汪 勝 趙生慧 于春燕 祁 輝 戴秀芹

(滁州學(xué)院信息化建設(shè)與管理中心 安徽 滁州 239000)

0 引 言

隨著各高校辦學(xué)規(guī)模擴(kuò)大、開放式辦學(xué)進(jìn)一步推進(jìn)，各高校對外交流日益頻繁，進(jìn)出校園的外來車輛也逐步頻繁。外來車輛對校園環(huán)境不熟，在校園內(nèi)繞圈、問路等情景層出不窮，車流與人流的疊加更是增加了校園的交通壓力，同時(shí)也影響了外來人員的入校體驗(yàn)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《智慧校園總體框架》，建設(shè)智慧停車是其中非常重要的組成部分，校園交通暢通無阻、車輛有序?？渴侵腔坌托@的重要體現(xiàn)。

智慧交通系統(tǒng)已得到積極研究。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了具有車流量統(tǒng)計(jì)、車位監(jiān)督、停車場停車誘導(dǎo)與預(yù)定功能的智慧停車系統(tǒng)，該系統(tǒng)立足于搭建智慧城市停車管理平臺。文獻(xiàn)[2]基于ZigBee技術(shù)和GPS定位等技術(shù)，主要通過在各個(gè)停車場安裝ZigBee節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)停車位的集中管理監(jiān)控，遠(yuǎn)程查看停車場車位信息并可操控車位鎖。文獻(xiàn)[3]分析了停車服務(wù)市場需求，提出一種面向移動(dòng)客戶端的智慧型停車服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案中用戶通過APP訪問后臺服務(wù)器信息，獲取相關(guān)停車場數(shù)據(jù)，從而協(xié)助尋找合適的停車位。文獻(xiàn)[4]以云服務(wù)平臺數(shù)據(jù)庫為支撐，通過獲取相應(yīng)區(qū)域停車場車位信息，為用戶智能匹配停車位，實(shí)現(xiàn)停車誘導(dǎo)等功能。文獻(xiàn)[5]采用移動(dòng)機(jī)器導(dǎo)向系統(tǒng)，通過配置控制器，獲取位置信息并自動(dòng)生成多個(gè)路徑點(diǎn)形成導(dǎo)航路徑，使得移動(dòng)機(jī)器能夠按照配置路徑行駛。

上述研究注重停車場路徑導(dǎo)航和停車位管理，研究內(nèi)容偏向于城市重點(diǎn)區(qū)域道路或針對大型的商業(yè)停車場，較難應(yīng)用于高校校園場景。從高校的實(shí)際情況出發(fā)，校園智慧停車系統(tǒng)的開發(fā)既能夠改善校園交通環(huán)境，又可以提升外來車輛的入校體驗(yàn)。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)組成

本文以滁州學(xué)院會(huì)峰校園為應(yīng)用場景，從在線預(yù)約、校內(nèi)路徑導(dǎo)引以及停車位實(shí)時(shí)影像查看三個(gè)方面入手，設(shè)計(jì)了校園智慧交通導(dǎo)引系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由智能手機(jī)、若干個(gè)iBeacon節(jié)點(diǎn)、攝像頭以及服務(wù)器四部分組成(如圖1所示)。其中：智能手機(jī)用于安裝開發(fā)的校園智慧交通導(dǎo)引系統(tǒng)APP，實(shí)現(xiàn)在線預(yù)約、路徑展示和停車位視頻推送等；iBeacon節(jié)點(diǎn)部署在實(shí)際場景中，用于車輛定位和信息發(fā)送；攝像頭用于采集停車位實(shí)時(shí)影像；服務(wù)器端用于系統(tǒng)環(huán)境部署，具有數(shù)據(jù)的存儲、處理、查詢等功能。

圖1 系統(tǒng)組成圖

1.2 功能設(shè)計(jì)

校園智慧交通導(dǎo)引系統(tǒng)主要功能包括在線預(yù)約、路線規(guī)劃和視頻推送等，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能圖

1) 在線預(yù)約：新用戶完成注冊登錄和綁定車牌后，即可進(jìn)行在線預(yù)約。預(yù)約時(shí)需選擇預(yù)約的時(shí)間、地點(diǎn)。在線預(yù)約模塊還提供預(yù)約信息的查詢與更改、預(yù)約歷史記錄查看以及停車資訊等功能。

