史 偉，張青云，李 帥

(遼寧工業(yè)大學 電子與信息工程學院，遼寧 錦州 121001)

0 引 言

隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，私家車的數(shù)量急劇增長，然而城市停車位的數(shù)量卻增長緩慢，造成停車位供不應求，停車位難找的情況時有發(fā)生。此外，一些車主的違章停車行為嚴重影響了正常的交通秩序，使得城市停車難[1]的問題愈加嚴峻。停車位受到城市空間和地理位置的限制，現(xiàn)已趨于飽和，但由于停車鎖和停車位的位置過于分散等原因，大量分布于城市中的私人停車位無法得到有效利用[2]。因此，亟需一種管理方法來集中管理空閑分散的停車位，以解決一方面沒地方停車，另一方面空閑的私人停車位不能被充分利用的矛盾問題。

現(xiàn)在市面上有很多停車相關(guān)的軟件，例如：停車寶、ETCP停車、慧停車+、無憂停車等等。這些軟件大多數(shù)是基于LBS定位技術(shù)[3]的服務軟件，將互聯(lián)網(wǎng)與停車場端相結(jié)合[4]，為用戶提供方便，但同時也具有一定的局限性。這些軟件只針對各地的停車場進行開發(fā)，用戶使用軟件只能查找周邊的停車場，對于私人閑置的停車位并無涉及。對此，部分學者順應如今火熱的共享經(jīng)濟[5]潮流并結(jié)合車位資源緊缺的現(xiàn)狀，提出了私人車位共享模式[6-7]。文中在現(xiàn)有共享模型的基礎(chǔ)上設(shè)計出了基于LBS的停車位共享平臺。該平臺將商家車位、停車場、私家車位匯集為一體，為車主尋找空閑車位，打破車主找不到車位而車位閑置的窘境，實現(xiàn)最大程度的雙贏，并收獲巨大的經(jīng)濟效益。

1 總體設(shè)計

基于LBS的停車位共享平臺由用戶端和停車場端兩部分組成。在硬件方面，主要包括智能地鎖的各個組成硬件，實現(xiàn)看守車位的功能；在軟件方面，使用定位算法[8-10]、協(xié)同過濾推薦算法[11-12]和車位預測算法[13-15]對用戶的停車時間、出車時間和車位預定等信息進行智能化管理，達到停車位共享的效果。

1.1 體系結(jié)構(gòu)

平臺的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 體系結(jié)構(gòu)

軟件Server包含數(shù)據(jù)接收和發(fā)送、數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)庫四部分。平臺通過JSP編寫數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收及發(fā)送，同時為了緩解數(shù)據(jù)庫讀取壓力，加入了數(shù)據(jù)緩存模塊和緩沖數(shù)據(jù)[16]，然后根據(jù)用戶的需求對數(shù)據(jù)庫進行操作，調(diào)取相關(guān)數(shù)據(jù)。在Client中，軟件基于Android系統(tǒng)開發(fā)，實現(xiàn)軟件的相關(guān)功能，Server與Client通過http協(xié)議進行通信。

1.2 系統(tǒng)邏輯

在圖2所示的系統(tǒng)邏輯圖中，軟件由數(shù)據(jù)庫資源層、應用集成層、展示層及服務層四部分組成。

圖2 系統(tǒng)邏輯

數(shù)據(jù)資源層包括兩個數(shù)據(jù)庫，其中一個為備用數(shù)據(jù)庫，以保證數(shù)據(jù)的安全性。應用集成層則包含適配器、消息、接口及數(shù)據(jù)信息。展示層包含平臺擁有的相關(guān)功能。服務層則為用戶端APP和停車場端APP。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

智能地鎖為平臺的重要組成部分，可在無人看守的情況下看守車位，同時也為共享車位提供了基礎(chǔ)，如圖3所示。

圖3 停車地鎖結(jié)構(gòu)

智能地鎖硬件由搖臂組件、控制組件、開關(guān)組件、分離組件、動力組件、報警組件、天線組件、電池組件及軸承組件九部分組成。地鎖外殼上印有地鎖唯一標識的二維碼，使地鎖與相關(guān)車位的車主賬戶相關(guān)聯(lián)。當預約車位成功后，掃描地鎖上的二維碼，即可解除地鎖，平臺開始自動計時。智能地鎖控制組件包含聯(lián)網(wǎng)模塊，實時與平臺進行相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸。

