云平臺(tái)與物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同的城市智能停車場(chǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳 軍

（南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210094）

0 引 言

智能停車管理系統(tǒng)[1]是利用計(jì)算機(jī)管理控制的車輛全自動(dòng)化、一體化管理系統(tǒng)。智能設(shè)備感應(yīng)進(jìn)出車輛信息，并對(duì)信息進(jìn)行計(jì)算、處理、存儲(chǔ)和傳送，將其轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)能夠區(qū)分和判斷的數(shù)據(jù)，通過(guò)字符顯示和語(yǔ)音播報(bào)傳達(dá)出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)停車場(chǎng)智能收費(fèi)、車輛智能管理等目的[2]。當(dāng)前，我國(guó)智能停車場(chǎng)設(shè)備的市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)到50億，且以20%的速度增長(zhǎng)，但停車位和停車場(chǎng)的數(shù)量極為缺乏，且緊缺趨勢(shì)不斷加速，城市停車供需矛盾日益加劇。因此，停車場(chǎng)的高效利用與智能化管理，已成為城市發(fā)展、民生保障刻不容緩的重大需求。

作為共享資源，智能停車場(chǎng)在物理空間上的實(shí)現(xiàn)可在較大程度上緩解停車位緊張、尋車?yán)щy、通行速度慢以及單一付費(fèi)手段等問(wèn)題，滿足人們對(duì)智能停車的日益人性化增長(zhǎng)需求。智能停車場(chǎng)在管理理念上的實(shí)現(xiàn)，可有效避免現(xiàn)金交易，保證車輛安全，促進(jìn)車位的有效利用，有效維持停車場(chǎng)秩序。在國(guó)家政策扶持下，智能停車場(chǎng)技術(shù)正逐漸突破，北京、上海、廣州等特大城市的智能停車管理系統(tǒng)已逐漸應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)智能停車場(chǎng)系統(tǒng)普遍采用IC/RFID射頻技術(shù)[3-4]實(shí)現(xiàn)汽車出場(chǎng)、離場(chǎng)及收費(fèi)，在效率、成本和效果上仍有提升空間。基于視頻車牌識(shí)別技術(shù)的智能停車場(chǎng)成為新的發(fā)展方向，但僅依靠視頻的解決方案受圖像處理技術(shù)制約，在光照改變條件下的識(shí)別準(zhǔn)確率和系統(tǒng)穩(wěn)定性方面仍存在偶發(fā)問(wèn)題。特別是無(wú)人值守停車場(chǎng)，一旦識(shí)別失敗，系統(tǒng)的自校正、自適應(yīng)技術(shù)未完全達(dá)到智能化水平。國(guó)外的智能停車場(chǎng)技術(shù)方面，美國(guó)城市注重商業(yè)和生活住宅區(qū)的停車位規(guī)劃建設(shè)和科學(xué)化管理，設(shè)計(jì)過(guò)程充分考慮貨車周轉(zhuǎn)空間、客車流量以及緊急時(shí)刻的快捷疏散通道空間。法國(guó)里昂開發(fā)了基于交通路況、交通信號(hào)、緊急救護(hù)的系統(tǒng)算法，并賦予系統(tǒng)“學(xué)習(xí)”能力，用于城市智慧停車的管理。瑞典斯德哥爾摩通過(guò)在道路設(shè)置監(jiān)視器，利用RFID、Laser掃描以及自動(dòng)感應(yīng)拍照技術(shù)自動(dòng)識(shí)別車輛，使交通擁堵降低了1/4。同時(shí)，國(guó)外“網(wǎng)上停車”理念發(fā)揮了互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢(shì)，拓展了停車場(chǎng)靈活度和系統(tǒng)使用效率，即實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守全自動(dòng)作業(yè)，也實(shí)現(xiàn)了停車場(chǎng)信息查看，并支持預(yù)約車位和提前付款。

本文利用互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)、車牌識(shí)別技術(shù)以及ARM嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能停車管理，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的整體軟件、硬件架構(gòu)，并采用灰度化和Ostu二值化識(shí)別圖像處理和模板匹配，選用Dubbo云平臺(tái)框架和MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行信息匹配和存儲(chǔ)，開發(fā)了車牌識(shí)別與道閘聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)和智能停車場(chǎng)管理系統(tǒng)軟件，并對(duì)該車場(chǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

智能停車場(chǎng)系統(tǒng)主要采用基于ARM嵌入式技術(shù)、基于Opencv的車牌圖像識(shí)別技術(shù)、基于4G無(wú)線通信的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線地磁感應(yīng)系統(tǒng)、LED信息顯示、語(yǔ)音播報(bào)模塊、云平臺(tái)管理系統(tǒng)和道閘聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)[5]等。智能停車硬件系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 智能停車硬件系統(tǒng)分析圖

