住宅小區(qū)大型地下車庫智能燈光導(dǎo)航與用電節(jié)能系統(tǒng)

李春林 / 任勇偉 / 孫正平 / 肖 娟

1.山東黃金地產(chǎn)旅游集團(tuán)有限公司, 山東 濟(jì)南 250101 2.山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250101

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，小區(qū)地下車庫傳統(tǒng)的停車場管理系統(tǒng)變得越來越重要。傳統(tǒng)的停車場管理系統(tǒng)往往因停車刷卡造成塞車的現(xiàn)象，耽誤車主寶貴的時間。停車場內(nèi)擁有大量的照明燈具，由于聲控開關(guān)的布局和靈敏度問題，很難達(dá)到理想的效果。筆者設(shè)計的智能地下車庫燈光導(dǎo)航管理系統(tǒng)能夠解決這些問題[1]。

本文在對車庫停車管理系統(tǒng)以及車牌自動識別技術(shù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一套基于車牌識別技術(shù)的住宅小區(qū)大型地下車庫智能燈光導(dǎo)航與用電節(jié)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能為管理人員和停車用戶提供方便，大大縮短停車用戶在車庫工作區(qū)自動道閘系統(tǒng)前的等待時間，而且該系統(tǒng)可為用戶規(guī)劃好停車路徑，進(jìn)行燈光導(dǎo)航，不僅能做到能源的節(jié)約，而且為用戶停車提供方便，實現(xiàn)停車場內(nèi)的人性化停車。

2 地下車庫管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

一個智能化的小區(qū)車輛管理系統(tǒng)，不僅能夠快速、準(zhǔn)確地提供小區(qū)停車場內(nèi)實時的停車狀態(tài)，而且應(yīng)該具有對車輛來訪和離開自動登記和計費、引導(dǎo)車輛準(zhǔn)確合理停放、提高車輛停放安全性、降低運營成本并能實時進(jìn)行監(jiān)控等多項功能。本文提出的住宅小區(qū)大型地下車庫智能燈光導(dǎo)航與用電節(jié)能系統(tǒng)主要由道閘管理、燈光導(dǎo)航、車牌識別等子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 小區(qū)智能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

出入口車輛智能管理系統(tǒng)采用具有補光燈、防護(hù)罩一體的高清晰度槍式攝像機作為圖像拍攝主體，利用基于圖像處理的車牌自動識別技術(shù)，采用模式識別、電磁感應(yīng)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫等高科技技術(shù)手段，通過對車輛車牌圖像的采集和處理識別車牌，并基于數(shù)據(jù)庫與網(wǎng)絡(luò)通信獲得車輛的基本信息。該子系統(tǒng)實時監(jiān)測并記錄出入車庫的車輛信息，包括出入車輛的圖像、車牌號碼、出入口、出入時間等，并與預(yù)存數(shù)據(jù)庫中的合法車輛信息比較，確定是否放行[2]。燈光導(dǎo)航系統(tǒng)是將無線通信技術(shù)、機械電子自動化設(shè)備、數(shù)據(jù)庫技術(shù)有機結(jié)合，控制地下車庫照明系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)電節(jié)能的目的，同時保證對進(jìn)入車庫的權(quán)限車輛提供有效的燈光導(dǎo)航服務(wù)和管理。

車牌識別是全新的管理技術(shù)，也是目前最先進(jìn)、最智能化的車輛出入管理技術(shù)。車牌識別不僅可以實現(xiàn)零耗材管理、解決丟失停車憑證問題，而且可以明顯提升車輛出入效率、減輕人員的勞動強度。車牌識別技術(shù)能夠自動識別出車牌的顏色、數(shù)字、英文字母及漢字字符，使得停車場的自動管理和控制成為現(xiàn)實。車牌自動識別的基本流程是：當(dāng)車輛通過車道時，車輛觸發(fā)地感線圈，攝像機拍攝照片送至出入口工作站計算機，出入口工作站檢出車牌區(qū)域，然后識別出車牌，將識別結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫[3]。由于車牌識別技術(shù)目前的研究已相當(dāng)成熟，本文不再對車牌識別子系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)描述。

3 出入口管理系統(tǒng)

