基于安全可靠性的垂直升降式立體車庫優(yōu)化設(shè)計(jì)

張書茂

（安徽城市管理職業(yè)學(xué)院信息工程系 安徽·合肥 230000）

垂直升降式立體車庫具有占地面積小、投資少、空間利用率高等優(yōu)勢，能夠適用于商業(yè)中心、辦公樓、歌劇院等公共場所，這也使其具備極為廣闊的發(fā)展空間，有效解決了當(dāng)前“停車難”的問題。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使垂直升降式立體車庫高度應(yīng)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)，由于立體車庫是進(jìn)行垂直升降運(yùn)動(dòng)的，因此需要確保車庫在垂直升降運(yùn)動(dòng)過程中具備極高的安全性與可靠性，這樣才能保證車輛與人員的安全。為此既可通過雙總線備份的方式來保障系統(tǒng)的安全可靠性，也可采用車牌識(shí)別技術(shù)來保障系統(tǒng)的安全可靠性，不過這兩種方法只是針對于其他類型的車庫而言，而對于垂直升降式立體車庫來說卻并不適用。本文基于安全可靠性對垂直升降式立體車庫進(jìn)行深入的分析，探討提高垂直升降式立體車庫安全可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

一、基于安全可靠性的垂直升降式立體車庫分析

（一）立體車庫結(jié)構(gòu)分析

從結(jié)構(gòu)角度分析，垂直升降式立體車庫主要包括六個(gè)部分，分別是傳動(dòng)系統(tǒng)、載車板、控制系統(tǒng)、整體框架、安全保護(hù)裝置及升降臺(tái)。升降臺(tái)的上升與下降需要由上位機(jī)對控制指令進(jìn)行下達(dá)，并利用載車板來實(shí)現(xiàn)車輛的升降，進(jìn)而達(dá)到停放目的。在垂直升降式立體車庫中，控制系統(tǒng)可以說是實(shí)現(xiàn)升降功能的核心所在，而整體框架則擔(dān)負(fù)起支撐的作用。傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括升降機(jī)構(gòu)與橫移機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)對車輛進(jìn)行運(yùn)送與存取，而載車板則擔(dān)負(fù)起車輛的固定與承載作用，升降臺(tái)則是對載車板的升降起到帶動(dòng)作用，安全保護(hù)裝置對立體車庫的穩(wěn)定運(yùn)行起到保護(hù)作用。

（二）立體車庫安全性分析

垂直升降式立體車庫的安全性是由其自身決定的，而其中安全功能最集中的表現(xiàn)便是升降臺(tái)，升降臺(tái)擁有許多的安全保護(hù)功能，如終端過沖保護(hù)功能、升降超速保護(hù)功能、突然停止保護(hù)功能及升降撞底保護(hù)功能等。當(dāng)升降臺(tái)在升降過程中失去控制，會(huì)給車輛與人員帶來巨大的安全威脅，因此必須采取相應(yīng)措施來加強(qiáng)升降臺(tái)在升降過程中的控制，而升降超速保護(hù)功能便是其中最主要的體現(xiàn)，它通過安全鉗與限速器來對升降臺(tái)的升降速度進(jìn)行控制，當(dāng)升降臺(tái)的升降速度超過規(guī)定值時(shí)，限速器中的機(jī)械結(jié)構(gòu)便會(huì)進(jìn)行動(dòng)作，將故障信號(hào)發(fā)送給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)將電源切斷，這時(shí)鋼絲繩會(huì)因卡住而迫使安全鉗產(chǎn)生動(dòng)作，進(jìn)而使升降臺(tái)的升降被強(qiáng)制停止。而如果立體車庫的抱閘系統(tǒng)制動(dòng)減弱時(shí)并且鋼絲繩發(fā)生斷裂，這時(shí)就會(huì)造成升降臺(tái)撞底或沖頂，為了避免或降低撞底或沖頂造成的損害，需要安裝必要的耗能型油壓緩沖裝置，以此起到緩沖作用。此外，為了避免升降臺(tái)在發(fā)生故障時(shí)到達(dá)底層或頂層后繼續(xù)升降，應(yīng)通過終端極限裝置來實(shí)施保護(hù)，并利用曳引機(jī)來對升降臺(tái)進(jìn)行移動(dòng)。為了確保升降臺(tái)在運(yùn)行過程中發(fā)生故障或系統(tǒng)不能啟動(dòng)時(shí)，需要通過安全機(jī)構(gòu)來對升降臺(tái)進(jìn)行停機(jī)保護(hù)，以此確保車輛停放安全。垂直升降式立體車庫按照其車輛存取流程進(jìn)行分析，可以劃分成六個(gè)子系統(tǒng)，分別是入庫信息掃描子系統(tǒng)、升降機(jī)構(gòu)控制子系統(tǒng)、車輛位置及重量檢測子系統(tǒng)、橫移機(jī)構(gòu)控制子系統(tǒng)、通信總線子系統(tǒng)及操作指令子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)的可靠度分別用k1至k6進(jìn)行表示，整體系統(tǒng)可靠度用進(jìn)行表示。

二、基于安全可靠性的垂直升降式立體車庫設(shè)計(jì)

（一）垂直升降式立體車庫安全可靠性設(shè)計(jì)

