李春林 / 任勇偉 / 孫正平 / 肖 娟

1.山東黃金地產(chǎn)旅游集團(tuán)有限公司, 山東 濟(jì)南 250101 2.山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250101

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，小區(qū)地下車庫(kù)傳統(tǒng)的停車場(chǎng)管理系統(tǒng)變得越來(lái)越重要。傳統(tǒng)的停車場(chǎng)管理系統(tǒng)往往因停車刷卡造成塞車的現(xiàn)象，耽誤車主寶貴的時(shí)間。停車場(chǎng)內(nèi)擁有大量的照明燈具，由于聲控開(kāi)關(guān)的布局和靈敏度問(wèn)題，很難達(dá)到理想的效果。筆者設(shè)計(jì)的智能地下車庫(kù)燈光導(dǎo)航管理系統(tǒng)能夠解決這些問(wèn)題[1]。

本文在對(duì)車庫(kù)停車管理系統(tǒng)以及車牌自動(dòng)識(shí)別技術(shù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一套基于車牌識(shí)別技術(shù)的住宅小區(qū)大型地下車庫(kù)智能燈光導(dǎo)航與用電節(jié)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能為管理人員和停車用戶提供方便，大大縮短停車用戶在車庫(kù)工作區(qū)自動(dòng)道閘系統(tǒng)前的等待時(shí)間，而且該系統(tǒng)可為用戶規(guī)劃好停車路徑，進(jìn)行燈光導(dǎo)航，不僅能做到能源的節(jié)約，而且為用戶停車提供方便，實(shí)現(xiàn)停車場(chǎng)內(nèi)的人性化停車。

2 地下車庫(kù)管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

一個(gè)智能化的小區(qū)車輛管理系統(tǒng)，不僅能夠快速、準(zhǔn)確地提供小區(qū)停車場(chǎng)內(nèi)實(shí)時(shí)的停車狀態(tài)，而且應(yīng)該具有對(duì)車輛來(lái)訪和離開(kāi)自動(dòng)登記和計(jì)費(fèi)、引導(dǎo)車輛準(zhǔn)確合理停放、提高車輛停放安全性、降低運(yùn)營(yíng)成本并能實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控等多項(xiàng)功能。本文提出的住宅小區(qū)大型地下車庫(kù)智能燈光導(dǎo)航與用電節(jié)能系統(tǒng)主要由道閘管理、燈光導(dǎo)航、車牌識(shí)別等子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 小區(qū)智能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

出入口車輛智能管理系統(tǒng)采用具有補(bǔ)光燈、防護(hù)罩一體的高清晰度槍式攝像機(jī)作為圖像拍攝主體，利用基于圖像處理的車牌自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，采用模式識(shí)別、電磁感應(yīng)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫(kù)等高科技技術(shù)手段，通過(guò)對(duì)車輛車牌圖像的采集和處理識(shí)別車牌，并基于數(shù)據(jù)庫(kù)與網(wǎng)絡(luò)通信獲得車輛的基本信息。該子系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄出入車庫(kù)的車輛信息，包括出入車輛的圖像、車牌號(hào)碼、出入口、出入時(shí)間等，并與預(yù)存數(shù)據(jù)庫(kù)中的合法車輛信息比較，確定是否放行[2]。燈光導(dǎo)航系統(tǒng)是將無(wú)線通信技術(shù)、機(jī)械電子自動(dòng)化設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，控制地下車庫(kù)照明系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)電節(jié)能的目的，同時(shí)保證對(duì)進(jìn)入車庫(kù)的權(quán)限車輛提供有效的燈光導(dǎo)航服務(wù)和管理。

車牌識(shí)別是全新的管理技術(shù)，也是目前最先進(jìn)、最智能化的車輛出入管理技術(shù)。車牌識(shí)別不僅可以實(shí)現(xiàn)零耗材管理、解決丟失停車憑證問(wèn)題，而且可以明顯提升車輛出入效率、減輕人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。車牌識(shí)別技術(shù)能夠自動(dòng)識(shí)別出車牌的顏色、數(shù)字、英文字母及漢字字符，使得停車場(chǎng)的自動(dòng)管理和控制成為現(xiàn)實(shí)。車牌自動(dòng)識(shí)別的基本流程是：當(dāng)車輛通過(guò)車道時(shí)，車輛觸發(fā)地感線圈，攝像機(jī)拍攝照片送至出入口工作站計(jì)算機(jī)，出入口工作站檢出車牌區(qū)域，然后識(shí)別出車牌，將識(shí)別結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)[3]。由于車牌識(shí)別技術(shù)目前的研究已相當(dāng)成熟，本文不再對(duì)車牌識(shí)別子系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)描述。

3 出入口管理系統(tǒng)

