



關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng);共享停車;HarmonyOS;窄帶物聯(lián)網(wǎng);車位鎖
中圖分類號:TP389. 1 文獻標志碼:A 開放科學(xué)(資源服務(wù))標識碼(OSID):
文章編號:1003-3106(2024)11-2703-07
0引言
近年來我國汽車保有量高速增長。根據(jù)公安部統(tǒng)計,2022年全國機動車保有量達4. 17 億輛,其中新能源汽車保有量達1310萬輛。據(jù)《全國停車場分析報告》,雖然目前國內(nèi)已建設(shè)了超過百萬停車場,但對比龐大的汽車保有量,尚有8000萬的停車位需求缺口[1]。國家發(fā)展改革委、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、公安部、自然資源部《關(guān)于推動城市停車設(shè)施發(fā)展的意見》,明確了通過提升停車裝備技術(shù)水平,優(yōu)化停車信息系統(tǒng)管理,推廣智能化停車服務(wù)等措施來加快停車設(shè)施提質(zhì)增效[2]。中共中央、國務(wù)院印發(fā)了《擴大內(nèi)需戰(zhàn)略規(guī)劃綱要(2022—2035年)》,明確了優(yōu)化交通網(wǎng)絡(luò)布局,大力發(fā)展智慧交通的目標,強調(diào)要加強停車場等配套設(shè)施建設(shè)[3]。
城市迅猛增加的汽車保有量引發(fā)城市交通擁堵和停車難的問題,主要體現(xiàn)在:① 停車位絕對數(shù)量不足[4],現(xiàn)有的停車位資源主要包括商業(yè)區(qū)、居民小區(qū)和單位自有停車位,以及一部分路內(nèi)停車泊位等,已無法匹配快速增長的停車需求;② 缺乏“使用快捷、聯(lián)網(wǎng)敏捷”的停車資源共享與發(fā)布平臺,造成停車設(shè)施的使用效率與管理服務(wù)效率低下[5];③ 現(xiàn)有停車位大多以局域系統(tǒng)管理為主,未形成全國“一點接入、服務(wù)全國”的服務(wù)架構(gòu)與管理體系。
為深度挖掘停車資源,加速推進停車資源共享與綜合治理的有機結(jié)合,緩解停車難導(dǎo)致的交通擁堵與出行服務(wù)難題[6],共享停車系統(tǒng)成為城市交通發(fā)展和提升建設(shè)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)[7]。隨著物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IoT)技術(shù)的發(fā)展,加速驅(qū)動共享停車技術(shù)方案的實現(xiàn)與實施:一方面,IoT 技術(shù)可賦能城市停車位信息的采集、發(fā)布和維護等[8];另一方面,依托便攜式移動終端的智能化停車應(yīng)用[9],可實現(xiàn)車位信息查詢、車位預(yù)約和電子支付等服務(wù)功能集成,使用方便且推廣成本低。
在共享停車系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究方面,學(xué)術(shù)界已有較多有益探索。Zhao 等[10]提出了共享停車資源管理框架(Intelligent Parking Management System,IPMS),在其模擬環(huán)境中將預(yù)約和分配停車位視為一個排隊系統(tǒng),IPMS 可獲得最優(yōu)的管理策略。其后續(xù)研究設(shè)計了一種停車位分配的優(yōu)化算法,實驗結(jié)果反映了算法可以提高車位的利用率,進而可實現(xiàn)節(jié)能減排[11]。張青春等[12]提出了一種基于麻雀優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泊位預(yù)測方法,可高精度預(yù)測停車場剩余停車位,提高停車空間共享和分配效率。在智慧停車系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方面,慕慧娟等[13]構(gòu)建了基于云計算架構(gòu)的智慧停車場在線計量云平臺,通過在線監(jiān)測和校準模塊實現(xiàn)高效計量檢測,向公眾和監(jiān)管部門提供全面的停車服務(wù)信息。