文/夏思彬 鄒騫 孔皓 林紹福

系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景

隨著社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，教師群體的私家車(chē)擁有量迅速增長(zhǎng)，同時(shí)高校與社會(huì)的交往也日益密切，吸引了大量的社會(huì)車(chē)輛進(jìn)入校園。北京工業(yè)大學(xué)由于市屬高校的性質(zhì)，學(xué)校三分之二的學(xué)生都是北京本地學(xué)生，大多數(shù)學(xué)生都有自己的車(chē)輛，并且學(xué)生家長(zhǎng)也會(huì)時(shí)常到學(xué)?？赐麑W(xué)生，從而造成校園內(nèi)部靜態(tài)車(chē)輛眾多，而校園停車(chē)設(shè)施規(guī)劃滯后，停車(chē)泊位緊缺，缺乏規(guī)范管理，車(chē)輛隨意停放，造成了校園交通問(wèn)題。高校作為區(qū)域停車(chē)場(chǎng)的一個(gè)集合，在停車(chē)方面存在與公用停車(chē)場(chǎng)有著很多共同的特性，一般都是上班時(shí)間學(xué)校車(chē)輛較多，下班后車(chē)輛較少，停車(chē)高峰期與教學(xué)時(shí)間存在交叉，給校園交通的處理帶來(lái)較大壓力。校園停車(chē)場(chǎng)景如圖1所示。

通過(guò)目前的現(xiàn)狀可以分析出，校園內(nèi)停車(chē)問(wèn)題主要分為三部分：其一，缺乏整體規(guī)劃，如有些停車(chē)場(chǎng)規(guī)劃時(shí)沒(méi)有從整體進(jìn)行考慮，且缺乏配套的管理措施，在停車(chē)資源不足的情況下，這部分停車(chē)場(chǎng)的使用率較低；其二，違規(guī)停車(chē)現(xiàn)象嚴(yán)重，車(chē)輛沒(méi)有按照規(guī)定停放，存在1輛車(chē)占用多個(gè)泊位現(xiàn)象，浪費(fèi)停車(chē)資源；其三，缺乏規(guī)范與智能化管理，學(xué)校內(nèi)停車(chē)場(chǎng)是免費(fèi)開(kāi)放的，缺少專(zhuān)人管理，停車(chē)秩序混亂，校外的車(chē)輛也很容易進(jìn)出，造成校內(nèi)停車(chē)位不足。

近年來(lái)，在各停車(chē)場(chǎng)內(nèi)，RTLS(Real Time Locating Systems)技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用，以解決停車(chē)場(chǎng)的車(chē)輛管控問(wèn)題。RTLS是一種特殊的局部定位系統(tǒng)，通過(guò)若干個(gè)的信號(hào)接入點(diǎn)對(duì)區(qū)域內(nèi)待識(shí)別標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)交換并計(jì)算出標(biāo)簽位置。RTLS實(shí)時(shí)定位技術(shù)是指在一個(gè)指定的空間內(nèi)，通過(guò)采集目標(biāo)物體的相關(guān)信息，按照約定的協(xié)議與后臺(tái)或服務(wù)器進(jìn)行信息交換或通信，并采用AOA(Angle-of-

Arrival)、TOA(Time-of-Arrival)等測(cè)距算法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的智能化識(shí)別、定位、跟蹤和管理的一種無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)定位技術(shù)。目前，RTLS主要應(yīng)用于物流服務(wù)、倉(cāng)儲(chǔ)服務(wù)和其他服務(wù)，如倉(cāng)庫(kù)、廠房、港口、學(xué)校和醫(yī)療場(chǎng)所。UWB技術(shù)是一個(gè)介于雷達(dá)和通信之間的應(yīng)用，能夠精確地理定位。例如，使用UWB技術(shù)的能夠提供三維地理定位信息的設(shè)備。

UWB技術(shù)是一種使用1GHz以上帶寬且無(wú)需載波的先進(jìn)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。每個(gè)標(biāo)簽以UWB脈沖重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，標(biāo)簽發(fā)送的UWB脈沖串被接收器接收，每個(gè)接收器利用高感度的短脈沖偵測(cè)器測(cè)量每個(gè)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)幀到達(dá)接收器天線(xiàn)的時(shí)間，HUB處理單元利用參考標(biāo)簽發(fā)送過(guò)來(lái)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，確定標(biāo)簽到達(dá)不同接收器之間的時(shí)間差，并利用三角定位技術(shù)及優(yōu)化算法來(lái)計(jì)算標(biāo)簽位置。UWB定位系統(tǒng)由定位應(yīng)用軟件、基站和標(biāo)簽三部分組成，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的定位，且定位穩(wěn)定性好。系統(tǒng)可通過(guò)直觀圖形界面實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽可視化管理及實(shí)時(shí)的位置跟蹤，定位應(yīng)用軟件主要是根據(jù)定位基站獲取到的數(shù)據(jù)，計(jì)算出標(biāo)簽的位置，提供系統(tǒng)使用。如圖2所示。

