基于超聲探測的停車場車位引導(dǎo)系統(tǒng)的研究

1、引言

隨著停車需求的增長，停車場的規(guī)模也越來越趨于大型化。國內(nèi)對(duì)智能停車場也進(jìn)行了大量的研究，但目前我國的停車場管理系統(tǒng)大多還存在智能化、集成度低的缺點(diǎn)，忽視了停車過程的自動(dòng)化，特別是車位的引導(dǎo)。如何檢測車位和引導(dǎo)司機(jī)方便的泊車也是停車管理的重要組成部分，該方案通過對(duì)最短路徑有效算法和場內(nèi)車位引導(dǎo)。及現(xiàn)場總線通訊等方面進(jìn)行闡述，對(duì)特大型智能自動(dòng)化停車場的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

2、超聲探測和引導(dǎo)系統(tǒng)的原理和組成

2.1 超聲探測簡述

超聲波探頭完成超聲波信號(hào)的發(fā)射與接收，單片機(jī)系統(tǒng)及相關(guān)電路完成信息的分析與統(tǒng)計(jì)。在停車處上方安裝超聲波檢測器，由上往下發(fā)射超聲波，對(duì)從地面或車輛上回來的反射波不同，通過微處理機(jī)進(jìn)行分析，從而做出有車或無車的判斷[1]。

工作原理是安裝在該車位上方的車位超聲波探測器檢測?？坎次卉囕v，將該車位已被占用的信號(hào)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集器, 采集器接收數(shù)據(jù)時(shí)記下停放時(shí)間并存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)采集器對(duì)接收到的各車位數(shù)據(jù)進(jìn)行即時(shí)處理，然后將有關(guān)處理結(jié)果傳送到管理計(jì)算機(jī)，管理計(jì)算機(jī)即可將該信息存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫供查詢統(tǒng)計(jì)使用[4]。示意圖如圖1所示：

2.2 車位引導(dǎo)系統(tǒng)

用最短路徑算法得到每個(gè)停車位的路徑后，對(duì)每條路徑按長度進(jìn)行排序，在數(shù)據(jù)庫中以此順序?qū)γ總€(gè)車位對(duì)應(yīng)的路徑信息及每條路徑所經(jīng)過的交叉路口所對(duì)應(yīng)的提示信息進(jìn)行存儲(chǔ)，需要到達(dá)某個(gè)車位停車時(shí)，只需從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出與此車位相關(guān)的信息，將這些信息與ID 卡對(duì)應(yīng)起來，在電子顯示屏上進(jìn)行顯示[5]。通過超聲波探測器將檢測信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，通過控制總機(jī)給車位發(fā)送指示信號(hào)，使電子顯示屏顯示相應(yīng)車位。在每個(gè)車位的上方都有指示燈，通過檢測車位，對(duì)停放的車位準(zhǔn)確做出判斷，若指示正確并停放合理，指示燈就會(huì)在檢測信號(hào)發(fā)出時(shí)自動(dòng)熄滅，否則就會(huì)一直亮著，并通過檢測系統(tǒng)發(fā)送錯(cuò)誤信號(hào)給控制總機(jī)，從而達(dá)到了檢測和引導(dǎo)兩者統(tǒng)一。其車位檢測和顯示流程圖2所示：

3、遺傳算法對(duì)最優(yōu)路徑的搜索

對(duì)于特大停車場研究比較復(fù)雜，先初步建立簡單的模型[2]，如圖3所示：

按照圖論的構(gòu)圖方法，把圖3中的停車場結(jié)構(gòu)示意圖抽象為4的賦權(quán)有向圖E = (V,A,D)。

其中V ={ V1, V2,…, Vn }是有限點(diǎn)集(一個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)交叉路口或有效泊車位);A = {(Vi, Vj ) ∈N ×N}為有限弧集，|V|=n，|A|=m;D={dij}為邊權(quán)集， dij為弧(Vi ,Vj)的長度，如果 Vi 與 Vj 之間沒有直達(dá)路徑，則 dij為 ∞(在程序中一般給 dij賦一個(gè)足夠大的數(shù)來做處理)。

路徑的連接用 Lij表示。定義如下：

Lij =1 點(diǎn)i到點(diǎn)j存在直達(dá)路徑

Lij= -1 點(diǎn)j到點(diǎn)i存在直達(dá)路徑 　　(3.1)

Lij= 0 　點(diǎn)i與點(diǎn)j不存在直達(dá)路徑

一定時(shí)間內(nèi)，dij是一個(gè)不隨時(shí)間變化的正整數(shù)。停車場實(shí)際上是一個(gè)靜態(tài)離散網(wǎng)絡(luò)模型。由于停車場內(nèi)部通道的單向性，則在數(shù)學(xué)上，最短路徑問題可描述為：

  (3.2)

其中通道是圖的邊，通道的交叉口和停車位為圖點(diǎn)，停車場中兩地之間的距離即為權(quán)。

從圖4知，若使圖3中所示停車位在停車場中經(jīng)過的距離最短，只要找到點(diǎn)1到10和點(diǎn)10到點(diǎn)9的最短路徑。對(duì)同一通道兩旁的停車位可以把它們作為同一對(duì)象來進(jìn)行研究，即把所研究的停車位所在的通道和此通道兩端的交叉口抽象為一個(gè)點(diǎn)，即把圖4中的點(diǎn)4、點(diǎn)5、邊 7’和7’ 抽象成點(diǎn)4，由此我們可以進(jìn)一步得到圖5。

