云平臺與物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同的城市智能停車場系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

陳 軍

（南京理工大學 自動化學院，江蘇 南京 210094）

0 引 言

智能停車管理系統(tǒng)[1]是利用計算機管理控制的車輛全自動化、一體化管理系統(tǒng)。智能設(shè)備感應(yīng)進出車輛信息，并對信息進行計算、處理、存儲和傳送，將其轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)能夠區(qū)分和判斷的數(shù)據(jù)，通過字符顯示和語音播報傳達出來，從而實現(xiàn)停車場智能收費、車輛智能管理等目的[2]。當前，我國智能停車場設(shè)備的市場規(guī)模已達到50億，且以20%的速度增長，但停車位和停車場的數(shù)量極為缺乏，且緊缺趨勢不斷加速，城市停車供需矛盾日益加劇。因此，停車場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，智能停車場在物理空間上的實現(xiàn)可在較大程度上緩解停車位緊張、尋車困難、通行速度慢以及單一付費手段等問題，滿足人們對智能停車的日益人性化增長需求。智能停車場在管理理念上的實現(xiàn)，可有效避免現(xiàn)金交易，保證車輛安全，促進車位的有效利用，有效維持停車場秩序。在國家政策扶持下，智能停車場技術(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，國內(nèi)智能停車場系統(tǒng)普遍采用IC/RFID射頻技術(shù)[3-4]實現(xiàn)汽車出場、離場及收費，在效率、成本和效果上仍有提升空間。基于視頻車牌識別技術(shù)的智能停車場成為新的發(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別準確率和系統(tǒng)穩(wěn)定性方面仍存在偶發(fā)問題。特別是無人值守停車場，一旦識別失敗，系統(tǒng)的自校正、自適應(yīng)技術(shù)未完全達到智能化水平。國外的智能停車場技術(shù)方面，美國城市注重商業(yè)和生活住宅區(qū)的停車位規(guī)劃建設(shè)和科學化管理，設(shè)計過程充分考慮貨車周轉(zhuǎn)空間、客車流量以及緊急時刻的快捷疏散通道空間。法國里昂開發(fā)了基于交通路況、交通信號、緊急救護的系統(tǒng)算法，并賦予系統(tǒng)“學習”能力，用于城市智慧停車的管理。瑞典斯德哥爾摩通過在道路設(shè)置監(jiān)視器，利用RFID、Laser掃描以及自動感應(yīng)拍照技術(shù)自動識別車輛，使交通擁堵降低了1/4。同時，國外“網(wǎng)上停車”理念發(fā)揮了互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢，拓展了停車場靈活度和系統(tǒng)使用效率，即實現(xiàn)了無人值守全自動作業(yè)，也實現(xiàn)了停車場信息查看，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)、車牌識別技術(shù)以及ARM嵌入式技術(shù)實現(xiàn)智能停車管理，設(shè)計了系統(tǒng)的整體軟件、硬件架構(gòu)，并采用灰度化和Ostu二值化識別圖像處理和模板匹配，選用Dubbo云平臺框架和MySQL數(shù)據(jù)庫進行信息匹配和存儲，開發(fā)了車牌識別與道閘聯(lián)動系統(tǒng)和智能停車場管理系統(tǒng)軟件，并對該車場系統(tǒng)進行了性能測試。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

智能停車場系統(tǒng)主要采用基于ARM嵌入式技術(shù)、基于Opencv的車牌圖像識別技術(shù)、基于4G無線通信的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線地磁感應(yīng)系統(tǒng)、LED信息顯示、語音播報模塊、云平臺管理系統(tǒng)和道閘聯(lián)動系統(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、場內(nèi)停車位車輛管理和出口控制管理3個部分。道匝出、入口管理由無線地磁感應(yīng)系統(tǒng)、攝像采集系統(tǒng)、車牌圖像識別模塊、語音提示、LED電子屏信息顯示、無線通信數(shù)據(jù)傳輸[6-7]和道閘系統(tǒng)7個部分組成。出、入口車輛進出流程圖和系統(tǒng)邏輯流程圖，分別如圖2和圖3所示。

圖2 出、入口車輛進出流程圖

場內(nèi)停車車位管理系統(tǒng)主要由攝像采集模塊、車牌識別模塊、無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中場收費問題。