圖 1 校園停車(chē)場(chǎng)景

本文提出的系統(tǒng)在停車(chē)定位方面主要依賴(lài)于UWB 6.4G技術(shù)。當(dāng)有標(biāo)簽的車(chē)輛進(jìn)入停車(chē)位時(shí)，定位設(shè)備會(huì)根據(jù)車(chē)輛停放位置產(chǎn)生完整數(shù)據(jù)，方便車(chē)輛定位管理。當(dāng)沒(méi)有標(biāo)簽的車(chē)輛進(jìn)入車(chē)位時(shí)，定位設(shè)備中的雷達(dá)會(huì)判斷車(chē)輛停放的車(chē)位產(chǎn)生不完整數(shù)據(jù)，這時(shí)需要依托車(chē)牌識(shí)別技術(shù)完善車(chē)輛信息，補(bǔ)充完整收費(fèi)數(shù)據(jù)。利用UWB和車(chē)牌識(shí)別兩種新技術(shù)，將使得系統(tǒng)的定位更加精準(zhǔn)、收費(fèi)管理更加方便。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信是基于IPv6網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以緩解校園內(nèi)IPv4地址不足的問(wèn)題，而且系統(tǒng)采取校園無(wú)線(xiàn)Wi-Fi進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能夠與當(dāng)前校園網(wǎng)絡(luò)良好融合，無(wú)需重新組網(wǎng)就能投入使用。

需求分析

校園停車(chē)場(chǎng)與社會(huì)停車(chē)場(chǎng)的用戶(hù)受眾面不用，一般的停車(chē)場(chǎng)主要是面向社會(huì)用戶(hù)提供停車(chē)、車(chē)位租賃、快速收費(fèi)等服務(wù)，向社會(huì)推廣停車(chē)場(chǎng)。而校園的停車(chē)區(qū)域及管理主要服務(wù)對(duì)象是學(xué)校教師和外訪(fǎng)參會(huì)人員。

圖 2 設(shè)備標(biāo)簽基站示意

北京工業(yè)大學(xué)現(xiàn)有的停車(chē)系統(tǒng)是基于車(chē)牌識(shí)別的匝道車(chē)輛管理系統(tǒng)，該停車(chē)管理系統(tǒng)就目前智慧校園發(fā)展進(jìn)程來(lái)看，還存在很大的局限性。主要表現(xiàn)在：不能實(shí)時(shí)管理校園停車(chē)場(chǎng)及查看整體規(guī)劃情況，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)校園停車(chē)定位情況，尚未實(shí)現(xiàn)手機(jī)自動(dòng)扣費(fèi)、停車(chē)導(dǎo)航、反向?qū)ぼ?chē)等智能化停車(chē)方式。經(jīng)過(guò)多次深入調(diào)研，分析出以下主要問(wèn)題：1.缺乏整體規(guī)劃；2.停車(chē)區(qū)域缺少透明化；3.缺乏規(guī)范管理；4.停車(chē)數(shù)據(jù)管理難度較大。

本系統(tǒng)是在當(dāng)前智慧校園應(yīng)用與智能停車(chē)應(yīng)用的背景下開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的。主要對(duì)傳統(tǒng)校園停車(chē)功能進(jìn)行智能化改造，實(shí)現(xiàn)停車(chē)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理、停車(chē)數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)。本系統(tǒng)的用戶(hù)角色設(shè)定主要是針對(duì)學(xué)校后勤部門(mén)的管理者。對(duì)于學(xué)校來(lái)講，管理者希望將停車(chē)場(chǎng)、停車(chē)位對(duì)象實(shí)例化，當(dāng)學(xué)校有重要活動(dòng)時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)開(kāi)放或者關(guān)閉停車(chē)區(qū)域，并及時(shí)通知到需要停車(chē)的用戶(hù)。其次，學(xué)校目前的停車(chē)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方面存在很大的局限性，常常需要手動(dòng)統(tǒng)計(jì)。另外，校外人員到校參會(huì)時(shí)需要打印紙質(zhì)車(chē)證，在后續(xù)業(yè)務(wù)處理上很不便捷。因此，本系統(tǒng)特別針對(duì)管理者的用戶(hù)需求，將停車(chē)場(chǎng)可視化，主要實(shí)現(xiàn)管理者對(duì)停車(chē)場(chǎng)進(jìn)行相關(guān)設(shè)置和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等主要功能。

