摘要：目前停車誘導(dǎo)信息系統(tǒng)是（ParkingGuidanceandInformationSystem，簡(jiǎn)稱PGIS）主要通過路邊的可變信息顯示板，為駕駛者提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、全面的車位信息，引導(dǎo)其通過合適的路徑，到達(dá)合適的停車場(chǎng)。這種誘導(dǎo)模式簡(jiǎn)單實(shí)用，但無法考慮不同駕駛者的不同要求，即無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與使用者之間的互動(dòng)。本文在分析目前停車誘導(dǎo)系統(tǒng)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從車載停車誘導(dǎo)的角度出發(fā)，以車輛到達(dá)停車場(chǎng)的時(shí)間最短為優(yōu)化目標(biāo)，在最優(yōu)路徑搜索中運(yùn)用螞蟻算法為駕駛員提供抵達(dá)停車場(chǎng)的最優(yōu)路徑。
　　關(guān)鍵詞：停車誘導(dǎo)系統(tǒng)；路徑優(yōu)化；智能運(yùn)輸系統(tǒng)（ITS）；螞蟻算法
　　1.前言
　　目前大部分停車誘導(dǎo)系統(tǒng)主要通過路邊的可變信息顯示板，為駕駛者提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、全面的車位信息，引導(dǎo)其通過合適的路徑，誘導(dǎo)駕駛員高效地找到停車泊位，以減少駕駛員在尋找車位過程中帶來的“無效”交通量，緩解交通擁擠、改善交通對(duì)城市環(huán)境的污染。這種誘導(dǎo)模式簡(jiǎn)單實(shí)用，但也存在一些缺點(diǎn)，如所提供的信息有限，無法考慮不同駕駛者的不同要求，即無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與使用者之間的互動(dòng)。車載GPS導(dǎo)航的停車誘導(dǎo)信息系統(tǒng)，能夠根據(jù)車輛所在位置、目的地，結(jié)合GIS技術(shù)，實(shí)時(shí)為駕駛員提供抵達(dá)停車場(chǎng)的最佳路徑，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)停車誘導(dǎo)。
　　2.停車誘導(dǎo)系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在問題
　　目前的PGIS主要由四個(gè)部分組成：路邊可變信息顯示板、停車場(chǎng)的計(jì)數(shù)裝置、控制中心和通信網(wǎng)絡(luò)。其工作原理是通過空車位采集器采集停車場(chǎng)內(nèi)所有剩余的空位數(shù)，經(jīng)過控制中心計(jì)算機(jī)處理后，由數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備傳往路邊引導(dǎo)顯示牌（含停車場(chǎng)名稱、占用情況、方位等）。在實(shí)際的使用中這種誘導(dǎo)系統(tǒng)還存在不少問題，如下：
　　2.1停車誘導(dǎo)系統(tǒng)的市場(chǎng)操作性不強(qiáng)
　　根據(jù)已運(yùn)行的停車誘導(dǎo)項(xiàng)目的投資及運(yùn)營(yíng)情況，可以發(fā)現(xiàn)停車誘導(dǎo)系統(tǒng)的市場(chǎng)運(yùn)作可操作性不強(qiáng)，主要是由于停車誘導(dǎo)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的公益性，與經(jīng)營(yíng)性停車場(chǎng)之間很難找到一種恰當(dāng)?shù)挠�利模式�?br /> 　　2.2納入停車誘導(dǎo)系統(tǒng)泊位少，誘導(dǎo)系統(tǒng)使用率低
