（信号与信息处理专业论文）停车诱导在智能移动终端上的设计与实现.pdf

南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。 论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：_ 日期：_ 研究生签名：_ 导师签名：_ 日期：_ 南京邮电大学南京邮电大学 硕士学位论文摘要硕士学位论文摘要 学科、专业：工学工学 信号与信息处理信号与信息处理 研 究 方 向：图像处理与多媒体通图像处理与多媒体通信信 作 者：2009 级硕士研究生 吴翔吴翔 指 导 教 师：刘峰刘峰 教授教授/博导博导 题 目：停车诱导在智能移动终端上的设计与实现停车诱导在智能移动终端上的设计与实现 英 文 题 目：the design and implementation of pgis on intelligent mobile terminal 关键词： 智能终端；停车诱导信息系统；android 操作系统；时间序列 预测；模糊聚类分析 key words： intelligent terminal； pgis； android os； time series prediction； fuzzy cluster analysis 南京邮电大学硕士学位论文 摘要 i 摘摘 要要 近年来，随着城镇化进程的加速，城市机动车使用需求和交通承载能力之间的矛盾日 益凸显，智能化、信息化、系统化的交通已经成为人们迫切的需要。同时，针对这一需要 应运而生的智能交通系统(its)也在随着技术和经济的发展而不断向前发展。停车诱导信息 系统(pgis)作为 its 的一个重要组成部分，其形式和内涵也有了新的发展空间。 鉴于此，本文从实际应用需求出发，顺应当前各种移动应用迅速扩展的趋势，提出了 一种应用于智能移动终端的停车诱导系统。主要工作分为以下几个方面： 1、结合停车诱导系统的应用需求，介绍了当前智能移动终端平台上的几种主要技术， 提出了基于 android 系统的软件设计方案， 描述了 android 开发环境的搭建过程和移动 gis 开发包的载入和使用方法。 2、根据不同应用场景下信息需求的特点，将停车诱导功能分为出行前和行驶中两个 部分。阐述了系统的整体结构与构建方式，描述了系统中各部分信息数据的流向，并对支 撑系统运行的网络与数据库进行了结构与安全上的设计。在分析比较了传统停车诱导特点 的基础上，分别实现了在电子地图中提供分步的参考行驶路径信息、基于当前车辆所在位 置或者出行目的地位置附近的停车诱导信息功能，并在模拟器上进行测试，验证使用效果 良好。 3、分析停车场泊位信息变化的特点并据此提出假设，将影响泊位变化的因素分为主 要的固有因素和次要的随机因素。然后结合小波分析理论和马尔科夫链模型对停车场泊位 变化的规律进行研究，提出对停车场泊位进行短时预测的方法，实例测试结果显示较为准 确。 4、分析影响用户对停车场选择的多种条件因素，以相互独立的五个主要影响因素作 为参考，根据模糊聚类的有关理论提出停车场选择模型，对耗费型和有益型的因素进行综 合考虑和评估，给出满足不同驾车者需求偏好的最优选择。通过对一个假设用例进行建模 计算，对比直观选择结果，验证该模型的有效性。 5、总结了全文的工作，分析其中的不足和可以改善的地方，探讨并提出可能的改进 方向和建议。 关键词：智能终端；停车诱导信息系统；android 操作系统；时间序列预测；模糊聚类分 析 南京邮电大学硕士学位论文 abstract i abstract with the boost of urbanization recent years, the insufficiency of traffic carrying capacity has become more obvious compared to the demand, and people is badly in need of transportation with intellectualization, informatization and systematization. as a successful solution to that, intelligent transportation system always evolves in the wake of higher tech and one primary part of it, the parking guidance and information system varies accordingly. in consideration of that, the paper presented the design and implementation of parking guidance based on intelligent mobile terminals. the main work is divided into the following several aspects: firstly, introduced several technologies used in current