圖 3 系統(tǒng)架構(gòu)

為了使系統(tǒng)更加便捷地服務(wù)到所有用戶(hù)，也為了校園業(yè)務(wù)流程的整體完備性。本系統(tǒng)也針對(duì)UWB設(shè)備用戶(hù)的需求進(jìn)行詳細(xì)分析，主要分為三類(lèi)需求：一是停車(chē)位導(dǎo)航；由于停車(chē)區(qū)域未能實(shí)現(xiàn)公開(kāi)給用戶(hù)，用戶(hù)并不能在停車(chē)前發(fā)現(xiàn)合適的停車(chē)位，于是就不能確定良好的、精確的導(dǎo)航路線(xiàn)；二是反向?qū)ぼ?chē)；反向誘導(dǎo)系統(tǒng)也算是所有停車(chē)用戶(hù)的特定需求，當(dāng)用戶(hù)在不熟悉的區(qū)域停車(chē)時(shí)，找到自己的車(chē)輛也是很麻煩的事情，需要反向?qū)Ш絹?lái)找到自己的車(chē)輛；三是收費(fèi)自動(dòng)化；不管是對(duì)于設(shè)備用戶(hù)還是管理者，校園的停車(chē)位不完全是免費(fèi)的，也存在收費(fèi)繳費(fèi)的問(wèn)題，隨著移動(dòng)支付的快速推廣，微信或支付寶支付費(fèi)用已經(jīng)成為我們的一種生活習(xí)慣，也方便管理者在各方面的管理。本系統(tǒng)的第三類(lèi)用戶(hù)是校園保衛(wèi)處的收費(fèi)管理者，一是收費(fèi)自動(dòng)化，最大限度減少現(xiàn)金管理問(wèn)題；二是查看停車(chē)場(chǎng)實(shí)時(shí)的停放狀況（停車(chē)區(qū)域可視化），避免車(chē)輛亂放亂停，并可及時(shí)處理違規(guī)現(xiàn)象，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控、監(jiān)管停車(chē)場(chǎng)的效果。

圖 4 功能設(shè)計(jì)示意

設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由三部分組成，客戶(hù)端、服務(wù)器端與硬件設(shè)備，通信為設(shè)備與服務(wù)器進(jìn)行通訊，服務(wù)器端提供Web Service接口，設(shè)備按接口提供車(chē)位和車(chē)輛的實(shí)時(shí)信息，通信方式支持IPv4；服務(wù)器端與客戶(hù)端以IPv6的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；設(shè)備產(chǎn)生車(chē)輛位置數(shù)據(jù)，服務(wù)器端存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并提供給客戶(hù)端，客戶(hù)端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行界面顯示與用戶(hù)交互，如圖3所示。硬件設(shè)備為UWB，包括天線(xiàn)和標(biāo)簽；客戶(hù)端為安卓手機(jī)客戶(hù)端。

系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于UWB的停車(chē)定位管理系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)功能：

1.個(gè)人信息管理：憑手機(jī)號(hào)快速注冊(cè)及登錄，用于識(shí)別用戶(hù)類(lèi)型和對(duì)應(yīng)的權(quán)限，登錄成功后，不同用戶(hù)享受其對(duì)應(yīng)的功能。用戶(hù)可進(jìn)行設(shè)置或修改頭像、更改昵稱(chēng)等基本功能，也可在該模塊添加自己的車(chē)輛信息和設(shè)備信息，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)與設(shè)備之間的綁定，并可以查看歷史停車(chē)紀(jì)錄，教師用戶(hù)需要管理人員進(jìn)行身份驗(yàn)證。

2.地圖功能：該模塊向所有用戶(hù)開(kāi)放，用戶(hù)進(jìn)入本系統(tǒng)可直接查看校園以及停車(chē)場(chǎng)地圖，但只有擁有權(quán)限的用戶(hù)才能查看具體停車(chē)情況。

3.車(chē)位導(dǎo)航：用戶(hù)登錄成功后，在地圖上找到適合自己的停車(chē)位，可進(jìn)行在線(xiàn)導(dǎo)航，方便用戶(hù)到達(dá)準(zhǔn)確停車(chē)位。

4.反向?qū)ぼ?chē)：用戶(hù)通過(guò)反向?qū)ぼ?chē)功能可迅速找到自己的車(chē)輛，方便停車(chē)用戶(hù)快速準(zhǔn)確地找到原停車(chē)位置，大大節(jié)省了取車(chē)時(shí)間。

