更為突出。

電動汽車對能源需求比燃油車小，為電動汽車提供的充電車位卻經常被燃油車侵占，在保障燃油車和電動汽車合理停車位數量占比的背景下，如何限制燃油車對充電車位的侵占，成為城市里越來越突出的問題。

目前對于燃油車占位的解決方法有法理層面和技術層面兩種：a.法理層面：依靠出臺法律規范，對燃油車占位提出懲罰性收費等處罰。b.技術層面：有中國學者提出基于智能地鎖和充電預約平臺相關聯的方案，使用智能地鎖的過程需要與充電樁的狀態保持一致，使用戶選擇充電樁的同時也選擇地鎖，保證充電樁和停車位狀態一致。用戶需要提前預約充電樁同時鎖定地鎖，使燃油車無法占用車位。但這種解決方案對臨時進場需要充電的電動車不友好，且預約到使用期間充電樁處于未利用狀態，并不適用于充電需求緊張的地區。

本文提出一種反燃油占位系統方案，利用具有攝像頭的車輛識別系統識別燃油車和電動汽車控制地鎖阻止燃油車占位。

2反燃油車占位系統的具體實施辦法

本研究團隊設計了一套采用可集成于充電樁的車牌識別相機+反破壞車位鎖系統。該系統能有效幫助城市管理者或運營商解決燃油車占位、電動汽車無法正常停車充電的這一問題，提升車主的充電體驗和充電樁利用率。該方案是在充電樁上集成安裝車牌識別相機，并在充電車位處安裝車位鎖，當遠方有車輛行駛過來，相機識別到是新能源汽車時，會自動降下車位鎖，為新能源車輛提供便捷的充電服務。

車牌識別相機支持http/tcp協議推送識別結果，配有標準開放接口，可以與充電平臺和停車場無人值守平臺無縫對接，可以實現車位狀態實時監測，進行車輛行駛軌跡跟蹤，精準判斷充電車位狀態，有效提高單樁使用效率；可以實現充電減免、超時充電收費等功能；還可以針對充電樁場景和客戶個性需求進行定制專屬方案服務。

該反占位系統車牌識別模塊可以通過攝像頭查看開向該停車位的汽車，對汽車種類進行識別分析。如圖1所示，當系統識別到燃油車進場時，地鎖保持豎立并提示“注意，禁止停放燃油車”。

車位鎖止模塊設置在停車位上，車位鎖止器與識別系統保持通信。當識別到來車為燃油車時，地鎖保持閉鎖狀態，禁止燃油車停靠。當識別來車為電動汽車或可插電式混動汽車時，地鎖會打開釋放，讓待充電汽車停靠，如圖2所示。

3識別系統的設計

汽車車牌自動識別整個過程分提取屏幕區域預處理、車牌定位、車牌識別。工作邏輯如圖3所示。

其基本工作過程如下：

a.車輛進場前，集成在充電樁內的攝像頭捕捉到動態物體，識別為汽車，車輛識別系統被喚醒，開始拍攝車輛圖像。

b.攝像頭拍攝帶有車牌的圖像，通過計算機進行預處理，在圖像預處理中，初始圖像會經過圖像轉化、圖像增強、濾波和水平校正等。

c.檢索模塊對車牌位置進行選定，分割出包含牌照字符號碼的矩形區域。

d.對牌照字符進行二值化并分割出單個字符，經歸一化后輸入字符識別系統進行識別。

e.顏色識別。這里是識別并反燃油車占位的關鍵。這里的關鍵是使用圖像掩膜，圖像掩膜是用選定的圖像、圖形或物體，對處理的圖像（全部或局部）進行遮擋，來控制圖像處理的區域或處理過程。根據不同顏色的hsv閾值取掩膜，掩膜得到的白色像素值最大的就是對應的顏色。

主要區分3種顏色的車牌：藍色、黃色和綠色。

得到的閩值如下：

lower_blue=np.array（[100，43，46]）

upper_blue=np.array（[124，255，255]）

lower_yellow=np.array（[15，55，55]）

upper_yellow=np.array（[50，255，255]）

lower_green=np.array（[0，3，116]）

upper_green=np.array（[76，211，255]）

基于上述顏色閾值使用Opencv+python編程，由計算機做圖像掩膜，識別車牌顏色。

f.車牌號碼識別。采用基于模板匹配的OCR算法進行字符識別，模板匹配的主要特點是實現簡單，當字符較規整時對字符圖像的缺損、污跡干擾適應力強且識別率相當高。綜合模板匹配的這些優點我們將其用為車牌字符識別的主要方法。基于模板匹配的OCR的基本過程是：首先對待識別字符進行二值化并將其尺寸大小縮放為字符數據庫中模板的大小；然后與所有的模板進行匹配；最后選最佳匹配作為結果。

