彭金栓，舒麟棹，劉 銀，孫鵬程，朱浩銘，劉 珂

(重慶交通大學，交通運輸學院，重慶 400074)

0 引 言

在大型地下停車場中，車主們時常會忘記自己愛車的停放位置，耗費半個小時甚至更多時間也未找到車輛的報道屢見不鮮，停車難、找車難日益成為制約我國大中城市經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸[1-2]。單調(diào)的停車場環(huán)境、場內(nèi)微弱的網(wǎng)絡信號都是車主難以順利找回愛車的阻礙[3]。樊勇等[4]開發(fā)了采用指紋識別技術的尋車系統(tǒng)，客戶在整個停車及尋車的過程中只通過指紋進行定位或驗證，擺脫其他輔助定位物品如停車卡、條碼等的限制；劉譯澤等[5]則提出了智能車庫的理念，利用停車庫內(nèi)指示燈對進庫車輛引導至停車位，確定車輛停車位置，尋車時再依靠尋車查詢屏(器)幫助車主尋車；郭芝源等[6]利用二維碼技術設計了停車場的反向尋車系統(tǒng)，通過3G/WiFi網(wǎng)絡上傳、下載停車位信息，完成反向尋車的引導；國外對于反向尋車技術方面的研究比較少，側重于研究泊車時的微觀巧為，其中最早的是W. YOUNG等[7]設計的PARKSM系統(tǒng)，最大的特點是能夠借助手段模擬停車場內(nèi)車輛尋找停車位的過程；而P. V. WAERDEN等[8]通過對愛因霍芬市相關停車場內(nèi)駕駛員停車行為的統(tǒng)計研究，得出駕駛員停車位選擇與停車位本身特點之間的聯(lián)系。

以上研究成果主要存在兩方面的缺陷：一是對硬件設備要求較高(如尋車查詢屏)，停車場管理方所需安裝成本較高；二是尋車系統(tǒng)需依賴于網(wǎng)絡信號，不利于地下停車庫等信號不穩(wěn)定處使用。通過藍牙設備將停車場進行區(qū)域劃分，利用手機對停車場定位信號的識別能力(即藍牙信號ID的識別)對停車場區(qū)域進行定位，并結合停車場地圖完成尋車路徑的規(guī)劃，降低了停車場購買設備的成本，對車主的尋車體驗也有了很大的提升。

1 反向尋車系統(tǒng)

反向尋車系統(tǒng)的設計主要由定位系統(tǒng)、路徑規(guī)劃兩部分組成。在停車場內(nèi)，通過對定位信號的合理布置，使每一個信號控制、管理一個特定區(qū)域，構成完整的定位系統(tǒng)，并以此為依據(jù)輸出停車場區(qū)域分布圖作為路徑規(guī)劃中的地圖。系統(tǒng)識別的定位信號確認用戶或停車位置，根據(jù)區(qū)域圖及用戶、車的相對位置，規(guī)劃出一條有效的最短尋車路徑。系統(tǒng)的運行流程圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)運行結構Fig. 1 Diagram of system operation structure

2 定位系統(tǒng)

本系統(tǒng)要求信號節(jié)點能長時間、持續(xù)正常工作，避免管理方頻繁的維護；其次，本系統(tǒng)中的信號節(jié)點能被手機藍牙檢測到即可，無需承擔其他復雜的工作。因此，可選擇具有BLE技術的iBeacon設備作為系統(tǒng)中的信號節(jié)點。

2.1 定位原理

在停車場內(nèi)安置的iBeacon設備，利用其BLE技術向周邊發(fā)送自己特有的ID，手機掃描定位信號并加以識別，以確認車與人的位置。通過對設備的合理布置，完成區(qū)域的有效劃分，保證停車場內(nèi)所有停車位均被信號覆蓋，且盡可能降低相鄰信號間的干擾，確保系統(tǒng)正常運轉。

2.2 區(qū)域劃分方法

經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大部分停車場布置型式均如圖4，行車道兩側均布置有停車位，且車頭朝向行車道：

