IPv6讓停車定位更精準

文/夏思彬 鄒騫 孔皓 林紹福

系統設計背景

隨著社會與經濟的發展，教師群體的私家車擁有量迅速增長，同時高校與社會的交往也日益密切，吸引了大量的社會車輛進入校園。北京工業大學由于市屬高校的性質，學校三分之二的學生都是北京本地學生，大多數學生都有自己的車輛，并且學生家長也會時常到學校看望學生，從而造成校園內部靜態車輛眾多，而校園停車設施規劃滯后，停車泊位緊缺，缺乏規范管理，車輛隨意停放，造成了校園交通問題。高校作為區域停車場的一個集合，在停車方面存在與公用停車場有著很多共同的特性，一般都是上班時間學校車輛較多，下班后車輛較少，停車高峰期與教學時間存在交叉，給校園交通的處理帶來較大壓力。校園停車場景如圖1所示。

通過目前的現狀可以分析出，校園內停車問題主要分為三部分：其一，缺乏整體規劃，如有些停車場規劃時沒有從整體進行考慮，且缺乏配套的管理措施，在停車資源不足的情況下，這部分停車場的使用率較低；其二，違規停車現象嚴重，車輛沒有按照規定停放，存在1輛車占用多個泊位現象，浪費停車資源；其三，缺乏規范與智能化管理，學校內停車場是免費開放的，缺少專人管理，停車秩序混亂，校外的車輛也很容易進出，造成校內停車位不足。

近年來，在各停車場內，RTLS(Real Time Locating Systems)技術也得到了廣泛的應用，以解決停車場的車輛管控問題。RTLS是一種特殊的局部定位系統，通過若干個的信號接入點對區域內待識別標簽進行數據交換并計算出標簽位置。RTLS實時定位技術是指在一個指定的空間內，通過采集目標物體的相關信息，按照約定的協議與后臺或服務器進行信息交換或通信，并采用AOA(Angle-of-

Arrival)、TOA(Time-of-Arrival)等測距算法實現對目標物體的智能化識別、定位、跟蹤和管理的一種無線實時定位技術。目前，RTLS主要應用于物流服務、倉儲服務和其他服務，如倉庫、廠房、港口、學校和醫療場所。UWB技術是一個介于雷達和通信之間的應用，能夠精確地理定位。例如，使用UWB技術的能夠提供三維地理定位信息的設備。

UWB技術是一種使用1GHz以上帶寬且無需載波的先進無線通信技術。每個標簽以UWB脈沖重復發送數據幀，標簽發送的UWB脈沖串被接收器接收，每個接收器利用高感度的短脈沖偵測器測量每個標簽的數據幀到達接收器天線的時間，HUB處理單元利用參考標簽發送過來的校準數據，確定標簽到達不同接收器之間的時間差，并利用三角定位技術及優化算法來計算標簽位置。UWB定位系統由定位應用軟件、基站和標簽三部分組成，能夠實現高精度的定位，且定位穩定性好。系統可通過直觀圖形界面實現標簽可視化管理及實時的位置跟蹤，定位應用軟件主要是根據定位基站獲取到的數據，計算出標簽的位置，提供系統使用。如圖2所示。

圖 1 校園停車場景

本文提出的系統在停車定位方面主要依賴于UWB 6.4G技術。當有標簽的車輛進入停車位時，定位設備會根據車輛停放位置產生完整數據，方便車輛定位管理。當沒有標簽的車輛進入車位時，定位設備中的雷達會判斷車輛停放的車位產生不完整數據，這時需要依托車牌識別技術完善車輛信息，補充完整收費數據。利用UWB和車牌識別兩種新技術，將使得系統的定位更加精準、收費管理更加方便。系統網絡通信是基于IPv6網絡技術，以緩解校園內IPv4地址不足的問題，而且系統采取校園無線Wi-Fi進行數據傳輸，能夠與當前校園網絡良好融合，無需重新組網就能投入使用。

需求分析

校園停車場與社會停車場的用戶受眾面不用，一般的停車場主要是面向社會用戶提供停車、車位租賃、快速收費等服務，向社會推廣停車場。而校園的停車區域及管理主要服務對象是學校教師和外訪參會人員。

