Research on Intelligent Control Strategy of Urban Parking Guidance System Based on Artiftcial Intelligence
Ge Yinglong1 geyl@hdu.edu.cn
1 School of Information Engineering, Hangzhou Dianzi University, 310018,Hangzhou,Zhejiang, China
DOI: 10.17013/risti.18B.72–83
Abstract: With the rapid urbanization and fast increase of car ownership, parking problem has increasingly turned to be a bottleneck for the sustainable development of urban transportation system. In order to improve the parking management level, a urban parking guidance system based on artificial intelligence is proposed. In this paper, the composition and structure of the urban parking guidance system is analyzed, the parking place control terminal hardware design and implementation methods based on the microcon troller SX52 are supplied, and the principles and processes of the control terminal software are introduced, then the principles and methods of protocol dispose in the control terminal are described based on the analysis of the TCP/IP protocol, the principles of work of guidance server are explained. The characteristics of urban parking guidance system based on artificial intelligence are as follows: the design idea is novel, the cost is low, the utility is strong, and it is easy to spread. Therefore, it can be used as an auxiliary system of urban intelligent transportation system, which plays an active role in relieving the traffic congestion and improving the traffic environment.
Keywords: Intelligent parking management system; parking guidance; roadside parking; system architecture.
1. Introduction
Urban intelligent parking management system is an important part of intelligent transportation system,which is an effective method to solve the problem of urban parking.With the rapid urbanization and fast increase of car ownership, parking problem has increasingly turned to be a bottleneck for the sustainable development of urban transportation system, which is not only reflected in the road congestion, but also reflected in the low efficiency of parking management and illegal parking and other aspects. (Cats, O., Zhang, C., amp; Nissan, A., 2016) Parking problem has become a common problem in the economic development of large and medium cities in the country, which is manifested in the following 5 aspects. Parking information is not transparent.Due to lack of dedicated parking information resources platform to query the real-time parking information, which leads to the owners who are not familiar with the situation wasting a lot of time in the process of parking, (Abreu, A.,Rocha, Aacute;., Cota, M. P.,amp;Carvalho,J. V., 2015) producing invalid traffic, and making the road more crowded. The construction degree of intelligent parking lot is relatively low. Compared with the developed countries, the development of