　　目前納入停車誘導(dǎo)系統(tǒng)的停車場(chǎng)多是公共建筑配建停車場(chǎng)和極少的路外公共停車場(chǎng)，并且這些停車場(chǎng)主要位于商業(yè)繁華地段，白天利用率高，容易因機(jī)動(dòng)車等待車位，進(jìn)入車位緩慢而影響動(dòng)態(tài)交通；夜間空置多，造成資源的浪費(fèi)。同時(shí)，誘導(dǎo)系統(tǒng)的信息還沒有在駕駛員中形成影響，使用者有限，利用率較低。
　　2.3各停車誘導(dǎo)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)作，沒有信息共享
　　各系統(tǒng)都有獨(dú)立的管理中心和通訊平臺(tái)，各自獨(dú)立運(yùn)作，分別租用通訊公司的線路，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高；各系統(tǒng)的信息量小，難以建立多渠道的信息發(fā)布方式，公眾獲得信息的渠道少，無法實(shí)現(xiàn)智能交通系統(tǒng)的路徑誘導(dǎo)。
　　2.4停車場(chǎng)維持現(xiàn)狀，不愿意增加投入
　　由于停車誘導(dǎo)系統(tǒng)的公益性，沒有盈利，而建設(shè)一個(gè)完整的停車誘導(dǎo)系統(tǒng)，除了后臺(tái)系統(tǒng)外，還需要停車場(chǎng)投入資金建設(shè)能夠自動(dòng)檢測(cè)空泊位數(shù)的設(shè)備，在這種情況下，停車場(chǎng)多采用維持現(xiàn)有收費(fèi)方式的態(tài)度。
　　2.5某些顯示牌設(shè)計(jì)不合理，信息發(fā)布不準(zhǔn)確
　　發(fā)布屏的提示效果不好，容易被高大樹木遮擋，不容易被駕駛員看到。誘導(dǎo)區(qū)域范圍較窄，預(yù)告功能弱；而且指示屏的面積有限，能夠顯示的信息量也有限。
　　2.6信息發(fā)布形式單一，沒有達(dá)到設(shè)計(jì)的要求
　　因系統(tǒng)覆蓋范圍小，使用中的停車誘導(dǎo)系統(tǒng)信息發(fā)布方式只實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)中的路邊視覺信息發(fā)布設(shè)施，即停車誘導(dǎo)顯示屏。手機(jī)短信、互聯(lián)網(wǎng)、交通臺(tái)、服務(wù)電話等服務(wù)沒有開通。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的服務(wù)范圍包括：車位信息、停車場(chǎng)分布和位置信息、停車場(chǎng)收費(fèi)情況、停車場(chǎng)對(duì)外開放時(shí)間等，但目前只提供車位信息和簡(jiǎn)單的位置信息。此外，目前很多中小型停車場(chǎng)還沒實(shí)現(xiàn)電子化，導(dǎo)致這些停車場(chǎng)的空車位資源無法納入無線通信系統(tǒng)的管理。
　　針對(duì)傳統(tǒng)的停車誘導(dǎo)系統(tǒng)存在的問題，合理利用現(xiàn)有的資源，將最新的信息化技術(shù)：如無線通信技術(shù)、GPS移動(dòng)終端技術(shù)和GIS技術(shù)綜合應(yīng)用于城市停車位的查詢、預(yù)定和導(dǎo)航服務(wù)上，最大程度的利用現(xiàn)有的停車位資源，特別是那些零散的中小型停車場(chǎng)的資源。使停車位信息能夠在停車位資源和停車位需求的供求雙方得到高效和合理的配置，緩解道路壓力，改善城市交通，顯得十分必要。
　　3.停車誘導(dǎo)系統(tǒng)(PGIS)中動(dòng)態(tài)停車路徑誘導(dǎo)
