大中型停車場(chǎng)智能泊車導(dǎo)航系統(tǒng)研究

趙一州

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大中型停車場(chǎng)智能泊車導(dǎo)航系統(tǒng)研究

趙一州

（昆明理工大學(xué)，國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650000）

隨著城市加速發(fā)展，一些城市面臨著“車多位少”的困境，尋找到一個(gè)合適的停車位變得越來(lái)越難。為了解決這類問(wèn)題，本文介紹了大中型智能泊車導(dǎo)航系統(tǒng)的研究方法與功能需求，對(duì)智能泊車導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)以及后臺(tái)管理模塊進(jìn)行了開發(fā)。通過(guò)對(duì)布爾(Boolean)模型和迪杰斯特拉(Dijkstra)算法的研究，分析提出了一個(gè)集信息查詢、預(yù)定停車位、泊車導(dǎo)航、反向?qū)ぼ嚨裙δ苡谝惑w的智能停車導(dǎo)航系統(tǒng)。從而到達(dá)提高車主在進(jìn)行泊車及取車時(shí)的快速性與便捷性的目的。

智能泊車導(dǎo)航；反向?qū)ぼ?；地理信息系統(tǒng)

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)私人汽車保有量的迅速增加，車主越來(lái)越難在一些城市的商務(wù)中心尋找到一個(gè)合適的車位停車。與此同時(shí)，因?yàn)橥＼噲?chǎng)的規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，給車主帶來(lái)的新的問(wèn)題就是找車難。停車場(chǎng)作為人們出行的重要設(shè)施，其高水平的服務(wù)效率必將為車主提供幫助。所以建設(shè)智慧型停車場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)停車場(chǎng)信息的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享，將會(huì)為人們的生活提供極大地方便。

本文在查閱相關(guān)研究資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究方向，構(gòu)建一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)查看停車場(chǎng)信息、預(yù)定停車位、智能泊車誘導(dǎo)、反向?qū)ぼ嚬芾淼裙δ苡谝惑w的智能泊車導(dǎo)航系統(tǒng)。利用Microsoft Visual Studio軟件、Microsoft SQL Sever軟件和編程語(yǔ)言C#+AE語(yǔ)言完成系統(tǒng)軟件的部分設(shè)計(jì)。通過(guò)車輛的全球定位系統(tǒng)(GPS)定位點(diǎn)，在選擇車位后運(yùn)用迪杰斯特拉(Dijkstra)算法實(shí)現(xiàn)車輛在停車場(chǎng)內(nèi)部的導(dǎo)航從而進(jìn)行泊車導(dǎo)航，對(duì)于室內(nèi)停車場(chǎng)通過(guò)室內(nèi)定位的方法將車輛快速準(zhǔn)確的導(dǎo)航到預(yù)定停車位[1]。當(dāng)車主在返回尋找自己車輛時(shí)，通過(guò)移動(dòng)端基于布爾(Boolean)模型開發(fā)的反向?qū)ぼ嚥樵兡K進(jìn)行查詢，確定車輛位置后，定位生成到達(dá)用戶車輛所在位置的路線圖，方便車主能準(zhǔn)確找到自己的愛車。

1 智能停車導(dǎo)航系統(tǒng)的研究方法

1.1 電子地圖的應(yīng)用

根據(jù)停車場(chǎng)所在的地理位置，停車場(chǎng)平面圖，用戶停車需求等，對(duì)電子地圖的二次開發(fā)，從而提供地理信息服務(wù)，基于C#等編程軟件通過(guò)現(xiàn)有的電子地圖的接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，將電子地圖通過(guò)接口引入到頁(yè)面中同時(shí)加載停車場(chǎng)內(nèi)部的平面圖等相關(guān)信息。通過(guò)運(yùn)用二次開發(fā)的源代碼庫(kù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)能夠顯示停車場(chǎng)信息、停車場(chǎng)地址、停車場(chǎng)收費(fèi)情況等相關(guān)信息的窗口。