4地鎖設計

在修建停車位時應考慮好反燃油車占位系統電路的預埋工作，該工作可與充電樁基建工作同時進行。車位鎖使用低碳合金鋼制造，采用三防設計：防撞、防壓、防水。地鎖結構圖與局部實物圖見圖4。

該車位鎖由底座、搖臂、電動機、減速機構、傳動軸、限位器以及信號模塊、控制模塊、毫米波雷達及雷達檢測模塊組成。車位鎖采用的電機和減速機構，利用力矩傳感器，配合搖臂前后1800彈性設計，當車位鎖被暴力推倒，會被力矩傳感器檢測到，并且此時超聲波雷達檢測到車位鎖上方有車輛遮擋，搖臂會被平直鎖止，與地面平行。這樣的設計使得車位鎖搖臂具有隨外力擺動的功能，不會因暴力駛入而卡住輪胎或底盤，外力解除后，擺臂會立即復位。

這樣，即使燃油汽車暴力駛入，也不會給雙方造成嚴重損害，而對燃油汽車占位的懲罰方式為高額停車計費或者聯系管理人員前來勸阻，這可以由停車場管理方靈活決策，并由集成在充電樁上的語音提示器提示車主。

5控制系統設計

本系統采用24 V直流系統供電，電源使用市電整流變壓后提供，同時配備有蓄電池，蓄電池同樣集成設計于充電樁內，在市電斷電后，系統依然可識別來車，并做出相應操作，提高安全和可靠性。

本系統采用EFM32單片機，EFM32 32位單片機是由Silicon Labs公司采用ARM Conex-M內核設計而來的高性能低功耗32位控制器，是Conex-M內核，內核的指令效率以及代碼密度比傳統的8位單片機高，尤其在算法處理方面具有比較大的優勢，這在計算車輛位置上有明顯的優勢。片上帶有1M采樣速率的12位ADC，配合PRS及DMA可以實現精準定時的采樣和數據存儲，更精確地得到返回波形的相位，使MCU具有更快地處理及響應外部事件的能力，更適合本應用方案。除此外，EFM32片上集成高達8x36的LCD驅動器，甚至支持16位RGB接口的TFr屏驅動，豐富的集成外設為不同的系統應用提供多樣性的選擇。

6軟件設計

本反燃油車占位停車管理系統的開發使用已經十分成熟的SSM框架，這樣有利于后期的迭代開發。以JsP作為停車管理系統的頁面展現，Spring MVC用來接受管理員的各類請求并進行轉發后將結果告知管理員。Spring作為全局管理者擁有對所有對象的管理權限，包括創建、銷毀和關系。當車輛進入識別區域時，相機立即啟動檢測，識別車身、車牌等車輛特征信息，全程記錄并跟蹤車輛行駛軌跡，根據車輛進入、停穩、離場的不同狀態，實時顯示車位占用空閑狀態，并生成圖片及視頻證據，將結果通過http/tcp等通信協議實時上傳客戶云端，防止燃油車占位以及新能源車短充長停。

7停車方案設計

本系統提供兩種燃油車占位解決方案。

a.專用充電場站版解決方案。

充電場站版解決方案通過車牌識別相機和智能停車場收費系統智能判斷車牌類型、新能源車輛落鎖停放、拒停燃油車和黑名單車輛。可語音提醒，或通過挪車平臺聯系車主停留時間超過充電時長，解決停車不充電、短充長停等問題，打造充電無憂、充電有位的完美體驗。

b.自由停解決方案。

自由停方案融合圖像識別技術、物聯網技術、流媒體技術、視頻監控技術，通過智能停車場收費系統調高燃油車在充電車位上的費率來解決燃油車占位問題，任何類型的車輛都可以停在充電位上，實現車輛自由停泊，保證了新能源車輛對充電位的使用權，同時提高了車位利用率，緩解停車壓力。

8結語

本文根據已有成熟車牌識別系統和車位車鎖裝置，基于機器視覺開發出一種智能反燃油車占位系統。本文的反燃油車占位系統具備的車牌識別系統能夠精確識別來車屬性，結合停車收費策略調整開放策略，能夠在專用充電場站版解決方案和自由停解決方案之間切換。該系統軟件的層面開放度高，也可施加更多模塊或策略，比如預約停車充電策略。語音提示使得該系統頗具人性化，為創建友好型城市發力。