城市智慧停車中Mesh網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

城市智慧停車中Mesh網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用摘要：針對(duì)這些年城市發(fā)展所帶來的一系列停車管理問題，如何提高停車場(chǎng)的管理效率并節(jié)約成本，以及實(shí)現(xiàn)城市交通的動(dòng)態(tài)分析和精細(xì)化管理，一直是一大熱點(diǎn)話題。文中系統(tǒng)通過在智慧停車中引入Mesh網(wǎng)絡(luò)，并輔以嵌入式、深度學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)改進(jìn)現(xiàn)有的技術(shù)與管理方式，使停車管理更加靈活，更加智能化。尤其是在智慧型城市的建設(shè)與管理中，將智慧停車與重點(diǎn)管理要素相結(jié)合，可以提升城市的綜合管理水平，并大大提高停車場(chǎng)的運(yùn)行效率和監(jiān)控水平。關(guān)鍵詞：Mesh網(wǎng)絡(luò)；智慧停車；物聯(lián)網(wǎng)；深度學(xué)習(xí)；停車場(chǎng)管理；數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)引言目前的停車服務(wù)主要涉及三方：車主、停車場(chǎng)以及城市管理部門。車主作為消費(fèi)的一方，關(guān)注點(diǎn)是停放車輛的安全、便捷地停車取車以及合理的停車費(fèi)用。停車場(chǎng)方面則希望通過降低停車場(chǎng)的建設(shè)費(fèi)用和管理成本，來降低停車費(fèi)以吸引消費(fèi)者。并通過高效及智能化的管理來方便車主，如實(shí)時(shí)查看車輛狀況、查找停車位置等，以提升服務(wù)質(zhì)量。對(duì)于城市管理部門而言，車輛進(jìn)出無人工干預(yù)的操作方式可以縮短車輛在停車場(chǎng)進(jìn)出口的滯留時(shí)間，從而緩解城市道路的交通壓力。同時(shí)通過掌握各停車場(chǎng)具體的車輛進(jìn)出信息，可以完善城市車輛綜合管理的大數(shù)據(jù)，與智能交通系統(tǒng)、智慧城市等應(yīng)用和服務(wù)深度融合，提升城市公共資源運(yùn)用的效率，優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)施的管理和服務(wù)，改善市民的生活質(zhì)量[1-2]。1系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路1.1系統(tǒng)組成與以往的設(shè)計(jì)方式不同在于本文系統(tǒng)的核心是利用Mesh網(wǎng)絡(luò)來連接不同的終端監(jiān)測(cè)點(diǎn)。Mesh網(wǎng)絡(luò)是無線網(wǎng)絡(luò)的一種，通過眾多的節(jié)點(diǎn)相互連接到彼此。在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中相鄰近的節(jié)點(diǎn)可以相互轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳遞到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，直到抵達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)，最終通過網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)酵獠烤W(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。有別于WiFi或4/5G無線網(wǎng)絡(luò)，Mesh網(wǎng)絡(luò)無中心化的設(shè)計(jì)使其具有較強(qiáng)的健壯性，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可靠且易于擴(kuò)展[3-4]。終端監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、攝像頭模塊、控制模塊和供電部分組成。其中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需滿足Mesh網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，并帶有相應(yīng)的協(xié)議。目前市面上有多種基于不同頻段的成熟解決方案，如ZigBee、LoRa等。攝像頭模塊需滿足拍攝高低不同分辨率的照片。