圖 2 設備標簽基站示意

北京工業大學現有的停車系統是基于車牌識別的匝道車輛管理系統，該停車管理系統就目前智慧校園發展進程來看，還存在很大的局限性。主要表現在：不能實時管理校園停車場及查看整體規劃情況，不能實時監測校園停車定位情況，尚未實現手機自動扣費、停車導航、反向尋車等智能化停車方式。經過多次深入調研，分析出以下主要問題：1.缺乏整體規劃；2.停車區域缺少透明化；3.缺乏規范管理；4.停車數據管理難度較大。

本系統是在當前智慧校園應用與智能停車應用的背景下開發設計的。主要對傳統校園停車功能進行智能化改造，實現停車場實時監控與管理、停車數據庫統計。本系統的用戶角色設定主要是針對學校后勤部門的管理者。對于學校來講，管理者希望將停車場、停車位對象實例化，當學校有重要活動時，能夠實時開放或者關閉停車區域，并及時通知到需要停車的用戶。其次，學校目前的停車系統在數據統計方面存在很大的局限性，常常需要手動統計。另外，校外人員到校參會時需要打印紙質車證，在后續業務處理上很不便捷。因此，本系統特別針對管理者的用戶需求，將停車場可視化，主要實現管理者對停車場進行相關設置和統計數據等主要功能。

圖 3 系統架構

為了使系統更加便捷地服務到所有用戶，也為了校園業務流程的整體完備性。本系統也針對UWB設備用戶的需求進行詳細分析，主要分為三類需求：一是停車位導航；由于停車區域未能實現公開給用戶，用戶并不能在停車前發現合適的停車位，于是就不能確定良好的、精確的導航路線；二是反向尋車；反向誘導系統也算是所有停車用戶的特定需求，當用戶在不熟悉的區域停車時，找到自己的車輛也是很麻煩的事情，需要反向導航來找到自己的車輛；三是收費自動化；不管是對于設備用戶還是管理者，校園的停車位不完全是免費的，也存在收費繳費的問題，隨著移動支付的快速推廣，微信或支付寶支付費用已經成為我們的一種生活習慣，也方便管理者在各方面的管理。本系統的第三類用戶是校園保衛處的收費管理者，一是收費自動化，最大限度減少現金管理問題；二是查看停車場實時的停放狀況（停車區域可視化），避免車輛亂放亂停，并可及時處理違規現象，達到實時監控、監管停車場的效果。

圖 4 功能設計示意

設計與實現

系統架構設計

本系統主要由三部分組成，客戶端、服務器端與硬件設備，通信為設備與服務器進行通訊，服務器端提供Web Service接口，設備按接口提供車位和車輛的實時信息，通信方式支持IPv4；服務器端與客戶端以IPv6的方式進行數據通信；設備產生車輛位置數據，服務器端存儲數據，并提供給客戶端，客戶端對數據進行界面顯示與用戶交互，如圖3所示。硬件設備為UWB，包括天線和標簽；客戶端為安卓手機客戶端。

系統功能設計

基于UWB的停車定位管理系統主要包括以下幾個功能：

1.個人信息管理：憑手機號快速注冊及登錄，用于識別用戶類型和對應的權限，登錄成功后，不同用戶享受其對應的功能。用戶可進行設置或修改頭像、更改昵稱等基本功能，也可在該模塊添加自己的車輛信息和設備信息，實現用戶與設備之間的綁定，并可以查看歷史停車紀錄，教師用戶需要管理人員進行身份驗證。