5.自動(dòng)收費(fèi)：本系統(tǒng)提供多種自助繳費(fèi)方式，包括支付寶、微信、網(wǎng)銀等。

6.數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：通過(guò)整合后臺(tái)數(shù)據(jù)，可進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)分析，方便管理人員針對(duì)停車(chē)場(chǎng)當(dāng)前情況提出意見(jiàn)和決策。

7.停車(chē)場(chǎng)設(shè)置：管理者可根據(jù)監(jiān)測(cè)停車(chē)場(chǎng)實(shí)時(shí)情況對(duì)停車(chē)場(chǎng)進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，也能夠?qū)崟r(shí)開(kāi)放或者關(guān)閉停車(chē)區(qū)域，并及時(shí)通知到需要停車(chē)的用戶(hù)。

可以將功能主要根據(jù)三類(lèi)用戶(hù)分為：管理收費(fèi)模塊、設(shè)備用戶(hù)模塊和高級(jí)管理模塊等三部分，停車(chē)定位系統(tǒng)功能詳細(xì)模塊如圖4所示。

業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)

對(duì)于車(chē)主用戶(hù)，車(chē)輛需要進(jìn)入校園時(shí)，通過(guò)車(chē)牌識(shí)別記錄該車(chē)輛生成停車(chē)訂單。車(chē)輛進(jìn)入校園后，系統(tǒng)向用戶(hù)手機(jī)推送附近停車(chē)場(chǎng)的信息（系統(tǒng)推送停車(chē)場(chǎng)的信息，不具體推薦停放車(chē)位，這樣保證用戶(hù)能有車(chē)位進(jìn)行停車(chē)），停車(chē)場(chǎng)根據(jù)與用戶(hù)距離的遠(yuǎn)近進(jìn)行排序供用戶(hù)選擇進(jìn)行導(dǎo)航路線(xiàn)規(guī)劃（若該車(chē)輛沒(méi)有綁定定位標(biāo)簽，系統(tǒng)在該推送后3分鐘向手機(jī)推送提醒用戶(hù)分享車(chē)輛停放位置的信息）。當(dāng)用戶(hù)將車(chē)輛停放在基站覆蓋范圍后，基站系統(tǒng)自動(dòng)判斷停放車(chē)位并上傳數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)車(chē)位的自動(dòng)占用和釋放。車(chē)輛停放完成后，用戶(hù)可以在手機(jī)上查看車(chē)輛停放的位置和訂單詳細(xì)信息，離開(kāi)時(shí)，可使用反向?qū)ぼ?chē)快速找到車(chē)輛，離開(kāi)停車(chē)位后，基站系統(tǒng)自動(dòng)將車(chē)位釋放，用戶(hù)可導(dǎo)航至校門(mén)收費(fèi)處，通過(guò)車(chē)牌識(shí)別的手段，結(jié)束車(chē)輛訂單完成繳費(fèi)等操作。業(yè)務(wù)流程如圖5所示。

圖 5 業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)示意

對(duì)于一般管理者，主要是在校門(mén)處管理車(chē)輛進(jìn)出和校園內(nèi)巡邏的管理人員，當(dāng)車(chē)輛進(jìn)出校門(mén)時(shí)，是通過(guò)車(chē)輛識(shí)別的手段實(shí)現(xiàn)車(chē)輛信息的記錄，當(dāng)管理人員在校園內(nèi)發(fā)現(xiàn)違規(guī)停車(chē)時(shí)，可通過(guò)終端使用車(chē)牌識(shí)別快速找到車(chē)輛的停車(chē)記錄，進(jìn)行違規(guī)信息登記，并可以選擇是否發(fā)送短信給用戶(hù)（如不發(fā)短信，手機(jī)也會(huì)推送信息提醒用戶(hù)）。而高級(jí)管理者則負(fù)責(zé)外訪(fǎng)參會(huì)人員信息的錄入、停車(chē)場(chǎng)信息管理和數(shù)據(jù)查看統(tǒng)計(jì)等。