智能區(qū)內(nèi)停車在空間結(jié)構(gòu)上主要分為入口控制管理、場(chǎng)內(nèi)停車位車輛管理和出口控制管理3個(gè)部分。道匝出、入口管理由無(wú)線地磁感應(yīng)系統(tǒng)、攝像采集系統(tǒng)、車牌圖像識(shí)別模塊、語(yǔ)音提示、LED電子屏信息顯示、無(wú)線通信數(shù)據(jù)傳輸[6-7]和道閘系統(tǒng)7個(gè)部分組成。出、入口車輛進(jìn)出流程圖和系統(tǒng)邏輯流程圖，分別如圖2和圖3所示。

圖2 出、入口車輛進(jìn)出流程圖

場(chǎng)內(nèi)停車車位管理系統(tǒng)主要由攝像采集模塊、車牌識(shí)別模塊、無(wú)線通信傳輸模塊以及道閘模塊構(gòu)成，作用是解決區(qū)內(nèi)固定車位與非固定車位的場(chǎng)中場(chǎng)收費(fèi)問(wèn)題。

車輛進(jìn)出停車場(chǎng)及?？寇囄粫r(shí)的具體過(guò)程如下。

（1）入口處。車輛行至道閘前一定范圍時(shí)，地磁傳感器利用鎳鐵磁合金的磁阻效應(yīng)[8]感應(yīng)到外部磁場(chǎng)的變化，判斷車輛是否經(jīng)過(guò)。同時(shí)，攝像機(jī)啟動(dòng)抓拍所來(lái)車輛的車牌信息，基于ARM主控系統(tǒng)對(duì)車牌信息識(shí)別后上傳至后臺(tái)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，并與區(qū)內(nèi)業(yè)主信息庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，判斷是否為內(nèi)部車輛以及所屬停車套餐類型；LED顯示駛?cè)胲囕v車牌信息和時(shí)間；語(yǔ)音播報(bào)模塊進(jìn)行播報(bào)；道閘系統(tǒng)啟動(dòng)，道閘抬起并在云平臺(tái)記錄該車輛的進(jìn)入時(shí)間，車輛完全越過(guò)道閘后，觸發(fā)第二道地磁傳感器，道閘落下完成一次車輛入場(chǎng)，車位管理模塊余位數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化。

圖3 硬件系統(tǒng)工作流程圖

（2）場(chǎng)內(nèi)停車位。停車場(chǎng)內(nèi)的停車位包括流動(dòng)車位和固定車位，而流動(dòng)車位又包括非固定車位和固定車位。流動(dòng)車位不設(shè)置道閘系統(tǒng)，車輛進(jìn)入流動(dòng)車位計(jì)費(fèi)方式以零計(jì)時(shí)收費(fèi)。固定車位設(shè)置二次道閘系統(tǒng)、地磁感應(yīng)系統(tǒng)和車牌識(shí)別系統(tǒng)，車輛進(jìn)入固定車位采用對(duì)應(yīng)的計(jì)費(fèi)規(guī)則收費(fèi)。車場(chǎng)端是基于ARM作為主控器的硬件盒子完成各部分傳感器的信息收集、處理、傳送云平臺(tái)服務(wù)器以及命令的發(fā)送等任務(wù)。車輛進(jìn)入?yún)^(qū)內(nèi)尋找車位時(shí)，車輛選擇進(jìn)入固定車位與入口進(jìn)場(chǎng)的流程相同。此時(shí)，云平臺(tái)記錄該車輛進(jìn)入固定車位的時(shí)間，同時(shí)駛離固定車位時(shí)云平臺(tái)記錄離開時(shí)間。

（3）出口處。區(qū)內(nèi)有多個(gè)出口，出口處的云終端設(shè)有編號(hào)，車輛進(jìn)入某個(gè)出口地磁傳感器的感應(yīng)范圍內(nèi)，攝像頭啟動(dòng)抓拍車牌號(hào)碼，并上傳云平臺(tái)車輛信息記錄時(shí)間與入口采集的車牌信息對(duì)比，分情況計(jì)算停留時(shí)間。如果車主辦理包月或包年套餐，則LED顯示有效截止日期；若未辦理此業(yè)務(wù)，則按照記錄時(shí)間計(jì)算停車費(fèi)。LED顯示停車時(shí)間、停車費(fèi)用以及停車場(chǎng)的停車余位數(shù)，同時(shí)語(yǔ)音系統(tǒng)進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，道閘自動(dòng)升起。若車主辦理儲(chǔ)存卡業(yè)務(wù)，則LED顯示停車時(shí)間、消費(fèi)金額、卡內(nèi)余額以及區(qū)內(nèi)停車余位數(shù)，同時(shí)語(yǔ)音進(jìn)行播報(bào)。

