校园智慧交通导引系统的设计与实现

汪 胜 赵生慧 于春燕 祁 辉 戴秀芹

(滁州学院信息化建设与管理中心 安徽 滁州 239000)

0 引 言

随着各高校办学规模扩大、开放式办学进一步推进，各高校对外交流日益频繁，进出校园的外来车辆也逐步频繁。外来车辆对校园环境不熟，在校园内绕圈、问路等情景层出不穷，车流与人流的叠加更是增加了校园的交通压力，同时也影响了外来人员的入校体验。根据国家标准《智慧校园总体框架》，建设智慧停车是其中非常重要的组成部分，校园交通畅通无阻、车辆有序停靠是智慧型校园的重要体现。

智慧交通系统已得到积极研究。文献[1]设计了具有车流量统计、车位监督、停车场停车诱导与预定功能的智慧停车系统，该系统立足于搭建智慧城市停车管理平台。文献[2]基于ZigBee技术和GPS定位等技术，主要通过在各个停车场安装ZigBee节点，实现停车位的集中管理监控，远程查看停车场车位信息并可操控车位锁。文献[3]分析了停车服务市场需求，提出一种面向移动客户端的智慧型停车服务系统设计方案，该方案中用户通过APP访问后台服务器信息，获取相关停车场数据，从而协助寻找合适的停车位。文献[4]以云服务平台数据库为支撑，通过获取相应区域停车场车位信息，为用户智能匹配停车位，实现停车诱导等功能。文献[5]采用移动机器导向系统，通过配置控制器，获取位置信息并自动生成多个路径点形成导航路径，使得移动机器能够按照配置路径行驶。

上述研究注重停车场路径导航和停车位管理，研究内容偏向于城市重点区域道路或针对大型的商业停车场，较难应用于高校校园场景。从高校的实际情况出发，校园智慧停车系统的开发既能够改善校园交通环境，又可以提升外来车辆的入校体验。

1 系统概述

1.1 系统组成

本文以滁州学院会峰校园为应用场景，从在线预约、校内路径导引以及停车位实时影像查看三个方面入手，设计了校园智慧交通导引系统。系统主要由智能手机、若干个iBeacon节点、摄像头以及服务器四部分组成(如图1所示)。其中：智能手机用于安装开发的校园智慧交通导引系统APP，实现在线预约、路径展示和停车位视频推送等；iBeacon节点部署在实际场景中，用于车辆定位和信息发送；摄像头用于采集停车位实时影像；服务器端用于系统环境部署，具有数据的存储、处理、查询等功能。

图1 系统组成图

1.2 功能设计

校园智慧交通导引系统主要功能包括在线预约、路线规划和视频推送等，如图2所示。

图2 系统功能图

1) 在线预约：新用户完成注册登录和绑定车牌后，即可进行在线预约。预约时需选择预约的时间、地点。在线预约模块还提供预约信息的查询与更改、预约历史记录查看以及停车资讯等功能。

2) 路线规划：预约用户入校后，应用程序接收到iBeacon节点发出的信号后，根据当前位置信息和预约的地址进行最优路线规划，规划完成后通过时间轴动态路线和语言播报的形式引导车主到达离预约地址最近的停车场，并对周边建筑和风景进行介绍。

3) 视频推送：向预约用户推送预约地点附近停车场的实时影像，以便用户判断停车场的情况，并可查看附件停车信息。

2 关键技术

2.1 最短路径规划

校园智慧停车系统要突破的关键问题之一是车辆到达目的地的最短路径规划。关于最短路径规划的几种经典算法有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邻点的最短路径，其缺点是不能有负权边的值，但在实际路径问题中不存在负值，同时Dijkstra算法适用于稠密图[6]。而Floyd算法、Bell-man-Ford算法和SPFA算法均可解决负权问题。Floyd算法适用于稠密图，和顶点关系较为密切。Bell-man-Ford算法和SPFA算法均适用于稀疏图，与边的关系较为密切。上述算法的区别详见表1。