　　停車誘導(dǎo)系統(tǒng)(PGIS)是智能運(yùn)輸系統(tǒng)（ITS）的一部分，包括動(dòng)態(tài)誘導(dǎo)包括動(dòng)態(tài)停車泊位誘導(dǎo)及動(dòng)態(tài)路徑誘導(dǎo)，當(dāng)駕駛員在某個(gè)位置發(fā)送目的地查詢信息時(shí),車載系統(tǒng)將自動(dòng)搜尋并給出目的地附近的有停車泊位的一組停車場(chǎng),當(dāng)駕駛員選擇好某個(gè)停車場(chǎng)時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算并給出該位置到達(dá)目標(biāo)停車場(chǎng)的最佳行駛路線。該停車場(chǎng)及最佳行駛路線是動(dòng)態(tài)可變的,當(dāng)司機(jī)行駛到下一位置(還未到達(dá)目的地)，此時(shí)司機(jī)再選擇查詢，可能上次查詢選擇的目標(biāo)停車場(chǎng)在此時(shí)停車位已滿、已無空車位或是目標(biāo)停車場(chǎng)不變，但是路網(wǎng)上的交通狀況已經(jīng)發(fā)生明顯改變，此時(shí)車載系統(tǒng)將再自動(dòng)給出與當(dāng)前時(shí)刻路網(wǎng)交通狀態(tài)對(duì)應(yīng)的到達(dá)該時(shí)刻所選目標(biāo)停車場(chǎng)的最佳行駛路線。
　　從車輛當(dāng)前所在位置到目的地不論目標(biāo)停車場(chǎng)是否發(fā)生改變，其動(dòng)態(tài)最優(yōu)路徑時(shí)刻可能發(fā)生變化，系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)計(jì)算并實(shí)時(shí)給出司機(jī)所期望的最佳行駛路徑，因此實(shí)時(shí)路徑誘導(dǎo)要求具有較高的實(shí)時(shí)性，有時(shí)計(jì)算出來的路線并不是最優(yōu)(最短路)而僅是次優(yōu)路線(次短路)，但此時(shí)提供的次優(yōu)路線只要是實(shí)時(shí)的，也能滿足誘導(dǎo)技術(shù)要求。
　　出行至停車場(chǎng)的行程時(shí)間反映了車輛出行成本和可達(dá)性，本文以行程時(shí)間最短為優(yōu)化目標(biāo)，采用美國(guó)聯(lián)邦公路局提出的BPR路阻函數(shù)模型，計(jì)算行程時(shí)間公式為：      (1)
　　設(shè)駛往停車場(chǎng)i共途經(jīng)m條路段，對(duì)于不同的停車場(chǎng)，m值可不同。式(1)中的有關(guān)參數(shù)計(jì)算為：
　　(2)
　　(3)
　　(4)
　　(5)
　　式中：為駛往第i個(gè)停車場(chǎng)途中第j路段的機(jī)動(dòng)車交通量/(pcu•)；為駛往第i個(gè)停車場(chǎng)途中第j路段的實(shí)用通行能力/(pcu•)；α、β為回歸參數(shù)，用最小二乘法確定；為交通流為0時(shí)駛往第i個(gè)停車場(chǎng)途中第j路段的行駛時(shí)間；為駛往第i個(gè)停車場(chǎng)途中第j路段相鄰交叉口的間距；r為自行車影響折減系數(shù)，可取1.0；為路段設(shè)計(jì)車速,取40~60km/h；為單條車道理論通行能力，取1500pcu/h；為駛往第i個(gè)停車場(chǎng)途中第j路段的車道數(shù)影響系數(shù)，單向1~4條車道依次取1.00、1.87、2.60、3.20；為交叉口影響修正系數(shù)；為交叉口有效通行時(shí)間比，信號(hào)交叉口處即取綠信比；為駛往第i個(gè)停車場(chǎng)途中第j路的車道寬度影響系數(shù)；為一條機(jī)動(dòng)車道寬度/m。
　　當(dāng)出行目的地確定后，駕駛員首選停車場(chǎng)自然希望行程時(shí)間最優(yōu)且不超過其接受的駕車行程時(shí)間上限期望值。
　　(6)
　　4.螞蟻優(yōu)化算法的基本原理及用于路徑誘導(dǎo)的方法
　　4.1螞蟻算法原理