車輛進出停車場及停靠車位時的具體過程如下。

（1）入口處。車輛行至道閘前一定范圍時，地磁傳感器利用鎳鐵磁合金的磁阻效應(yīng)[8]感應(yīng)到外部磁場的變化，判斷車輛是否經(jīng)過。同時，攝像機啟動抓拍所來車輛的車牌信息，基于ARM主控系統(tǒng)對車牌信息識別后上傳至后臺管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，并與區(qū)內(nèi)業(yè)主信息庫進行對比，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車牌信息和時間；語音播報模塊進行播報；道閘系統(tǒng)啟動，道閘抬起并在云平臺記錄該車輛的進入時間，車輛完全越過道閘后，觸發(fā)第二道地磁傳感器，道閘落下完成一次車輛入場，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）場內(nèi)停車位。停車場內(nèi)的停車位包括流動車位和固定車位，而流動車位又包括非固定車位和固定車位。流動車位不設(shè)置道閘系統(tǒng)，車輛進入流動車位計費方式以零計時收費。固定車位設(shè)置二次道閘系統(tǒng)、地磁感應(yīng)系統(tǒng)和車牌識別系統(tǒng)，車輛進入固定車位采用對應(yīng)的計費規(guī)則收費。車場端是基于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、傳送云平臺服務(wù)器以及命令的發(fā)送等任務(wù)。車輛進入?yún)^(qū)內(nèi)尋找車位時，車輛選擇進入固定車位與入口進場的流程相同。此時，云平臺記錄該車輛進入固定車位的時間，同時駛離固定車位時云平臺記錄離開時間。

（3）出口處。區(qū)內(nèi)有多個出口，出口處的云終端設(shè)有編號，車輛進入某個出口地磁傳感器的感應(yīng)范圍內(nèi)，攝像頭啟動抓拍車牌號碼，并上傳云平臺車輛信息記錄時間與入口采集的車牌信息對比，分情況計算停留時間。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)，則按照記錄時間計算停車費。LED顯示停車時間、停車費用以及停車場的停車余位數(shù)，同時語音系統(tǒng)進行語音播報，道閘自動升起。若車主辦理儲存卡業(yè)務(wù)，則LED顯示停車時間、消費金額、卡內(nèi)余額以及區(qū)內(nèi)停車余位數(shù)，同時語音進行播報。

（4）車位信息管理。由于區(qū)內(nèi)車位分為流動車位和固定車位，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間，提供人性化交互服務(wù)。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

城市停車場日益復(fù)雜和多樣化的提車需求，對軟件系統(tǒng)和管理策略均提出了更高的要求。除通用管理程序外，制定個性化和定制化的停車管理模式是本領(lǐng)域面臨的首要問題。本停車場管理云平臺功能方案的基本框架設(shè)計包括系統(tǒng)信息維護等管理、停車場個性化定制信息管理、計時與收費方案管理和車位綜合信息管理，所設(shè)計方案與停車場移動終端硬件系統(tǒng)協(xié)同使用，從而提升停車場的管理效率。主要功能模塊如圖4所示。

云平臺是整個系統(tǒng)的核心，能接受并處理車場端和移動客戶端、Web站點以及第三方服務(wù)發(fā)送的請求。APP-server和Web-server會把請求發(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[9-10]，運行平臺為Web瀏覽器在線運行。停車場移動端開發(fā)環(huán)境為IOS和Android平臺，運行環(huán)境為IOS系統(tǒng)和Android系統(tǒng)手機。

系統(tǒng)采用MySQL數(shù)據(jù)庫記錄每輛車的信息以及車輛進出停車場報表統(tǒng)計。通過攝像頭將車輛信息傳輸?shù)皆破脚_，同時進行計時計費，無需人工操作以達到無人值守入場。車輛出車場時由計費系統(tǒng)計算，并支付停車款。黑名單用戶在門閘處識別后，禁止其進入并通報后臺管理人員。

在設(shè)計數(shù)據(jù)庫時，本系統(tǒng)充分考慮目前停車場大型化和集約化發(fā)展趨勢，考慮了車輛一進多出的現(xiàn)狀，同時為將來的擴展留下冗余發(fā)展空間。制定的數(shù)據(jù)庫車位信息如表1所示。