1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用

智能泊車導(dǎo)航系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫(kù)信息主要是存儲(chǔ)停車場(chǎng)和停車位的相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容主要包括停車場(chǎng)位置的空間數(shù)據(jù)信息、車位位置空間數(shù)據(jù)信息、停車場(chǎng)的基本信息、停車位基本信息，運(yùn)營(yíng)使用的實(shí)時(shí)使用情況及反饋數(shù)據(jù)信息等，這些數(shù)據(jù)主要運(yùn)用于支撐停車場(chǎng)及車位信息查詢等工作[2]。

1.3 Android技術(shù)的應(yīng)用

由Google公司研發(fā)的Android系統(tǒng)是針對(duì)智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備的操作系統(tǒng)，Android系統(tǒng)允許各個(gè)手機(jī)廠商參與到系統(tǒng)的開發(fā)，智能泊車導(dǎo)航系統(tǒng)將 GIS技術(shù)與 Android技術(shù)相結(jié)合，用戶可以通過(guò)使用移動(dòng)客戶端對(duì)停車場(chǎng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)了解[3]。

2 智能泊車導(dǎo)航系統(tǒng)的功能與模塊設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的功能需求

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)智能泊車導(dǎo)航系統(tǒng)，針對(duì)泊車最優(yōu)路徑查詢，反向?qū)ぼ嚥樵兊葐?wèn)題提出相應(yīng)的解決方案。通過(guò)了解分析國(guó)內(nèi)外有關(guān)智能泊車導(dǎo)航以及反向?qū)ぼ囘^(guò)程技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀，確定智能泊車導(dǎo)航的方法，反向?qū)ぼ嚥樵兡Ｐ鸵约胺聪驅(qū)ぼ嚪椒āＫ韵到y(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：

（1）用戶通過(guò)手機(jī)移動(dòng)端進(jìn)行登錄查詢自己所在的位置附近是否有停車場(chǎng)以及停車場(chǎng)的信息。

（2）用戶根據(jù)移動(dòng)端顯示的停車場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息情況等信息，選擇停車場(chǎng)并且可以預(yù)約停車位。

（3）用戶選擇成功后，界面自動(dòng)生成用戶當(dāng)前所在位置到停車場(chǎng)的導(dǎo)航路線圖[4]。

（4）用戶進(jìn)入停車場(chǎng)，通過(guò)停車場(chǎng)門口的圖像識(shí)別設(shè)備識(shí)別車牌號(hào)后，進(jìn)入停車場(chǎng)內(nèi)部，移動(dòng)端界面轉(zhuǎn)入到停車場(chǎng)內(nèi)部導(dǎo)航，根據(jù)停車場(chǎng)內(nèi)部地圖將車輛引導(dǎo)到預(yù)約車位后開始計(jì)算停車時(shí)間。

（5）用戶再次進(jìn)入停車場(chǎng)，通過(guò)使用反向?qū)ぼ嚬δ苌煞聪驅(qū)ぼ囎顑?yōu)路徑，從而能夠快速的找到自己車輛所在位置。

（6）通過(guò)車牌識(shí)別技術(shù)確認(rèn)車輛駛出停車場(chǎng)后將信息返回移動(dòng)終端停止計(jì)時(shí)并計(jì)算價(jià)格。

通過(guò)明確大型停車場(chǎng)智能泊車導(dǎo)航的方法，反向?qū)ぼ嚥樵兡Ｐ鸵约胺聪驅(qū)ぼ嚪椒ㄒ约肮δ苄枨?，設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案，根據(jù)設(shè)計(jì)方案利用Microsoft Visual Studio軟件、Microsoft SQL Sever軟件和編程語(yǔ)言C#+AE語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案各項(xiàng)功能。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