2) 路線規(guī)劃：預(yù)約用戶入校后，應(yīng)用程序接收到iBeacon節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信號后，根據(jù)當(dāng)前位置信息和預(yù)約的地址進(jìn)行最優(yōu)路線規(guī)劃，規(guī)劃完成后通過時(shí)間軸動(dòng)態(tài)路線和語言播報(bào)的形式引導(dǎo)車主到達(dá)離預(yù)約地址最近的停車場，并對周邊建筑和風(fēng)景進(jìn)行介紹。

3) 視頻推送：向預(yù)約用戶推送預(yù)約地點(diǎn)附近停車場的實(shí)時(shí)影像，以便用戶判斷停車場的情況，并可查看附件停車信息。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 最短路徑規(guī)劃

校園智慧停車系統(tǒng)要突破的關(guān)鍵問題之一是車輛到達(dá)目的地的最短路徑規(guī)劃。關(guān)于最短路徑規(guī)劃的幾種經(jīng)典算法有Dijkstra算法、Floyd算法、Bellman-Ford算法和SPFA算法。其中：Dijkstra算法每次能更新到相鄰點(diǎn)的最短路徑，其缺點(diǎn)是不能有負(fù)權(quán)邊的值，但在實(shí)際路徑問題中不存在負(fù)值，同時(shí)Dijkstra算法適用于稠密圖[6]。而Floyd算法、Bell-man-Ford算法和SPFA算法均可解決負(fù)權(quán)問題。Floyd算法適用于稠密圖，和頂點(diǎn)關(guān)系較為密切。Bell-man-Ford算法和SPFA算法均適用于稀疏圖，與邊的關(guān)系較為密切。上述算法的區(qū)別詳見表1。

表1 最短路徑規(guī)劃算法比較

結(jié)合實(shí)際場景，系統(tǒng)基于Dijkstra算法為用戶提供到達(dá)目的位置的最短路線。Dijkstra算法與深度優(yōu)先搜索類似，采用貪心策略，從一個(gè)頂點(diǎn)出發(fā)，每次查詢所關(guān)聯(lián)到的頂點(diǎn)的最短路徑。算法中集合P記錄已知頂與其他各頂點(diǎn)之間最短路徑，集合Q記錄未知頂點(diǎn)與其他各頂點(diǎn)之間的距離，dxy表示頂點(diǎn)x與頂點(diǎn)y之間的距離。

Dijkstra算法的具體步驟如下：

1) 初始化：集合P初始元素為起點(diǎn)p；集合Q初始元素為除起點(diǎn)之外的其他頂點(diǎn)，且各頂點(diǎn)距離標(biāo)識為“起點(diǎn)p到該頂點(diǎn)的距離”，未直接相連的頂點(diǎn)距離標(biāo)記為正無窮大。即P={p}，Q={其他頂點(diǎn)}，dpp=0，dpx=+∞。

2) 計(jì)算集合Q中其他所有點(diǎn)到起點(diǎn)p的距離，并篩選出距離最小頂點(diǎn)k，并將頂點(diǎn)k加入到集合P中，同時(shí)從集合Q中刪除頂點(diǎn)k。即：

dpk=min[dpk]

(1)

3) 更新集合Q中起點(diǎn)p到所有其他各頂點(diǎn)的距離。由于上一步已確定k是最短路徑中的頂點(diǎn)，但存在可能上一頂點(diǎn)經(jīng)過頂點(diǎn)k到達(dá)下一頂點(diǎn)v的路徑長度比直接到達(dá)下一頂點(diǎn)v的路徑長度大的情況，因此需要進(jìn)行最短距離的二次比較，以距離最小化為判定標(biāo)準(zhǔn)。即：

dpv=min[dpv+dkv]

(2)

4) 重復(fù)步驟2)和步驟3)，直到遍歷完所有頂點(diǎn)，那么最終集合P包含所有頂點(diǎn)，Q集合為空。集合P中的距離即為源點(diǎn)p到各頂點(diǎn)的最短距離[7-8]。

2.2 iBeacon定位

車輛進(jìn)入校園后，用戶通過iBeacon節(jié)點(diǎn)獲取當(dāng)前位置和樓宇信息。iBeacon是一項(xiàng)低功耗藍(lán)牙技術(shù)(Bluetooth Low Energy，BLE)，由iBeacon節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號并創(chuàng)建一個(gè)信號區(qū)域，能夠以較低成本快速發(fā)現(xiàn)和定位特定范圍內(nèi)的智能移動(dòng)藍(lán)牙設(shè)備，如手機(jī)、平板電腦等，定位精度約3 m[9]。當(dāng)用戶設(shè)備處于信號覆蓋范圍時(shí)，藍(lán)牙通信暢通，用戶可以通過定制開發(fā)的應(yīng)用程序獲取iBeacon的信息，如圖3所示。

