基于超聲探測的停車(chē)場(chǎng)車(chē)位引導系統的研究

1、引言

隨著(zhù)停車(chē)需求的增長(cháng)，停車(chē)場(chǎng)的規模也越來(lái)越趨于大型化。國內對智能停車(chē)場(chǎng)也進(jìn)行了大量的研究，但目前我國的停車(chē)場(chǎng)管理系統大多還存在智能化、集成度低的缺點(diǎn)，忽視了停車(chē)過(guò)程的自動(dòng)化，特別是車(chē)位的引導。如何檢測車(chē)位和引導司機方便的泊車(chē)也是停車(chē)管理的重要組成部分，該方案通過(guò)對最短路徑有效算法和場(chǎng)內車(chē)位引導。及現場(chǎng)總線(xiàn)通訊等方面進(jìn)行闡述，對特大型智能自動(dòng)化停車(chē)場(chǎng)的設計具有一定的參考價(jià)值。

2、超聲探測和引導系統的原理和組成

2.1 超聲探測簡(jiǎn)述

超聲波探頭完成超聲波信號的發(fā)射與接收，單片機系統及相關(guān)電路完成信息的分析與統計。在停車(chē)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(chē)輛上回來(lái)的反射波不同，通過(guò)微處理機進(jìn)行分析，從而做出有車(chē)或無(wú)車(chē)的判斷[1]。

工作原理是安裝在該車(chē)位上方的車(chē)位超聲波探測器檢測?？坎次卉?chē)輛，將該車(chē)位已被占用的信號發(fā)送到數據采集器, 采集器接收數據時(shí)記下停放時(shí)間并存入數據存儲器。數據采集器對接收到的各車(chē)位數據進(jìn)行即時(shí)處理，然后將有關(guān)處理結果傳送到管理計算機，管理計算機即可將該信息存入系統數據庫供查詢(xún)統計使用[4]。示意圖如圖1所示：

2.2 車(chē)位引導系統

用最短路徑算法得到每個(gè)停車(chē)位的路徑后，對每條路徑按長(cháng)度進(jìn)行排序，在數據庫中以此順序對每個(gè)車(chē)位對應的路徑信息及每條路徑所經(jīng)過(guò)的交叉路口所對應的提示信息進(jìn)行存儲，需要到達某個(gè)車(chē)位停車(chē)時(shí)，只需從數據庫中調出與此車(chē)位相關(guān)的信息，將這些信息與ID 卡對應起來(lái)，在電子顯示屏上進(jìn)行顯示[5]。通過(guò)超聲波探測器將檢測信號發(fā)送給單片機，通過(guò)控制總機給車(chē)位發(fā)送指示信號，使電子顯示屏顯示相應車(chē)位。在每個(gè)車(chē)位的上方都有指示燈，通過(guò)檢測車(chē)位，對停放的車(chē)位準確做出判斷，若指示正確并停放合理，指示燈就會(huì )在檢測信號發(fā)出時(shí)自動(dòng)熄滅，否則就會(huì )一直亮著(zhù)，并通過(guò)檢測系統發(fā)送錯誤信號給控制總機，從而達到了檢測和引導兩者統一。其車(chē)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(chē)場(chǎng)研究比較復雜，先初步建立簡(jiǎn)單的模型[2]，如圖3所示：

按照圖論的構圖方法，把圖3中的停車(chē)場(chǎng)結構示意圖抽象為4的賦權有向圖E = (V,A,D)。

其中V ={ V1, V2,…, Vn }是有限點(diǎn)集(一個(gè)節點(diǎn)代表一個(gè)交叉路口或有效泊車(chē)位);A = {(Vi, Vj ) ∈N ×N}為有限弧集，|V|=n，|A|=m;D={dij}為邊權集， dij為弧(Vi ,Vj)的長(cháng)度，如果 Vi 與 Vj 之間沒(méi)有直達路徑，則 dij為 ∞(在程序中一般給 dij賦一個(gè)足夠大的數來(lái)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存在直達路徑