丁敏等[14]利用地磁傳感器實時感知停車位狀態(tài)變化情況,搭建了基于LoRa 的智慧停車管理平臺,促進了存量停車資源的優(yōu)化利用。由于LoRa 技術(shù)的局域組網(wǎng),現(xiàn)場組網(wǎng)需要增加基站設(shè)施,為此,文獻[15 ]利用40 個窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)基站和OneNET IoT 平臺,實現(xiàn)了4000個IoT 路燈的集中接入與控制管理,驗證了NB-IoT 相比于GSM 和CDMA 技術(shù)的增強覆蓋與連接優(yōu)勢。同時,文獻[16]以IoT 云平臺開發(fā)架構(gòu)構(gòu)建了環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),充分利用OneNET開放平臺提供的敏捷開發(fā)框架,可以有效提升新業(yè)務(wù)的集成效率,實現(xiàn)了一點接入、服務(wù)全國的服務(wù)模式驗證。
本文依托國產(chǎn)化鴻蒙操作系統(tǒng)(HarmonyOS)的多場景適配與NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋優(yōu)勢,綜合華為公司云IoT 平臺的標準化接入和端云一體化開發(fā)框架,設(shè)計并構(gòu)建了基于HarmonyOS 與NB-IoT 的城市共享停車三級系統(tǒng)架構(gòu),為不同停車位的信息采集、信息發(fā)布和共享服務(wù)提供了統(tǒng)一的開放架構(gòu)和管理平臺,可以加速共享停車服務(wù)的集成開發(fā)效率。
1城市共享停車服務(wù)體系架構(gòu)
城市交通結(jié)構(gòu)多元、場景多樣,終端接入量大,利用云IoT 平臺構(gòu)建城市共享停車服務(wù)系統(tǒng),如圖1所示,系統(tǒng)包括停車終端、云IoT 平臺和停車管理服務(wù)平臺3 個層次結(jié)構(gòu),該架構(gòu)充分發(fā)揮云IoT 平臺的統(tǒng)一接入與開放服務(wù)優(yōu)勢并實現(xiàn)了軟硬件一體協(xié)同設(shè)計。同時,為主干道、次干道以及目的停車場(位)定義了三級停車誘導(dǎo)方案,確保停車資源共享信息分發(fā)橫向到邊、縱向到底。
① 停車終端。部署在多種場景(街道路側(cè)、地下停車場和單位內(nèi)部停車場等)的停車鎖、地磁等終端設(shè)備可通過固網(wǎng)、2G/3G/4G/5G、NB-IoT、WiFi等多種網(wǎng)絡(luò)通信方式接入云IoT 平臺,設(shè)備使用MQTT、LWM2M、CoAP 和HTTP 等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,實現(xiàn)高效可靠的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)交互。
② 云IoT 平臺。云IoT 平臺作為共享停車系統(tǒng)的邊緣“小腦”,就近提供設(shè)備管理、數(shù)據(jù)處理等服務(wù),滿足業(yè)務(wù)在實時性、應(yīng)用智能、安全與隱私保護等方面的基本需求[17]。同時,云IoT 向停車管理平臺提供應(yīng)用程序接口(Application Programming In-terface,API),可快速實現(xiàn)車位狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、控制命令下發(fā)和設(shè)備管理等業(yè)務(wù)功能。考慮到共享停車系統(tǒng)的標準化與開放性設(shè)計,云IoT 平臺與城市政務(wù)云之間通過專線互聯(lián),支撐實現(xiàn)停車管理平臺對用戶信息的統(tǒng)一鑒權(quán),以及與第三方接口(或平臺)的互聯(lián)互通。
③ 停車管理平臺。停車管理平臺維護每個停車終端的共享時段和計費策略等基本信息,通過云IoT 平臺接口實時下發(fā)至各停車節(jié)點。基于地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)服務(wù),共享停車業(yè)務(wù)平臺實時發(fā)布停車位的地理位置與共享狀態(tài)信息,處于共享時間內(nèi)的停車位可用于車位預(yù)訂服務(wù)、停車應(yīng)用程序和提供路徑規(guī)劃服務(wù)等。
