巷道堆垛式立體車庫上位機停車管理系統設計

鄭江花,王亞麗,馬海燕,張艷芳,吳昊

(山東省科學院自動化研究所, 山東省機器人與制造自動化技術重點實驗室,山東 濟南 250014)

巷道堆垛式立體車庫上位機停車管理系統設計

鄭江花,王亞麗,馬海燕,張艷芳,吳昊

(山東省科學院自動化研究所, 山東省機器人與制造自動化技術重點實驗室,山東 濟南 250014)

采用OPC、網絡通訊、數據庫及軟件編程等關鍵技術設計開發了立體車庫上位機停車管理系統，用于輔助PLC核心控制單元，實現對立體車庫的監控、管理及存取車等功能。同時，為了縮短立體車庫存取車時間，提出了相應的停車優化方案。該設計進一步提高了立體車庫的自動化、智能化，有效緩解了城市停車難的問題。

立體車庫；停車管理系統；OPC技術；停車優化

Abstract∶Using the key technologies such as OPC, network communication, database, and software programming, the parking management system for laneway-stow-typed stereo garage was designed and developed, which was used to assist the PLC core control unit, realizing the functions of monitoring, management, and access vehicles for the stereoscopic garage. At the same time, to shorten the time of the storing and retrieving cars in the stereo garage, the corresponding prioritization scheme about the parking was put forward. The design has further improved the automation and intelligence of the stereo garage, and effectively alleviated the “parking difficult” problem in the city.

Key words∶stereo-garage; parking management system; OPC technology; parking optimization

隨著社會的發展及人們生活水平的提高，我國汽車保有量快速增長，導致停車難、停車位緊張、收費亂問題越來越突出。目前，大型城市的商場、醫院等車輛密集、停車位緊張的場所積極推進立體車庫的建設。伴隨著自動化、計算機與網絡技術的飛速發展，立體車庫也由傳統的單一監測與控制，發展到與管理自動化相結合，集控制、監視、管理及決策等功能于一體的綜合自動化系統。國外立體車庫產業及技術已經比較成熟，與之相比，我國的立體車庫產業還處于初級發展階段，還存在一些問題，如多數產品是仿效或引進國外技術制造，企業技術力量薄弱，缺乏自主開發能力，技術創新能力不足等[1]。

目前，機械立體車庫主要有以下幾種形式：升降橫移、垂直循環、水平循環、多層循環、平面移動、巷道堆垛、垂直升降及簡易升降式[2]，各種類應用在不同場點分別具有不同的優勢。本文主要根據國內實際情況，結合企業技術優勢及需求，以巷道堆垛式立體車庫為研究對象。該類停車設備技術含量和智能化程度較高，可根據場地的不同設置在室外、室內、地上或地下，存車容積率高，安全可靠。其控制管理系統則采用可編程控制器(PLC)直接控制車庫運行、計算機輔助監視管理及云端停車服務的方式。PLC控制系統是車庫安全運行的基礎，運行在工控機上的上位機管理系統通過立體車庫局域網監視整個車庫現場的運行狀態，兩者的相互協調工作共同實現車庫系統的安全運行和管理，而云端停車服務則提供高端查詢、支付及預訂功能。本文主要針對上位機停車管理系統進行深入研究與設計開發，利用OPC、網絡通訊及數據庫技術等進行數據庫、系統界面設計及代碼編寫，實現對立體車庫現場設備的運行監控與管理。

1 立體車庫系統

1.1系統組成

本文研究開發的是一個2排4層64位巷道堆垛式立體車庫，主要有以下部分組成：鋼質與土建架構、安全門、入口旋轉臺、堆垛機、智能搬運器、控制柜、讀卡器、發卡器、車牌識別裝置及各種傳感器等，圖1為巷道堆垛式立體車庫入口圖。車庫停車采用智能卡與車牌識別技術共同管理的方式，智能停車卡與用戶車輛一一對應，車牌號及其他車輛相關信息一并存入計算機數據庫中。通過PLC控制堆垛機和智能搬運器完成車輛的存取，車位配置簡單，維護方便，故障點少，自動化水平高，可以滿足用戶快速存取車的要求[3]。

