基于Rolling-horizon算法的城市智慧停車研究

馬 健,盛 魁

(亳州職業技術學院 信息工程系,安徽 亳州 236800)

0 引言

隨著人們生活水平的提高,家庭擁有車輛越來越多。為進一步加強亳州城區內部的停車管理,將現有的公共資源進行整合,加強道路交通安全,能夠更好地營造城市美好環境,打造文明城市。構建基于“互聯網+”的城市智慧停車系統,可以協助政府對停車服務以及亂停亂放等行為的管理,實現了城市綜合靜態交通效益的最大化,與動態交通更好地協調發展。

1 城市智慧停車現狀

目前,亳州隨著人口的增加和城市的發展,城市在不斷變大的同時人均生活水平不斷提升,購買汽車的家庭越來越多,尤其是節假日期間,原有的城區道路和停車場地沒有拓展,從而造成了城市道路擁擠和停車難現象。

2 智慧停車位供給分析

由于老城區存在車位少、改造難的特點,停車資源和車輛增長不匹配,無法滿足目前停車位的供給。為了能夠最大化地利用停車資源,本文構建了城市智慧停車管理系統,并融入交通管理體系,成了智慧城市管理的重要組成部分。

2.1 停車數據采集

在每個停車位都要安裝車輛進出的數據采集器,通過車輛數據采集器可以采集車位是否被使用,同時需要采集車位編號、車位位置編號、車輛的車牌號等,每個停車場設置一個無線中繼服務器,數據采集器通過無線網絡傳輸將數據傳送到無線中繼服務器,再由無線中繼服務器將采集到的數據通過網絡傳送到智慧停車管理系統的后臺,利用大數據分析技術對采集到的數據進行實時分析和處理[1]。

2.2 停車綜合管理

停車綜合管理主要負責對整個停車和查詢進行管理,要實時采集停車信息、停車空位信息、車輛信息,同時要對數據采集的硬件設備進行管理。通過車位數據采集器采集到的數據經過網絡傳送到停車綜合管理系統,系統利用平臺可以將分析處理的數據通過手機客戶端發送給客戶,尤其是在老城區和繁華地段,需要精準預報車位的空閑數量,并能夠及時被用戶查詢。

2.3 管理員手持終端系統

停車場需要配置管理人員和流動巡查人員,負責停車業務的檢查和管理工作,尤其是在大型停車場,車輛進出較多,容易出現數據采集不及時、數據混亂、數據分析錯誤等問題,管理員和巡查員可以通過手持終端系統對相關車輛進行監控取證,解決車輛進出以及繳費打印中存在的問題。同時,管理員的手持終端可以對違規車輛進行拍照,相關數據上傳到綜合管理系統平臺,方便后期對相關車輛進行跟蹤和取證。

2.4 智能停車場管理

智慧城市的發展主要體現在一個城市的信息化發展程度上。5G的到來,加快了城市的信息化建設步伐。智能停車場利用綜合管理平臺對所有停車位進行數據采集和監控管理,方便交通管理部門對車輛和道路的管控,提高了車輛停放效率,降低了管理成本,同時也方便了市民的出行[2]。智能停車管理系統主要由以下幾個模塊組成。

2.4.1 智能停車場管理

現有停車場的每個停車位安裝數據采集器,將采集到的數據利用無線網絡發送到無線中繼器,并將數據通過互聯網發送到綜合管理系統平臺,對所有停車場及停車位進行統一管理。智能停車管理員可以利用這些基礎設施對停車場進出口的道閘系統、停車場內的道路、停車場內的車位、停車場內的車輛跟蹤、停車場內車位識別、停車場車位的數據采集和網絡連接等進行管理。

2.4.2 停車場基礎數據管理

停車場基礎數據是停車系統的主要組成部分,是停車場運營的基礎。停車場管理員需要對停車場進行區域劃分,對停車場內的停車位進行編號,規劃停車場內的進出路線和道路規劃,對停車場合理安裝監控設備,并將停車位及停車場監控進行聯網接入智慧停車管理平臺。

2.4.3 停車位占用狀態監控

采用物聯網技術對停車位進行實時監控,車輛進入停車位,停車場內顯示該車位已經被占用,車輛離開顯示該車位空閑,同時數據要實時傳送到智慧停車管理系統,系統對該車位進行管理[3]。停車位狀態監控數據可以形成地圖形式,利用智慧停車管理系統和綜合管理系統可以將數據發送給客戶,以便客戶可以精準地找到停車位。同時,停車位監控也可以在車輛之間發生碰撞產生矛盾時提供數據支持。

