校園智慧交通導(dǎo)引系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

汪 勝 趙生慧 于春燕 祁 輝 戴秀芹

(滁州學(xué)院信息化建設(shè)與管理中心 安徽 滁州 239000)

0 引 言

隨著各高校辦學(xué)規(guī)模擴大、開放式辦學(xué)進一步推進，各高校對外交流日益頻繁，進出校園的外來車輛也逐步頻繁。外來車輛對校園環(huán)境不熟，在校園內(nèi)繞圈、問路等情景層出不窮，車流與人流的疊加更是增加了校園的交通壓力，同時也影響了外來人員的入校體驗。根據(jù)國家標準《智慧校園總體框架》，建設(shè)智慧停車是其中非常重要的組成部分，校園交通暢通無阻、車輛有序停靠是智慧型校園的重要體現(xiàn)。

智慧交通系統(tǒng)已得到積極研究。文獻[1]設(shè)計了具有車流量統(tǒng)計、車位監(jiān)督、停車場停車誘導(dǎo)與預(yù)定功能的智慧停車系統(tǒng)，該系統(tǒng)立足于搭建智慧城市停車管理平臺。文獻[2]基于ZigBee技術(shù)和GPS定位等技術(shù)，主要通過在各個停車場安裝ZigBee節(jié)點，實現(xiàn)停車位的集中管理監(jiān)控，遠程查看停車場車位信息并可操控車位鎖。文獻[3]分析了停車服務(wù)市場需求，提出一種面向移動客戶端的智慧型停車服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計方案，該方案中用戶通過APP訪問后臺服務(wù)器信息，獲取相關(guān)停車場數(shù)據(jù)，從而協(xié)助尋找合適的停車位。文獻[4]以云服務(wù)平臺數(shù)據(jù)庫為支撐，通過獲取相應(yīng)區(qū)域停車場車位信息，為用戶智能匹配停車位，實現(xiàn)停車誘導(dǎo)等功能。文獻[5]采用移動機器導(dǎo)向系統(tǒng)，通過配置控制器，獲取位置信息并自動生成多個路徑點形成導(dǎo)航路徑，使得移動機器能夠按照配置路徑行駛。

上述研究注重停車場路徑導(dǎo)航和停車位管理，研究內(nèi)容偏向于城市重點區(qū)域道路或針對大型的商業(yè)停車場，較難應(yīng)用于高校校園場景。從高校的實際情況出發(fā)，校園智慧停車系統(tǒng)的開發(fā)既能夠改善校園交通環(huán)境，又可以提升外來車輛的入校體驗。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)組成

本文以滁州學(xué)院會峰校園為應(yīng)用場景，從在線預(yù)約、校內(nèi)路徑導(dǎo)引以及停車位實時影像查看三個方面入手，設(shè)計了校園智慧交通導(dǎo)引系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由智能手機、若干個iBeacon節(jié)點、攝像頭以及服務(wù)器四部分組成(如圖1所示)。其中：智能手機用于安裝開發(fā)的校園智慧交通導(dǎo)引系統(tǒng)APP，實現(xiàn)在線預(yù)約、路徑展示和停車位視頻推送等；iBeacon節(jié)點部署在實際場景中，用于車輛定位和信息發(fā)送；攝像頭用于采集停車位實時影像；服務(wù)器端用于系統(tǒng)環(huán)境部署，具有數(shù)據(jù)的存儲、處理、查詢等功能。

圖1 系統(tǒng)組成圖

1.2 功能設(shè)計

校園智慧交通導(dǎo)引系統(tǒng)主要功能包括在線預(yù)約、路線規(guī)劃和視頻推送等，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能圖

1) 在線預(yù)約：新用戶完成注冊登錄和綁定車牌后，即可進行在線預(yù)約。預(yù)約時需選擇預(yù)約的時間、地點。在線預(yù)約模塊還提供預(yù)約信息的查詢與更改、預(yù)約歷史記錄查看以及停車資訊等功能。

2) 路線規(guī)劃：預(yù)約用戶入校后，應(yīng)用程序接收到iBeacon節(jié)點發(fā)出的信號后，根據(jù)當前位置信息和預(yù)約的地址進行最優(yōu)路線規(guī)劃，規(guī)劃完成后通過時間軸動態(tài)路線和語言播報的形式引導(dǎo)車主到達離預(yù)約地址最近的停車場，并對周邊建筑和風景進行介紹。

3) 視頻推送：向預(yù)約用戶推送預(yù)約地點附近停車場的實時影像，以便用戶判斷停車場的情況，并可查看附件停車信息。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 最短路徑規(guī)劃

校園智慧停車系統(tǒng)要突破的關(guān)鍵問題之一是車輛到達目的地的最短路徑規(guī)劃。關(guān)于最短路徑規(guī)劃的幾種經(jīng)典算法有Dijkstra算法、Floyd算法、Bellman-Ford算法和SPFA算法。其中：Dijkstra算法每次能更新到相鄰點的最短路徑，其缺點是不能有負權(quán)邊的值，但在實際路徑問題中不存在負值，同時Dijkstra算法適用于稠密圖[6]。而Floyd算法、Bell-man-Ford算法和SPFA算法均可解決負權(quán)問題。Floyd算法適用于稠密圖，和頂點關(guān)系較為密切。Bell-man-Ford算法和SPFA算法均適用于稀疏圖，與邊的關(guān)系較為密切。上述算法的區(qū)別詳見表1。

