智慧停车系统中典型终端可靠性与测试装备研究

许毅，王婷婷，王家星

（1.上海市质量监督检验技术研究院，电子电器与家用电器质量检验所，上海 201114；2.上海恒测检测技术有限公司，上海 201114）

引言

智慧停车系统是采用了地磁/视频桩/超声波等车位状态监测和传感器件，以及RFID技术等多种前端采集模块的集成（终端采集部分），以此为基础和信息来源，通过大数据挖掘分析和用户端查询与计算软件，为停车引导、出行规划和预约、决策分析等功能和用途提供数据资源，可与停车场管理、交通管理等部门实施无缝数据对接，对停车秩序有效规范，为政府机构对城市规划提供数据支撑，形成一整套信息化、智能化、多技术的停车引导服务综合管理平台。智慧停车系统平台可结合道路交通管理，协同政府、企业、行车用户三方资源共享，形成动静态结合的交通管理“一盘棋”，构建以城市智慧交通为核心的交通大体系。

近年来，作为国家战略层面的重要事项，倡导并打造城市级运行大脑，未来智慧城市是超级计算的云端平台，其中智慧停车系统终端装备及其运维管理无疑会成为智慧交通数据运营体系平台中一个基础设施和重要环节[1-3]。

基于新型的低成本、高精确度的前端器件和大数据分析技术，通过打造多个城市级停车信息中心的数据支撑，为客户提供精确、实时、全面的停车数据信息和交互式数据服务，开启城市级智慧停车平台和典型应用示范基地的建设。

在已有的诸多国家政策的大力推动和鼓励下，为高新技术企业与质检机构、试验室和研究所等机构协作提供了一个重要契机，在技术评测的督导和监管下，开发高性能的新型智能停车装备、完善整体解决方案的架构、改进各组成子系统的设计和功能，在完成政府市场监管职能的同时提供测试技术支持和数据支撑，促进企业高标准地完成系统集成和工程实施，扩大业务和实现市场积累，完成行业布局和推广，为最终建立城市级的大型智慧停车管理示范平台奠定基础。

1 构建城市级智慧停车系统的难点和研究重点

目前国内停车引导服务系统的种类繁多，少数大型现代化城市仅是实现了某个停车场单机版的管理，尚未能实现互联网大数据时代的技术应用，未能在大范围获得普适性、城市级的应用。分析原因，首先是缺少城市级数据中心的支持，导致用户端信息化程度不够，出现了严重的“信息孤岛”情况，部分用户是找不到车位，而与此同时由于信息获取滞后造成部分车位空闲。涉及停车信息相关的数据来源需覆盖地域范围大且数据收集量广，或可实现实时的数据共享。现有停车引导系统的数据来源大部分是应用企业采用不同终端采集方式自行收集，企业自有数据库之间利益相对独立从而无法实现共享。进一步，对于系统传感和数据采集终端而言，由于采集方法和技术的不同以及兼容上的限制，这些采集到的数据和信息也存在着基准地图受限、信息存在片面性、正确率和及时性欠缺等问题，例如：反映车位占用状态的数据准确性和实时性差、信息不全面，比如，只包含部分停车场，路边停车位信息量极少；只有小范围地域的车位信息，无法获取整个城域或大片区的车位情况。由于数据的不精确、不全面和不及时，造成了无法对车位可得概率进行准确预测（可得概率是指，当驾车者实际行驶到某个停车位时该车位空闲的概率）。

精确、实时、全面的停车信息数据中心是服务于停车引导系统的汇聚点。而从逆向思维考虑，智慧停车管理平台的信息获取是经由智能终端传感和识别设备对车辆和车位状态信息的采集，为能支持一个优质的智慧停车数据中心运行，需铺设能涵盖城市级大容量的停车数据采集网络，同时也对相匹配的储能和供电子系统、网络传输系统提出了较高的性能要求。