intelligent transportation in China is still very backward, especially in the construction of the intelligent parking lot,which is still in the initial stage. The management efficiency of roadside parking is low. The current domestic roadside parking management is still in the manual management level, the management efficiency of which is low, and there are many management loopholes, so as to lead to the occurrence of various parking problems. The phenomenon of illegal parking is serious. Roadside illegal parking is very common in every city, which causes serious disturbances to the efficient operation of urban traffic. System management for urban parking problems is lack. Uniform management of all kinds of parking information is lack, such as parking resources, illegal parking and other information. Therefore, this paper analysis the composition and structure of the urban parking guidance system,and proposes a scheme of urban parking guidance based on Internet. This system plays an active role in relieving the traffic congestion and improving the traffic environment (Dewen, S., Xinhong, C., Jing, C., amp; Xujian, F., 2015).
2. Research Status
On the premise of shortage of land resources and rapid expansion of the amount of motor vehicles in current urban. How to use scientific and technological means to improve the management level of parking, research and construct the intelligent parking management system, and promote the effective use of existing parking facilities, has become one of the effective methods to solve the problem of urban parking. Research and application of the intelligent parking management system in some foreign countries and regions starts earlier, the technology of which is relatively mature, and the function is relatively perfect. The first parking guidance system was established in the world (Mahmudah, N., amp; Tubagus, A., 2016). The earliest Japanese parking guidance system was established to provide the guidance information for the parking users, including the location of the parking lot, the vehicle number, the use situation and so on (Fishman, E., 2016). In theoretical research, the theories and methods of parking search model and the optimization and information display configuration of parking guidance system were researched (Asante, L. A., Sasu, A., Ayitey, J. Z., amp; Boakye-Agyeman, N. A., 2015). A parking reservation system based on integer programming and fuzzy logic method was proposed (Xydis, G., amp; Nanaki, E., 2015). A kind of intelligent parking management system based on the low cost wireless network was researched to realize data sharing between the systems, this system was a part of the more advanced intelligent transportation system (Ji, S., Cao, G., Zhang, J., Yu, F., Li, D., amp; Yu, J., 2016). Compared with the developed regions, the intelligent parking management system of our country starts late. In the aspect of theoretical research, the urban parking guidance informa