（4）車位信息管理。由于區(qū)內(nèi)車位分為流動(dòng)車位和固定車位，目前的車位管理主要依靠園區(qū)內(nèi)的物業(yè)管理人員進(jìn)行巡查。為節(jié)約人力物力，車位管理系統(tǒng)主要顯示固定車位的位置和車位余數(shù)、流動(dòng)車位的車位余數(shù)，用以停車位導(dǎo)航，從而節(jié)約車主的尋找車位和停車時(shí)間，提供人性化交互服務(wù)。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

城市停車場(chǎng)日益復(fù)雜和多樣化的提車需求，對(duì)軟件系統(tǒng)和管理策略均提出了更高的要求。除通用管理程序外，制定個(gè)性化和定制化的停車管理模式是本領(lǐng)域面臨的首要問(wèn)題。本停車場(chǎng)管理云平臺(tái)功能方案的基本框架設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)信息維護(hù)等管理、停車場(chǎng)個(gè)性化定制信息管理、計(jì)時(shí)與收費(fèi)方案管理和車位綜合信息管理，所設(shè)計(jì)方案與停車場(chǎng)移動(dòng)終端硬件系統(tǒng)協(xié)同使用，從而提升停車場(chǎng)的管理效率。主要功能模塊如圖4所示。

云平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，能接受并處理車場(chǎng)端和移動(dòng)客戶端、Web站點(diǎn)以及第三方服務(wù)發(fā)送的請(qǐng)求。APP-server和Web-server會(huì)把請(qǐng)求發(fā)送到服務(wù)監(jiān)管中心，由服務(wù)監(jiān)管中心處理后返回結(jié)果。系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境為Java平臺(tái)[9-10]，運(yùn)行平臺(tái)為Web瀏覽器在線運(yùn)行。停車場(chǎng)移動(dòng)端開發(fā)環(huán)境為IOS和Android平臺(tái)，運(yùn)行環(huán)境為IOS系統(tǒng)和Android系統(tǒng)手機(jī)。

系統(tǒng)采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)記錄每輛車的信息以及車輛進(jìn)出停車場(chǎng)報(bào)表統(tǒng)計(jì)。通過(guò)攝像頭將車輛信息傳輸?shù)皆破脚_(tái)，同時(shí)進(jìn)行計(jì)時(shí)計(jì)費(fèi)，無(wú)需人工操作以達(dá)到無(wú)人值守入場(chǎng)。車輛出車場(chǎng)時(shí)由計(jì)費(fèi)系統(tǒng)計(jì)算，并支付停車款。黑名單用戶在門閘處識(shí)別后，禁止其進(jìn)入并通報(bào)后臺(tái)管理人員。

在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，本系統(tǒng)充分考慮目前停車場(chǎng)大型化和集約化發(fā)展趨勢(shì)，考慮了車輛一進(jìn)多出的現(xiàn)狀，同時(shí)為將來(lái)的擴(kuò)展留下冗余發(fā)展空間。制定的數(shù)據(jù)庫(kù)車位信息如表1所示。

圖4 系統(tǒng)軟件主要功能模塊設(shè)計(jì)圖

表1 數(shù)據(jù)庫(kù)車位信息表構(gòu)建關(guān)鍵詞列表

2 系統(tǒng)應(yīng)用及分析

本系統(tǒng)軟件的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境：操作系統(tǒng)采用Windows 7系統(tǒng)；應(yīng)用服務(wù)軟件采用WebSphere和Tomcat 5.5；數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL；測(cè)試客戶端為SAMSUNG；主要測(cè)試工具為L(zhǎng)oadRunner。硬件系統(tǒng)通過(guò)LAN方式接入服務(wù)器系統(tǒng)，達(dá)到系統(tǒng)軟硬件的功能級(jí)實(shí)現(xiàn)。

考慮到車場(chǎng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中由于高峰時(shí)間段存在多用戶并發(fā)壓力，同時(shí)模擬了100項(xiàng)并發(fā)用戶數(shù)，通過(guò)觀測(cè)系統(tǒng)平均響應(yīng)時(shí)間和操作核心業(yè)務(wù)流的平均響應(yīng)時(shí)間收集相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)。

本次測(cè)試實(shí)驗(yàn)采用移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商提供的LAN（帶寬100 M）環(huán)境，高帶寬可以消除網(wǎng)絡(luò)速度的限制和外部網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性，測(cè)試實(shí)驗(yàn)參考模擬情況。構(gòu)建系統(tǒng)的新增車場(chǎng)、新增車輛以及分時(shí)收費(fèi)管理系統(tǒng)設(shè)置界面，如圖5所示。上述系統(tǒng)設(shè)置是必須選項(xiàng)，以實(shí)現(xiàn)本地所屬停車場(chǎng)的自主管理和多停車場(chǎng)協(xié)同的云端管理。系統(tǒng)錄入后保存信息，成為系統(tǒng)使用前置條件。