表1 最短路徑規(guī)劃算法比較

結(jié)合實際場景，系統(tǒng)基于Dijkstra算法為用戶提供到達目的位置的最短路線。Dijkstra算法與深度優(yōu)先搜索類似，采用貪心策略，從一個頂點出發(fā)，每次查詢所關(guān)聯(lián)到的頂點的最短路徑。算法中集合P記錄已知頂與其他各頂點之間最短路徑，集合Q記錄未知頂點與其他各頂點之間的距離，dxy表示頂點x與頂點y之間的距離。

Dijkstra算法的具體步驟如下：

1) 初始化：集合P初始元素為起點p；集合Q初始元素為除起點之外的其他頂點，且各頂點距離標識為“起點p到該頂點的距離”，未直接相連的頂點距離標記為正無窮大。即P={p}，Q={其他頂點}，dpp=0，dpx=+∞。

2) 計算集合Q中其他所有點到起點p的距離，并篩選出距離最小頂點k，并將頂點k加入到集合P中，同時從集合Q中刪除頂點k。即：

dpk=min[dpk]

(1)

3) 更新集合Q中起點p到所有其他各頂點的距離。由于上一步已確定k是最短路徑中的頂點，但存在可能上一頂點經(jīng)過頂點k到達下一頂點v的路徑長度比直接到達下一頂點v的路徑長度大的情況，因此需要進行最短距離的二次比較，以距離最小化為判定標準。即：

dpv=min[dpv+dkv]

(2)

4) 重復(fù)步驟2)和步驟3)，直到遍歷完所有頂點，那么最終集合P包含所有頂點，Q集合為空。集合P中的距離即為源點p到各頂點的最短距離[7-8]。

2.2 iBeacon定位

車輛進入校園后，用戶通過iBeacon節(jié)點獲取當前位置和樓宇信息。iBeacon是一項低功耗藍牙技術(shù)(Bluetooth Low Energy，BLE)，由iBeacon節(jié)點發(fā)射信號并創(chuàng)建一個信號區(qū)域，能夠以較低成本快速發(fā)現(xiàn)和定位特定范圍內(nèi)的智能移動藍牙設(shè)備，如手機、平板電腦等，定位精度約3 m[9]。當用戶設(shè)備處于信號覆蓋范圍時，藍牙通信暢通，用戶可以通過定制開發(fā)的應(yīng)用程序獲取iBeacon的信息，如圖3所示。

圖3 iBeacon節(jié)點信號

iBeacon作為一種連接線下場景的近場傳感器，每個iBeacon擁有唯一ID，能夠避免發(fā)生錯誤標記情況。iBeacon體積小，部署靈活，便于布置在路燈桿、墻體拐角等地點。按iBeacon節(jié)點特性，并結(jié)合現(xiàn)場道路情況，iBeacon節(jié)點部署遵循如下原則：

(1) iBeacon間距控制在20～30 m左右，部署均勻；

(2) iBeacon部署距離地面高度約2.5 m左右，部署周圍無明顯遮擋，無其他信號源干擾；

(3) 重點部署道路分叉口，提升用戶體驗；

(4) 對于樓宇位置集中、無岔路口的合理控制部署，防止交錯干擾；

(5) 直線道路超過100 m，在到達分叉路口前50 m部署，防止用戶分錯路口。

3 仿真實驗

實驗用例為用戶預(yù)約地點是滁州學(xué)院會峰校區(qū)信息樓，用戶由滁州學(xué)院會峰校區(qū)后大門(會峰西路1號)進入，并開啟智能手機藍牙功能，校內(nèi)導(dǎo)引的起點為后大門。

3.1 建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模型

基于該實驗校園環(huán)境，建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模型，將校園內(nèi)主要建筑物轉(zhuǎn)換為節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點、邊和權(quán)重定義如下：

節(jié)點：校園內(nèi)主要建筑物和景點；邊：將各建筑物連接起來；權(quán)重：從一個節(jié)點移動到另外一個節(jié)點的距離，單位為米。所建模型如圖4所示。

圖4 校園網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模型

3.2 iBeacon節(jié)點部署

根據(jù)iBeacon節(jié)點部署原則，實驗中iBeacon節(jié)點部署分布圖，如圖5所示。在學(xué)校的西南角，總計部署7個iBeacon節(jié)點，五角星標識為iBeacon節(jié)點具體的部署位置。

圖5 iBeacon現(xiàn)場部署圖

完成iBeacon節(jié)點部署后，將iBeacon節(jié)點ID與地標信息進行綁定，當智能手機進入相應(yīng)iBeacon節(jié)點信號覆蓋范圍內(nèi)時，iBeacon信號能夠?qū)⒅悄苁謾C中校園智慧交通導(dǎo)引系統(tǒng)APP喚醒，系統(tǒng)程序查看服務(wù)器中緩存的推送內(nèi)容，主動推送事先設(shè)定的引導(dǎo)信息，實現(xiàn)與用戶的互動[10]。