intelligent terminals according to the application requirement for pgis, presented the software design based on android os, described the configuration of the android development environment and the usage of mobile gis toolkit. secondly, divided the application scenarios of parking guidance into before and during driving. demonstrated the construction of the whole system and the data flow within it, designed the architecture of the network and database which supported the system, and the measures to ensure the security of it. implemented sub-step route information, location and destination based search for adjacent parking lots, verified the good effect on virtual machine. thirdly, sort the influencing factor of parking space variation into fixed and random type in analysis of actual data. a method of short term parking space prediction was presented based on wavelet analysis and markov chains model. fourthly, analyzed the criteria that affecting the choice of different parking lots made by drivers and take five major ones as reference. presented parking lots choice model to assess the benefits and costs synthetically on the basis of fuzzy cluster theory, provide the best choice in accordance with drivers preference. finally, a summation of the whole paper was made in the final chapter to find out the points which were expressed inaccurately or inadequately. then, a proposal was posed with the purpose of modification and complement. key words: intelligent terminal; pgis; android os; time series prediction; fuzzy cluster analysis 南京邮电大学硕士学位论文 目录 i 目目 录录 摘摘 要要 . i abstract . i 目目 录录 . i 第一章第一章 绪论绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 国内外发展现状 . 1 1.3 课题的研究目的和意义 . 3 1.4 论文的主要研究内容 . 4 第二章第二章 停车诱导的基本原理及国外现有系统停车诱导的基本原理及国外现有系统. 6 2.1 工作原理 . 6 2.2 德国停车诱导系统 . 7 2.3 日本停车诱导系统 . 7 2.4 美国的停车诱导系统 . 8 2.5 各国停车诱导系统的比较 . 9 第三章第三章 基于智能移动终端的停车诱导关键技术基于智能移动终端的停车诱导关键技术. 10 3.1 定位技术 . 10 3.1.1 gps 技术 . 10 3.1.2 移动定位 . 12 3.2 无线网络技术 . 12 3.2.1 移动 ipv6 . 12 3.2.2 3g 移动网络 . 14 3.3 智能终端技术 . 15 3.3.1 android 系统库 . 15 3.3.2 gis 平台 . 16 3.3.3 触屏控制技术 . 17 3.4 车辆检测技术 . 18 3.5 基于智能移动终端的工具软件 . 19 3.5.1 android 开发环境搭建 . 20 3.5.2 gis 电子地图开发包载入 . 20 3.6 本章小结 . 23 第四章第四章 停车诱导系统整体结构设计停车诱导系统整体结构设计. 24 4.1 系统功能设计 . 