2.5 智慧停車數據庫建設

數據是整個系統的核心,也是最基礎的數據。智慧停車系統將亳州市所有停車場和路邊停車位的數據資源進行整合,建立完整的數據庫系統勢在必行。根據系統設計需求,將路邊停車、路邊單位停車場和開放停車場資源進行數據庫設計,并對智慧停車管理系統、綜合管理系統平臺、管理員手持終端、停車服務等多個平臺進行訪問和對接。多個平臺之間的數據存在數據接口,要保證能夠相互訪問,打造一個綜合的智慧停車數據庫管理系統。

2.6 公共服務

在城市的主干道和停車場附近要設置能夠實時指示停車場和空余停車位狀態的指示牌,能夠引導車輛自主停車。同時,車主也可以通過下載的App查詢附近停車場和空余停車位,提醒相關的停車服務及停車費用說明等[4]。車主通過掃描微信,關注城市停車服務,及時獲取政府和智慧停車管理公司發布的信息,可以獲得更好的服務。

3 Rolling-horizon算法分析及解決供給問題

3.1 算法分析

Rolling-horizon算法可以對平臺內數據運營周期內數據的變化進行滾動優化,保證了數據在隨機出現過程中的正確性,預測控制有了預見性,滾動優化和反饋校正能夠更好地適應車位供給系統。

Rolling-horizon算法利用滾動優化,可以根據決策期收集變化的數據,當決策期t=1,2,…,T時,數據監控平臺就可以收集到某區域停車場的空余車位數量,同時根據歷史數據對該時刻的停車數量進行均值判斷,對未來停車數量進行預測評估,從而可以生成一組從決策期t到最后決策期T的車位評估方案,并對后期合理地使用車位的數量提供解決方案。Rolling-horizon是隨著決策期往前滾動直到決策期結束[5]。采用Rolling-horizon方法,可以在線實時滾動信息,并且對實時的數據進行優化,數據采集之后,能夠快速地對數據進行處理。

首先建立動態隨機規劃數學模型:假設t為決策期,C為平臺管理的車位總數量;St為平臺決策期內可使用車位的數量;dt,k表示為決策期t內隨機需求k的數量;f(dt,k)為決策期t內需求k的未知分布函數;βt,k為決策期t內為滿足需求k決策出的供給車位數量;車位實際供給數量xt,k(λt,k,βt,k)主要與隨機變量dt,k有關。由于隨機變量在車位的供需過程中起到至關重要的作用,而且在規劃的數學模型中隨機變量dt,k的分布函數f(dt,k)未知,為了解決隨機變量問題,可以通過建立的平臺C獲取歷史訂單計算需求k的均值λt,k。在Rolling-horizon算法中,把需求k的均值λt,k近似為隨機變量dt,k的期望。

(1)

相應的隨機動態規劃模型建立如下:

(2)

xt,k=min{dt,k,βt,k},1≤t≤T,1≤k≤Kt

(3)

(4)

對于約束公式(3),可以改寫為xt,k=min{λt,k,βt,k}。根據λt,k是已知的條件,可以將原有的約束條件優化為公式(5)。

(5)

第t次滾動時,平臺整個決策期t,1≤t≤T的收益可以重新表示為:

(6)

同時,在決策期t=1,2,…,T-1中可以判斷當前停車位使用的情況,可以判斷出t+1時期的空余停車位數量為:

(7)

為了保證收益的最大化,在對應的決策期t內,智慧停車平臺根據車位的空余與實際使用情況,可建立最大化剩余運營時段{t,t+1,…,T}總收益的近似最優確定性模型如公式(8)所示。

(8)

t≤h≤T;

約束條件3:xh,k≤λh,k,t≤h≤T,1≤k≤Kh;

約束條件4:xh,k≤βh,k,t≤h≤T,1≤k≤Kh;

約束條件5:xh,k≥0,t≤h≤T,1≤k≤Kh。

3.2 實驗仿真

為了對泊車系統進行仿真驗證,本文通過調研收集了一些停車數據,并對收集的數據進行了預處理,去除了節假日停車的樣本數據和超長時間占用車位的數據及20 min內免費停車的數據,2021年10月12日前10條數據如表1所示。

表1 停車運營部分數據

按照數據分析和預處理方法,保留了30天的工作日(周一到周五)樣本,共計36 218條樣本數據。將樣本數據代入實驗參數,具體實驗參數設置如表2所示。

表2 實驗參數設置

4 結語

本文針對亳州城市智慧停車動態車位供給問題進行了研究,提出了車位供給的設計模型,并采用Rolling-horizon算法對仿真數據在平臺模型中進行預

測,可以有效地控制數據在動態變化過程中出現錯誤,為車位供給系統動態反饋信息提供了技術支持。同時,根據預約平臺價格的調整,可以有效地解決高峰期車位空余數量,滿足不同人群對車位的需求,從而解決了科學管理和解決停車難的問題。