基于物联网技术的城市路边泊位管理系统
时间：2023-02-21 12:20:08 来源：千叶帆 本文已影响人
罗志霄，张 卿，李维兴，刘志芳
（广东工程职业技术学院 机电工程学院，广东 广州 510006）
随着我国汽车工业的快速发展和人民生活水平的提高，过去10年全国汽车保有量出现爆发式增长，截至2020年末，我国汽车保有量已达2.81亿辆，其中私家车占比接近87%，达2.44亿辆[1]。汽车保有量的增长使大中型城市“停车难”问题逐渐显现，且该问题在因前期规划不足导致历史欠账严重的老城区尤为显著。违规停车、停车乱收费、长期霸占路边泊位等乱象频发，严重制约了城市的持续健康发展[2-3]。因此，有必要通过引进新技术改善路边停车难问题，实现现有路边泊位资源利用率最大化。
为解决上述问题，智慧物联停车系统的研究和优化受到了众多专业人士的关注[4-8]。目前主流思路主要通过基于无照带宽通信的地磁感应系统[9]、基于射频识别技术（RFID）的车辆识别计费系统[10]以及基于嵌入式系统（SoC）的智能咪表系统[11-12]对路边泊位进行智能化管理。但在实际应用中存在建设维护成本高、车主逃费无法监管、车辆识别效率低等问题。本文通过分析广东省清远市城市路边停车系统运行现状，提出一种基于物联网技术的优化方案，在降低管理成本的同时，进一步提高车位资源使用效率及经济效益。
1.1 系统组成
清远市智慧停车路边泊位管理系统主要采用图像采集、车辆识别、传感器、电子支付、车位引导等物联网技术，实现对全市繁忙路段3 827个（截至2020年末）路边公共停车位的无人化、智能化管理。该系统主要分为图像采集、云端识别、计时计费、车位引导和后台管理中心等模块，如图1所示。
图1 智慧停车路边车位管理系统结构
1.1.1 基于图像识别技术的车辆识别系统
本系统的车辆识别功能主要利用图像识别技术和传感器技术实现，通过预先在路边泊位加装的智能图像采集感应一体桩（下称“一体桩”），对泊位进行自动监管。一体桩主要由超声波测距雷达、图像采集模块、补光模块、通信模组和电源模块构成，如图2所示。
图2 智能图像采集感应一体桩
当车辆驶入泊位时，内置超声波雷达可探知泊位内物体靠近，并启动图像采集模块拍摄泊入物体图像，再通过通信模组将图像信息上传至云端服务器。云端服务器通过内嵌的车牌定位、数字图像处理、字符切分、字符识别等技术，对泊入车辆进行精准识别（车牌号需根据《中华人民共和国公共安全行业标准》（GA36-1992）制作），并记录车辆驶入时间和号牌信息。工作流程如图3所示。
图3 图像处理流程
1.1.2 计时计费
当车辆驶离泊位时，智能视频检测一体桩可通过超声波传感器探知，并再次采集车辆驶离时的图像上传至云端，云端服务器也再次进行车辆号牌识别。若前后信息一致，则记录车辆驶离时间，并根据后台管理系统预设的停车收费规则结算停车费用，车主通过扫描一体桩上二维码登录微信小程序录入车辆信息后进行缴费（仅首次使用时需车主操作，后续将自动扣费）；
若前后信息不一致，则说明该泊位一体桩可能存在安装角度不合理，图像采集模块被遮挡及测距雷达灵敏度不适当等故障，需维护人员重新调试。
1.1.3 车位引导
在本系统中，云端服务器可通过一体桩对空闲泊位进行实时统计，并通过手机小程序或路边LED引导牌向车主推送附近公共泊位的实时信息，车主可在系统指引下快速导航至空闲泊位停泊。引导车主前往指定泊位期间，为避免产生抢位纠纷，该泊位将被系统锁定，不再通过小程序推送至其他车主，路边LED引导牌车位数同步扣除。
1.1.4 后台管理中心
管理中心由云服务器及配套管理系统构成，用于提供和记录相关停车信息，主要包括：车辆驶入和驶离泊位的图像及时间、车位坐标及统计数据、车位热度信息、计费规则、车主缴费欠费记录等。
1.2 系统特点
结合本系统在清远市清城区投放以来的使用反馈，总结本系统的主要优点如下：
（1）一体桩仅对车辆进行感应和拍摄，图像识别运算由云端完成，大幅减少一体桩分析运算需求，降低一体桩硬件设备成本；