圖4 系統(tǒng)軟件主要功能模塊設(shè)計圖

表1 數(shù)據(jù)庫車位信息表構(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)庫采用MySQL；測試客戶端為SAMSUNG；主要測試工具為LoadRunner。硬件系統(tǒng)通過LAN方式接入服務(wù)器系統(tǒng)，達到系統(tǒng)軟硬件的功能級實現(xiàn)。

考慮到車場在實際運行過程中由于高峰時間段存在多用戶并發(fā)壓力，同時模擬了100項并發(fā)用戶數(shù)，通過觀測系統(tǒng)平均響應(yīng)時間和操作核心業(yè)務(wù)流的平均響應(yīng)時間收集相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)。

本次測試實驗采用移動運營商提供的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，測試實驗參考模擬情況。構(gòu)建系統(tǒng)的新增車場、新增車輛以及分時收費管理系統(tǒng)設(shè)置界面，如圖5所示。上述系統(tǒng)設(shè)置是必須選項，以實現(xiàn)本地所屬停車場的自主管理和多停車場協(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。

對于云端和智能終端的整體協(xié)調(diào)和測試，通過構(gòu)建云端測試系統(tǒng)實現(xiàn)，如圖6所示。模塊化菜單的生成，對于車場管理員、云端管理員具有界面友好、功能完善的特點。無論是云端和車場端，工作人員均可實現(xiàn)信息的查詢、增減、收費標準制定和查詢等系列功能，克服了傳統(tǒng)停車場依靠讀取計時卡、人工錄入以及車牌識別不準的問題，提高了系統(tǒng)管理的效率和車主使用的體驗感。同時，云端數(shù)據(jù)的有效收集和報表，較大程度上杜絕了停車場因人為收費和干預(yù)產(chǎn)生的計時收費的“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)級上，對并發(fā)多用戶進行系統(tǒng)承受測試，采用200組并發(fā)用戶模擬系統(tǒng)性能。測試操作過程順利，服務(wù)器負載在多并發(fā)用戶使用中未出現(xiàn)延遲現(xiàn)象，平均服務(wù)器響應(yīng)事件時間為6 s，需添加2～3 s的系統(tǒng)冗余思考時間，這與現(xiàn)實操作情況更匹配。按8 s響應(yīng)時間計算，客戶滿意度調(diào)查中，使用方完全接受新系統(tǒng)效率，說明本系統(tǒng)具備使用化水平。

系統(tǒng)整體測試結(jié)果表明：本系統(tǒng)的響應(yīng)速度較快，用戶體驗感極佳，但存在首頁訪問時間相對較長的弊端。究其原因，在于首頁中存在的功能和操作動作過多，當訪問量超過系統(tǒng)的承受范圍時，將會對系統(tǒng)的性能提出挑戰(zhàn)。此外，本設(shè)計方案采用運營商提供網(wǎng)絡(luò)環(huán)境運行，特別是與云平臺端的在線協(xié)同。因此，通信的可靠性和離網(wǎng)環(huán)境下的停車場管理系統(tǒng)正常運行，將是本系統(tǒng)后期需重點解決的技術(shù)問題。NB-IoT技術(shù)和5G技術(shù)的突飛猛進，為復(fù)雜環(huán)境和日益增長的停車場功能需求提供了新的實現(xiàn)途徑，城市智慧大腦的大數(shù)據(jù)分析下的停車場指引、停車位導(dǎo)航、城市范圍聯(lián)合計費、網(wǎng)上預(yù)約停車和計費、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，城市停車場的利用率提升任重道遠。

圖5 新增車場、新增車輛以及分時收費管理系統(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

針對城市停車場系統(tǒng)研制需求，設(shè)計了智能化停車場的軟硬件系統(tǒng)和管理系統(tǒng)，開發(fā)了基于地磁傳感和視頻車牌識別的協(xié)同道匝管理技術(shù)，實現(xiàn)了進出車輛的智能化檢測，并利用云平臺管理技術(shù)和MySQL數(shù)據(jù)技術(shù)，現(xiàn)了車輛登記的存儲與計費。多用戶并發(fā)實驗表明：設(shè)計的系統(tǒng)的響應(yīng)事件時間為6 s，說明系統(tǒng)響應(yīng)速度快，用戶體驗感極佳。綜上所述，本系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)方法對于提升城市停車場的高效、可靠以及安全管理具有重要的現(xiàn)實意義。