2模塊設(shè)計與端云一體化開發(fā)
本文將HarmonyOS與NB-IoT進行充分融合與創(chuàng)新終端設(shè)計,結(jié)合云IoT 平臺的統(tǒng)一管理,打造共享停車開放系統(tǒng),賦能城市停車市場快速發(fā)展。
HarmonyOS 作為一款全場景分布式操作系統(tǒng),其內(nèi)核可靈活植入Linux 內(nèi)核或LiteOS 內(nèi)核,通過統(tǒng)一的內(nèi)核抽象層,一方面屏蔽多內(nèi)核之間的差異,另一方面向上層提供統(tǒng)一的資源管理、進程管理等能力,促使各場景下終端的高效率開發(fā)。NB-IoT 聚焦于低功耗廣域覆蓋[18],相比GPRS 覆蓋增強提升了20 dB[19],可采取帶內(nèi)、保護帶或獨立載波3 種部署方式,與蜂窩現(xiàn)網(wǎng)共建共享。
2.1基于HarmonyOS與NB-IoT的共享停車模塊設(shè)計
以云管端的架構(gòu)思想,構(gòu)建基于HarmonyOS 與NB-IoT 的共享停車標準化終端。共享停車系統(tǒng)的模塊設(shè)計邏輯如圖2所示,根據(jù)終端承載的業(yè)務(wù)功能,將終端側(cè)與云平臺側(cè)的業(yè)務(wù)接口功能進行統(tǒng)一封裝。
終端側(cè)業(yè)務(wù)功能模塊包括:設(shè)備身份信息發(fā)放管理、發(fā)放策略配置、設(shè)備啟動引導(dǎo)和設(shè)備遷移等。設(shè)備身份信息發(fā)放管理模塊支持設(shè)備身份鑒權(quán),將設(shè)備信息發(fā)送到云IoT平臺進行合法認證;發(fā)放策略配置模塊用于發(fā)布共享停車終端的共享時段、計費策略、車位類別、狀態(tài)數(shù)據(jù)上報周期以及終端接入的目標平臺地址等,實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動下發(fā)功能;設(shè)備安全啟動引導(dǎo)模塊通過服務(wù)發(fā)現(xiàn)流程,引導(dǎo)停車節(jié)點在初次上電時獲得正確的目標平臺地址,繼而完成設(shè)備與平臺建立連接的過程;設(shè)備遷移模塊可根據(jù)業(yè)務(wù)遷移需求,支持設(shè)備更新發(fā)放信息,實現(xiàn)更改對端業(yè)務(wù)平臺的目的。
云平臺側(cè)業(yè)務(wù)功能包含設(shè)備實時狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備遠程診斷、設(shè)備聯(lián)動規(guī)則、告警管理和遠程升級(Over-the-Air,OTA)等。設(shè)備實時狀態(tài)監(jiān)控模塊主要用于終端注冊與接入鑒權(quán),以及對終端網(wǎng)絡(luò)、鎖臂等狀態(tài)進行實時監(jiān)測;設(shè)備遠程診斷模塊實現(xiàn)終端工況的云感知與周期性評估;設(shè)備聯(lián)動規(guī)則模塊用于停車區(qū)域聯(lián)合共享停車終端的協(xié)同場景的定義與個性化設(shè)計;告警管理模塊支持各類告警信息的查詢與處理進程跟蹤;OTA升級模塊通過移動通信的空中接口對終端軟件進行遠程升級和更新發(fā)布。
停車管理平臺通過Web service接口與云IoT平臺進行實時數(shù)據(jù)同步,實現(xiàn)車位信息管理與分發(fā)、車位預(yù)約和計費功能模塊。停車管理平臺將停車場相關(guān)狀態(tài)信息發(fā)布于一級、二級和三級誘導(dǎo)屏;停車APP通過停車服務(wù)平臺進行用戶認證與訪問鑒權(quán),支持車主實時瀏覽并預(yù)約目的地停車位,以及實現(xiàn)現(xiàn)場掃碼開/ 關(guān)鎖和停車費支付等。
2.2HarmonyOS應(yīng)用端云一體化開發(fā)
HarmonyOS 應(yīng)用端云一體化開發(fā)框架如圖3 所示,通過DevEco Studio 環(huán)境提供端云聯(lián)動開發(fā)的環(huán)境,開發(fā)者在創(chuàng)建工程時選擇云開發(fā)模板,即可在DevEco Studio 環(huán)境中同時完成HarmonyOS 應(yīng)用的端側(cè)和云端開發(fā),實現(xiàn)端云協(xié)同與一體化開發(fā)[20]。