3.3 功能實現(xiàn)

前端采用HTML5、PHP、JqueryUI、Android為開發(fā)語言實現(xiàn)跨平臺開發(fā)，后端采用MySQL數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)具有用戶登錄注冊、綁定車牌、在線預(yù)約、路線規(guī)劃、視頻推送、歷史預(yù)約記錄查詢等功能的應(yīng)用程序。

1) 在線預(yù)約。

在線預(yù)約功能為用戶提供進校前的預(yù)約服務(wù)，新用戶在完成注冊和車牌綁定后，即可在線預(yù)約。預(yù)約成功后車牌信息自動同步至校門禁系統(tǒng)，到校后可門禁自動抬杠，無須停車登記；同時在移動端首頁展示預(yù)約的基本信息，并提供各停車場車位數(shù)據(jù)信息，如圖6所示。

圖6 首頁界面

2) 路徑規(guī)劃。

定義源節(jié)點為信息樓p，節(jié)點生物樓標記為1，地信樓標記為2，行政樓標記為3，后大門標記為4，dpx為源點p到頂點x的最短距離，具體過程如表2所示。

表2 最短路徑測試用例

第1步：從源點p開始，找到相鄰節(jié)點1、2，更新集合P，因p不與3、4相鄰，故dp3=+∞，dp4=+∞。在集合P中找到距離最小值，其頂點為1，即源點p到頂點1的距離最近。

第2步：從頂點1開始，找到相鄰節(jié)點為2，但存在上一步已確定頂點p經(jīng)過頂點1到頂點2的距離比頂點p直接到達頂點2的距離大，因此更新集合P={2}。

第3步：從頂點2開始，找到相鄰節(jié)點為3，更新集合P={2,3}。

第4步：從頂點3開始，找到相鄰節(jié)點為4，更新集合P={2,3,4}。

由此所有頂點已經(jīng)找到，即最短路徑規(guī)劃完成，從信息樓至后大門的最短路徑為“信息樓→地信樓→行政樓→后大門”。

車輛導(dǎo)引界面分為兩個部分：上半部分主要是展示當前校園地圖，應(yīng)用程序與高德地圖提供的API服務(wù)對接，提供用戶當前所在具體位置；下半部分以Canvas畫板畫出View，以時間軸的方式呈現(xiàn)導(dǎo)引路線，整條路線中涵蓋導(dǎo)引的起點，終點以及途中所要經(jīng)過的樓宇，如圖7所示。

圖7 導(dǎo)航界面

隨著用戶的移動，用戶能夠接收到不同iBeacon節(jié)點所推送的信息。結(jié)合iBeacon節(jié)點ID中標識的地址，更新View界面，小車所在的點代表目前所處的位置，線條上的數(shù)字表示離下一個點的物理距離。

3) 視頻推送。

實時景象推送功能為用戶提供停車場實時景象，利用螢石網(wǎng)絡(luò)攝像頭拍攝停車場實時信息，系統(tǒng)中集成了螢石網(wǎng)絡(luò)攝像頭的SDK，擁有獨立的直播URL，URL基于EZOPEN協(xié)議，該協(xié)議主要是針對UIKit使用視頻資源協(xié)議。設(shè)備具有感光功能，可以自動根據(jù)光度進行調(diào)節(jié)，可通過手機進行定時設(shè)置、遠程操作、語音通話、云儲存、自動報警，并能夠360度旋轉(zhuǎn)，便于監(jiān)控到每個角落。

用戶登錄應(yīng)用程序后通過預(yù)約地址鏈接到對應(yīng)攝像頭的URL，借助螢石云的SDK接收傳輸?shù)囊曨l流，使用EZUIPlayer對象設(shè)置視頻播放相關(guān)參數(shù)將視頻展現(xiàn)給用戶，并提示用戶選擇是否到預(yù)約的停車場。若從視頻展示的畫面所預(yù)約停車場暫無停車位，用戶可選擇更換至附近停車場，如圖8所示。

圖8 停車場視頻畫面

4) 其他功能。

圖9 停車界面

系統(tǒng)同時具有注銷賬號、綁定車牌、停車記錄、停車資訊、測試節(jié)點以及開啟定位等6個子功能，如圖9所示。

停車記錄功能用于查看歷史預(yù)約記錄，停車資訊包括校園內(nèi)各建筑物停車場的基本信息、維護信息、開發(fā)信息等；測試節(jié)點用于定位異常時，測試與定位節(jié)點通信是否正常；開啟定位用于啟動手機自帶的藍牙功能，開啟藍牙并接受iBeacon節(jié)點信號。

4 結(jié) 語

本文以滁州學(xué)院會峰校區(qū)為應(yīng)用場景，設(shè)計并實現(xiàn)了校園智慧交通導(dǎo)引系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠減輕校園交通壓力，緩解外來車輛入校后帶來的安全隱患，提升車主入校后的用戶體驗，為智慧校園的建設(shè)探尋一條新的校園導(dǎo)引機制。