圖1 巷道堆垛式立體車庫入口圖Fig.1 The entrance of laneway-stow-typed stereo garage

1.2系統工作流程

入口收費崗亭處安裝車牌識別攝像頭及欄桿機作為車牌信息識別、采集單元，另外裝有發卡裝置，若為臨時停車用戶，先從發卡機取出一張臨時卡。入口顯示屏若提示車位已滿，欄桿機則不會抬起；若車位未滿，固定用戶需先刷卡，臨時用戶先取卡，再刷卡，車牌識別完成，欄桿自動打開，車輛駛入。

存車流程：若立體車庫入口有車，車輛先在入口處等待；若車庫入口無車，將車輛駛入車庫停放在旋轉臺上，根據顯示屏及交通燈的提示，調整前后位置直至指示燈提示完成，下車關好車門，在入口處刷卡盒進行存車確認后，用戶方可持卡離開。此后系統自動進行車型檢測、車位分配及數據入庫等操作，并完成車輛入庫。

取車流程：取車時直接在刷卡盒刷卡，系統查出該卡對應車所在的車位，將車取出后置于旋轉臺上，用戶將車開至出口崗亭。若為固定用戶，需刷卡確認，欄桿啟動放行。若為臨時用戶，需將卡放入收卡機，車牌識別并判斷是否繳費，若已繳費，欄桿啟動放行；若未繳費，現場繳費，手動啟動欄桿放行。

1.3系統控制與管理架構

立體車庫控制管理系統分為PLC控制系統、上位機停車管理系統及云端停車服務系統3部分，并且各部分間的交互采用不同的通訊方式。圖2為立體車庫控制系統3部分的關系圖，其中控制系統采用西門子S7-300系列自帶網口的PLC控制器，基于PLC的控制系統與立體車庫現場各設備之間采用Profibus-DP總線通訊，PLC采集現場各設備的數據信息，通過數據分析實現對存取車的控制；上位機停車管理系統與PLC建立通訊連接，實時訪問PLC的數據，實現對立體車庫的監視與遠程控制，方便停車場管理人員實時了解停車場中車位的使用情況[4]；云端停車服務系統，利用網絡及云計算技術存儲并處理來自多個車庫的車位數據(立體車庫傳感器實時狀態顯示、車位信息、車輛進出信息展示等)，進行費用支付及處理預訂請求與服務等，方便車主用戶查詢、繳費及預訂車位。

圖2 立體車庫控制管理系統關系圖Fig.2 The relationship of parking control and management system

2 上位機停車管理系統

2.1系統開發環境

Visual Studio是微軟公司推出的完整開發環境，包含一個集成開發環境和高級C#編譯器，C#與.Net框架的完美結合成為Windows下最主要的開發工具，具有開發效率高、源代碼更加易讀等特點。因此，上位機停車管理系統采用C#進行人機界面設計和代碼編寫。

上位機平臺需安裝SIMATIC NET軟件。SIMATIC NET是西門子在工業控制層面上提供的一個開放的、多元的通訊系統，能將工業現場的PLC、主機、工作站和個人電腦聯網通訊。使用OPC服務前，需要分別對SIMATIC NET OPC服務器和西門子PLC S7-300進行通訊配置，編寫的OPC客戶端應用程序才能通過OPC服務器對PLC進行數據訪問。

SQL Server是微軟公司開發和推廣的關系數據庫管理系統，具有多方面的優越性，停車管理系統后臺采用SQL Server存儲和管理立體車庫系統的各項數據。

2.2 OPC客戶端應用程序

OPC客戶端應用程序通過一個標準的、開放的多供應商接口，與OPC服務器進行通訊，OPC將數據來源提供的數據以標準方式傳輸至任何客戶機應用程序。OPC客戶端的開發過程實際上就是對服務器接口的聲明和調用。