　　蟻群算法(ACO)是一種隨機(jī)搜索算法，與其它模擬進(jìn)化算法一樣,通過由候選解組成的群體的進(jìn)化過程來尋求最優(yōu)解。它是在對(duì)自然界中真實(shí)蟻群的集體行為的研究基礎(chǔ)上，由意大利學(xué)者M(jìn).Dorigo等首先提出的。自然界中螞蟻在尋食過程中，會(huì)在其走過的道路上留下一種稱之為信息素的激素，其它螞蟻可以感知這種激素并以此指引其運(yùn)動(dòng)的方向。這種信息素允許疊加，走過同一條路徑的螞蟻數(shù)量越多，這條路徑上的信息素濃度越大，也就吸引其他螞蟻以更大的概率走此路徑；反之，走過的螞蟻越少，信息素濃度越低,吸引螞蟻的概率越小。同時(shí)，這種信息素還會(huì)隨著時(shí)間的推移而揮發(fā)。這種現(xiàn)象稱之為正反饋原理，螞蟻算法正是基于這種正反饋機(jī)制發(fā)展起來的。螞蟻算法的思想是：依靠人工螞蟻群體求解，每個(gè)螞蟻個(gè)體具有簡(jiǎn)單的判斷能力和局部搜索規(guī)則，通過釋放和探測(cè)信息素的方式交流，螞蟻群體經(jīng)過一定時(shí)間的自組織活動(dòng)后，趨向最優(yōu)解。一般在設(shè)計(jì)螞蟻算法時(shí)，假設(shè)螞蟻個(gè)體知道所有相鄰節(jié)點(diǎn)與它的距離。其局部搜索規(guī)則是：螞蟻既考慮下一段路的長(zhǎng)度，也會(huì)考慮其信息素的分布強(qiáng)度，在相鄰節(jié)點(diǎn)中以一定的概率選擇下一到達(dá)節(jié)點(diǎn)。比如，在t時(shí)刻路段(i,j)上的信息素強(qiáng)度為，則第k只螞蟻從i點(diǎn)向j點(diǎn)轉(zhuǎn)移的概率表示為：
　�。�7）
　　式中，allowed表示螞蟻k下一步允許選擇節(jié)點(diǎn)，為啟發(fā)函數(shù),其表達(dá)式為=1/，表示i，j兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離。與的相對(duì)大小決定了螞蟻對(duì)路段信息素和質(zhì)量的取向偏好。當(dāng)螞蟻轉(zhuǎn)移到j(luò)點(diǎn)時(shí)，修改allowed表，即：
　　Allowed=allowed-{j}(8)
　　當(dāng)螞蟻完成一次環(huán)游，信息素做如下調(diào)整：
　　(t+n)=(1-)+(t)(9)
　　(t)=(10)
　　其中,為小于1的常數(shù)，表示軌跡的持久性，1-表示軌跡衰減度，即信息的消逝程度。(t)表示本次循環(huán)中路徑i，j上的信息量的增量；(t)表示第k只螞蟻在本次循環(huán)中留在路徑i，j上的信息量；(t)的取值使用M.Dorigo提出的ant-cyclesystem模型中的取值方法，即：
　　(11)
　　其中，是一個(gè)常數(shù)，代表信息素強(qiáng)度，表示第k只螞蟻在本次循環(huán)中所走的路徑長(zhǎng)度。在初始時(shí)刻，(0)=常數(shù)，(t)=0(i，j=1，2，…，n)。這樣，在每次實(shí)驗(yàn)過程中，每只螞蟻都依據(jù)式(7)選取路徑；而在每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，每只螞蟻選取的結(jié)果又通過式(8)、式(9)、式(9)、式(10)反饋給式(7)，作為下一次實(shí)驗(yàn)螞蟻選取路徑的依據(jù)，這便是基本螞蟻算法的路徑尋優(yōu)過程。
　　4.2蟻群算法在誘導(dǎo)系統(tǒng)中的應(yīng)用