大中型智能停車場(chǎng)智能泊車導(dǎo)航系統(tǒng)軟件的用戶使用手機(jī)移動(dòng)端上的GPS或北斗進(jìn)行當(dāng)前位置的定位，用戶使用移動(dòng)端進(jìn)行登錄查詢自己所要前往的目的地附近的停車場(chǎng)信息，選擇合適的停車場(chǎng)并進(jìn)行停車位預(yù)約，確保在車輛到達(dá)停車場(chǎng)后有停車位使用。用戶可以運(yùn)用電子地圖進(jìn)行到達(dá)停車場(chǎng)前的導(dǎo)航，讓用戶能夠更加方便快捷地到達(dá)自己所預(yù)約的停車場(chǎng)[5]。其主要流程如圖1所示。

圖1 智能泊車系統(tǒng)流程圖

2.3 系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

對(duì)于智能泊車導(dǎo)航系統(tǒng)軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要根據(jù)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，智能泊車系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)中主要分為后臺(tái)管理模塊和用戶使用模塊。其系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)圖

停車場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息都會(huì)及時(shí)更新并且傳輸?shù)酵＼噲?chǎng)的后臺(tái)管理模塊，通過(guò)后臺(tái)管理模塊對(duì)數(shù)據(jù)的處理，后臺(tái)管理模塊在接收到來(lái)自移動(dòng)端所發(fā)送的數(shù)據(jù)請(qǐng)求后將信息傳送到對(duì)應(yīng)的移動(dòng)端，確保用戶在查詢和預(yù)約停車位時(shí)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，用戶在進(jìn)行查詢和預(yù)約時(shí)所涉及到了該系統(tǒng)中各個(gè)模塊之間的職能和相互間的聯(lián)系[6-7]。

在確定數(shù)據(jù)表所需表的數(shù)量及功能時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)中的表格需要根據(jù)上述數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)圖轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系，從而確定需要涉及到的數(shù)據(jù)庫(kù)表[8]。在該系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫(kù)表主要包括：用戶基本信息表、系統(tǒng)管理員信息表、停車場(chǎng)內(nèi)停放車輛信息表、停車位基本信息表、交費(fèi)充值記錄表、停車場(chǎng)系統(tǒng)信息表等。在完成數(shù)據(jù)庫(kù)的建庫(kù)工作后，通過(guò)使用C#語(yǔ)言對(duì)管理員管理平臺(tái)進(jìn)行搭建得到的管理員管理界面。

3 停車場(chǎng)內(nèi)智能泊車及反向?qū)ぼ嚪桨笇?shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)將采用基于布爾(Boolean)模型[9]的反向?qū)ぼ嚥樵兒偷辖芩固乩―ijkstra）算法[10]進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 布爾（Boolean）模型

布爾模型是最經(jīng)典的查詢模型，布爾模型的基本原理是布爾邏輯，在創(chuàng)建相關(guān)查詢語(yǔ)句時(shí)各個(gè)關(guān)鍵詞之間通過(guò)運(yùn)用AND、OR、NOT及相關(guān)的運(yùn)算符進(jìn)行連接，使用布爾模型進(jìn)行查詢時(shí)結(jié)果類似于二進(jìn)制，所以查詢結(jié)果只有兩類分別是1、0，即索引中數(shù)據(jù)與查詢條件一致時(shí)結(jié)果是True(1)，數(shù)據(jù)與查詢條件不匹配時(shí)結(jié)果是False(0)，由此布爾模型查詢結(jié)果具有二值性的特點(diǎn)[11]。運(yùn)算模式如圖3所示。

圖3 布爾邏輯運(yùn)算

布爾模型是一種嚴(yán)格匹配的簡(jiǎn)單的查詢模型，標(biāo)準(zhǔn)布爾模型表達(dá)式（1）如下：

Di=（Wi1, Wi2, Wi3,…, Wi1） （1）

公式中，D表示查詢內(nèi)容，n是特征項(xiàng)的個(gè)數(shù)，Wik則為1或0，用來(lái)表示特征項(xiàng)k（1≤k≤n）在數(shù)據(jù)庫(kù)i中出現(xiàn)或者不出現(xiàn)[12]。