為了求得圖3中所示停車位的實(shí)際最短路徑，先以圖5為研究對(duì)象，先求出點(diǎn)1到點(diǎn)4和點(diǎn)4到點(diǎn)9 的最短路徑。要得到圖3中通道上所有停車位的實(shí)際最短路徑，只要在通道抽象最短路徑的基礎(chǔ)上加上此通道本身的長度即可。這就取到了最短最優(yōu)路徑。

遺傳算法的步驟：

(1) 定義一個(gè)目標(biāo)函數(shù);

(2) 將可行解群體在一定約束條件下初始化，每個(gè)可行解用一個(gè)向量 X來編碼，稱為一條染色體，向量的分量代表基因，它對(duì)應(yīng)可行解的某一決策變量;

(3) 計(jì)算群體中每條染色體 Xi (i=1,2,…,n)所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值，并以此計(jì)算適應(yīng)值 Fi ，按 Fi 的大小來評(píng)價(jià)該可行解的好壞;

(4) 以優(yōu)勝劣汰的機(jī)制，將適應(yīng)值差的染色體淘汰掉，對(duì)幸存的染色體根據(jù)其適應(yīng)值的好壞，按概率隨機(jī)選擇，進(jìn)行繁殖，形成新的群體;

(5) 通過雜交和變異的操作，產(chǎn)生子代;

(6) 對(duì)子代群體重復(fù)步驟(3)～(5)的操作，進(jìn)行新一輪遺傳進(jìn)化過程，直到迭代收斂，即找到了最優(yōu)解或準(zhǔn)最優(yōu)解。

實(shí)驗(yàn)表明，本方案采用的基于遺傳算法的路徑搜索算法對(duì)停車場最短路徑問題的求解是可行的。

4、現(xiàn)場通訊

整個(gè)系統(tǒng)的通訊選擇LonWorks為該系統(tǒng)的通訊總線，LonWorks采用網(wǎng)絡(luò)變量的設(shè)計(jì)方式，包括接口Il0在內(nèi)所有的信息交換均通過網(wǎng)絡(luò)變量進(jìn)行，這樣給網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)帶來極大方便。LonWorks技術(shù)除擁有現(xiàn)場級(jí)控制系統(tǒng)所要求的全部特性外，還具有其他現(xiàn)場總線所不具有的優(yōu)點(diǎn)：自由網(wǎng)絡(luò)撲拓結(jié)構(gòu)，靈活而低成本的布線，將LonWorks技術(shù)引入到停車場的管理中，充分發(fā)揮LonWorks技術(shù)低成本，分散控制，互操作性強(qiáng)的特點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的性能，場內(nèi)的每件主要設(shè)備均有一塊LON模塊進(jìn)行控制[6]。且每塊LON模塊都采用了CPU標(biāo)準(zhǔn)插板的方式，易與維護(hù)。采用LonWork設(shè)計(jì)該方案的通訊系統(tǒng)，大體分為三級(jí)：第一級(jí)LonWorks是不同層路由器之間的通訊;第二級(jí)LonWorks是同層之間收發(fā)器之間和上一級(jí)的路由器之間的通訊;第三級(jí)LonWorks是同層之間的不同車位與收發(fā)器之間的通訊。如圖6所示。

5、結(jié)束語

本方案綜合利用超聲探測和車位引導(dǎo)、遺傳算法、現(xiàn)場總線通訊等方面的知識(shí)，研究了一套自動(dòng)化程度較高的停車場智能管理子系統(tǒng)，并將目前發(fā)展較好的停車場子系統(tǒng)進(jìn)行整合。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要是通過停車位超聲探測系統(tǒng)對(duì)停車場的停車狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，獲取停車位信息，數(shù)據(jù)處理中心對(duì)所探測的信息進(jìn)行處理，找出當(dāng)前最方便用戶停車的停車位和相應(yīng)的路徑信息，其顯示和語音設(shè)備根據(jù)處理后的信息對(duì)用戶進(jìn)行車位引導(dǎo)。隨著研究的深入和各種新技術(shù)的應(yīng)用，將大大提高停車場的整體運(yùn)行效率，對(duì)未來特大型停車場的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 盧文科,朱長純,劉君華. 超聲波式數(shù)字測距儀的研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào), 2003,(02),218-219.

[2] 鄧應(yīng)偉,張帆. 停車場泊車路徑尋優(yōu)問題研究[J].計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化, 2006,25(01),53-54.

[3] 徐瓊,陳榮清,官云蘭. 基于遺傳算法最短路徑問題的探討[J].華東地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào),2003，26(02),168-172.

[4] 高旭東,曹姍姍. 超聲波車位檢測器系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].黑龍江科技信息, 2008,(03),31-32.

[5] 任昌鋒.停車場通道管理與車位引導(dǎo)的解決方案[J].2005智能建筑與城市信息,2006 ,(01),31-35.

[6] 吳禮雄.Lonworks現(xiàn)場總線控制模塊[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),1998,(5),41-45.