　　導(dǎo)航系統(tǒng)的一個(gè)重要的功能模塊便是對(duì)車輛最優(yōu)路徑的分析，本文介紹一種導(dǎo)航系統(tǒng)中基于蟻群算法的最短路徑算法，在導(dǎo)航系統(tǒng)中對(duì)道路的各項(xiàng)分析是基于電子地圖格式的，由電子地圖信息，可以構(gòu)造出有向圖G(V，E)，V=(，，…，)是交通網(wǎng)絡(luò)中的頂點(diǎn)集，它代表交通網(wǎng)絡(luò)中的所有結(jié)點(diǎn)集合。E=(i，j=1，2，…，n)是交通網(wǎng)絡(luò)中的有向邊集，它代表交通網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點(diǎn)間的連接線，是有方向的，代表的從結(jié)點(diǎn)到的路徑距離，由于電子地圖有其固定的存儲(chǔ)模式，通過GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，確定好各個(gè)結(jié)點(diǎn)的位置后，可以很方便的計(jì)算出兩點(diǎn)之間距離，得到路段距離表。在具體的導(dǎo)航過程中加入路況實(shí)時(shí)信息，得到條件約束如下：
　�、佼�(dāng)所選擇的路徑為單向行駛路段，或者某路段發(fā)生了交通事故而造成交通阻塞時(shí)，將路段信息表中表示該路段的有向邊修改為禁止通行，避免車輛選擇此路段方向。
　�、谟捎诓煌�道路上的車輛稠密程度不同，而不同的車輛密度對(duì)車輛行駛有著很大的影響，根據(jù)傳感器采集的交通信息來確定車輛的稠密程度，在每一路段加入道路稠密系數(shù)(t)，于是螞蟻從節(jié)點(diǎn)i選擇下一節(jié)點(diǎn)j的概率為：
　�。�12）
　　定義(t)的計(jì)算式為：
　�。�13）
　　(t)的取值根據(jù)該路段當(dāng)前車輛數(shù)Q(t)、相鄰路段長(zhǎng)度、車道數(shù)n、平均車速v(t)來確定，代表的物理意義即為每單位車道長(zhǎng)度車流密度大小。信息素(0)更新采取式(9)、式(10)，這樣，隨著螞蟻爬過的次數(shù)增加，就能找到此時(shí)此刻通往目的地的最優(yōu)路徑。
　　5.仿真實(shí)驗(yàn)
　　給定一個(gè)路網(wǎng)(如下圖所示)，并給出部分相鄰路段間距離（表1所示），求駕駛員從起點(diǎn)到終點(diǎn)（停車場(chǎng)）在最短時(shí)間內(nèi)到達(dá)目的地的最優(yōu)路徑。
　　
　　設(shè)定螞蟻數(shù)目為10，=1，=2，=0.3。平均車速通過對(duì)相關(guān)路段的交通調(diào)查獲得，并由交通調(diào)查獲取實(shí)時(shí)交通信息。仿真結(jié)果為：→→→→→，距離為846.4m，平均到達(dá)時(shí)間為5分47秒。雖然螞蟻算法找到的并不是最短的路徑，但考慮到實(shí)時(shí)的交通信息，對(duì)車輛行駛路徑進(jìn)行了較好的誘導(dǎo)，使得能夠在較短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)目的地。
　　本文所給示例路網(wǎng)比較簡(jiǎn)單，運(yùn)用螞蟻算法能夠很快找到最優(yōu)路徑，當(dāng)路網(wǎng)比較復(fù)雜時(shí)，實(shí)時(shí)地動(dòng)態(tài)信息也比較復(fù)雜，可能在要求的短時(shí)間內(nèi)找到的并不是最優(yōu)路徑，但相對(duì)而言，在較少迭代次數(shù)情況下搜索到的路徑也能夠滿足需求。
　　6.結(jié)論
　　本文在分析目前停車誘導(dǎo)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出車載導(dǎo)航的動(dòng)態(tài)停車誘導(dǎo)，綜合利用GPS和道路實(shí)時(shí)交通信息，在確定停車場(chǎng)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用螞蟻算法對(duì)車輛出發(fā)地和目的地之間進(jìn)行最優(yōu)路徑誘導(dǎo)，從而為駕駛員提供到達(dá)停車場(chǎng)的最優(yōu)路徑，并以一個(gè)較為簡(jiǎn)單的示例路網(wǎng)進(jìn)行了論證說明。
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