用戶在需要離開停車場(chǎng)時(shí)，只需要使用移動(dòng)端的反向?qū)ぼ嚬δ芗纯色@得反向?qū)ぼ嚨奶崾拘畔?。用戶在使用移?dòng)端對(duì)自己車輛位置進(jìn)行查詢時(shí)，是為了能夠快速且精確的尋找到自己停在停車場(chǎng)的車輛，因?yàn)樵谶M(jìn)行查詢時(shí)需要限制其查詢條件，所以在進(jìn)行反向?qū)ぼ嚂r(shí)的查詢條件滿足布爾模型使用的條件。另外該系統(tǒng)中主要的查詢方式是利用Microsoft SQL Sever數(shù)據(jù)庫(kù)中的查詢語(yǔ)句進(jìn)行，因?yàn)樵赟QL數(shù)據(jù)庫(kù)中主要應(yīng)用的就是布爾邏輯，所以本文選擇了布爾模型作為智能泊車導(dǎo)航系統(tǒng)的查詢模型。

3.2 迪杰斯特拉（Dijkstra）算法

迪杰斯特拉算法是一種用于計(jì)算一個(gè)節(jié)點(diǎn)到其他所有節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑路由算法，主要特點(diǎn)是 以起始點(diǎn)為中心向外層層擴(kuò)展，直到擴(kuò)展到終點(diǎn)為止[13-14]。

通常我們?cè)诮鉀Q最優(yōu)規(guī)劃問(wèn)題時(shí)，我們提出了最優(yōu)子結(jié)構(gòu)性質(zhì)，即如果所研究的問(wèn)題得到的最優(yōu)解中所包含的子問(wèn)題的解也是最優(yōu)的。所以最優(yōu)路徑的最優(yōu)子結(jié)構(gòu)的性質(zhì)一般可以描述為：如果P(i,j)={Xi……Xk…Xs…Xj}是從點(diǎn)i到j(luò)的最優(yōu)路徑，點(diǎn)k和s是該最優(yōu)路徑上的中間頂點(diǎn)，那么P(k，s)就是從點(diǎn)k到s的最優(yōu)路徑[15]。

由該性質(zhì)可知，為了得到最優(yōu)路徑，Dijkstra提出了根據(jù)最優(yōu)路徑的距離逐次遞增，從而生成最優(yōu)路徑的算法，例如對(duì)于起始的頂點(diǎn)X0，首先選擇與頂點(diǎn)X0直接相鄰的所有頂點(diǎn)中距離最短的頂點(diǎn)Xi，根據(jù)該方法依次尋找符合要求的頂點(diǎn)，所以如若要的到P(0,j)的最優(yōu)路徑，從頂點(diǎn)X0到達(dá)Xj的最短距離可以表示為dist[j]=min{dist[j],dist[i]+matrix[i][j]}[16]。

本文將某一停車場(chǎng)作為演示示例，該停車場(chǎng)有一進(jìn)口一出口，該停車場(chǎng)所有停車位都長(zhǎng)為5 m，寬為2.5 m，停車場(chǎng)的內(nèi)部道路的寬度為5 m。將停車場(chǎng)內(nèi)部的交叉口由上到下設(shè)置為M1、M2，入口為x1，出口為x2，假設(shè)該停車場(chǎng)內(nèi)部P1、P2、P3、P4、P5、P6為空余車位。得到如圖4所示的停車場(chǎng)空余車位示意圖。根據(jù)停車場(chǎng)的空余車位示意圖，將其路網(wǎng)抽象形成如圖5所示的帶權(quán)有向圖。

圖4 停車場(chǎng)空余車位示意圖

圖5 帶權(quán)有向圖

假定圖5中的P6是用戶所選擇的停車位，現(xiàn)在需要根據(jù)迪杰斯特拉算法原理得到用戶所在的入口處X1到停車位P6之間的最優(yōu)路徑，其計(jì)算步驟說(shuō)明如下[17]：

步驟一：在移動(dòng)端選擇入口X1，其距離為0，其余除X1以外的點(diǎn)的路權(quán)為∞；

步驟二：將入口X1作為中間點(diǎn)，計(jì)算與其直接相鄰的所有節(jié)點(diǎn)的路權(quán)值，以及它們分別到達(dá)M1的距離最短的是 X1→M1=20，其余點(diǎn)路權(quán)為∞；