圖2 停車場部分示意Fig. 2 Diagram of partial park

基于停車位布置格局，對區(qū)域劃分原則如下：

1)區(qū)域內(nèi)的停車位均被至少一個、至多兩個信號覆蓋；

2)任一停車位能且僅能在一個區(qū)域內(nèi)；

3)一個區(qū)域僅包含緊鄰行車道兩側的停車位；

4)區(qū)域的形狀呈矩形；

5)特殊位置如停車場角落、拐角處等，一個區(qū)域內(nèi)的停車位可少于(不可多于)既定數(shù)量。

2.3 停車場劃分模型

2.3.1 條件假設

1)iBeacon廣播半徑可根據(jù)需求進行調(diào)控；

2)用戶具有基本的判斷能力；

3)停車場布置大部分區(qū)域如說明文檔中圖2，即垂直式停車位，且行車道兩側各一排。

4)廣播信號的傳播范圍呈圓形擴散，而區(qū)域的形狀呈矩形，如圖3：

圖3 停車位區(qū)域Fig. 3 Area map of parking space

圖4 iBeacon信號覆蓋Fig. 4 iBeacon signal coverage

本系統(tǒng)中，要求每一個區(qū)域中所有的停車位都必須被該區(qū)域對應的定位信號所覆蓋。其中，信號覆蓋的認定條件為：停車位(包括上下列距各一半)投影在行車道邊線上的線段(如圖4中1號停車位虛線對應線段)完全被藍牙信號覆蓋。如圖4中1號車位即被視為不在該圖所示藍牙信號覆蓋范圍內(nèi)。

2.3.2 模型的建立

本系統(tǒng)涉及的相關參數(shù)定義如表1。

表1 參數(shù)定義Table 1 Definition of the parameters

1)iBeacon廣播半徑

本系統(tǒng)要求用戶需在行車道上使用系統(tǒng)，即在行車道任何位置均能檢測到至少一個信號。另外，相鄰行車道信號間的影響較大，因此需避免其干擾，則對于iBeacon廣播半徑r的約束條件為

(1)

2)區(qū)域參數(shù)

由“信號覆蓋條件”與“區(qū)域劃分原則”可得出在給定iBeacon廣播半徑時，區(qū)域寬度a與r的關系：

(2)

其中，一個區(qū)域內(nèi)的停車位個數(shù)為k=2(i+1)。

3)iBeacon位置

由于要求停車位范圍內(nèi)的行車道處處能被至少一個信號覆蓋，因此，iBeacon設備的放置應保證相鄰兩信號的交點不能在行車道以內(nèi)，則相鄰兩iBeacon設備的距離h為

(3)

其中，l為車道寬度，x為停車位與車道之距，y為同行相鄰兩停車位之距同，z為列相鄰兩停車位之距，m、n分別為停車位長度與寬度，單位均為cm。具體數(shù)據(jù)見表1。

4)模型求解

將表2中停車場內(nèi)數(shù)據(jù)代入各約束中可得：

表2 參數(shù)取值Table 2 Value table of parameters

通過對停車場實地調(diào)查，我們隨機選擇50位車主作為調(diào)查對象。通過對車主講解反向尋車原理，詢問車主當變量k取多少時，車主最容易找到自己的車輛。其中38位車主選擇了當i=4，即k=10，rmin=1 121，h=2 160時；8位車主選擇了k=12，4位車主選擇了k=8；此外，我們還咨詢了相關專家，他們從經(jīng)濟成本和系統(tǒng)的最優(yōu)化方面認為當k=10是比較合理的。為保證信號的檢測效果，信號半徑應略大于rmin，信號間距略小于h，因此，筆者對停車場的劃分標準進行最終的確定：

i=4，k=10，r=1 200，h=2 100

2.3.3 停車位位置的確定

用戶找到停車位并將車輛停止后，打開系統(tǒng)，選擇“記住停車位”，用戶根據(jù)停車場內(nèi)區(qū)域指示牌在界面中選擇區(qū)域名。當用戶進行尋車時，系統(tǒng)根據(jù)對應地圖對用戶停車時選擇的信號進行處理，將該信號代表的停車場區(qū)域以藍色三角形展示在地圖之中，如圖5。

圖5 停車位置示意Fig. 5 Sketch map of parking position

2.3.4 用戶位置的確定

當用戶處在單信號范圍時，系統(tǒng)直接判斷出用戶所在區(qū)域即為該信號對應區(qū)域；當用戶處在兩區(qū)域交界處，系統(tǒng)檢測到兩個信號，如“2-6”、“2-7”。此時，系統(tǒng)自動將用戶判定為處在區(qū)域號較大的位置，即“2-7”；當用戶位置確定后，系統(tǒng)在地圖中以藍色矩形對該位置進行展示,如圖6(a)；當系統(tǒng)判斷出用戶所在位置與停車位置處于相同區(qū)域時，系統(tǒng)在地圖中以藍色圓形覆蓋原矩形,如圖6(b)。