端側(cè)通過共享停車的業(yè)務(wù)功能開發(fā),結(jié)合端云一體化組件即可打通與云平臺側(cè)的云函數(shù)與云數(shù)據(jù)庫接口。云函數(shù)模塊一方面將開發(fā)測試的對象聚焦到函數(shù)級別,可以簡化應(yīng)用開發(fā)與運維相關(guān)的事務(wù);另一方面通過云函數(shù)SDK,可以便捷操作云數(shù)據(jù)庫、云存儲等,提升業(yè)務(wù)功能構(gòu)建的便利性;云數(shù)據(jù)庫模塊實現(xiàn)終端數(shù)據(jù)在端云之間的實時同步與交互訪問。同時,認證服務(wù)模塊用于創(chuàng)建共享停車終端與云IoT平臺之間的用戶認證接口;云存儲模塊提供可伸縮、免維護的云端存儲服務(wù),包括終端上報的自身狀態(tài)信息、實時數(shù)據(jù)及現(xiàn)場圖片等信息。
3實驗與性能評估
本文以HarmonyOS 為終端內(nèi)核、NB-IoT 為移動通信接口完成了共享停車鎖的設(shè)計與實現(xiàn),通過云IoT平臺為數(shù)據(jù)交換中心構(gòu)建了城市共享停車服務(wù)系統(tǒng)。系統(tǒng)選用全志XR806 開發(fā)板作為共享停車鎖的主控平臺,通過HarmonyOS端云一體化開發(fā)后的業(yè)務(wù)代碼完成燒錄后,由開發(fā)板配置的電機驅(qū)動模塊電路來驅(qū)動鎖臂的升降,停車管理平臺經(jīng)云IoT平臺的設(shè)備狀態(tài)變更通知即可實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的實時更新。
3.1NB-IoT穿透覆蓋性能
城市停車場分布于地面、地下和路側(cè)等不同場景,NB-IoT 的組網(wǎng)性能直接決定了共享停車業(yè)務(wù)的可靠與有效運營。為評估基于NB-IoT 的停車鎖的通信性能,分別開展地面站點覆蓋與地下穿透覆蓋測試:地面單站覆蓋實驗部署節(jié)點在距離基站3. 5 km位置展開拉遠測試,模擬道路側(cè)停車的場景;地下穿透覆蓋測試則部署NB-IoT 節(jié)點于基站下方約95 m的地下停車場中進行實測。實驗選取了參考信號接收功率(Reference Signal Receiving Power,RSRP)以及信號干擾噪聲比(Signal to Interference Plus NoiseRatio,SINR)2 個關(guān)鍵指標。
圖4(a)為地面單站覆蓋和地下穿透覆蓋時的RSRP 性能指標的連續(xù)測試結(jié)果。地面單站覆蓋場景下,RSRP 波動為-104~-97 dBm,地下穿透測試期間的RSRP 處于-100~-82 dBm,平均值約為-89. 47 dBm。圖4(b)為地面單站覆蓋和地下穿透SINR 性能指標測試結(jié)果。地面單站覆蓋時,SINR 波動為-6 ~ 4 dB;地下穿透覆蓋時的SINR 處于5 ~ 20dB,平均值為16.33 dB。此外,NBIoT 覆蓋測試時,相比于手機GPRS 網(wǎng)絡(luò),在相同環(huán)境下拉遠和穿透測試時GPRS 網(wǎng)絡(luò)的RSRP 最低約為-95 dBm,而NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)最低RSRP 可到-120 dBm。因此,集成了NB-IoT 通信的共享停車鎖擁有更優(yōu)的深度覆蓋能力,有利于支持共享停車鎖在不同停車場景中的部署。
3.2操作系統(tǒng)線程處理性能
停車終端的線程處理性能將影響到共享停車業(yè)務(wù)的實時任務(wù)處理效率。選擇在XR806 開發(fā)板和HONOR PLAY3 手機2 個平臺,分別對比HarmonyOS與FreeRTOS、以及HarmonyOS與Android 的線程處理性能。所用的實驗平臺參數(shù)配置如表1 所示。實驗測試用例模擬云平臺下發(fā)停車指令數(shù)據(jù)(183byte),停車終端進行指令解碼后對GPIO 端口完成狀態(tài)檢查和變更并響應(yīng)指令執(zhí)行狀態(tài)的過程,用以測試停車終端的開關(guān)鎖任務(wù)線程和端云數(shù)據(jù)處理任務(wù)線程的線程調(diào)度性能。考慮到單次線程響應(yīng)時間難以高精度獲取,實驗時將測試用例運行100000000次,統(tǒng)計單次線程切換的平均時長。
