智能车位预定与场内停车导航系统的设计与开发

刘 鑫 赵梦彤 张加民 苏 晗 孙叔豪 李嘉文

北方工业大学电气与控制工程学院交通信息与控制工程系，北京 100144

1 研究背景及意义

在2016年11月召开的中国城市静态交通论坛中指出“目前我国机动车保有量已超过2亿辆，其中有47个城市的汽车超过100万辆，北上广深等大城市超过200万辆，而且这些汽车绝大部分时间处于停放状态，全国停车位缺口达到5千万个。”另有研究表明，30%的城市交通拥堵均因车主四处寻找停车位造成，由于找不到停车位，车辆乱停乱放现象严重，进一步加深了城市交通拥堵的情况，严重制约着城市的发展。由此可见，“停车难”已成为城市交通领域不可忽视的问题。

目前，国内解决“停车难”问题的方法主要是通过树立LED分级停车诱导屏[1]来对车辆进行泊位引导。在日本，通常会利用不同的颜色区分设置分层空满显示屏，驾驶员进入停车楼后通过颜色的不同寻找空车位[2]。但此类方法不但会因分散驾驶员注意力而提高行车危险性，并且由于缺乏停车场内精确的车位引导，驾驶员仍无法迅速地进入车位停放车辆，极易造成场内交通拥堵；随着“互联网+”的热潮，智慧城市逐渐发展，继2014年美国推出了首个智慧停车APP后[2]，国内也产生了许多致力于“互联网智慧停车”模式的智慧停车APP[3]，但现有的停车APP基本都是只能查询停车场空余泊位数量以及将车辆导航到停车场[4]，由于用户不能及时掌握停车场内部信息，使得驾驶员进入停车场后，仍需要无序流动寻找车位，产生大量无效交通流，进而造成停车场的交通拥堵。因此，研究一种集实时车位状态显示、车位预订以及精确到车位级别的导航功能于一身的智慧停车系统是十分必要的。

2 系统设计与关键技术

2.1 系统设计

基于组合导航的行车引导与停车管理系统主要由云端数据实时收发平台、停车场子系统、用户车载子系统三个部分构成，系统逻辑结构如图1所示。

（1） 停车场子系统中视频检测系统主要采用“‘一对六’无线高清视频车位检测器”检测车位状态以及车辆车牌信息；当视频检测器检测到车位状态信息以及车辆的车牌信息后经过数据预处理并通过数据交互模块传送给通信模块将车位状态和位置信息通过无线网打包发送。同时停车场管理方平台将对该停车场车位状态和车牌信息进行动态的显示，并与接收到的用户车牌信息进行匹配，若不匹配则触发报警模块。

（2） 云端数据实时收发平台主要对数据进行接收、储存以及发送。当接收到车位状态以及车位位置信息后，数据库更新模块则对云端数据库进行数据更新后再将车位状态以及位置信息打包通过无线网发送到用户子系统；当云端接收到用户的车牌信息后再将用户车牌信息通过无线网发送到停车场管理方平台，以此来实现整个系统三大部分各种信息的实时交互功能。

（3） 用户子系统接收到车位状态及位置信息后，用户可以通过界面直观地观看到所选择停车场各车位状态。当用户预订车位后，用户车载子系统自动通过无线网络发送用户的车牌信息并获取所预订车位的位置信息，然后则开启BDS+INS组合导航系统进行停车场及车位导航。三部分之间具有密切联系，数据信息不断进行实时交互，为提高停车场车位信息的透明度提供了保障。

图1 系统逻辑结构图

2.2 系统架构

本系统主要由数据层、接口层、应用层以及用户层组成，系统架构图见图2。

图2 系统架构图

（1） 数据层。数据层是接口层、应用层以及用户层的前提条件，为整个系统功能的实现提供了强大的数据基础。其中，主要包括地图数据、停车场数据以及车辆位置数据。本系统中，地图数据主要来自于百度地图，停车场数据主要来自于停车场视频检测器，车辆位置数据则主要来自于北斗卫星导航系统以及惯性导航系统。

（2） 接口层。包括百度地图API、Android数据接口以及北斗卫星数据接口。其中主要应用百度地图API提供的BaiduMap.OnMapClickListener （地图单击事件监听接口） 、BaiduMap.On-MarkerClickListener （地图Marker覆盖物点击事件监听接口） 、InfoWindow.OnInfoWindowClickListener （信息窗口点击事件监听接口） 等接口。

（3） 应用层。系统应用层包含实时数据系统、用户和停车场前台系统以及后台系统。通过数据层以及接口层的技术支撑和各部分数据的不断交互，以实现整个系统的全部功能。

（4） 该系统用户层主要由用户子系统和停车场子系统构成。

2.3 系统功能设计

基于以上需求和系统设计，整个系统的功能设计如图3所示。基于Android开发环境，系统主要向用户提供便捷停车并辅助停车场方管理停车场的功能。

（1） 用户子系统。用户可以通过用户交互界面完成在出行前查看所选停车场车位状态、预订空余车位以及通过组合导航模块进行规划最优路线、停车场导航和车位导航等功能。

（2） 停车场子系统。停车场方通过数据采集模块采集到车位状态、位置信息和车牌信息作为系统的数据基础；停车场管理方还可以通过显示屏观测停车场车位占有情况以及进行预订该车位的车辆车牌信息与检测到实际停到该车位车辆车牌信息的匹配和报警。