圖6 用戶位置示意Fig. 6 Sketch map of user location

3 線路規(guī)劃

3.1 線路規(guī)劃

停車場地圖中，規(guī)定每列中兩停車位之間的距離為a，每列行車道之間的距離為b。系統(tǒng)獲取到停車位位置(x1,y1,z1)與用戶位置(x2,y2,z2)后(x為所在樓層，y為所在列，z為所在行)。根據(jù)改進后的Dijkstra算法，只計算確定起點到確定終點的最短路徑，即以用戶位置為起點、停車位置為終點，規(guī)劃出最短有效路徑[9]，如圖7。其中，路徑僅由兩兩垂直或平行的線段組成。

圖7 線路規(guī)劃示意Fig. 7 Sketch map of path planning

由于各停車場內(nèi)實際環(huán)境的限制，為保證系統(tǒng)規(guī)劃路線的通達性，將默認停車位間不可穿過，即區(qū)域間不可橫向穿越，車主只可沿行車道方向行走。系統(tǒng)在此基礎上為車主提供最短尋車路線，保證車主依據(jù)該路線能以足夠短的時間找到愛車，稱該路線為“最短有效路線”。路徑通過繪制有色線段在地圖中顯示，用戶界面如圖8。

圖8 路線規(guī)劃界面Fig. 8 Path planning interface

3.2 尋車導航

在用戶尋找車輛的途中，系統(tǒng)將反復檢測用戶位置并進行記錄、路線的繪制(以不同顏色繪制以區(qū)別于規(guī)劃路徑)如圖9中矩形、圖10中白色線段所示，以便于用戶參考兩條路線進行實際最佳路線的判斷。參照規(guī)劃路徑與實際路線相互關系，以及對停車場內(nèi)標識牌的利用，可實現(xiàn)無網(wǎng)絡狀態(tài)下的導航功能。

圖9 尋車示意圖Fig. 9 Sketch map of car searching

此外，用戶根據(jù)自行行走路徑尋車失敗后，系統(tǒng)可重新規(guī)劃新路徑，并將原路線信息清除。

3.3 軟件設計

利用MATLAB進行了系統(tǒng)運行模擬，以下為用戶與所尋車輛位于停車場同一樓層時，系統(tǒng)規(guī)劃尋車路徑對應的部分代碼。

if z1==z2 %(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)分別為用戶、車輛坐標;

subplot(1,n3,z1)

if x1==x2

plot(x1,min(y1,y2):max(y1,y2),'k:o')

hold on

elseif x1～=x2

if y1+y2>2×n2+2

2015年以來，每一枚通過至臻天文臺認證的歐米茄腕表都會獲得一張印有“MASTER CHRONOMETER CERTIFICATE”的紅色認證卡，消費者可通過上面的編號查看這一枚腕表在精準度以及各項檢測中的性能表現(xiàn)。瑞士聯(lián)邦計量研究院 (METAS) 作為至臻天文臺表的第三方認證機構，確保這些數(shù)據(jù)是透明、公正、可信的。

plot(x2,y2:2×n2+3,'k:o')

hold on

plot(min(x1,x2):max(x1,x2),2×n2+3,'k:o')

hold on

plot(x1,y1:2×n2+3,'k:o')

hold on

else

plot(x2,1:y2,'k:o')

hold on

plot(min(x1,x2):max(x1,x2),1,'k:o')

hold on

plot(x1,1:y1,'k:o')

hold on

end

end

end

4 結 語

本系統(tǒng)將iBeacon信號范圍與停車位區(qū)域相聯(lián)系，通過對信號半徑的設置避免了多信號的干擾，利用iBeacon廣播ID的特點，對人、車所在位置進行區(qū)域定位。同時，系統(tǒng)作用于手機，用戶能隨時在手機上查看位置信息與規(guī)劃路線，擺脫了“找車機”終端的束縛；隨時隨地的路線規(guī)劃，也為用戶提供了便利，符合時代發(fā)展潮流[10-11]。而利用iBeacon的BLE技術以及藍牙的傳輸功能，在沒有網(wǎng)絡信號的停車場內(nèi)，系統(tǒng)也能為用戶提供便捷的服務，增強了本產(chǎn)品的實際運用價值與應用前景。

本設計在未來還可在以下幾個方面進行發(fā)展：將定位信號的覆蓋范圍擴大至停車場所有區(qū)域，取消用戶使用條件的限制；將定位信號與地圖信號融為一體，使停車場的布置簡單化；停車位置的確定從客戶確定向系統(tǒng)自動判定發(fā)展，讓用戶只有在需要使用該系統(tǒng)尋車時才需打開軟件，減少用戶的操作步驟；增加停車時尋找空閑車位功能。