2.地圖功能：該模塊向所有用戶開放，用戶進入本系統可直接查看校園以及停車場地圖，但只有擁有權限的用戶才能查看具體停車情況。

3.車位導航：用戶登錄成功后，在地圖上找到適合自己的停車位，可進行在線導航，方便用戶到達準確停車位。

4.反向尋車：用戶通過反向尋車功能可迅速找到自己的車輛，方便停車用戶快速準確地找到原停車位置，大大節省了取車時間。

5.自動收費：本系統提供多種自助繳費方式，包括支付寶、微信、網銀等。

6.數據統計：通過整合后臺數據，可進行數據統計和數據分析，方便管理人員針對停車場當前情況提出意見和決策。

7.停車場設置：管理者可根據監測停車場實時情況對停車場進行相關設置，也能夠實時開放或者關閉停車區域，并及時通知到需要停車的用戶。

可以將功能主要根據三類用戶分為：管理收費模塊、設備用戶模塊和高級管理模塊等三部分，停車定位系統功能詳細模塊如圖4所示。

業務流程設計

對于車主用戶，車輛需要進入校園時，通過車牌識別記錄該車輛生成停車訂單。車輛進入校園后，系統向用戶手機推送附近停車場的信息（系統推送停車場的信息，不具體推薦停放車位，這樣保證用戶能有車位進行停車），停車場根據與用戶距離的遠近進行排序供用戶選擇進行導航路線規劃（若該車輛沒有綁定定位標簽，系統在該推送后3分鐘向手機推送提醒用戶分享車輛停放位置的信息）。當用戶將車輛停放在基站覆蓋范圍后，基站系統自動判斷停放車位并上傳數據，實現車位的自動占用和釋放。車輛停放完成后，用戶可以在手機上查看車輛停放的位置和訂單詳細信息，離開時，可使用反向尋車快速找到車輛，離開停車位后，基站系統自動將車位釋放，用戶可導航至校門收費處，通過車牌識別的手段，結束車輛訂單完成繳費等操作。業務流程如圖5所示。

圖 5 業務流程設計示意

對于一般管理者，主要是在校門處管理車輛進出和校園內巡邏的管理人員，當車輛進出校門時，是通過車輛識別的手段實現車輛信息的記錄，當管理人員在校園內發現違規停車時，可通過終端使用車牌識別快速找到車輛的停車記錄，進行違規信息登記，并可以選擇是否發送短信給用戶（如不發短信，手機也會推送信息提醒用戶）。而高級管理者則負責外訪參會人員信息的錄入、停車場信息管理和數據查看統計等。

在整個設計與實現中，UWB主要作為基站覆蓋范圍內的定位實現，車牌識別是車輛進出控制的手段，存在違規停放車輛時，也適用車牌識別的方式識別車牌號進行記錄，兩者相互補充。對于車位中無標簽車輛或自行車亂停放的情況時，該方案的技術目前實現不了自動判別，在標簽管理方案完善的情況下，實現校園內車輛全部攜帶標簽是非常重要的。對于無標簽車輛或自行車占用車位的情況，系統中提供了車位信息舉報的功能，當用戶發現本空閑卻被占用的車位時，可舉報給一般管理者，由校園巡邏人員進行管控，對于自行車占用車位的情況，則由巡邏人員及時清理，盡量避免此類情況發生。

區域地圖模塊設計

圖 6 實際停車區域、信息采集系統和終端界面示意

通過對學校停車區域規劃和分類，根據車位集中情況，共劃分為24個小停車區域，共計933個車位，加上暫未納入系統的217個地下車庫車位，學校為教師及其他人員規劃共計1150個車位。實際停車區域、信息采集系統和終端界面示意如圖6所示。

標簽發放與管理

UWB定位標簽在使用時需要貼放于車輛前窗（同ETC一致），無論是教師用戶還是外訪參會人員，在使用標簽時，標簽必須與車輛一一對應。參會人員進出校門時系統會提醒管理者進行標簽的發放與回收，而固定用戶則不用考慮標簽的回收。

在方案實施應用中，需要學校配合（項目建設運維的合作公司配合）對進入校園的車輛進行標簽發放管理。由于工作時間內學校停放的車輛主要是教師用戶和少量來訪預約參會人員，這部分車輛和用戶都基本上是固定和可控的，教師用戶的車輛等信息在學校都有統一備案，學校與合作公司配合向該部分用戶發放標簽；對于來訪預約參會人員進入學校，可要求需要提前登記，在進入學校時也可發放臨時標簽。對于標簽發放與管理，能夠保證在校車輛基本攜帶標簽，對于管理者更在乎關注的是對固定用戶和工作時間內對校園車輛的高效管理。

停車定位系統以智能化設備和完善的管理軟件來簡化人的勞動，具有操作簡單、使用方便、功能先進等特點。用戶可以在最短的時間進入或離開停車場，盡量減少人工的參與，從而提高停車場的管理水平，取得更高的經濟效益和良好的社會效益。此外，還能提高管理的有效性、安全性、可靠性和停車場運行自動化程度，實現更快捷、移動化的車輛停車管理方式。本文在分析校園實際需求的基礎上，為管理者設計開發了停車定位管理系統，對校園內部的停車區域進行了可視化實時動態顯示。本文設計的系統是RTLS定位系統在校園中的應用，也是對UWB定位技術一種嶄新的嘗試，在未來，UWB定位技術將會廣泛的應用在停車領域，特別是路側停車場景。