1）终端采集器件和装置，基于物联技术用以作为整个系统的神经末梢和数据的来源，要支持大规模精确采集，应满足几个性能和安装要求：

①高精确度和可靠性的要求：信息的监测和采集应不受天气、温湿度等外界气候环境以及其它非车辆等外物的干扰和影响，同时应能识别车辆各种情况下的不规范停泊，确保精确统计可用停车位的数量。只有精确的数据在应用场景中才能得到业主方和用户对停车引导系统的认可和信任，从而得到使用流量。

②低功耗且电源可适性的要求：由于传感器终端器件与中控、通信装置多采用无线方式，维持长时间工作需具备低功耗性能，监测和采集装置要能安装在室内外任意停车位，应不受电源供电方式、停车场类型和车位状况等的限制。

③低铺设成本的要求：终端采集网络的铺设成本，包括：初期网络硬件设备和建设的成本，以及后期运营和维护的费用。只有低造价的方案才有可能得到广泛的采用和安装，尤其对现存的大量非智能化停车场和开放式散乱的路边停车位，不需进行复杂的改建即可实施和适用。

目前典型停车数据采集系统可分为两类：一类为传统的以收付费为主要功能的停车管理系统，比如封闭停车场的闸机系统和开放式路边停车咪表收费系统，另一类为新一代可自动监测车位状态的停车采集系统，如摄像头、地磁、红外感应、超声波车位监测传感器网络等，多为非接触式器件和装置。对于第一类的改造，由于停车场业主和经营方一般是分离的，实施闸机和咪表改造的成本偏高；闸机和咪表作为停车收费系统中的主要设备成本，获得经营方的改造许可较困难；再者，由于各个闸机生产厂家技术不同，大规模改造所需不同模块的研制成本太高。对于第二类铺设新的采集网络的方式从而进一步实现自动化、智能化系统，技术上研发具备以上三点特性的新型终端采集装备是可行的，也势在必行。

2）能量采集与存储子系统：

宜在用户侧建设分布式储能系统，用以支持微电网和离网地区的供电配置，同时应满足高安全性（如电池防火防爆等）要求，同时也要满足稳定不间断供电、长使用寿命和高可靠性等性能方面的要求。

3）网络传输系统：

兼容各企业阵营的数据网所采用的无线传输网络协议和软硬件接口等应能互联互通。

智能停车系统中关于能源采集与储能子系统的关键技术和设备，以及通信网部分的性能要求和评价等内容，更为详细的解析和研究可参见文献[4]。

2 智慧停车系统典型终端的可靠性与应用分析

据统计，《2016年中国静态交通白皮书》[5]和《2019年中国停车行业发展白皮书》[6]分别针对全国道路车辆智能化技术管理泊位数量占比，给出当前全国范围内使用互联网信息化技术的多种智慧停车典型终端采集技术的应用占比统计情况，详见表1。

表1 2017年和2019年智慧停车典型终端采集技术的应用占比统计

其中有代表性的几种车位终端采集技术作为较高市场占比的典型应用，系统工程中使用较多、市场铺设率高的终端是非接触式监测和采集器，分别对几种终端在系统应用中的性能优缺点、安装成本和大规模铺设适用性等情况进行分析。

1）地感线圈、地磁、红外、超声波感应探测式车位监测器

①工作原理

地感线圈和地磁两种车位监测传感器的工作原理基本一致，是通过感知铁质汽车对停车位场地上一定范围内的电磁场扰动判断车位是否有车辆进出和停放；红外、超声波车位探测器则属于根据所发射的红外光线或超声波被车辆车身（或其它物体）遮挡情况来直接判断车位占用状态的器件。

②终端器件/装置在智慧停车系统中的性能优劣势和铺设适用性

地磁监测器可记录车辆停泊时间，通过修正可模拟不同尺寸地感线圈的输出信号，采用无线传输方式的地磁监测器具备地感线圈无法比拟的诸多优势，已基本取代单地感线圈在交通管理中应用。作为近三年来我国应用最为广泛的终端技术，地磁在天津、浙江杭州和广东深圳等多个地区铺设较为普遍。