出入口管理系統(tǒng)主要由攝像頭、地感線圈、圖像采集板卡、道閘及其控制器和工控機(jī)組成，如圖2所示。

圖2 出入管理系統(tǒng)示意圖

3.1 車輛入場(chǎng)管理

車輛駛?cè)胲嚺茢z像機(jī)抓拍區(qū)域，觸發(fā)地感線圈，車輛檢測(cè)線路發(fā)送信號(hào)至圖像采集控制部分，攝像機(jī)自動(dòng)抓拍車輛的圖像并代用車牌識(shí)別程序識(shí)別出車牌號(hào)，然后通過(guò)檢索數(shù)據(jù)庫(kù)得出車輛類別、車位及車位路徑信息。如果有空余車位或該車為已錄入車牌信息的常駐車輛，則自動(dòng)放行，同時(shí)記錄入場(chǎng)時(shí)間[4]。啟動(dòng)燈光導(dǎo)航系統(tǒng)，依據(jù)從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取的車位路徑信息，依次打開(kāi)路徑上的相應(yīng)燈具，引導(dǎo)車輛進(jìn)入自己的車位，以達(dá)到導(dǎo)航的目的。通過(guò)運(yùn)動(dòng)傳感器獲取車輛行駛的真實(shí)路徑以及真實(shí)停放位置。整個(gè)過(guò)程自動(dòng)完成，無(wú)需人工干預(yù)，并且在該過(guò)程中車輛可一直處于低速行駛狀態(tài)，無(wú)需停車重啟。

3.2 車輛出場(chǎng)管理

車輛離開(kāi)車位時(shí)，觸發(fā)運(yùn)動(dòng)傳感器，系統(tǒng)根據(jù)多傳感器綜合信息判斷出駛離車輛的信息，從而得到車輛駛離路徑信息。啟動(dòng)燈光導(dǎo)航系統(tǒng)，依據(jù)從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取的駛離車位路徑信息，依次打開(kāi)路徑上的相應(yīng)燈具，引導(dǎo)車輛到達(dá)相應(yīng)出口。車輛到達(dá)出口，系統(tǒng)根據(jù)車牌號(hào)判斷是否直接放行，如不能直接放行則計(jì)算停車費(fèi)用，收取費(fèi)用后放行。

3.3 出入口管理程序設(shè)計(jì)

車場(chǎng)管理系統(tǒng)中視頻采集卡的選擇非常重要，主要考慮以下幾點(diǎn)：

1)單張視頻卡支持同時(shí)采集視頻的路數(shù)。

2)視頻卡硬件壓縮速度。

3)視頻卡是否支持二次開(kāi)發(fā)，SDK編程接口是否方便。

4)視頻卡能提供的視頻壓縮格式[5]。

系統(tǒng)程序流程如圖3所示。

圖3 出入管理系統(tǒng)程序流程圖

4 燈光導(dǎo)航系統(tǒng)

小區(qū)路上和停車場(chǎng)內(nèi)安裝燈光控制器，本文針對(duì)一個(gè)照明燈具配有一個(gè)智能燈光控制器的情形進(jìn)行研究。智能燈光控制器包括運(yùn)動(dòng)傳感器、燈光控制節(jié)點(diǎn)、無(wú)線通信、溫濕度采集模塊、光強(qiáng)檢測(cè)模塊、CO檢測(cè)模塊、車位使用檢測(cè)模塊等，其組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

運(yùn)動(dòng)傳感器判斷車輛的位置和行進(jìn)方向等信息，智能燈光控制節(jié)點(diǎn)控制著照明燈具的亮滅，無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)燈光控制器與總控系統(tǒng)之間的通信[6]。

車庫(kù)的照明燈具平時(shí)全部處于關(guān)閉狀態(tài)。有車輛到達(dá)車庫(kù)入口時(shí)，攝像頭拍攝車牌圖像，通過(guò)車牌號(hào)碼判斷是否具有進(jìn)入權(quán)限，道閘自動(dòng)開(kāi)啟。該車輛入場(chǎng)時(shí)間等信息記入數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取出該車輛的車位位置、住宅位置信息，根據(jù)車庫(kù)照明系統(tǒng)的布置情況，規(guī)劃出該車進(jìn)入車庫(kù)后的正確行駛路徑，以及駕駛員下車后步行回家的路徑，并依次開(kāi)啟相應(yīng)的燈光作為導(dǎo)航。主控制器通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)出控制命令，依此打開(kāi)該路徑上的所有照明燈具，引導(dǎo)車輛沿正確路線行駛。

本部分的功能描述采用線性時(shí)序邏輯進(jìn)行LTL描述。線性時(shí)序邏輯使用原子命題變?cè)猵、q構(gòu)成線性時(shí)序邏輯公式，或者由布爾運(yùn)算符∨、∧、┓或時(shí)序操作符◇、□、○、∪、ω等連接形成新的復(fù)合公式，用以描述系統(tǒng)性質(zhì)[7-8]。