（3） 云端数据实时收发平台。主要负责车位状态、位置数据和用户车牌信息的传输、更新及储存。

2.4 北斗+惯性 （BDS+INS） 组合导航技术

该系统的技术难点在于如何实现精度达到车位级别的室内导航。在室内，卫星信号穿透墙壁的能力较弱，导航精度也大大降低，因此目前一些停车APP单纯使用卫星导航系统将车辆导航至停车场[5]，不能将用户准确引导至车位，极易造成因驾驶员寻找车位而造成的停车场内交通拥堵。为实现更深一层次的导航，本系统采用了BDS+INS组合导航系统，如图4所示。

BDS+INS组合导航系统包括：运算处理器以及与运算处理器分别连接的卫星定位模块、IMU模块、车轮传感器、气压高度表、磁航向偏角及车轮周长校准开关和三轴电子罗盘校准开关，其中惯性测量单元包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴电子罗盘。

卫星定位模块将其确定的位置和速度信息输出到运算处理器模块；惯性测量单元将其测得的三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴电子罗盘的数据输出到运算处理器；车轮传感器将其测得的车轮转动数据输出到运算处理器；气压高度表和卫星定位模块的输出，将其共同测得的高度数据输出到运算处理器，通过运算处理器的解算处理，能够解算出车体的高度；惯性测量单元和车轮传感器的输出，通过运算处理器的解算处理，能够解算出车体的姿态、水平速度、水平位置。这种方法能够解决一定时间内没有卫星信号的情况下的车体定位问题。

图3 系统功能设计图

图4 北斗+惯性 （BDS+INS） 组合导航系统结构图

3 系统实现

3.1 硬件实现

停车场信息获取方面，采用可自动检测泊位状态以及所停车辆车牌信息并通过无线网自动上传至所设服务器的“‘一对六’无线高清视频检测器”；用户子系统硬件使用嵌入式4412开发板来开发终端软件，通过Wi-Fi接口与支持Wi-Fi及TCP/IP协议的Wi-Fi模块相连；通过蓝牙接口与北斗时空信息技术 （北京） 有限公司所提供的北斗+惯性 （BDS+INS） 导航模块进行连接；通过HDMI接口连接高清触摸显示屏，便于用户操作，系统硬件组成示意图如图5所示。

图5 系统硬件组成示意图

3.2 软件实现

本系统目前以北方工业大学停车场为例，由于技术原因目前通过人工调研获取场内地图，从而开发出系统实例，主界面如图6。用户通过停车场车位实时场景图选择想预约的车位后，系统自动弹出预订成功界面 （见附录） ，并锁定该车位；当用户通进入停车场内部后，则开始进行停车场内部的车位导航 （如图7） ；当用户需要取车时，可以通过主界面选择寻找车辆功能并进入寻车导航界面；最终车辆驶离车位后，系统自动计算费用并弹出缴费界面，通过该界面用户可选择支付方式以及代金券等。

图6 用户主界面

图7 车位导航示意图

通过实际车辆测试，导出数据库部分记录如表1所示。据表1所示内容得知，该系统目前能够准确实现其部分功能：用户可以通过手机实时查看停车场各车位状态并且预约空车位，若用户在到达预留时间 （目前为30min） 时还未到达车位，则系统开始计费。否则，系统将会在车辆进入车位后再开启计时计费功能。

表1 部分测试信息记录表

4 创新特色

系统充分利用互联网的实时交互性将线下停车资源信息公开化、资源利用最大化，用户能直观地看到停车场车位状态，提高了停车场车位利用率；系统创新应用了车位预定功能，车主可以远程选择预订空车位，极大减小了车主为了寻找停车位而产生的空驶率；系统采用了北斗+惯性 （BDS+INS） 组合导航系统，使得大型停车场特别是多层地下停车场内，也能实现精确到车位级别的导航。系统弥补了现有停车诱导系统的不足，使得车辆能安全、有序、高效地到达泊位。

5 应用前景

在停车问题日益严重的今天，停车诱导系统逐渐成为停车场特别是大型停车场必备的配置，互联网的普及使得智慧停车系统成为历史必然。本系统针对现有的停车诱导系统进行优化调整。通过本系统用户可以远程查询并预订停车场空车位以及体验在室内精确到车位级别的导航，不仅提高了停车场周转率，还减少了无效停放时间及其因无效占用资源导致的等待时间。

本系统安装、使用过程简单，符合现代智能交通的发展趋势，可以让用户享受舒适的停车体验。在未来，如果本系统得到广泛的应用，将对推进停车场数字化建设进程起着不可忽视的作用。本系统有着广阔的应用前景。

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