地磁监测终端的优势在于：在排除了周围环境干扰的情况下，地磁作为单器件的监测精度相对较好，正常工作状态时地磁终端的单车位监测综合准确率可达到95 %以上；通信频率使用 433 M或2.4 G频段，信息传输具有高穿透性和稳定性；单器件的运行功耗低，无车辆进出时一般会设置长周期的休眠时间，可使用干电池或储能电池供电，在器件的使用寿命期内可连续工作高达5年以上；地磁终端尺寸小巧，安装方便，无线供电和信息传输方式不需要电源线和数据线，四个角端在路面打孔使用膨胀螺丝即可将终端器埋入和固定。

地磁监测终端的劣势在于：虽然地磁感应部分的器件本身抗气候环境影响的能力较好，对气候变化的依赖性相对较弱，正常停泊情况下可在较为恶劣的天气中工作，但整套地磁终端的供电方式存在薄弱点，地磁多采用的是电池蓄电，这种供电方式可靠性差，对于我国北方城市寒冷天气，供电部分便难以支撑工作；虽然表贴式地磁对道路的破坏性较小，但是仍旧会对路面造成一定程度的损坏，而对于耐受性差、要求安装在地下的嵌入式地磁装置，需要破坏路面达到能埋入设备的尺寸方可安装；另外，鉴于地磁的地面固定属性，在大型货运车和大型客车经过的路边停车场地，以及存在恶意碾压的情况下，由于车辆压力过大会对地磁安装位置附近路面造成巨大压力导致埋设地点和方向的改变、甚至破坏设备。

超声波车位探测传感器采用超声波测距的工作模式，利用了超声波发射、被测物体反射、回波接收后的时差计算可进行车辆测距，可通过灵活设定预设距离在车距过小时实现报警功能，器件连接有线RS-485接口向中控节点发送车辆到位信息，有线的连接方式简单且传输安全可靠，探测器功耗非常低，稳定性相对较好且铺设时不需要破坏建筑和路面，可适用于改造受限情况下的二次开发。

四种终端监测器的性能可靠性受环境干扰影响的程度相似，均对外界环境和干扰物的依赖程度偏高。红外探测器最容易受外在气候环境变化或干扰而造成误报；超声波相对红外器件受到气候环境的干扰较小，但却受到感应范围和造价等方面的限制，近年来采用这两种技术的停车场铺设率相对较低。

另外，考虑到四种终端的工作模式均属于非接触式监测和感应，对于联排的多个停车位，若出现压线占位、斜停等占用多个车位的不规范停泊情况，难以实现多车位状态的联动识别，结果可能是仅识别一个车位的状态信息，对于邻近的车位占用状态则无法识别或误识别。

2）视频桩（摄像头）图像识别式车位监测器

①工作原理

智能停车的视频桩终端是通过前端摄像头及其配套模式算法，在设置的虚拟车位扫描和识别区内，以图像形式采集停靠车辆信息并对图片中车牌进行模式识别后，将车位占用状态和停靠车辆的车牌信息传入后台，再经由中控和管理端数据分析，从而实现车位上车辆及车牌的自动识别与统计。

②器件/装置的性能优劣势

视频桩车位监测终端的优势在于：相较于四种感应探测式车位监测器而言，视频桩作为图像识别式监测模式，通过车牌识别判断车位停靠情况，对车辆信息的获取是该机制最大的应用优势。使用在智慧停车系统中，结合配套软件等管理模块，可实现几大方面的功能，包括：基础数据查询与运维、数据实时交互、停车位信息发布与引导、可用车位搜索与预定、车辆位置快速获取与定位导航、线上缴费、管理与财务数据报表生成及统计等。目前市面上已出现采用更先进的深度学习算法、视频流分析技术以及AI识别技术，通过与云端结合实现无人无感停车收费的视频桩终端产品，可与城管、交管部门等智慧政务平台进行互通互联，构建城市级大数据网，成为新型智慧城市建设的重要组成部分。