每一片區(qū)域內(nèi)都有多個(gè)終端監(jiān)測(cè)點(diǎn)和一個(gè)網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過光纖網(wǎng)絡(luò)或4/5G網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)相連，將數(shù)據(jù)傳遞到后臺(tái)服務(wù)器。后臺(tái)服務(wù)器在圖片識(shí)別過程中引入深度學(xué)習(xí)算法，可以進(jìn)一步提高圖像識(shí)別的準(zhǔn)確率，并提高工作效率。有別于傳統(tǒng)處理方法，深度學(xué)習(xí)是目前最先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，其效率和精度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般識(shí)別算法[5-6]。傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)的方法依賴人工進(jìn)行特征設(shè)計(jì)和特征提取。這樣由人工操作的方法在任務(wù)簡(jiǎn)單時(shí)會(huì)非常有效，但是當(dāng)任務(wù)復(fù)雜時(shí)會(huì)大大增加人工工作量。相較而言，深度學(xué)習(xí)避免了復(fù)雜的特征提取工作，能根據(jù)樣本自我學(xué)習(xí)，從而減少了人為設(shè)計(jì)特征和特征提取的工作量，具體對(duì)比如圖2所示。1.2系統(tǒng)工作原理在系統(tǒng)工作時(shí)，終端設(shè)備會(huì)按一定的時(shí)間間隔抓拍照片并上傳后臺(tái)。如果照片太大的話可能會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)的阻塞，影響傳輸效率。為了不占用過多的無線網(wǎng)絡(luò)資源，攝像頭模塊抓拍的照片是低分辨率照片，規(guī)格為640×480像素（30萬像素），30～40KB。后臺(tái)通過這些照片判斷停車位上是否有車，當(dāng)判斷到停車位上有車輛停放時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備抓拍高分辨的照片，再提取出車牌部分的截圖向后臺(tái)上傳。一般車牌部分的截圖約為10KB，不會(huì)超出無線網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。在識(shí)別出對(duì)應(yīng)車輛的車牌號(hào)后，對(duì)該車輛停車時(shí)間開始計(jì)時(shí)。當(dāng)后臺(tái)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到此位置車輛有所變動(dòng)時(shí)（與上一張?jiān)撐恢谜掌鲮o態(tài)對(duì)比，判斷所停車輛是否離開），結(jié)束之前的計(jì)時(shí)，統(tǒng)計(jì)停車總時(shí)長(zhǎng)，作為停車的收費(fèi)依據(jù)。在本文所述系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)功能架構(gòu)由4層設(shè)計(jì)組成，自下而上分別為設(shè)備感知層、數(shù)據(jù)傳輸層、分析處理層、服務(wù)應(yīng)用層，如圖3所示。設(shè)備感知層：利用智能終端上的攝像頭模塊進(jìn)行區(qū)域內(nèi)抓拍和照片的特征提取，獲取具有更高可用性的數(shù)據(jù)[7]。通過增加不同的傳感器，可以在不同的場(chǎng)景下采集和監(jiān)測(cè)微環(huán)境數(shù)據(jù)，如增加煙霧報(bào)警器，可針對(duì)電動(dòng)車易自燃等隱患進(jìn)行防范。數(shù)據(jù)傳輸層：各終端設(shè)備通過Mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接起來，再通過網(wǎng)關(guān)連接到外網(wǎng)（通過光纖網(wǎng)絡(luò)或4/5G網(wǎng)絡(luò)），將采集到的數(shù)據(jù)傳給下一層處理。分析處理層：這一層具有圖像處理和綜合平臺(tái)管理功能。各個(gè)不同區(qū)域內(nèi)基于統(tǒng)一接口和傳輸協(xié)議的終端數(shù)據(jù)，輸入并存儲(chǔ)在這一層的服務(wù)器中，集中進(jìn)行統(tǒng)一化管理和處理。車輛檢測(cè)和車牌識(shí)別都在這一層完成，并記錄數(shù)據(jù)。