基于停車終端所用的XR806 開發(fā)環(huán)境分別移植HarmonyOS 1.0.1和FreeRTOS 10.2.1,利用上述多次實驗求平均的方法,連續(xù)實驗35 組,得到單次調(diào)度時的平均線程響應(yīng)時間實測結(jié)果,如圖5所示。可以看出,FreeRTOS 作為一款代表性輕量級內(nèi)核的小型操作系統(tǒng),不具備HarmonyOS 擁有的端云協(xié)同和組件式開發(fā)框架,HarmonyOS 的線程處理時間相比FreeRTOS 約增加了2 倍。2 款操作系統(tǒng)在執(zhí)行調(diào)度任務(wù)的初期均呈現(xiàn)了一定的時延波動,如圖5(a)所示,FreeRTOS 10.2.1在第11 組開始處于穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定后的單次線程切換時延約為1.04226 μs;如圖5 (b)所示,HarmonyOS 1.0.1在第2組實驗時開始進入穩(wěn)定階段,單次線程切換時延約為3.254 77 μs。因此,HarmonyOS 和FreeRTOS 均滿足實時任務(wù)處理要求,且HarmonyOS實時任務(wù)處理可以更快進入穩(wěn)定狀態(tài)。
為評估HarmonyOS 與Android 操作系統(tǒng)的線程處理性能,選擇HONOR PLAY3 終端平臺進行實測評估。該實驗同樣開展35組,連續(xù)實驗組的單次線程平均響應(yīng)時長實測結(jié)果如圖6 所示。可以看出,HarmonyOS系統(tǒng)的時延波動為[0.454 μs,0.461 μs],平均時延為0.460 μs;Android 系統(tǒng)的時延波動為[0.505 μs,0.506 μs],平均時延為0.505 μs。因此,HarmonyOS 的線程響應(yīng)時間相較Android 有8.9% 的提升,因此HarmonyOS的實時停車任務(wù)的處理效率優(yōu)于Android 操作系統(tǒng)。
4結(jié)束語
本文采用HarmonyOS 作為NB-IoT 共享停車節(jié)點的操作系統(tǒng)、NB-IoT 為停車場的移動通信覆蓋技術(shù),基于云IoT 平臺作為共享停車三級管理與服務(wù)的中樞平臺,形成基于HarmonyOS 與NB-IoT 的城市共享停車方案及服務(wù)體系。該方案充分利用國產(chǎn)軟硬件平臺,結(jié)合云IoT 平臺提供的開放接入與服務(wù)能力,助力城市停車業(yè)務(wù)加速落地和可靠服務(wù)保障。所提系統(tǒng)架構(gòu)具有產(chǎn)業(yè)賦能優(yōu)勢,有助于深度挖掘停車共享資源,持續(xù)推進停車設(shè)施接入、停車資源共享與綜合治理的有機結(jié)合,提高城市交通運行和管理效率,提升停車資源共享工作質(zhì)效與城市交通出行服務(wù)體驗。后續(xù)工作將深入實施共享停車場景下的協(xié)同服務(wù)與系統(tǒng)構(gòu)建,充分發(fā)揮HarmonyOS的全場景原子服務(wù)特點,實施停車場和泊位動態(tài)數(shù)據(jù)以及駕車者之間的信息交互,開展實現(xiàn)城市級停車的主動引導(dǎo)與推薦服務(wù)研究并提升方案國產(chǎn)化技術(shù)應(yīng)用率。
作者簡介
都秉甲 男,(1998—),碩士研究生。主要研究方向:智慧物聯(lián)網(wǎng)與信息處理。
(*通信作者)丁 飛 男,(1981—),博士,教授。主要研究方向:智慧物聯(lián)網(wǎng)、智能計算與網(wǎng)絡(luò)等。
劉春君 女,(2000—)。主要研究方向:智慧物聯(lián)網(wǎng)與信息處理。
龔淑蕾 女,(1988—),博士,工程師。主要研究方向:物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與行業(yè)應(yīng)用、大數(shù)據(jù)分析和空間信息網(wǎng)絡(luò)。
李治良 男,(1995—),碩士。主要研究方向:智慧物聯(lián)網(wǎng)與信息處理。