视频桩车位监测终端的缺点在于：室外安装时，更多依赖于器件的环境耐受性，同时性能上数据采集的可靠性容易受到外界天气影响，比如下雨、大雾等天气，且遭遇摄像头遮盖物则无法完成功能；视频桩的功耗较高，需要市电电源供电，场地和供电适应性较差；由于需要传输图像并在后台完成对图像的识别和分析，采集图片信息量相对于车位占用或非占用（0或1）的感应式车位监测而言字节数成倍，一般采用宽带的有线通信，对通信传输系统和服务器的要求偏高；构建成本方面，除视频桩设备本身费用高之外，相应的配套系统建设成本、流量费用和后期系统维护成本都较高。

此外，对于使用图像监测技术的视频桩识别车牌作为车位占用状态判定的方法，实际使用在应用场景中进行测试时发现，视频桩在车位区的安装位置、摄像头在桩中的安装高度和角度均会对采集识别率和结果的正确性产生影响，需要反复调试，而排除这些硬件因素后，发生大概率误判情况的原因居然是图像扫描/识别区域的虚拟图形设置与车辆驾驶者停车习惯有关，当车辆停泊的位置超出识别区域的虚拟图形框，即使图片清晰且可以准确识别出车牌号，视频桩仍会发生车位状态误判的情况。

目前只有大型城市少量高端停车场铺设了视频桩，也多限于单个停车场的单机版小区域范围内实现统一管理。

3 作为标准品的新型停车终端检测技术难点与关键功能实现

3.1 技术难点

开发研制低成本、低功耗、高精度的车位监测终端，为了克服现有技术和终端设备在车位监测性能上的不足，需要攻克三个方面的技术难点：

1）天气、季节、温度等外部环境和干扰物对监测结果的影响

现有车位监测技术如红外、地磁、超声波、图像等技术均为非接触式监测技术，容易受到外部干扰物的影响。比如地磁传感器，当有磁性物品在传感器周围时都会引起地磁扰动，当扰动大于某个量级时，地磁传感器就判定为车位被占用，引起误判。而停车场往往处在人类活动密集的地区，所以这样的干扰物的存在是不可避免的，因此如何低成本的排除这些干扰物的影响来提高采集数据的精度是本项目需要攻克的技术之一。

另外，天气、季节和温度等自然环境的变化也会对监测精度产生比较大的影响。比如下雨、下雪或者大雾天，对图像监测技术的精度受影响较大，雨雪和秋季落叶会对红外和超声波监测精度造成较多影响，地磁传感器的监测结果则对温度的变化较为敏感。因此如何低成本的克服这些自然环境的变化对检测精度的影响也是亟待解决的技术难点之一。

2）对多种车辆不规范停泊情况的准确判断

占用两个车位、斜停等不规范停车是人为管理较少、车辆身份较复杂的停车场内停车过程中经常遭遇的情况。现有技术对这样的情况没有很好的解决办法。以铺设率第一的地磁传感器为例来说明，如图1所示，当车辆在垂直或者水平停车位上占用两个车位时，由于车辆距离每个传感器覆盖范围内的地磁扰动都比较小，传感器判断不出车辆已经占用的车位，造成误判。因此，如何低成本的实现对不规范停车精确检测也是本项目需要解决技术难点之一。

图1 现有终端产品产生误判示意图（地磁示例）

3）节能与低功耗工作

现有非接触式监测技术，只有当传感器一天24 h连续不断监测车位才能获得实时的车位状态改变信息，而这会造成传感器节点有限的能量大部分被传感部件消耗了，从而导致传感器节点的使用寿命变短，频繁更换则维护成本增加，因此实际使用时一般都设置较长的固定休眠周期，在无车辆触发时器件处于休眠状态，这可能会导致器件对车辆进出无法做到立即响应，低能耗的代价是牺牲了系统的及时响应和数据的实时性。而对于较大采集流量的视频桩而言，就无法使用无线传输和电池供电方式，更谈不上低功耗。如何进行平衡，实现终端的节能和低功耗工作也是目前需要攻克的技术难点。

3.2 关键功能实现原理与设计

为了实现检测的低成本、低功耗和高精度三个目标，设计采用动静结合的多车位联动监测技术，采集信息具备高数据可靠性和实时性响应的特点，可作为标准品的新型车位信息终端（数据采集器）测试设备。