OPC服務器有兩類接口：定制接口和自動化接口[5]。選用的接口不同，應用程序開發的便利性、快捷性也不同。OPC客戶程序與服務器之間的數據通信方式有同步方式和異步方式。同步訪問方式中，OPC應用程序在得到返回結果前必須處于等待狀態，效率很低。異步方式中，OPC服務器接到OPC應用程序的要求后，立即將方法返回。OPC應用程序隨后可以進行其他處理。當OPC服務器完成數據訪問時, 觸發OPC應用程序的異步訪問完成事件，將數據訪問結果傳送給OPC應用程序，所以異步方式的效率更高，但其實現起來也是相對比較復雜的[6-7]。

本文在C#開發環境下，編寫OPC客戶端程序實現上位機與PLC之間的通訊，采用自動化接口及異步通訊方式。OPC客戶端程序開發流程主要包括添加引用“Interop.OPCAutomation”組件、進行環境初始化、連接OPC服務器、創建OPC服務器支持的OPC對象，然后就可以使用OPC對象支持的屬性和方法，對其進行各種操作。

2.3 Socket客戶端程序

上位機停車管理系統與云端停車服務系統間采用長連接的Socket套接字通訊技術，客戶端與服務器的連接使用 TCP/IP連接方式。上位機停車管理系統主機作為客戶端，將OPC客戶端程序采集的立體車庫現場設備運行信息、傳感器狀態信息及故障報警等實時數據信息通過Socket客戶端程序提供給云停車服務端，Socket客戶端開發采用本地Windows服務的方式向云停車服務端推送數據。C#開發環境下，微軟提供了 System.Net.Sockets 命名空間，利用Socket類進行客戶程序開發。其通訊過程為創建一個Socket套接字，綁定服務器的IP和端口，與服務器建立連接，判斷連接狀態，向服務器發送數據，斷開連接等。

2.4停車優化設計

大多數立體車庫在存車方面，基本是靠計算機程序掃描車庫中的空閑車位，將車輛隨機存放到空閑車位上。這種傳統的存儲方式沒有考慮到取車時所消耗的時間，取車的時間越長，用戶體驗越差。

本文巷道堆垛式立體車庫存取車用戶主要分為固定用戶和臨時用戶，根據固定用戶和臨時用戶比例，將車位分區來存儲不同類型用戶的車輛。開啟管理軟件系統對車位的優化功能，根據車庫運行與車位使用統計情況，調整車位優先級，一般來說離出入口近的車位優先級高，稍遠的次之。若不同分區的車位未滿，固定用戶和臨時用戶車輛會存儲在各自的分區；若固定用戶存車區已滿，可以按臨時用戶車輛存放。上位機系統記錄用戶的存取車數據，如取車時間，取車頻率等，利用這些停車數據來分析用戶的存取車習慣，作為停車優化的條件。例如，針對頻繁來存的車輛，若每次存車時間較長，可以將此類車輛存放在低優先級的車位上，反之要存放在高優先級的車位上。通過對車位合理地進行分配，可以有效提高平均取車速度。

另外，可以利用存取車空閑時間，開啟倒庫功能，對車庫車位進行優化調整，將那些停放時間長又處于高優先級車位的車輛轉移到低優先級車位上。這些優化方案的使用，旨在提高車庫車位的使用率及車輛的存取車效率。

2.5停車管理系統的功能

上位機停車管理系統是巷道堆垛式立體車庫的一個重要組成部分，擔負著人機交互、數據維護、狀態監視等方面的任務[8]。上位機管理系統采用模塊化的程序設計方法，本文根據企業需求，將系統功能劃分為系統管理、基礎信息管理、監控信息、查詢與報表統計以及計費管理五大模塊。詳見圖3。

圖3 上位機停車管理系統功能圖Fig.3 Function diagram of master computer parking management system

通過數據庫、界面設計及代碼編寫，上位機管理系統較好地實現了以下功能：

(1)系統管理功能：實現對系統用戶的管理、不同類型用戶權限的設置、數據庫數據的備份與恢復等。

(2)基礎信息管理功能：主要包括停車卡的管理、車庫車位的管理及車庫車位優化的設置功能。

停車卡分為臨時卡、固定卡和VIP卡，每類卡對應不同的收費價格，可以對每張卡的密碼進行設置與修改。用戶刷卡方式進行存取車、車卡自動識別、記錄自動存儲及費用結算，操作方便快捷，可大大提高工作效率。