出入口管理系統(tǒng)主要由攝像頭、地感線圈、圖像采集板卡、道閘及其控制器和工控機組成，如圖2所示。

圖2 出入管理系統(tǒng)示意圖

3.1 車輛入場管理

車輛駛?cè)胲嚺茢z像機抓拍區(qū)域，觸發(fā)地感線圈，車輛檢測線路發(fā)送信號至圖像采集控制部分，攝像機自動抓拍車輛的圖像并代用車牌識別程序識別出車牌號，然后通過檢索數(shù)據(jù)庫得出車輛類別、車位及車位路徑信息。如果有空余車位或該車為已錄入車牌信息的常駐車輛，則自動放行，同時記錄入場時間[4]。啟動燈光導(dǎo)航系統(tǒng)，依據(jù)從數(shù)據(jù)庫中獲取的車位路徑信息，依次打開路徑上的相應(yīng)燈具，引導(dǎo)車輛進(jìn)入自己的車位，以達(dá)到導(dǎo)航的目的。通過運動傳感器獲取車輛行駛的真實路徑以及真實停放位置。整個過程自動完成，無需人工干預(yù)，并且在該過程中車輛可一直處于低速行駛狀態(tài)，無需停車重啟。

3.2 車輛出場管理

車輛離開車位時，觸發(fā)運動傳感器，系統(tǒng)根據(jù)多傳感器綜合信息判斷出駛離車輛的信息，從而得到車輛駛離路徑信息。啟動燈光導(dǎo)航系統(tǒng)，依據(jù)從數(shù)據(jù)庫中獲取的駛離車位路徑信息，依次打開路徑上的相應(yīng)燈具，引導(dǎo)車輛到達(dá)相應(yīng)出口。車輛到達(dá)出口，系統(tǒng)根據(jù)車牌號判斷是否直接放行，如不能直接放行則計算停車費用，收取費用后放行。

3.3 出入口管理程序設(shè)計

車場管理系統(tǒng)中視頻采集卡的選擇非常重要，主要考慮以下幾點：

1)單張視頻卡支持同時采集視頻的路數(shù)。

2)視頻卡硬件壓縮速度。

3)視頻卡是否支持二次開發(fā)，SDK編程接口是否方便。

4)視頻卡能提供的視頻壓縮格式[5]。

系統(tǒng)程序流程如圖3所示。

圖3 出入管理系統(tǒng)程序流程圖

4 燈光導(dǎo)航系統(tǒng)

小區(qū)路上和停車場內(nèi)安裝燈光控制器，本文針對一個照明燈具配有一個智能燈光控制器的情形進(jìn)行研究。智能燈光控制器包括運動傳感器、燈光控制節(jié)點、無線通信、溫濕度采集模塊、光強檢測模塊、CO檢測模塊、車位使用檢測模塊等，其組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)設(shè)計框架

運動傳感器判斷車輛的位置和行進(jìn)方向等信息，智能燈光控制節(jié)點控制著照明燈具的亮滅，無線通信模塊負(fù)責(zé)燈光控制器與總控系統(tǒng)之間的通信[6]。

車庫的照明燈具平時全部處于關(guān)閉狀態(tài)。有車輛到達(dá)車庫入口時，攝像頭拍攝車牌圖像，通過車牌號碼判斷是否具有進(jìn)入權(quán)限，道閘自動開啟。該車輛入場時間等信息記入數(shù)據(jù)庫，同時從數(shù)據(jù)庫中提取出該車輛的車位位置、住宅位置信息，根據(jù)車庫照明系統(tǒng)的布置情況，規(guī)劃出該車進(jìn)入車庫后的正確行駛路徑，以及駕駛員下車后步行回家的路徑，并依次開啟相應(yīng)的燈光作為導(dǎo)航。主控制器通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)出控制命令，依此打開該路徑上的所有照明燈具，引導(dǎo)車輛沿正確路線行駛。

本部分的功能描述采用線性時序邏輯進(jìn)行LTL描述。線性時序邏輯使用原子命題變元p、q構(gòu)成線性時序邏輯公式，或者由布爾運算符∨、∧、┓或時序操作符◇、□、○、∪、ω等連接形成新的復(fù)合公式，用以描述系統(tǒng)性質(zhì)[7-8]。