對(duì)于云端和智能終端的整體協(xié)調(diào)和測(cè)試，通過(guò)構(gòu)建云端測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，如圖6所示。模塊化菜單的生成，對(duì)于車場(chǎng)管理員、云端管理員具有界面友好、功能完善的特點(diǎn)。無(wú)論是云端和車場(chǎng)端，工作人員均可實(shí)現(xiàn)信息的查詢、增減、收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)制定和查詢等系列功能，克服了傳統(tǒng)停車場(chǎng)依靠讀取計(jì)時(shí)卡、人工錄入以及車牌識(shí)別不準(zhǔn)的問(wèn)題，提高了系統(tǒng)管理的效率和車主使用的體驗(yàn)感。同時(shí)，云端數(shù)據(jù)的有效收集和報(bào)表，較大程度上杜絕了停車場(chǎng)因人為收費(fèi)和干預(yù)產(chǎn)生的計(jì)時(shí)收費(fèi)的“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象，為業(yè)主管理提供了更大的便利和監(jiān)管力度。

局域系統(tǒng)級(jí)上，對(duì)并發(fā)多用戶進(jìn)行系統(tǒng)承受測(cè)試，采用200組并發(fā)用戶模擬系統(tǒng)性能。測(cè)試操作過(guò)程順利，服務(wù)器負(fù)載在多并發(fā)用戶使用中未出現(xiàn)延遲現(xiàn)象，平均服務(wù)器響應(yīng)事件時(shí)間為6 s，需添加2～3 s的系統(tǒng)冗余思考時(shí)間，這與現(xiàn)實(shí)操作情況更匹配。按8 s響應(yīng)時(shí)間計(jì)算，客戶滿意度調(diào)查中，使用方完全接受新系統(tǒng)效率，說(shuō)明本系統(tǒng)具備使用化水平。

系統(tǒng)整體測(cè)試結(jié)果表明：本系統(tǒng)的響應(yīng)速度較快，用戶體驗(yàn)感極佳，但存在首頁(yè)訪問(wèn)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)的弊端。究其原因，在于首頁(yè)中存在的功能和操作動(dòng)作過(guò)多，當(dāng)訪問(wèn)量超過(guò)系統(tǒng)的承受范圍時(shí)，將會(huì)對(duì)系統(tǒng)的性能提出挑戰(zhàn)。此外，本設(shè)計(jì)方案采用運(yùn)營(yíng)商提供網(wǎng)絡(luò)環(huán)境運(yùn)行，特別是與云平臺(tái)端的在線協(xié)同。因此，通信的可靠性和離網(wǎng)環(huán)境下的停車場(chǎng)管理系統(tǒng)正常運(yùn)行，將是本系統(tǒng)后期需重點(diǎn)解決的技術(shù)問(wèn)題。NB-IoT技術(shù)和5G技術(shù)的突飛猛進(jìn)，為復(fù)雜環(huán)境和日益增長(zhǎng)的停車場(chǎng)功能需求提供了新的實(shí)現(xiàn)途徑，城市智慧大腦的大數(shù)據(jù)分析下的停車場(chǎng)指引、停車位導(dǎo)航、城市范圍聯(lián)合計(jì)費(fèi)、網(wǎng)上預(yù)約停車和計(jì)費(fèi)、云端共享等新興技術(shù)和模式，正逐漸改變著人們傳統(tǒng)的生活方式。從信息化停車到智能化停車，再到智慧化停車，城市停車場(chǎng)的利用率提升任重道遠(yuǎn)。

圖5 新增車場(chǎng)、新增車輛以及分時(shí)收費(fèi)管理系統(tǒng)設(shè)置界面

圖6 系統(tǒng)云端記錄數(shù)據(jù)及增減信息示意圖

3 結(jié) 論

針對(duì)城市停車場(chǎng)系統(tǒng)研制需求，設(shè)計(jì)了智能化停車場(chǎng)的軟硬件系統(tǒng)和管理系統(tǒng)，開發(fā)了基于地磁傳感和視頻車牌識(shí)別的協(xié)同道匝管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)出車輛的智能化檢測(cè)，并利用云平臺(tái)管理技術(shù)和MySQL數(shù)據(jù)技術(shù)，現(xiàn)了車輛登記的存儲(chǔ)與計(jì)費(fèi)。多用戶并發(fā)實(shí)驗(yàn)表明：設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的響應(yīng)事件時(shí)間為6 s，說(shuō)明系統(tǒng)響應(yīng)速度快，用戶體驗(yàn)感極佳。綜上所述，本系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)方法對(duì)于提升城市停車場(chǎng)的高效、可靠以及安全管理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。