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)流程

通過調(diào)查問卷確定了平臺的主體框架，將車位共享劃分為按時收費和按次收費兩種經(jīng)營模式，擁有閑置車位的用戶根據(jù)自己的實際情況將閑置車位以其中一種模式把相關(guān)信息發(fā)布于平臺，需要車位的用戶在平臺上查找自己心儀的停車地點。平臺針對停車難問題開發(fā)，著力于解決閑置車位資源浪費的現(xiàn)狀，為需要車位的用戶提供一個找車位的平臺。平臺由移動端APP和智能地鎖組成，用戶通過移動端APP發(fā)布、尋找停車位。預約成功后，到達車位地點，掃描智能地鎖上的二維碼即可解除地鎖，計時停車。平臺有效地促進了私人資源和公共資源的合理分配，部分解決了政府難以應對公共車位供不應求的現(xiàn)狀。平臺分為四個部分：找車位、找停車場、發(fā)布車位及發(fā)布停車場，其流程如圖4所示。

3.2 算法設(shè)計

3.2.1 室內(nèi)定位算法

三邊測量法[9](trilateration)原理如圖5所示，已知A、B、C三個錨節(jié)點的位置坐標分別為(xa,xa)，(xb,xb)，(xc,xc)，它們到目標節(jié)點D的距離分別為da，db，dc，假設(shè)目標節(jié)點D的坐標為(x,y)。

圖4 系統(tǒng)流程

圖5 三邊測量法

那么存在下列公式：

(1)

由式1可得D點的坐標為：

(2)

對此可以準確地計算出目標點的位置坐標，在GPS較弱的建筑內(nèi)使用該定位能最大程度地定位車輛及車位的位置，方便用戶使用。

3.2.2 協(xié)同過濾車位推薦算法

當用戶在搜索空閑車位時，平臺利用協(xié)同過濾推薦算法[12]并結(jié)合用戶的歷史訂單情況和當時所在位置，為用戶推薦最近、最適合的停車場及停車位。

協(xié)同過濾車位推薦算法如下：

(1)表示：在基于用戶的協(xié)同過濾推薦算法的推薦系統(tǒng)中，輸入的數(shù)據(jù)通常被表示為Rm×n矩陣形式，m表示用戶數(shù)量，n表示項目數(shù)量，Ri,j則表示第i個用戶對第j個項目的評估值。評估值可以是用戶的偏好(喜歡/不喜歡)或消費(購買/未購買)狀態(tài)，表示為二進制的0或1，也可以是用戶對項目的等級評價，表示為十進制的0～9十個等級。

(2)形成鄰居：基于用戶的協(xié)同過濾推薦算法的核心思想是為需要推薦服務的用戶尋找偏好度相似的“最近鄰居”集(nearest-neighbor)?！白罱従印奔歉鶕?jù)不同用戶的興趣點偏好相似程度來進行排序的，如：根據(jù)用戶n產(chǎn)生一個“最近鄰居”集N={N1,N2,…,Ns,}，其中用戶n不屬于集合N，N1到Ns按照降序排列。

圖6為形成鄰居的概念圖。該圖示意了最近鄰居的形成過程：利用歐幾里得距離公式計算目標用戶6與其他用戶之間的相似度，以用戶6為中心，選擇相似度最大的k=5個用戶作為用戶6的最近鄰居。用戶之間的相似度還可以使用Pearson距離、余弦相似度和Jaccard相似度等方法進行計算。

圖6 形成鄰居的概念圖

確定鄰居用戶有兩種方法：一是預先確定一個相似性閾值，將計算后的相似性與閾值進行比較，若相似性大于閾值，則該用戶可以作為目標用戶的鄰居用戶，若小于，則反之；二是預先確定一個鄰居數(shù)N，選取相關(guān)性較大的前N個用戶作為目標用戶的鄰居用戶。

(3)產(chǎn)生推薦：根據(jù)目標用戶的“最近鄰居”集，可以計算出兩類結(jié)果：用戶對其他項目的興趣程度的預測值，以及以TopN形式進行推薦的推薦集。

3.2.3 車輛預測算法

車輛預測算法的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)為停車場多日的停車記錄，以小時為單位統(tǒng)計停車場的停車狀況。該算法以k-means聚類算法[15]為基礎(chǔ)進行了相應的改進。k-means聚類算法首先在包含n個數(shù)據(jù)對象的數(shù)據(jù)集A中隨機選擇k個對象，每個對象代表一個初始聚類質(zhì)心。平臺需對停車場未來七個小時的車輛情況進行預測，即k取值為7。對于除去質(zhì)心的其余n-k個對象，根據(jù)該對象和每個聚類質(zhì)心之間的距離，將其分配到與之最相近的聚類集群中。然后，通過計算得出每個聚類的新質(zhì)心。重復以上過程，直到標準函數(shù)收斂為止。計算時，通常采用平方誤差準則函數(shù)(squared-error criterion)作為標準函數(shù)，即

(3)