在整個(gè)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中，UWB主要作為基站覆蓋范圍內(nèi)的定位實(shí)現(xiàn)，車(chē)牌識(shí)別是車(chē)輛進(jìn)出控制的手段，存在違規(guī)停放車(chē)輛時(shí)，也適用車(chē)牌識(shí)別的方式識(shí)別車(chē)牌號(hào)進(jìn)行記錄，兩者相互補(bǔ)充。對(duì)于車(chē)位中無(wú)標(biāo)簽車(chē)輛或自行車(chē)亂停放的情況時(shí)，該方案的技術(shù)目前實(shí)現(xiàn)不了自動(dòng)判別，在標(biāo)簽管理方案完善的情況下，實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)車(chē)輛全部攜帶標(biāo)簽是非常重要的。對(duì)于無(wú)標(biāo)簽車(chē)輛或自行車(chē)占用車(chē)位的情況，系統(tǒng)中提供了車(chē)位信息舉報(bào)的功能，當(dāng)用戶(hù)發(fā)現(xiàn)本空閑卻被占用的車(chē)位時(shí)，可舉報(bào)給一般管理者，由校園巡邏人員進(jìn)行管控，對(duì)于自行車(chē)占用車(chē)位的情況，則由巡邏人員及時(shí)清理，盡量避免此類(lèi)情況發(fā)生。

區(qū)域地圖模塊設(shè)計(jì)

圖 6 實(shí)際停車(chē)區(qū)域、信息采集系統(tǒng)和終端界面示意

通過(guò)對(duì)學(xué)校停車(chē)區(qū)域規(guī)劃和分類(lèi)，根據(jù)車(chē)位集中情況，共劃分為24個(gè)小停車(chē)區(qū)域，共計(jì)933個(gè)車(chē)位，加上暫未納入系統(tǒng)的217個(gè)地下車(chē)庫(kù)車(chē)位，學(xué)校為教師及其他人員規(guī)劃共計(jì)1150個(gè)車(chē)位。實(shí)際停車(chē)區(qū)域、信息采集系統(tǒng)和終端界面示意如圖6所示。

標(biāo)簽發(fā)放與管理

UWB定位標(biāo)簽在使用時(shí)需要貼放于車(chē)輛前窗（同ETC一致），無(wú)論是教師用戶(hù)還是外訪(fǎng)參會(huì)人員，在使用標(biāo)簽時(shí)，標(biāo)簽必須與車(chē)輛一一對(duì)應(yīng)。參會(huì)人員進(jìn)出校門(mén)時(shí)系統(tǒng)會(huì)提醒管理者進(jìn)行標(biāo)簽的發(fā)放與回收，而固定用戶(hù)則不用考慮標(biāo)簽的回收。

在方案實(shí)施應(yīng)用中，需要學(xué)校配合（項(xiàng)目建設(shè)運(yùn)維的合作公司配合）對(duì)進(jìn)入校園的車(chē)輛進(jìn)行標(biāo)簽發(fā)放管理。由于工作時(shí)間內(nèi)學(xué)校停放的車(chē)輛主要是教師用戶(hù)和少量來(lái)訪(fǎng)預(yù)約參會(huì)人員，這部分車(chē)輛和用戶(hù)都基本上是固定和可控的，教師用戶(hù)的車(chē)輛等信息在學(xué)校都有統(tǒng)一備案，學(xué)校與合作公司配合向該部分用戶(hù)發(fā)放標(biāo)簽；對(duì)于來(lái)訪(fǎng)預(yù)約參會(huì)人員進(jìn)入學(xué)校，可要求需要提前登記，在進(jìn)入學(xué)校時(shí)也可發(fā)放臨時(shí)標(biāo)簽。對(duì)于標(biāo)簽發(fā)放與管理，能夠保證在校車(chē)輛基本攜帶標(biāo)簽，對(duì)于管理者更在乎關(guān)注的是對(duì)固定用戶(hù)和工作時(shí)間內(nèi)對(duì)校園車(chē)輛的高效管理。

停車(chē)定位系統(tǒng)以智能化設(shè)備和完善的管理軟件來(lái)簡(jiǎn)化人的勞動(dòng)，具有操作簡(jiǎn)單、使用方便、功能先進(jìn)等特點(diǎn)。用戶(hù)可以在最短的時(shí)間進(jìn)入或離開(kāi)停車(chē)場(chǎng)，盡量減少人工的參與，從而提高停車(chē)場(chǎng)的管理水平，取得更高的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。此外，還能提高管理的有效性、安全性、可靠性和停車(chē)場(chǎng)運(yùn)行自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)更快捷、移動(dòng)化的車(chē)輛停車(chē)管理方式。本文在分析校園實(shí)際需求的基礎(chǔ)上，為管理者設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了停車(chē)定位管理系統(tǒng)，對(duì)校園內(nèi)部的停車(chē)區(qū)域進(jìn)行了可視化實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是RTLS定位系統(tǒng)在校園中的應(yīng)用，也是對(duì)UWB定位技術(shù)一種嶄新的嘗試，在未來(lái)，UWB定位技術(shù)將會(huì)廣泛的應(yīng)用在停車(chē)領(lǐng)域，特別是路側(cè)停車(chē)場(chǎng)景。