采用新型压力传感器配置条/带铺设在被测停车位上作为动态状态采集器，表贴式条带具有低能耗、能源自供给且可无损安装的特点，可实时地感知和采集车辆在车位范围内进出时间和停放角度等动态信息，同时，条带中央位置嵌入地磁传感器，可监测单车位的静态状态，并通过联合多个连续车位的动、静监测结果来判定车位的占用情况。该技术中的两种传感器能互相弥补对方的不足，减少干扰误判概率；联合监测可以准确判定不规范停车，从而整体提高了采集数据的精度。通过多个车位共用一根传感器条/带降低了网络的建设，维护和使用成本。碾压传感器作为无源器件，地磁传感器只有监测到车辆移动时才需要工作，大大减少了终端设备的能量消耗。

新型终端的基本工作原理如图2所示。当车辆驶入或驶出停车位时，汽车的两个轮胎将碾压铺设在地面上的两条传感带，形成四组时间先后的有序信号。当车辆碾压传感带A产生的两组信号早于传感带B时，判断车辆为驶入；反之，则判定为车辆驶出。同时，通过四组信号的位置还可以监测出车辆所停位置，并通过对应车位上和相邻的地磁传感器来检测车辆的静态状态，当车辆驶入、车位被占用时，磁场扰动变大，当车辆驶出、车位空闲时，磁场扰动变小。通过两种状态的综合监测，极大的减小干扰产生的误判概率，提高了车位状态信息的准确度和终端采集系统的性能。

图2 新型车辆碾压传感条/带的信号发生与示例

新型传感带能同时通过多个传感器的监测结果来联合判定车位占用状态，对不规范停车（比如占用两个车位）能做到正确判断。如图3所示，通过A、B、C、D四个碾压传感器的信号，终端监测系统能够给出车辆的驶入或者驶出情况及最终车辆停泊的位置。当车辆停稳后，可以通过三个相邻的地磁传感器1、2和3感应到的地磁扰动的大小来判断车位的占用情况。比如图3（c）中的水平车位，当地磁传感器1和2 感应到的地磁扰动大于阈值，即使3感应到的扰动比较小，也能判定停车位1、2 已被占用。

图3 新型车位终端检测系统对不规范停车情况判断的示意图

4 用于验证终端停车监测准确率的路面统计试验方案

对于不同类型智能终端车位采集器在特定应用场景下的实地测试方案，重点考核其中不规范停车造成终端对车位占用信息误判的情况，这里仅列出垂直停车位和路边停车位两种停车场地作为示例，详见表2，更多现场试验设置方案可按照测试时段进行统计，或根据实际场地情况修改和制定。

表2 不同类型智能终端车位采集器在特定场景下监测准确度的试验方案(示例)

5 结语

智慧停车平台是多学科和行业交叉覆盖且与政府管理部门相关联的系统化运作，作为研究的先期课题，针对智慧停车系统中最关键、也是信息起始源头的终端部分，与智能停车解决方案提供者、信息化装备核心技术研发企业协作，以可靠性和性能评测服务指导企业的产品研发和系统工程集成，采用动静结合的多车位联动监测技术，研发具有低差错率、高数据可靠性和环境耐受性的新型车位信息终端（数据采集器），以其技术上优势以及安装便捷、场地适用性高、低造价等的优势，将成为事实标准品并可用作终端性能评测的测试设备，对目前已有的不同类型停车数据识别和采集技术类别产品，特别是几种代表性的非接触式终端，如地磁、摄像头视频识别技术（视频桩）等进行器件级的性能评测，进一步结合不同应用场景，制订特定场景下的试验方案并实施实地现场试验和数据统计。这些工作旨在助力智能系统的技术发展和打破各方割据的局面，建立互联互通的城市级智慧停车平台，真正实现城市内乃至全国范围内车位资源的统一管理、合理调配与有效再利用，为城市级乃至国家级战略信息资源的开发和利用起到推动作用。