且得益于云端强大的运算资源保障，车辆识别成功率极高，在一体桩正常工作且车辆号牌无遮挡的前提下，车辆识别成功率高达99.21%。
（2）同一道路的一体桩可进行子母桩设置，子桩仅具备与母桩近距离无照带宽通信的能力，母桩才具备互联网接入及通信能力，降低4G模组使用数量，从而降低通信资费及运营维护成本。
（3）可将实时车位需求与实时泊位信息点对点匹配，达到资源最优利用和效益最大化，自本系统投入使用以来，泊位平均收入达到18.1元/日/泊位，市区核心路段每泊位每日停泊车次数达7.3车次/日，路边泊位的经济效益和使用效率均显著提升。
然而，在实际使用过程中，仍存在部分待解决问题，具体如下：
（1）部分泊位所处环境无市政供电线路，加装一体桩设备后无法取电。
（2）部分路段无运营商有线/无线信号覆盖，导致拍摄图片无法上传。
（3）部分车主未缴费驶离，且恶意欠费。
2.1 蓄电式NB-IoT低位雷达一体机
由于部分泊位取电困难，不宜加装一体桩，可使用蓄电式低位雷达一体机（下称“一体机”）替代，如图4所示。该一体机的功能模块和工作原理与上文所述一体桩基本一致，加装25 Ah-DC-12 V电池模块进行供电，在日均停靠15车次的测试环境下，电池模块供电时长可达3个月，缺电时人工更换电池模块即可。虽少量增加了人力维护成本，但实现了无电环境的泊位覆盖。
图4 低位雷达一体机
同时，由于无法取电的泊位主要位于施工路段、城郊路段、城中村楼宇稠密区、地下公共停车区等地，常伴随出现运营商4G（LTE）信号覆盖弱且有线通信网尚未完成预覆盖等问题，导致终端无法完成与云端的信息交互。为此，一体机还可选装窄带物联网（NB-IoT）无线远程通信模组，利用NB-IoT相较于4G（LTE）强20 dB的信号增益[13-15]，实现少数4G（LTE）信号弱覆盖及无覆盖地区的信息传输与设备控制。
结合以上技术优化方案，目前已可在技术层面实现清城区建成区范围内路边泊位的全覆盖。经测试，在挑选的市区较具代表性的5个试验地点，搭载NB-IoT模组的一体机信号强度仍能保持在-89.41 dBm至-104.82 dBm范围内，传输时延约400 ms，上行速率约4 Kb/s，下行速率约14 Kb/s，见表1所列。由测试结果可知，虽然测试地点NB-IoT信号覆盖强弱不一，但上下行速率及时延的测试结果相差较小，体现出较高的传输稳定性。
表1 NB-IoT通信模块测试数据
另外，由于NB-IoT上下行传输速率均较低，无法进行子母机分配，每台一体机均独立进行信息传输。
2.2 可升降智能车位锁
智能停车系统运行环节中，停车结束时需车主进行缴费，但由于未设置强制措施，部分车主停车后直接欠费驶离，后期系统虽可通过手机推送缴费通知，但无权强制执行，部分车主利用该漏洞恶意欠费。
针对该问题可通过在部分泊位加装图5所示可升降智能车位锁（下称“车位锁”）的方式进行优化。当车辆驶入泊位，一体桩或一体机完成车辆识别流程后，车位锁可通过内置的超声波传感器测量停放车辆底盘离地间距，并将金属挡板自动抬升至底盘下方3 cm处（最高不超过26 cm）。利用金属挡板末端滑轮，在不接触车身的情况下对泊位进行锁定，此时若车主未交费，抬升的挡板及末端滑轮可使轮胎打滑，如图6所示。在达到防逃效果的同时，避免对车体产生伤害以及衍生法律风险。
图5 可升降智能车位锁
图6 车位锁工作原理
针对近年来城市中日益严重的停车难、收费乱等问题，本文以清远市清城区为例，提出了一种利用物联网技术实现路边停车智能化管理的解决方案，并通过分析该方案在实施中所遇问题，提出相应的优化解决办法。相较于传统的路边停车管理模式，本方案具有无人化、智能化等特点，且在现有硬件设施的基础上，通过加装蓄电式NB-IoT低位雷达一体机和可升降智能车位锁，进一步解决系统取电、网络覆盖和停车逃费问题，使该方案突破原有限制，具有更广泛的应用价值和借鉴意义。
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