基于超聲探測的停車場車位引導系統(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)對智能停車場也進行了大量的研究，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，忽視了停車過程的自動化，特別是車位的引導。如何檢測車位和引導司機方便的泊車也是停車管理的重要組成部分，該方案通過對最短路徑有效算法和場內(nèi)車位引導。及現(xiàn)場總線通訊等方面進行闡述，對特大型智能自動化停車場的設(shè)計具有一定的參考價值。

2、超聲探測和引導系統(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的發(fā)射與接收，單片機系統(tǒng)及相關(guān)電路完成信息的分析與統(tǒng)計。在停車處上方安裝超聲波檢測器，由上往下發(fā)射超聲波，對從地面或車輛上回來的反射波不同，通過微處理機進行分析，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停靠泊位車輛，將該車位已被占用的信號發(fā)送到數(shù)據(jù)采集器, 采集器接收數(shù)據(jù)時記下停放時間并存入數(shù)據(jù)存儲器。數(shù)據(jù)采集器對接收到的各車位數(shù)據(jù)進行即時處理，然后將有關(guān)處理結(jié)果傳送到管理計算機，管理計算機即可將該信息存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫供查詢統(tǒng)計使用[4]。示意圖如圖1所示：

2.2 車位引導系統(tǒng)

用最短路徑算法得到每個停車位的路徑后，對每條路徑按長度進行排序，在數(shù)據(jù)庫中以此順序?qū)γ總€車位對應(yīng)的路徑信息及每條路徑所經(jīng)過的交叉路口所對應(yīng)的提示信息進行存儲，需要到達某個車位停車時，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 卡對應(yīng)起來，在電子顯示屏上進行顯示[5]。通過超聲波探測器將檢測信號發(fā)送給單片機，通過控制總機給車位發(fā)送指示信號，使電子顯示屏顯示相應(yīng)車位。在每個車位的上方都有指示燈，通過檢測車位，對停放的車位準確做出判斷，若指示正確并停放合理，指示燈就會在檢測信號發(fā)出時自動熄滅，否則就會一直亮著，并通過檢測系統(tǒng)發(fā)送錯誤信號給控制總機，從而達到了檢測和引導兩者統(tǒng)一。其車位檢測和顯示流程圖2所示：

3、遺傳算法對最優(yōu)路徑的搜索

對于特大停車場研究比較復雜，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 }是有限點集(一個節(jié)點代表一個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 之間沒有直達路徑，則 dij為 ∞(在程序中一般給 dij賦一個足夠大的數(shù)來做處理)。

路徑的連接用 Lij表示。定義如下：

Lij =1 點i到點j存在直達路徑

Lij= -1 點j到點i存在直達路徑 　　(3.1)

Lij= 0 　點i與點j不存在直達路徑

一定時間內(nèi)，dij是一個不隨時間變化的正整數(shù)。停車場實際上是一個靜態(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，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1到10和點10到點9的最短路徑。對同一通道兩旁的停車位可以把它們作為同一對象來進行研究，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點，即把圖4中的點4、點5、邊 7’和7’ 抽象成點4，由此我們可以進一步得到圖5。

為了求得圖3中所示停車位的實際最短路徑，先以圖5為研究對象，先求出點1到點4和點4到點9 的最短路徑。要得到圖3中通道上所有停車位的實際最短路徑，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) 定義一個目標函數(shù);

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

(3) 計算群體中每條染色體 Xi (i=1,2,…,n)所對應(yīng)的目標函數(shù)值，并以此計算適應(yīng)值 Fi ，按 Fi 的大小來評價該可行解的好壞;

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

(5) 通過雜交和變異的操作，產(chǎn)生子代;

(6) 對子代群體重復步驟(3)～(5)的操作，進行新一輪遺傳進化過程，直到迭代收斂，即找到了最優(yōu)解或準最優(yōu)解。

實驗表明，本方案采用的基于遺傳算法的路徑搜索算法對停車場最短路徑問題的求解是可行的。

4、現(xiàn)場通訊

整個系統(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)變量進行，這樣給網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計帶來極大方便。LonWorks技術(shù)除擁有現(xiàn)場級控制系統(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：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，互操作性強的特點，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模塊進行控制[6]。且每塊LON模塊都采用了CPU標準插板的方式，易與維護。采用LonWork設(shè)計該方案的通訊系統(tǒng)，大體分為三級：第一級LonWorks是不同層路由器之間的通訊;第二級LonWorks是同層之間收發(fā)器之間和上一級的路由器之間的通訊;第三級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、遺傳算法、現(xiàn)場總線通訊等方面的知識，研究了一套自動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)進行整合。系統(tǒng)的實現(xiàn)主要是通過停車位超聲探測系統(tǒng)對停車場的停車狀況進行實時檢測，獲取停車位信息，數(shù)據(jù)處理中心對所探測的信息進行處理，找出當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)處理后的信息對用戶進行車位引導。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行效率，對未來特大型停車場的設(shè)計具有一定的參考價值。

參考文獻

[1] 盧文科,朱長純,劉君華. 超聲波式數(shù)字測距儀的研究[J].儀器儀表學報, 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].計算技術(shù)與自動化, 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)學院學報,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[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)控制計算機,1998,(5),41-45.