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

Lij= 0 　點(diǎn)i與點(diǎn)j不存在直達路徑

一定時(shí)間內，dij是一個(gè)不隨時(shí)間變化的正整數。停車(chē)場(chǎng)實(shí)際上是一個(gè)靜態(tài)離散網(wǎng)絡(luò )模型。由于停車(chē)場(chǎng)內部通道的單向性，則在數學(xué)上，最短路徑問(wèn)題可描述為：

(3.2)

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

從圖4知，若使圖3中所示停車(chē)位在停車(chē)場(chǎng)中經(jīng)過(guò)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。對同一通道兩旁的停車(chē)位可以把它們作為同一對象來(lái)進(jìn)行研究，即把所研究的停車(chē)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(chē)位的實(shí)際最短路徑，先以圖5為研究對象，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(chē)位的實(shí)際最短路徑，只要在通道抽象最短路徑的基礎上加上此通道本身的長(cháng)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)目標函數;

(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(lái)編碼，稱(chēng)為一條染色體，向量的分量代表基因，它對應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)所對應的目標函數值，并以此計算適應值 Fi ，按 Fi 的大小來(lái)評價(jià)該可行解的好壞;

(4) 以?xún)?yōu)勝劣汰的機制，將適應值差的染色體淘汰掉，對幸存的染色體根據其適應值的好壞，按概率隨機選擇，進(jìn)行繁殖，形成新的群體;

(5) 通過(guò)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(jìn)行新一輪遺傳進(jìn)化過(guò)程，直到迭代收斂，即找到了最優(yōu)解或準最優(yōu)解。

實(shí)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(chē)場(chǎng)最短路徑問(wèn)題的求解是可行的。

4、現場(chǎng)通訊

整個(gè)系統的通訊選擇LonWorks為該系統的通訊總線(xiàn)，LonWorks采用網(wǎng)絡(luò )變量的設計方式，包括接口Il0在內所有的信息交換均通過(guò)網(wǎng)絡(luò )變量進(jìn)行，這樣給網(wǎng)絡(luò )的設計帶來(lái)極大方便。LonWorks技術(shù)除擁有現場(chǎng)級控制系統所要求的全部特性外，還具有其他現場(chǎng)總線(xiàn)所不具有的優(yōu)點(diǎn)：自由網(wǎng)絡(luò )撲拓結構，靈活而低成本的布線(xiàn)，將LonWorks技術(shù)引入到停車(chē)場(chǎng)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(diǎn)，提高了系統的性能，場(chǎng)內的每件主要設備均有一塊LON模塊進(jìn)行控制[6]。且每塊LON模塊都采用了CPU標準插板的方式，易與維護。采用LonWork設計該方案的通訊系統，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(chē)位與收發(fā)器之間的通訊。如圖6所示。

5、結束語(yǔ)

本方案綜合利用超聲探測和車(chē)位引導、遺傳算法、現場(chǎng)總線(xiàn)通訊等方面的知識，研究了一套自動(dòng)化程度較高的停車(chē)場(chǎng)智能管理子系統，并將目前發(fā)展較好的停車(chē)場(chǎng)子系統進(jìn)行整合。系統的實(shí)現主要是通過(guò)停車(chē)位超聲探測系統對停車(chē)場(chǎng)的停車(chē)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，獲取停車(chē)位信息，數據處理中心對所探測的信息進(jìn)行處理，找出當前最方便用戶(hù)停車(chē)的停車(chē)位和相應的路徑信息，其顯示和語(yǔ)音設備根據處理后的信息對用戶(hù)進(jìn)行車(chē)位引導。隨著(zhù)研究的深入和各種新技術(shù)的應用，將大大提高停車(chē)場(chǎng)的整體運行效率，對未來(lái)特大型停車(chē)場(chǎng)的設計具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻

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