24 4.2 系统结构分析 . 25 南京邮电大学硕士学位论文 目录 ii 4.2.1 系统结构 . 25 4.2.2 系统构建方式 . 26 4.2.3 系统数据流程 . 27 4.3 系统设计 . 28 4.3.1 系统网络结构 . 28 4.3.2 系统数据库设计 . 28 4.3.3 系统安全维护 . 30 第五章第五章 出行前车辆停放信息模块出行前车辆停放信息模块 . 31 5.1 出行前模块框架 . 31 5.2 出行前模块功能设计 . 32 5.2.1 传统信息发布方式 . 32 5.2.2 基于智能终端的信息发布 . 33 5.2.3 参考行车路线 . 34 5.3 泊位预测 . 39 5.3.1 路阻函数 . 39 5.3.2 时间序列预测 . 40 5.3.3 短时泊位预测 . 41 5.4 出行前功能测试与分析 . 46 5.4.1 泊位预测实验 . 46 5.4.2 结果分析 . 48 5.5 本章小结 . 49 第六章第六章 行驶中车辆停放引导模块行驶中车辆停放引导模块 . 50 6.1 行驶中模块框架 . 50 6.2 行驶中模块功能设计 . 50 6.2.1 手持移动 vms . 51 6.2.2 实时路况查询 . 52 6.2.3 lbs 停车引导 . 54 6.3 最优停车选择模型 . 56 6.3.1 选择影响因素 . 57 6.3.2 基本概念与模型建立 . 57 6.3.3 模糊判断过程 . 58 6.4 行驶中功能测试与分析 . 59 6.4.1 假设用例计算 . 60 6.4.2 实验结果分析 . 61 6.5 本章小结 . 62 南京邮电大学硕士学位论文 目录 iii 第七章第七章 总结与展望总结与展望 . 63 7.1 总结. 63 7.2 展望. 63 参考文献参考文献 . 65 致致 谢谢 . 68 攻读硕士学位期间取得的研究成果攻读硕士学位期间取得的研究成果. 69 攻读硕士学位期间参加的科研项目攻读硕士学位期间参加的科研项目. 70 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题背景课题背景 我国正处在经济持续高速发展的过程中，城镇化进程十分迅猛，改革开放前，城市化 水平不足 19%，而到 2011 年已超过 50%。截止 2008 年，全国有 5800 万辆汽车，而 2011 年已有 8500 万辆汽车，并且这个数字还在以每天 38000 辆的速度增长，平均每 2.3 秒就有 人购买一辆新车1。与之形成鲜明对比的是，中国道路交通设施建设及管理水平一直缺乏 能与之相称的提升，距离发达国家的普遍水平还很远，特别是绝大多数城市的路网建设结 构不合理，普遍存在道路功能不完善，道路系统不健全的弊病。此外，机动车尾气污染已 经接替无烟煤污染成为加剧城市大气质量恶化新的源头。十个世界污染最严重的城市有七 个都在中国，主要原因在于路况拥堵、车速难以提高以及车辆本身的性能和状况不佳2。 针对前述问题，智能交通系统(intelligent transportation system, its)已经在世界各地被 广泛提出，并被证明是一种行之有效的解决的方法。它是信息计算、智能传感、移动互联 网等技术发展的产物，是交通运输领域内的前沿热点，也是世界各国投入巨资、大力推动 的新兴产业，并已成为我国各级政府和社会各界共同关注的技术、产业和服务创新的重点 领域之一3。its 是提高道路交通运行效率、可靠性、安全性和减少环境污染的有力手段， 也是新兴概念中智慧城市、智慧地球的重要组成部分。 根据有关调查数据显示，驾车者为了寻找空余的停车位而进行的反复巡游占到路面交 通流量的比例达到惊人的 12%15%4。我们完全有理由相信，这部分交通流的合理疏导能 够有效地改观城市交通状况。因此在 its 中恰当地包含了停车诱导系统(parking guidance and information system, pgis) 在更多交通事务中扩展影响和改善的范围。pgis 能够合理 地引流路网中的寻泊车辆，减少其无谓的行驶时间，优化交通量在公路网络中的分配。 1.2 国内外发展现状国内外发展现状 早在上个世界后半期，欧美各国和亚洲的日本就已先后开始发展 its，半个多世纪的 研究和积累使这些国家成为了智能交通领域的领跑者。 20 世纪六七十年代之交出现的先进 的出行者信息系统(atis：advanced traveler information system)，标志着交通出行信息体 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 2 系概念的正式确立。随之引入的现今的计算机、互联网、多媒体、通信、控制、电子、地 理信息系统等一大批新兴的科学技术，将 its 开拓成为了内容覆盖更全面、功能划分更细 致的多个子系统，其中就包括了停车诱导信息系统5。在本国旺盛应用需求的促进以及理 论技术的反复实践下，欧洲各国、美国以及日本在停车诱导领域仍保持着最先进的水准。 由于处在经济发展的不同阶段，过去我国城市机动车数量不多，到 1977 年为止全国 仅有 100 万辆汽车6，能负担起私家车的家庭更是寥寥无几，所以知道上世纪九十年代中 期，城市停车问题才慢慢显得急迫，促使一些人开始正面思考这个问题，美籍华人专家张 秋先生是其中之一，他大力推动了我国在上世纪八十年代初交通工程学科的建立。