表1 最短路径规划算法比较

结合实际场景，系统基于Dijkstra算法为用户提供到达目的位置的最短路线。Dijkstra算法与深度优先搜索类似，采用贪心策略，从一个顶点出发，每次查询所关联到的顶点的最短路径。算法中集合P记录已知顶与其他各顶点之间最短路径，集合Q记录未知顶点与其他各顶点之间的距离，dxy表示顶点x与顶点y之间的距离。

Dijkstra算法的具体步骤如下：

1) 初始化：集合P初始元素为起点p；集合Q初始元素为除起点之外的其他顶点，且各顶点距离标识为“起点p到该顶点的距离”，未直接相连的顶点距离标记为正无穷大。即P={p}，Q={其他顶点}，dpp=0，dpx=+∞。

2) 计算集合Q中其他所有点到起点p的距离，并筛选出距离最小顶点k，并将顶点k加入到集合P中，同时从集合Q中删除顶点k。即：

dpk=min[dpk]

(1)

3) 更新集合Q中起点p到所有其他各顶点的距离。由于上一步已确定k是最短路径中的顶点，但存在可能上一顶点经过顶点k到达下一顶点v的路径长度比直接到达下一顶点v的路径长度大的情况，因此需要进行最短距离的二次比较，以距离最小化为判定标准。即：

dpv=min[dpv+dkv]

(2)

4) 重复步骤2)和步骤3)，直到遍历完所有顶点，那么最终集合P包含所有顶点，Q集合为空。集合P中的距离即为源点p到各顶点的最短距离[7-8]。

2.2 iBeacon定位

车辆进入校园后，用户通过iBeacon节点获取当前位置和楼宇信息。iBeacon是一项低功耗蓝牙技术(Bluetooth Low Energy，BLE)，由iBeacon节点发射信号并创建一个信号区域，能够以较低成本快速发现和定位特定范围内的智能移动蓝牙设备，如手机、平板电脑等，定位精度约3 m[9]。当用户设备处于信号覆盖范围时，蓝牙通信畅通，用户可以通过定制开发的应用程序获取iBeacon的信息，如图3所示。

图3 iBeacon节点信号

iBeacon作为一种连接线下场景的近场传感器，每个iBeacon拥有唯一ID，能够避免发生错误标记情况。iBeacon体积小，部署灵活，便于布置在路灯杆、墙体拐角等地点。按iBeacon节点特性，并结合现场道路情况，iBeacon节点部署遵循如下原则：

(1) iBeacon间距控制在20～30 m左右，部署均匀；

(2) iBeacon部署距离地面高度约2.5 m左右，部署周围无明显遮挡，无其他信号源干扰；

(3) 重点部署道路分叉口，提升用户体验；

(4) 对于楼宇位置集中、无岔路口的合理控制部署，防止交错干扰；

(5) 直线道路超过100 m，在到达分叉路口前50 m部署，防止用户分错路口。

3 仿真实验

实验用例为用户预约地点是滁州学院会峰校区信息楼，用户由滁州学院会峰校区后大门(会峰西路1号)进入，并开启智能手机蓝牙功能，校内导引的起点为后大门。

3.1 建立网络节点模型

基于该实验校园环境，建立网络节点模型，将校园内主要建筑物转换为节点网络，节点、边和权重定义如下：

节点：校园内主要建筑物和景点；边：将各建筑物连接起来；权重：从一个节点移动到另外一个节点的距离，单位为米。所建模型如图4所示。

图4 校园网络节点模型

3.2 iBeacon节点部署

根据iBeacon节点部署原则，实验中iBeacon节点部署分布图，如图5所示。在学校的西南角，总计部署7个iBeacon节点，五角星标识为iBeacon节点具体的部署位置。

图5 iBeacon现场部署图

完成iBeacon节点部署后，将iBeacon节点ID与地标信息进行绑定，当智能手机进入相应iBeacon节点信号覆盖范围内时，iBeacon信号能够将智能手机中校园智慧交通导引系统APP唤醒，系统程序查看服务器中缓存的推送内容，主动推送事先设定的引导信息，实现与用户的互动[10]。