圖3 iBeacon節(jié)點(diǎn)信號

iBeacon作為一種連接線下場景的近場傳感器，每個(gè)iBeacon擁有唯一ID，能夠避免發(fā)生錯(cuò)誤標(biāo)記情況。iBeacon體積小，部署靈活，便于布置在路燈桿、墻體拐角等地點(diǎn)。按iBeacon節(jié)點(diǎn)特性，并結(jié)合現(xiàn)場道路情況，iBeacon節(jié)點(diǎn)部署遵循如下原則：

(1) iBeacon間距控制在20～30 m左右，部署均勻；

(2) iBeacon部署距離地面高度約2.5 m左右，部署周圍無明顯遮擋，無其他信號源干擾；

(3) 重點(diǎn)部署道路分叉口，提升用戶體驗(yàn)；

(4) 對于樓宇位置集中、無岔路口的合理控制部署，防止交錯(cuò)干擾；

(5) 直線道路超過100 m，在到達(dá)分叉路口前50 m部署，防止用戶分錯(cuò)路口。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用例為用戶預(yù)約地點(diǎn)是滁州學(xué)院會(huì)峰校區(qū)信息樓，用戶由滁州學(xué)院會(huì)峰校區(qū)后大門(會(huì)峰西路1號)進(jìn)入，并開啟智能手機(jī)藍(lán)牙功能，校內(nèi)導(dǎo)引的起點(diǎn)為后大門。

3.1 建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型

基于該實(shí)驗(yàn)校園環(huán)境，建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型，將校園內(nèi)主要建筑物轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)、邊和權(quán)重定義如下：

節(jié)點(diǎn)：校園內(nèi)主要建筑物和景點(diǎn)；邊：將各建筑物連接起來；權(quán)重：從一個(gè)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離，單位為米。所建模型如圖4所示。

圖4 校園網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型

3.2 iBeacon節(jié)點(diǎn)部署

根據(jù)iBeacon節(jié)點(diǎn)部署原則，實(shí)驗(yàn)中iBeacon節(jié)點(diǎn)部署分布圖，如圖5所示。在學(xué)校的西南角，總計(jì)部署7個(gè)iBeacon節(jié)點(diǎn)，五角星標(biāo)識為iBeacon節(jié)點(diǎn)具體的部署位置。

圖5 iBeacon現(xiàn)場部署圖

完成iBeacon節(jié)點(diǎn)部署后，將iBeacon節(jié)點(diǎn)ID與地標(biāo)信息進(jìn)行綁定，當(dāng)智能手機(jī)進(jìn)入相應(yīng)iBeacon節(jié)點(diǎn)信號覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，iBeacon信號能夠?qū)⒅悄苁謾C(jī)中校園智慧交通導(dǎo)引系統(tǒng)APP喚醒，系統(tǒng)程序查看服務(wù)器中緩存的推送內(nèi)容，主動(dòng)推送事先設(shè)定的引導(dǎo)信息，實(shí)現(xiàn)與用戶的互動(dòng)[10]。

3.3 功能實(shí)現(xiàn)

前端采用HTML5、PHP、JqueryUI、Android為開發(fā)語言實(shí)現(xiàn)跨平臺開發(fā)，后端采用MySQL數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)具有用戶登錄注冊、綁定車牌、在線預(yù)約、路線規(guī)劃、視頻推送、歷史預(yù)約記錄查詢等功能的應(yīng)用程序。

1) 在線預(yù)約。

在線預(yù)約功能為用戶提供進(jìn)校前的預(yù)約服務(wù)，新用戶在完成注冊和車牌綁定后，即可在線預(yù)約。預(yù)約成功后車牌信息自動(dòng)同步至校門禁系統(tǒng)，到校后可門禁自動(dòng)抬杠，無須停車登記；同時(shí)在移動(dòng)端首頁展示預(yù)約的基本信息，并提供各停車場車位數(shù)據(jù)信息，如圖6所示。

圖6 首頁界面

2) 路徑規(guī)劃。

定義源節(jié)點(diǎn)為信息樓p，節(jié)點(diǎn)生物樓標(biāo)記為1，地信樓標(biāo)記為2，行政樓標(biāo)記為3，后大門標(biāo)記為4，dpx為源點(diǎn)p到頂點(diǎn)x的最短距離，具體過程如表2所示。