其中，E是數(shù)據(jù)集A中所有對象的誤差平方和；p是數(shù)據(jù)集A中的一個數(shù)據(jù)對象；m是聚類C的質(zhì)心，即

(4)

k-means聚類算法步驟如下：

(1)從數(shù)據(jù)集A中隨機選擇k個對象作為聚類的初始質(zhì)心，記為C1,C2,…,Ck；

(2)計算其余各個對象到質(zhì)心的距離，將其分配到與之最相近的聚類集群中。每個聚類集群用其中所有對象的均值來表示，最相近的聚類集群是指該點與聚類質(zhì)心的距離最小。對于每個數(shù)據(jù)對象Vi，找出與它距離最小的質(zhì)心Cj，將Vi分配到第j組；

(3)將所有的數(shù)據(jù)對象都分配到與之相對應的聚類中，然后重新計算每個聚類的質(zhì)心Cj；

(4)重復執(zhí)行步驟2和步驟3，直到標準函數(shù)收斂為止。

通過k-means聚類算法的計算，即可根據(jù)該停車場多日的停車狀況進行統(tǒng)計分析，估算出未來幾小時的車輛停留情況，停車場管理員可以根據(jù)預測做出相關(guān)的防范措施。

3.3 用戶端

用戶端由找停車位、找停車場、發(fā)布車位及個人中心四部分組成，如圖7所示。

圖7 用戶端功能

在找停車位部分中，有按時收費和按次收費兩種模式。按時收費需由下單的用戶填寫預計的到達時間并支付一小時的車位押金，支付成功后軟件提供相應的訂單二維碼。預定后十五分鐘內(nèi)可以免費取消訂單；十五分鐘至半小時，取消訂單則需扣除押金的一半；預定半小時后用戶不能取消訂單。預定時間一小時后，如果車輛仍沒有到達車位，則車位變?yōu)殚_放狀態(tài)，其他用戶可以預定。按次收費則需用戶預約時支付全部費用，軟件提供停車二維碼。車位開始時間十五分鐘前可以免費取消訂單，之后則不能取消訂單。找停車場則包括停車場查詢和停車場預約兩部分。查找心儀的停車場，填寫相應的信息預約停車場，軟件提供停車二維碼，入庫時向停車場管理員提供二維碼。發(fā)布車位中，擁有閑置車位的用戶可以將自己的車位發(fā)布在平臺上，供需要車位的用戶查看。用戶可以管理自己的車位情況、查看訂單信息、發(fā)布車位等。發(fā)布停車場中，停車場管理員可以管理停車場的相關(guān)信息，對相關(guān)數(shù)據(jù)進行增刪改查操作。個人中心中用戶可以更改個人信息、管理車牌、更改系統(tǒng)設(shè)置等。

3.4 停車場端

停車場端由信息管理、信息查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和個人中心四部分組成，如圖8所示。

圖8 停車場端功能

信息管理包含車位信息管理和停車場的添加刪除功能，停車場管理員可以對停車場進行相關(guān)的信息管理。信息查詢中停車場管理員可以查看歷史車輛的相關(guān)信息，例如車牌、停車時間、費用等，同時也可以查看停車場內(nèi)車輛的相關(guān)信息。數(shù)據(jù)統(tǒng)計則是對停車場的各項數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，其中包括停車場利用率、車輛統(tǒng)計、周統(tǒng)計及收入統(tǒng)計等。個人中心中，停車場管理員可以更改個人的相關(guān)信息、更改軟件的相關(guān)設(shè)置等。

3.5 軟件界面

用戶端主界面能夠適應手機屏幕，除包括四個日常地圖操作按鈕和個人中心幾大功能模塊外，在地圖下方提供找停車場、找車位兩個功能按鈕。

用戶端的個人中心界面包括用戶管理及商家管理兩部分，用戶及商家可以在該界面管理自己的車位訂單。同時軟件提供更改個人信息的功能，并可更改軟件設(shè)置及反饋軟件的相關(guān)問題。

4 結(jié)束語

在共享經(jīng)濟的背景下，對傳統(tǒng)停車模式進行創(chuàng)新，設(shè)計了基于LBS的停車位共享平臺，實現(xiàn)了車位利用率的最大化。采用LBS定位技術(shù)，同時結(jié)合車位推薦算法、車位預測算法及k-means數(shù)據(jù)統(tǒng)計算法，使用戶能在最短的時間內(nèi)找到自己心儀的停車地點。并從平臺內(nèi)部進行相關(guān)的優(yōu)化，給用戶帶來更好的使用體驗。同時結(jié)合平臺開發(fā)了一款智能地鎖，實現(xiàn)看守車位的功能。該平臺的設(shè)計有助于解決停車難問題，緩解交通壓力。