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基于人工智能的城市停车诱导系统智能控制策略研究
摘要：随着城市化进程的加快和汽车持有量的快速增长，停车问题日益成为城市交通系统可持续发展的瓶颈。为了提高停车管理水平，此文引出一种基于人工智能的城市停车诱导系统。在分析了城市停车诱导系统的组成和结构后，给出了基于SX52微控制器的停车场控制终端硬件设计和实现方法，并介绍了控制终端软件的原理和过程，然后在分析TCP/IP协议的基础上，阐述了控制终端协议处理的原理和方法，进而阐述了导航服务器的工作原理。此系统具有设计思想新颖、成本低、实用性强、易于推广等特点。因此，它可以作为城市智能交通系统的辅助系统，对缓解交通拥堵，改善交通环境起到积极的作用。
关键词：智能停车管理系统；停车诱导；路边停车；系统架构。
1.背景介绍
城市智能停车管理系统是智能交通系统的重要组成部分，也是解决停车问题的有效方法。随着城市化进程和人们物质生活的提高，停车问题日益严重，这不仅体现在道路拥堵上，也体现在停车管理效率低下和违章停车等方面。因此停车问题已经成为中国大中型城市经济发展中的普遍存在的一个问题。
而停车问题具体表现在以下五个方面：一是停车信息不透明，由于缺乏专用的停车信息资源平台，导致不熟悉情况的车主在停车过程中浪费大量时间，从而影响交通，使道路更加拥挤；二是智能停车场建设程度相对较低。与发达国家相比，我国智能交通的发展还很落后，特别是智能停车场的建设，还处于起步阶段；三是路边停车场管理效率低，目前国内路边停车管理仍存在水平低，效率低，漏洞多等缺点，影响停车，阻碍交通；四是违法停车现象严重。路边违章停车在各个城市都很普遍，严重影响了城市交通的有效运行；最后一点是城市停车问题缺乏系统管理，我国对各类停车信息缺乏统一管理，如停车资源、违章停车等信息。为此，本文分析了城市停车诱导系统的组成和结构，提出了一种基于互联网的城市停车诱导方案。该系统对缓解交通拥堵、改善交通环境能起到积极的作用。
2.研究现状
在当前城市土地资源紧缺而汽车持有量不断增加的前提下，如何利用科技手段提高停车管理水平，研究和构建智能停车场管理系统，提高停车效率，都是解决停车问题的有效途径。在我们研究国外一些国家和地区的智能停车管理系统时，发现他们一般起步较早，技术相对成熟，功能也相对完善。
第一个停车诱导系统由日本建立，为停车场使用者提供停车诱导信息，包括停车场的位置、车辆编号、使用情况等。在理论研究方面，研究了停车搜索模型的理论以及停车诱导系统的优化和信息显示配置，以此为依据提出了一种基于整数规划和模糊逻辑方法的停车预约系统。为实现系统间的数据共享，他们还研究了一种基于低成本无线网络的智能停车管理系统，该系统是升级版智能交通系统的一部分。
我国目前与发达地区相比，智能停车管理系统起步较晚。就目前进度来说，我国已经在理论研究方面对城市停车诱导信息系统进行了总体设计，并将地理信息系统引入停车管理系统，用来研究分析停车管理系统的信息显示。为了建立停车状态显示优化模型，我们还对停车诱导信息板进行了研究。近年来，通过试验，北京、上海、深圳、杭州等城市也相继建成了停车诱导系统。然而，试验中系统还存在覆盖范围小、系统落后、使用效果差等问题。本文则针对这些问题介绍如下内容：第三节介绍了城市停车诱导系统的拓扑结构；第四节给出了停车诱导系统的实现过程；第五节用一个实际的实验来评估系统的性能；最后一节总结了内容。
3.相关技术
3.1嵌入式互联网技术
嵌入式互联网是嵌入式系统与互联网的结合，包括嵌入式处理器、嵌入式操作系统和应用电路。访问互联网时必须有相应的访问协议，如常用的TCP/lP协议。因此，嵌入式互联网基于嵌入式处理器、嵌入式操作系统和接入互联网通信协议的，主要应用方向是控制网络等建筑、工厂、家庭信息网络。系统接入互联网后，不仅实现了网络远程监测、诊断和系统升级，而且为嵌入式系统提供了一个共享更多网络信息资源的平台。更重要的是，网络的控制不再需要租用专线来维持运营，这也可以提供更多增值服务和管理功能。简而言之，互联网可以显著提高企事业单位效率，转变社会组织运行方式。与以前的总线技术相比，嵌入式互联网技术具有以下特点：提供了大量的工具和功能库，减少了客户端的二次开发；完整的分布式结构提高了系统的可靠性；整个网络以协议为基础，使网络内部和企业管理信息网统一协调运行，实现了互联网的无缝接入；用户可以通过浏览器随时监控现场设备的运行状态和数据，并可以检测和进行软件升级。
3.2.TCP/IP协议
TCP协议和IP协议是指互联网上使用的两种网络协议（或数据传输方式）。这两个协议是构成TCP/IP协议的重要部分。TCP/IP协议保证了数据在互联网上的传输，并提供了互联网的几乎所有服务。这些服务包括电子邮件传输、文件传输、新闻组发布、访问万维网等。网络层协议、应用层协议构成了TCP/IP协议，通过使用协议工作堆栈，完成两台计算机之间传输。在这个过程中，每一层执行一个复杂的错误检查系统。堆栈的每一层都可以从相邻层接收或发送数据。每一层都与许多协议相关联。这些协议也都在同时工作。
3.3.微控制器SX52
SX52是采用CMOS技术开发的8位通信控制芯片，不仅速度快，而且可以方便地实现上网功能。该芯片利用虚拟软件包提供的代码，可以方便地实现TCP/IP协议中的通用协议栈。如HTTP、SMTP、POP3、TCP、UDP、ICMP、IP等。REALTEK公司生产的高集成度全双工以太网控制器芯片RTL8019AS使它接入互联网的效率更高。芯片支持IEEE802.3MAC层协议，在极端条件下也能完成10Mbps速率的数据收发功能。整个硬件系统由以太网接口、RS485接口和触摸屏接口三个数据传输通道实现。SX52、RTL8019AS、FB2022组成的数据通道，使用户可以通过互联网更好地对停车场信息进行监控。并可以通过浏览器向控制终端发送服务请求，信息通过RJ45发送到RTL8019AS，RTL8019AS负责抽离以太网帧，并将处理后的数据包发送到SX52的TCP/IP协议栈和应用层软件，从而完成数据传输。
4.城市停车诱导系统
4.1系统基本工作原理
城市停车诱导系统的基本工作原理是在每个停车场安装基于嵌入式互联网技术的停车控制终端，然后通过终端将停车场和停车位的分布信息再实时传输到停车诱导服务器，服务器通过处理再向司机提供信息处理和WWW服务。服务包括出行前停车查询、停车预约、停车路线引导等。同时，诱导服务器还可以为停车运营商提供停车信息动态广告、停车收费、停车信息管理等服务。