3.3 功能实现

前端采用HTML5、PHP、JqueryUI、Android为开发语言实现跨平台开发，后端采用MySQL数据库，实现具有用户登录注册、绑定车牌、在线预约、路线规划、视频推送、历史预约记录查询等功能的应用程序。

1) 在线预约。

在线预约功能为用户提供进校前的预约服务，新用户在完成注册和车牌绑定后，即可在线预约。预约成功后车牌信息自动同步至校门禁系统，到校后可门禁自动抬杠，无须停车登记；同时在移动端首页展示预约的基本信息，并提供各停车场车位数据信息，如图6所示。

图6 首页界面

2) 路径规划。

定义源节点为信息楼p，节点生物楼标记为1，地信楼标记为2，行政楼标记为3，后大门标记为4，dpx为源点p到顶点x的最短距离，具体过程如表2所示。

表2 最短路径测试用例

第1步：从源点p开始，找到相邻节点1、2，更新集合P，因p不与3、4相邻，故dp3=+∞，dp4=+∞。在集合P中找到距离最小值，其顶点为1，即源点p到顶点1的距离最近。

第2步：从顶点1开始，找到相邻节点为2，但存在上一步已确定顶点p经过顶点1到顶点2的距离比顶点p直接到达顶点2的距离大，因此更新集合P={2}。

第3步：从顶点2开始，找到相邻节点为3，更新集合P={2,3}。

第4步：从顶点3开始，找到相邻节点为4，更新集合P={2,3,4}。

由此所有顶点已经找到，即最短路径规划完成，从信息楼至后大门的最短路径为“信息楼→地信楼→行政楼→后大门”。

车辆导引界面分为两个部分：上半部分主要是展示当前校园地图，应用程序与高德地图提供的API服务对接，提供用户当前所在具体位置；下半部分以Canvas画板画出View，以时间轴的方式呈现导引路线，整条路线中涵盖导引的起点，终点以及途中所要经过的楼宇，如图7所示。

图7 导航界面

随着用户的移动，用户能够接收到不同iBeacon节点所推送的信息。结合iBeacon节点ID中标识的地址，更新View界面，小车所在的点代表目前所处的位置，线条上的数字表示离下一个点的物理距离。

3) 视频推送。

实时景象推送功能为用户提供停车场实时景象，利用萤石网络摄像头拍摄停车场实时信息，系统中集成了萤石网络摄像头的SDK，拥有独立的直播URL，URL基于EZOPEN协议，该协议主要是针对UIKit使用视频资源协议。设备具有感光功能，可以自动根据光度进行调节，可通过手机进行定时设置、远程操作、语音通话、云储存、自动报警，并能够360度旋转，便于监控到每个角落。

用户登录应用程序后通过预约地址链接到对应摄像头的URL，借助萤石云的SDK接收传输的视频流，使用EZUIPlayer对象设置视频播放相关参数将视频展现给用户，并提示用户选择是否到预约的停车场。若从视频展示的画面所预约停车场暂无停车位，用户可选择更换至附近停车场，如图8所示。

图8 停车场视频画面

4) 其他功能。

图9 停车界面

系统同时具有注销账号、绑定车牌、停车记录、停车资讯、测试节点以及开启定位等6个子功能，如图9所示。

停车记录功能用于查看历史预约记录，停车资讯包括校园内各建筑物停车场的基本信息、维护信息、开发信息等；测试节点用于定位异常时，测试与定位节点通信是否正常；开启定位用于启动手机自带的蓝牙功能，开启蓝牙并接受iBeacon节点信号。

4 结 语

本文以滁州学院会峰校区为应用场景，设计并实现了校园智慧交通导引系统。该系统能够减轻校园交通压力，缓解外来车辆入校后带来的安全隐患，提升车主入校后的用户体验，为智慧校园的建设探寻一条新的校园导引机制。