步驟三：將M1作為中間點(diǎn)，計(jì)算與其相連的M2，M1→M2=15，累積X1到M2的距離最優(yōu)路徑為X1→M1→M2=35，其余點(diǎn)路權(quán)為∞；

步驟四：將M2作為中間點(diǎn)，計(jì)算與其到P6的路權(quán)，M2→P6=16.5，累積X1到P6的距離最優(yōu)路徑為X1→M1→M2→P6=51.5，其余點(diǎn)路權(quán)為∞；

通過(guò)以上步驟，可以得到X1到P6 之間的最優(yōu)路徑是X1→M1→M2→P6，最優(yōu)路徑總距離為51.5。

根據(jù)迪杰斯特拉算法原理，通過(guò)使用C#語(yǔ)言完成計(jì)算機(jī)編程對(duì)上述實(shí)驗(yàn)的計(jì)算過(guò)程進(jìn)行仿真，運(yùn)行結(jié)果如圖6所示。

將選擇的P1至P6這六個(gè)停車位的相關(guān)信息輸入到程序窗口中，從而得到如表1所示的入口X1到各停車位的最優(yōu)路徑。

以上即為智能泊車導(dǎo)航最優(yōu)路徑規(guī)劃選擇的整個(gè)過(guò)程，在進(jìn)行反向?qū)ぼ囀钱?dāng)查詢到自己車輛所在位置后，其反向?qū)ぼ噷?dǎo)航的最優(yōu)路徑規(guī)劃方法為智能泊車時(shí)類似。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，隨著城市建設(shè)的不斷加速，為了適應(yīng)城市發(fā)展的要求，停車場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)也逐漸向大型化、規(guī)模化、多層化方向的轉(zhuǎn)變，這使得用戶在泊車和反向?qū)ぼ嚂r(shí)難度都大大增加，隨著智能終端、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，本文設(shè)計(jì)分析一個(gè)基于大中型停車場(chǎng)自主選擇停車位的智能泊車導(dǎo)航系統(tǒng)。通過(guò)設(shè)計(jì)分析，得到了一種最合適的停車導(dǎo)航最優(yōu)路徑規(guī)劃算法，利用算法規(guī)劃出一條最優(yōu)路徑作為參考路徑，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)規(guī)劃。通過(guò)設(shè)計(jì)分析形成了智能泊車引導(dǎo)及反向?qū)ぼ囋拖到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)規(guī)劃，滿足停車場(chǎng)信息實(shí)時(shí)更新的要求，同時(shí)減輕了停車場(chǎng)管理維護(hù)的工作量，提高了停車場(chǎng)車位利用率，實(shí)現(xiàn)了智能泊車導(dǎo)航系統(tǒng)的基本功能。

表1 最優(yōu)路徑示意表格

Tab.1 Optimal path schematic table

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Research on Intelligent Parking Navigation System in Large and Medium-Sized Parking Lot

ZHAO Yi-zhou

(Land and Resources Engineering College, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650000, China)

Some cities are now faced with the dilemma of "car number exceeding that of parking space" with their accelerated development, and finding a suitable parking space is becoming more and more difficult. In order to solve these problems, this paper introduces the research methods and functional requirements of large and medium-sized intelligent parking navigation system, and develops the database of the intelligent parking navigation system and the backstage management module. Through studying Boolean model and Dijkstra algorithm, the analysis proposes an intelligent parking navigation system that integrates functions as information query, booking parking space, parking navigation, reversed car locating. Thus, it can improve the celerity and convenience of car owners’ parking and pick up.

Smart parking navigation; Reverse searching; GIS

TP311.52

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.10.023

趙一州(1994-)，男，昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)?S集成及應(yīng)用與地理信息系統(tǒng)。

趙一州. 大中型停車場(chǎng)智能泊車導(dǎo)航系統(tǒng)研究[J]. 軟件，2018，39（10）：116-120