4.2.系统总体框架
停车诱导系统如图1所示，由多个停车控制终端和停车诱导服务器组成。停车场控制终端是具有互联网接入功能的嵌入式智能设备，通过现场总线与停车场安全系统、环境控制系统、停车设备管理系统连接，如图2所示。主要功能有：对各子系统功能模块实现分布式管理和控制；借助网络和各模块实现信息交换和共享；作为嵌入式网络服务器，通过互联网实现与停车诱导服务器的远程通信，完成停车场之间的交换信息和控制信息。
图一 停车诱导系统组成
图二 停车场组成
在此系统中停车诱导服务器是停车诱导系统的核心。一方面，作为B/S系统的浏览器，其可以对嵌入式网络服务器的控制终端进行信息查询，以此及时地访问各个停车场的停车信息，并对停车信息数据库进行更新。另一方面，作为B/S系统中的WWW服务器，它为驾驶用户提供了必要的停车信息。
4.3.硬件系统的组成与实现
停车控制终端硬件组成原理如图3所示。系统采用Ubicom公司的SX52芯片作为微控制器。SX52是采用CMOS技术开发的8位通信控制芯片，不仅速度快，而且可以方便地实现上网功能。该芯片通过其内部的代码，可以方便地实现TCP/IP协议中的通用协议栈。
其以太网接口由REALTEK公司生产的高集成度全双工以太网控制器芯片RTL8019AS实现。该芯片支持IEEE802.3MAC的子层协议，在极端条件下也可以完成10Mbps速率的数据收发功能。整个硬件系统由以太网接口、RS485接口和触摸屏接口三个数据传输通道实现。其以太网数据通道FB2022由SX52、RTL8019AS、FB2022组成，用户可以通过互联网对停车场信息进行监控。通过浏览器向控制终端发送请求，信息通过RJ45发送到RTL8019AS，RTL8019AS剥离以太网帧信息，并将处理后的数据发送到SX52的TCP/IP协议栈和应用层软件。同时，控制终端可以将停车场的信息和数据反向传输到远程引导服务器。
图三 控制终端硬件组成
图四 控制终端软件全过程
4.4.协议和软件的实施
控制终端的软件总体流程如图4所示。由于MCUSX52的硬件系统资源有限，无法实时利用多任务操作系统。因此应用软件和协议必须由SX52完成。因此系统采用顺序执行和硬件中断的程序结构，将实时性要求低、耗时长的应用层处理任务和TCP/IP协议栈处理任务放在顺序结构的主序列中一起实现，而把对实时性要求较高的关键处理任务和时间处理等任务放在中断处理器中完成。在进行初始化后，系统进入主程序的循环部分。其主要程序周期包括三大功能：对接收到的以太网数据帧进行解包和TCP/IP协议处理；对停车场互联网数据进行打包和发送；实现对终端硬件资源和停车场控制模块的管理和控制。
控制终端通过互联网与服务器完成通信，其软件必须实现TCP/IP功能。其中标准TCP/IP协议由多种协议组成，协议功能强大，机制复杂，占用系统大。因此在系统资源相对匮乏的嵌入式系统中，为实现TCP/IP协议，需要进行裁剪和简化。该协议在控制终端中的裁剪和实现原理如下：ARP协议可以分为请求和响应两种类型，而本系统只需要实现响应功能。具体实现过程是：首先，当SX52从以太网帧接收ARP数据包时，应根据操作类型确定ARP请求消息或响应消息。如果是ARP请求时，则需要我们比较目标IP地址和自己的IP地址，如果它们相同，就需要我们打包自己的MAC地址并发送响应消息，否则它将被丢弃。
IP协议是TCP/IP协议簇的核心。控制终端必须实现其基本功能：寻址、封装、路由、封装、检测等，考虑到本系统的数据一般是一些少量的状态信息或控制信息，因此可以切断IP的分割和重组功能。其接收处理是由系统接收IP数据包后，首先判断数据包的IP地址是否与本地机的IP地址一致，如果一致，则丢弃数据包，如不一致，则进行IP编号、字段检查，在确认数据传输正确后，删除IP数据包的并取出数据库中的数据，然后把数据信息交给ICMP协议，或由TCP协议根据IP的协议类型进行上层处理。其发送过程是：打包ICMP包或TCP报文，路由IP数据包，然后通过数据链路层发送IP数据包。
其中的ICMP协议，主要用于传输错误消息和控制消息，其中，最常用的是ICMP请求/应答消息。控制终端只需被动响应其他主机的网络连接测试请求命令，就可以切断其他功能。
而TCP协议，其机制复杂，协议本身可以通过建立和关闭连接、发送数据和接收数据来实现。建立和关闭协议也需要通过3个协议共同完成。
4.5停车诱导服务器功能实现
停车诱导系统借助互联网为司机用户提供停车诱导服务，该服务的实现由B/S模式的客户端浏览器和服务器端完成。系统包含的主要功能模块是用户管理模块，其主要完成用户信息管理和注册管理。
其中的停车信息查询模块，不仅实现了用地名查询附近停车信息，而且可以根据城市数字地图上的停车位来获取所需停车信息。
图五 停车诱导系统
另一个是停车预约模块。注册用户可以通过互联网预约车位，预约申请通过引导服务器发送到停车控制终端，完成预约后用户确认，再通过导航信息给出从用户所在地到停车场最近的行车路线，以数字地图和文字的方式为用户导航。
图六 停车信息
城市停车信息是一系列动态的空间数据，停车诱导系统实际上是一个地理信息系统（GIS）。借助互联网平台和客户端应用软件，运行WWW地理信息系统（WebGIS）的HTTP协议，可以方便、直接地发布地理信息数据，为用户提供查询等相关服务。其中WebGIS代表了GIS的发展方向应用，已成为当前技术研究的热点。
作为领头羊，美国ESRI公司拥有国际顶尖的地理导航和标记系统，它利用数据的空间属性来实现地图和数据的完美结合，提供了一个新型可视数据的方法。因此，我们可以利用ESRI公司的ArcIMS9.0作为开发工具和平台。同时，ESRI公司研究开发的Geo data base是一个基于数据库管理系统的智能空间数据库，因此Geo data base也可以被用作空间数据模型。
在研究后，我们确定了此停车诱导系统将采用SQLServer2000作为数据库管理系统开发平台，并采用结构化查询来实现语言与数据库的相关操作。服务器程序的开发是通过JavaScript、ASP、HTML工具实现。系统结构如图7所示。
图七 启动服务器结构
5.实验调查与分析
本文以某停车场为实验对象，并将本文所研究的停车诱导系统应用于该停车场。在使用一个月后，我们将统计资料进行研究，针对是否提高停车效率和方便性这一问题，在统计了500个司机的停车需求和结果后，得出了实验结果如下表所示：
图八 实验结果
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