服務(wù)應(yīng)用層：這一層會(huì)對(duì)上一層搜集和處理過的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步深挖數(shù)據(jù)應(yīng)用，配合相應(yīng)的手機(jī)APP和客戶端軟件將最直觀的結(jié)果呈現(xiàn)到用戶手里。在這一層通過各種不同的應(yīng)用和設(shè)置，向不同角色的用戶提供差異化的功能和使用權(quán)限。管理員可在PC終端、手機(jī)APP等通過身份驗(yàn)證后進(jìn)行遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)查看和控制[8-9]。普通用戶也可以在手機(jī)端完成車輛實(shí)時(shí)圖片查看和歷史照片回看、手機(jī)端自動(dòng)扣費(fèi)、輔助找車等功能。本文系統(tǒng)可以做到停車場(chǎng)無人值守。之前每片停車區(qū)域都需要1～2名工作人員管理。而通過智能停車監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，只需2名工作人員，就可以同時(shí)覆蓋多個(gè)不相連接的停車區(qū)域。一人在屏幕前觀測(cè)監(jiān)視器上的現(xiàn)場(chǎng)圖片，另一人在外巡視作為輔助以及處理突發(fā)事件。對(duì)于區(qū)域內(nèi)垃圾亂放和違法占用消防應(yīng)急車道等突發(fā)狀況，巡視人員也可以做出及時(shí)響應(yīng)。系統(tǒng)在提高效率的同時(shí)也大大降低了停車場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)成本。1.3工作流程設(shè)備上電后，先進(jìn)入自檢流程，若自檢通過，則進(jìn)入下一步流程。終端設(shè)備先抓拍低分辨率的照片并上傳后臺(tái)。當(dāng)判斷無車輛停放后，后臺(tái)不下發(fā)任何指令，等待下一個(gè)周期的照片上傳。如后臺(tái)服務(wù)器判斷有車輛停放，則會(huì)通過網(wǎng)關(guān)向?qū)?yīng)的終端設(shè)備發(fā)送命令請(qǐng)求。終端設(shè)備臨時(shí)抓拍高分辨率的照片并提取出車牌部分的截圖向后臺(tái)上傳。通過后臺(tái)進(jìn)行車牌的精確識(shí)別并開始收費(fèi)計(jì)時(shí)。如果在車位識(shí)別時(shí)，發(fā)現(xiàn)該位置無車輛停放或車牌已變動(dòng)（對(duì)比前一個(gè)拍照周期的照片），則自動(dòng)結(jié)束該位置車輛的收費(fèi)計(jì)時(shí)，如有新停車輛則開始新的收費(fèi)計(jì)時(shí)[10]。以上就是一個(gè)完整的系統(tǒng)工作流程，如圖4所示。當(dāng)出現(xiàn)車輛停放不規(guī)則或是車牌有遮擋而無法識(shí)別時(shí)，后臺(tái)系統(tǒng)向監(jiān)控人員發(fā)出提醒，再通知現(xiàn)場(chǎng)巡視人員進(jìn)行號(hào)碼人工錄入。1.4系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)本文系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于：（1）通過無線網(wǎng)絡(luò)來節(jié)約停車場(chǎng)地的建設(shè)成本；（2）提高停車場(chǎng)的管理效率，并降低停車場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)成本；（3）用戶可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)端車輛圖片實(shí)時(shí)查看、停車手機(jī)端自動(dòng)扣費(fèi)、輔助找車等功能；（4）系統(tǒng)智能化程度高，便于園區(qū)或小區(qū)的綜合化管理和監(jiān)控；（5）無人工干預(yù)、開放式的停車管理。1.5未來展望本文系統(tǒng)圍繞Mesh網(wǎng)絡(luò)搭建，可以衍生出低功耗方案和密集監(jiān)控方案兩種不同的發(fā)展方向，以滿足不同的項(xiàng)目和需求。在人流相對(duì)稀少的區(qū)域，低功耗方案通過增加設(shè)備抓拍照片的間隔時(shí)間和降低照片上傳頻率，來減小設(shè)備能耗，使得設(shè)備靠太陽(yáng)能電池即可工作。密集監(jiān)控方案則應(yīng)用在車輛流動(dòng)頻繁的區(qū)域，如商場(chǎng)地下停車場(chǎng)等。這些地方對(duì)監(jiān)控要求高，信息查看頻繁。通過設(shè)備內(nèi)增加存儲(chǔ)卡，并縮短設(shè)備抓拍照片的間隔時(shí)間，來滿足實(shí)時(shí)的圖片查看需求。同時(shí)還可以采用