然而几 十年后这一学科的历史依然还很短暂，its 概念和技术的引进时间，已经是二十世纪九十 年代，目前也还是初级阶段。所以将在上个世纪末才初具雏形的我国的停车诱导信息系统 与发达国家的相比，差距是很显著的：缺乏完善的理论基础和管理制度、资金和经验的不 足造成了实践应用水平的落后，而实践的匮乏又反过来制约了理论研究继续向核心内容进 展7, 8。 幸而一些富于远见的国内专家学者，在政府的全力支持下率先在国内几个经济实力较 强的大城市开展了有关的研究攻关工作，并获得了初步的成果，奠定了现在停车诱导系统 的快速发展的基础。 在首都北京，王府井、西单和新世界三个商业区的停车诱导系统目前已经开通运行。 其中，王府井地区的停车诱导系统是“数字王府井”系统工程的一部分，其中有 14 个较 大型的停车场，对外开放 3676 个停车位，刚开始运行时连通的停车位就有 2995 个，超过 停车位总数的 80。该系统在王府井大街南口、北口和东华门三个入口处设有大屏幕的电 子可变信息显示牌，用于显示静态的路网结构和系统所连接的各停车场实时停车位的信 息，并有 48 块小型电子显示牌被设置在该区域内所有的停车场入口。2003 年 1 月， “数字 王府井”重点修改了这个项目的数据传输方式，并且统一了原来分散的平台，系统升级为 第二代。 第二代系统采用 gsm/gprs 无线数据通信与多级户外动态显示方式， 使得该系统 能够更加方便地扩容与分布式多级网络连接，同时还可大大降低系统通信成本。从 2004 年 5 月 1 日起，王府井地区相关停车场的空车位信息，在北京交通台多次播出。位于西单 商业区七个停车场中的 600 多个停车位，在 2002 年 7 月被纳入停车诱导系统管辖。而在 2004 年 12 月 28 日，被接入新世界商业区停车诱导系统的有三个停车场中大约 1300 个停 车位。除了以上三者，首都繁华地区中，覆盖金融街、中关村、朝阳区中心商圈等区域的 停车诱导系统都即将或已经建设完毕，准备正式投入运营9, 10。 上海在停车诱导系统的建设选址上也和北京一样，选择了眼前停车问题最为突出、影 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 3 响面最大的中央商圈中心，再逐步向周边进行辐射，首先建立起了“停车诱导示范系统” ， 覆盖了 18 个停车场的共 3800 多个车位。该系统共分为三级诱导：(1)围绕区域周边的主干 道设置大型电子屏，发布详细的停车场车位动态、道路通堵状况以及指引信息；(2)在各个 停车场附近路口设置中型电子屏，指示该停车场内的实时车位和道路引导信息；(3)在每个 停车场入口设置小型电子屏，以简单的状态文字指示场内的停车位状态。在 2004 年 1 月， 这些信息牌又遵照实施的停车诱导系统上海地方标准进行了改版。现在上海市正在逐步将 停车诱导系统推向全市各区，把停车场数据的采集、处理和发布都归入统一的平台，开通 网络和电话渠道，方便市民进行车位的查询和预约，建成具有国际先进水平的智能化交通 信息系统11。 南京市在各大商圈建设停车诱导系统时，充分利用了这些停车场已有的计费系统，通 过 vpn 专网技术进行数据的传输接入，以较低的成本成功地获取了各商圈路外大型停车 场的车位信息，目前已涵盖全市核心商圈的 110 个大型停车场。为了促进南京市在核心商 圈的这一成功实践模式在更大范围内继续推广，新发布的停车场申办管理要求中加入了联 网建设的规范，新建和改建的停车场都要都要具备信息入网的功能。停车位信息可以从电 子信息屏、手机、车载终端、网站等多种信息渠道流向驾车者，帮助他们通过自己最方便 的方式找到可用的停车位。其中的电子信息屏将诱导信息分为四个级别发布：一级位于进 入南京市的高速公路、国道口，提供城内商业圈的位置分布及其中车位的综合信息；二级 即在各商圈的入口，在路网简图上标识出停车场的位置，附带车位的饱和程度信息；三级 沿主干道路分布，显示沿线路段上停车场的分布及剩余车位数量；四级就是在每个停车场 门口指示场内当前的车位信息12, 13。 1.3 课题的研究目的和意义课题的研究目的和意义 驾车出行在给人们带来了方便与舒适的同时，也带来了泊位资源稀缺导致的寻找停车 地点的烦恼。 特别对于许多驾龄不长、 出行次数比较少而对出行目的地不甚熟悉的驾车者， 如果缺少了相应停车信息的来源，就很难避免迂回“巡泊”的尴尬场面。另一方面，一些 新近建成或地点相对偏僻的停车场罕有车辆问津，造成了资源的浪费和停车压力的不合理 集中。分析造成这种局面的原因，客观上停车设施资源还远未达到丰富，例如在南京市平 均 3.6 辆车才能分摊到一个停车位，而欠缺有力的信息发布手段来对需要泊车的驾车者实 现引导，也导致了停车压力的不均衡分布。因此，怎样采用现代信息技术和平台向社会大 众提供停车诱导信息，使已有的车位供给能最大程度地与停车需求挂钩，将是现在和未来 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 4 很长一段时间内交通运输领域规划和管理的一个焦点。停车诱导信息系