4.1 車輛按照規(guī)劃的路徑行駛

車輛按照規(guī)劃好的導(dǎo)航路徑行駛，此時該路徑上的燈具已經(jīng)打開。車庫中的運動傳感器實時判斷車輛的當(dāng)前位置，車輛駛過之后路徑上的燈具自動熄滅。其過程描述如圖5所示[9]。

圖5 規(guī)劃路徑上燈具控制過程

其中，m1表示傳感器檢測到車輛或人離開的運動信息,m2表示啟動燈光控制器，m3表示控制器關(guān)閉燈具。當(dāng)運動傳感器檢測到車或人的運動信息后，必存在某一時刻，有主控制器控制打開的燈具自動關(guān)閉。使用線性時序邏輯描述可形式化表示為:運動傳感器檢測到車輛離開的消息m1，(Car R1∧m1→○Sensor S1)；傳感器發(fā)送信息m2到智能控制節(jié)點，(Sensor S1∧m2→○Control C1)；由于此時燈具已打開，控制節(jié)點發(fā)送消息m3至燈具，在滿足時間約束條件后，關(guān)閉燈具，(Control C2∧m2→○Light L1)。

4.2 車輛未按照規(guī)劃的路徑行駛

如果車輛未按規(guī)劃路徑行駛，運動傳感器判斷出車輛位置后，會將車輛附近的照明燈具打開，為車輛行駛提供方便。同樣車輛駛過之后，關(guān)閉這些燈具。過程描述如圖6[9]。

圖6 非規(guī)劃路徑上燈具控制過程

其中，m1表示傳感器檢測到車輛或人靠近的運動信息,m2表示啟動燈光控制器，m3表示控制器打開燈具，m4表示傳感器檢測到車輛或人離開的運動信息,m5表示啟動燈光控制器，m6表示控制器關(guān)閉燈具。當(dāng)運動傳感器檢測到車或人靠近的運動信息后，必存在某一時刻,燈光控制器控制打開燈具；當(dāng)運動傳感器檢測到車或人離開的運動信息后，必存在某一時刻,燈光控制器控制關(guān)閉燈具。該過程用線性時序邏輯描述如下：運動傳感器檢測到車輛靠近的消息m1，(Car R1∧m1→○Sensor S1)；傳感器發(fā)送信息m2到智能控制節(jié)點，(Sensor S1∧m2→○Control C1)；控制節(jié)點發(fā)送消息m3至燈具，在滿足時間約束條件后，打開燈具，(Control C2∧m2→○Light L1)；車輛駛離時，運動傳感器檢測到車輛離開的消息m4，(Car R2∧m1→○Sensor S2)；傳感器發(fā)送信息m5到智能控制節(jié)點，(Sensor S2∧m5→○Control C3)；控制節(jié)點發(fā)送消息m6至燈具，在滿足時間約束條件后，將燈具關(guān)閉，(Control C4∧m6→○Light L2)。

車輛到達(dá)十字路口時，對燈具的控制可引入概率轉(zhuǎn)移矩陣。在統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，得到車輛在各路口的概率轉(zhuǎn)移矩陣，由主控機控制將車輛轉(zhuǎn)向概率最大的方向上的燈具打開。

另外，車輛駛離車位時，系統(tǒng)根據(jù)運動控制器的信息可獲得駛離車輛信息，啟動燈光導(dǎo)航系統(tǒng)，依次打開相應(yīng)燈光，引導(dǎo)車輛正確到達(dá)出口。

5 結(jié)束語

本文針對住宅小區(qū)內(nèi)私家車越來越多的情況提出了一套小區(qū)地下停車場的智能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)節(jié)省了住戶在欄桿前的等待時間，為住戶停車提供燈光導(dǎo)航服務(wù)，節(jié)約能源。實際使用過程中，天氣和攝像機角度對車牌識別的結(jié)果存在影響，可在后續(xù)開發(fā)中優(yōu)化算法，使之受環(huán)境影響繼續(xù)降低。對車輛的燈光導(dǎo)航，可以進(jìn)一步研究，探索動態(tài)規(guī)劃方法。為減少成本，可以考慮一個控制器控制幾個照明燈具。

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