4.1 車輛按照規(guī)劃的路徑行駛

車輛按照規(guī)劃好的導(dǎo)航路徑行駛，此時(shí)該路徑上的燈具已經(jīng)打開(kāi)。車庫(kù)中的運(yùn)動(dòng)傳感器實(shí)時(shí)判斷車輛的當(dāng)前位置，車輛駛過(guò)之后路徑上的燈具自動(dòng)熄滅。其過(guò)程描述如圖5所示[9]。

圖5 規(guī)劃路徑上燈具控制過(guò)程

其中，m1表示傳感器檢測(cè)到車輛或人離開(kāi)的運(yùn)動(dòng)信息,m2表示啟動(dòng)燈光控制器，m3表示控制器關(guān)閉燈具。當(dāng)運(yùn)動(dòng)傳感器檢測(cè)到車或人的運(yùn)動(dòng)信息后，必存在某一時(shí)刻，有主控制器控制打開(kāi)的燈具自動(dòng)關(guān)閉。使用線性時(shí)序邏輯描述可形式化表示為:運(yùn)動(dòng)傳感器檢測(cè)到車輛離開(kāi)的消息m1，(Car R1∧m1→○Sensor S1)；傳感器發(fā)送信息m2到智能控制節(jié)點(diǎn)，(Sensor S1∧m2→○Control C1)；由于此時(shí)燈具已打開(kāi)，控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息m3至燈具，在滿足時(shí)間約束條件后，關(guān)閉燈具，(Control C2∧m2→○Light L1)。

4.2 車輛未按照規(guī)劃的路徑行駛

如果車輛未按規(guī)劃路徑行駛，運(yùn)動(dòng)傳感器判斷出車輛位置后，會(huì)將車輛附近的照明燈具打開(kāi)，為車輛行駛提供方便。同樣車輛駛過(guò)之后，關(guān)閉這些燈具。過(guò)程描述如圖6[9]。

圖6 非規(guī)劃路徑上燈具控制過(guò)程

其中，m1表示傳感器檢測(cè)到車輛或人靠近的運(yùn)動(dòng)信息,m2表示啟動(dòng)燈光控制器，m3表示控制器打開(kāi)燈具，m4表示傳感器檢測(cè)到車輛或人離開(kāi)的運(yùn)動(dòng)信息,m5表示啟動(dòng)燈光控制器，m6表示控制器關(guān)閉燈具。當(dāng)運(yùn)動(dòng)傳感器檢測(cè)到車或人靠近的運(yùn)動(dòng)信息后，必存在某一時(shí)刻,燈光控制器控制打開(kāi)燈具；當(dāng)運(yùn)動(dòng)傳感器檢測(cè)到車或人離開(kāi)的運(yùn)動(dòng)信息后，必存在某一時(shí)刻,燈光控制器控制關(guān)閉燈具。該過(guò)程用線性時(shí)序邏輯描述如下：運(yùn)動(dòng)傳感器檢測(cè)到車輛靠近的消息m1，(Car R1∧m1→○Sensor S1)；傳感器發(fā)送信息m2到智能控制節(jié)點(diǎn)，(Sensor S1∧m2→○Control C1)；控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息m3至燈具，在滿足時(shí)間約束條件后，打開(kāi)燈具，(Control C2∧m2→○Light L1)；車輛駛離時(shí)，運(yùn)動(dòng)傳感器檢測(cè)到車輛離開(kāi)的消息m4，(Car R2∧m1→○Sensor S2)；傳感器發(fā)送信息m5到智能控制節(jié)點(diǎn)，(Sensor S2∧m5→○Control C3)；控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息m6至燈具，在滿足時(shí)間約束條件后，將燈具關(guān)閉，(Control C4∧m6→○Light L2)。

車輛到達(dá)十字路口時(shí)，對(duì)燈具的控制可引入概率轉(zhuǎn)移矩陣。在統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，得到車輛在各路口的概率轉(zhuǎn)移矩陣，由主控機(jī)控制將車輛轉(zhuǎn)向概率最大的方向上的燈具打開(kāi)。

另外，車輛駛離車位時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制器的信息可獲得駛離車輛信息，啟動(dòng)燈光導(dǎo)航系統(tǒng)，依次打開(kāi)相應(yīng)燈光，引導(dǎo)車輛正確到達(dá)出口。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)住宅小區(qū)內(nèi)私家車越來(lái)越多的情況提出了一套小區(qū)地下停車場(chǎng)的智能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)節(jié)省了住戶在欄桿前的等待時(shí)間，為住戶停車提供燈光導(dǎo)航服務(wù)，節(jié)約能源。實(shí)際使用過(guò)程中，天氣和攝像機(jī)角度對(duì)車牌識(shí)別的結(jié)果存在影響，可在后續(xù)開(kāi)發(fā)中優(yōu)化算法，使之受環(huán)境影響繼續(xù)降低。對(duì)車輛的燈光導(dǎo)航，可以進(jìn)一步研究，探索動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法。為減少成本，可以考慮一個(gè)控制器控制幾個(gè)照明燈具。

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