(3) 車庫、車位監控功能：利用直觀圖形顯示車庫的車位狀態情況，可以查看每個車位有車無車及存車時間。還可監視車庫各傳感器的檢測信號，判斷車庫的設備運行狀態。

提供遠離現場的立體車庫控制功能，在刷卡盒故障時，操作人員可以通過上位機直接進行存取車操作；也可實現卡號對應車位查找、車位對應卡號查找、車位有無車轉換及倒庫等操作。

同時還具有存取車隊列管理、排隊刪除操作、報警信息及歷史信息提示功能。立體車庫實時監控主界面如圖4所示。

圖4 車位監控圖Fig.4 The monitoring chart of parking

(4)查詢與報表

可以查詢車卡、車位及報警信息；可以統計車位使用及車流量情況，并且可生成日報、月報及年報表，供決策使用。

(5)計費管理功能

按照價格標準設置收費費率，支持現場繳費和微信掃碼繳費兩種方式，繳費方式靈活。通過卡號或車牌號碼查詢停車時長，根據計費規則系統自動計算需要繳納的費用，進行繳費、打印小票及車輛放行。

2.6停車管理系統應用

對立體車庫現場、PLC控制系統及上位機管理系統的聯調運行結果表明，設計開發出的上位機停車管理系統具有開發周期短、界面友好、程序運行流暢、操作簡便的特點，能夠較好地輔助PLC控制系統實現用戶存取車操作，并可通過報表查詢提供決策支持，基本實現了企業對立體車庫監控管理的需求。同時，也證明了本文采用的技術及方案是簡便可行的，對同類系統的設計開發具有一定的工程示范與借鑒意義。另外，隨著調試工作的展開及用戶體驗，發現系統仍有一些不足之處，需要根據用戶的改進意見，繼續完善界面、功能及穩定性；演示庫距離實際應用還有一定的差距，仍需進一步加強現場聯機調試工作，使系統的軟硬件功能更加完善可靠。

3 結 語

立體車庫上位機停車管理系統的設計開發，有效提升了立體車庫的智能化水平和管理效率。該系統具有友好的人機交互界面、靈活的控制方式及對各類信號的監測及報警提示功能，提高了立體車庫系統的安全性和可靠性，促進了停車難問題的解決，為巷道堆垛式立體車庫的推廣應用奠定了更加堅實的基礎。

[1]武鄉.低成本、機械式立體車庫人機交互系統研究與設計[D].蘭州：蘭州交通大學,2013.

[2]中華人民共和國機械工業部.JB/T8713—1998, 機械式停車設備類別、型式與基本參數[S].北京:機械工業部機械標準研究所,1998.

[3]王雪潔,王國雄.PLC與變頻器在巷道堆垛式立體車庫控制系統中的應用[J].起重運輸機械,2005(2):19-20.

[4]沈金龍,陳富林,卓璐.立體車庫智能控制管理系統設計[J].中國制造業信息化,2012，41 (21):71-73.

[5]趙宴輝,聶亞杰,劉二平,等.監控系統中OPC客戶端程序設計與實現[J]. 微計算機信息, 2010,26(8-1):74-76.

[6]王帥,胡毅,何平,等.基于OPC技術實現西門子數控系統的數據采集[J].組合機床與自動化加工技術,2016( 4):69-71.

[7]黃娟.基于C#的OPC數據通信的設計與實現[J].工業控制計算機,2013,26(11):14-15.

[8]袁永康,員超.智能立體車庫信息管理系統的功能分析[J].廣東自動化與信息工程,2002 (4):23-26.

Design of parking management system for the laneway-stow-typed stereo garage and its host computer

ZHENG Jiang-hua, WANG Ya-li, MA Hai-yan, ZHANG Yan-fang, WU Hao

(Shandong Provincial Key Laboratory of Robot and Manufacturing Automation Technology,Institute of Automation, Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China)

TP311；TH211

A

1002-4026(2017)05-0111-06

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.05.019

2017-04-19

山東省科技重大專項(2015ZDXX0101B01)

鄭江花(1978—)，女，助理研究員，研究方向為自動化控制及軟件研發。E-mail：zhengjh@sdas.org