表2 最短路徑測試用例

第1步：從源點(diǎn)p開始，找到相鄰節(jié)點(diǎn)1、2，更新集合P，因p不與3、4相鄰，故dp3=+∞，dp4=+∞。在集合P中找到距離最小值，其頂點(diǎn)為1，即源點(diǎn)p到頂點(diǎn)1的距離最近。

第2步：從頂點(diǎn)1開始，找到相鄰節(jié)點(diǎn)為2，但存在上一步已確定頂點(diǎn)p經(jīng)過頂點(diǎn)1到頂點(diǎn)2的距離比頂點(diǎn)p直接到達(dá)頂點(diǎn)2的距離大，因此更新集合P={2}。

第3步：從頂點(diǎn)2開始，找到相鄰節(jié)點(diǎn)為3，更新集合P={2,3}。

第4步：從頂點(diǎn)3開始，找到相鄰節(jié)點(diǎn)為4，更新集合P={2,3,4}。

由此所有頂點(diǎn)已經(jīng)找到，即最短路徑規(guī)劃完成，從信息樓至后大門的最短路徑為“信息樓→地信樓→行政樓→后大門”。

車輛導(dǎo)引界面分為兩個(gè)部分：上半部分主要是展示當(dāng)前校園地圖，應(yīng)用程序與高德地圖提供的API服務(wù)對接，提供用戶當(dāng)前所在具體位置；下半部分以Canvas畫板畫出View，以時(shí)間軸的方式呈現(xiàn)導(dǎo)引路線，整條路線中涵蓋導(dǎo)引的起點(diǎn)，終點(diǎn)以及途中所要經(jīng)過的樓宇，如圖7所示。

圖7 導(dǎo)航界面

隨著用戶的移動(dòng)，用戶能夠接收到不同iBeacon節(jié)點(diǎn)所推送的信息。結(jié)合iBeacon節(jié)點(diǎn)ID中標(biāo)識的地址，更新View界面，小車所在的點(diǎn)代表目前所處的位置，線條上的數(shù)字表示離下一個(gè)點(diǎn)的物理距離。

3) 視頻推送。

實(shí)時(shí)景象推送功能為用戶提供停車場實(shí)時(shí)景象，利用螢石網(wǎng)絡(luò)攝像頭拍攝停車場實(shí)時(shí)信息，系統(tǒng)中集成了螢石網(wǎng)絡(luò)攝像頭的SDK，擁有獨(dú)立的直播URL，URL基于EZOPEN協(xié)議，該協(xié)議主要是針對UIKit使用視頻資源協(xié)議。設(shè)備具有感光功能，可以自動(dòng)根據(jù)光度進(jìn)行調(diào)節(jié)，可通過手機(jī)進(jìn)行定時(shí)設(shè)置、遠(yuǎn)程操作、語音通話、云儲存、自動(dòng)報(bào)警，并能夠360度旋轉(zhuǎn)，便于監(jiān)控到每個(gè)角落。

用戶登錄應(yīng)用程序后通過預(yù)約地址鏈接到對應(yīng)攝像頭的URL，借助螢石云的SDK接收傳輸?shù)囊曨l流，使用EZUIPlayer對象設(shè)置視頻播放相關(guān)參數(shù)將視頻展現(xiàn)給用戶，并提示用戶選擇是否到預(yù)約的停車場。若從視頻展示的畫面所預(yù)約停車場暫無停車位，用戶可選擇更換至附近停車場，如圖8所示。

圖8 停車場視頻畫面

4) 其他功能。

圖9 停車界面

系統(tǒng)同時(shí)具有注銷賬號、綁定車牌、停車記錄、停車資訊、測試節(jié)點(diǎn)以及開啟定位等6個(gè)子功能，如圖9所示。

停車記錄功能用于查看歷史預(yù)約記錄，停車資訊包括校園內(nèi)各建筑物停車場的基本信息、維護(hù)信息、開發(fā)信息等；測試節(jié)點(diǎn)用于定位異常時(shí)，測試與定位節(jié)點(diǎn)通信是否正常；開啟定位用于啟動(dòng)手機(jī)自帶的藍(lán)牙功能，開啟藍(lán)牙并接受iBeacon節(jié)點(diǎn)信號。

4 結(jié) 語

本文以滁州學(xué)院會(huì)峰校區(qū)為應(yīng)用場景，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了校園智慧交通導(dǎo)引系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠減輕校園交通壓力，緩解外來車輛入校后帶來的安全隱患，提升車主入校后的用戶體驗(yàn)，為智慧校園的建設(shè)探尋一條新的校園導(dǎo)引機(jī)制。