在垂直升降式立體車庫的安全可靠性設(shè)計(jì)中，需要按照兩個(gè)步驟進(jìn)行，第一個(gè)步驟是利用可靠性預(yù)計(jì)方法對可靠性進(jìn)行預(yù)計(jì)，第二個(gè)步驟需要對預(yù)計(jì)后的可靠性進(jìn)行合理配置。對于可靠性預(yù)計(jì)來說，是通過對立體車庫的歷史故障數(shù)據(jù)及內(nèi)部元器件故障發(fā)生幾率等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行收集與分析，以此準(zhǔn)確預(yù)計(jì)立體車庫所需要的可靠度。在立體車庫中，其所劃分的六個(gè)子系統(tǒng)屬于串聯(lián)系統(tǒng)，因此可以表示成。需要提到的是入庫信息掃描子系統(tǒng)的掃描功能由IC卡或鍵盤錄入完成的，操作指令子系統(tǒng)的指令下達(dá)功能則是由操作軟件或控制板來完成的，分別用進(jìn)行表示，它們是屬于并聯(lián)結(jié)構(gòu)的，因此可以表示為。由于這兩個(gè)子系統(tǒng)屬于并聯(lián)結(jié)構(gòu)，并且可靠度是以負(fù)指數(shù)形式分布的，因此可以將其作為組合子系統(tǒng)進(jìn)行處理，并利用進(jìn)行計(jì)算，由此可以得出，進(jìn)而推導(dǎo)出，在該公式中，系統(tǒng)的故障率預(yù)計(jì)值用進(jìn)行表示，立體車庫的無故障平均時(shí)間用表示，立體車庫中的子系統(tǒng)故障率預(yù)計(jì)值則用表示。

（二）垂直升降式立體車庫安全可靠性配置

在對垂直升降式立體車庫的可靠度進(jìn)行預(yù)計(jì)后，便要對其進(jìn)行可靠度配置，對可靠度的配置需要遵循以下要求，首先，如果某些子系統(tǒng)對可靠性的要求較高而又難以滿足時(shí)，應(yīng)對可靠性要求適當(dāng)降低。其次，如果某些子系統(tǒng)對可靠性的要求較高但能夠通過相應(yīng)手段進(jìn)行滿足時(shí)，應(yīng)對可靠性要求適當(dāng)調(diào)高。最后，在對車庫的總體可靠性要求進(jìn)行滿足的前提下需要盡最大可能的降低成本。在進(jìn)行可靠度配置時(shí)，采用故障率權(quán)重分配法來對權(quán)重值進(jìn)行劃分，以此實(shí)現(xiàn)對可靠度的科學(xué)配置。在進(jìn)行配置之前，應(yīng)對垂直升降式立體車庫的六個(gè)子系統(tǒng)的故障率權(quán)重進(jìn)行明確，然后進(jìn)行可靠度配置，進(jìn)而得出，在該公式中，立體車庫整個(gè)系統(tǒng)的故障率需求值用表示，而整個(gè)系統(tǒng)中的六個(gè)子系統(tǒng)所需故障率需求值用表示，由此可以通過公式計(jì)算出這六個(gè)子系統(tǒng)的權(quán)重值，然后通過根據(jù)小于1及其特點(diǎn)可以得知，子系統(tǒng)的權(quán)重值越高，則代表其配置后的可靠度就越少。

（三）可行性驗(yàn)證

為了對這種方法的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，本文假設(shè)在某個(gè)垂直升降式的立體車庫中，其整個(gè)系統(tǒng)的可靠度是0.9，將該可靠度分別配置給六個(gè)子系統(tǒng)，以此算出這六個(gè)子系統(tǒng)的可靠度配置值。在對該車庫的六個(gè)子系統(tǒng)可靠度進(jìn)行配置之前，需要對可靠度采用可靠度預(yù)計(jì)方法進(jìn)行預(yù)計(jì)，但由于這些子系統(tǒng)中的元件及設(shè)備并沒有對可靠度進(jìn)行明確，因此需要對這六個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)際使用情況進(jìn)行分析，然后才能利用可靠度預(yù)計(jì)方法來進(jìn)行可靠度預(yù)計(jì)。在該案例中，為了便于可靠度預(yù)計(jì)，該立體車庫的六個(gè)子系統(tǒng)所采用的元件及設(shè)備全部是品牌產(chǎn)品，并從參考值中對這六個(gè)子系統(tǒng)的可靠度預(yù)計(jì)值進(jìn)行獲取。然后對這六個(gè)子系統(tǒng)的預(yù)計(jì)故障率，即權(quán)重值進(jìn)行計(jì)算，然后根據(jù)公式來對這六個(gè)子系統(tǒng)的可靠度配置情況進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果為

依據(jù)配置結(jié)果來分析，對于立體車庫中的某些子系統(tǒng)可靠性不能夠滿足實(shí)際使用要求時(shí)，應(yīng)通過相應(yīng)措施來適當(dāng)提高可靠性。

三、增強(qiáng)安全可靠性的垂直升降式立體車庫的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

（一）控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

垂直升降式立體車庫控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要包括兩個(gè)部分，分別是硬件部分與軟件部分，對于硬件部分來說，應(yīng)通過集散控制方式將系統(tǒng)劃分成若干個(gè)獨(dú)立的單元，這樣當(dāng)某個(gè)單元發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)對整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而達(dá)到提高可靠性的目的。在硬件的布線系統(tǒng)中，還應(yīng)利用CAN總線技術(shù)來對控制器進(jìn)行控制。在硬件中，升降系統(tǒng)的準(zhǔn)確停層十分重要，它是利用編碼器來實(shí)現(xiàn)位移值計(jì)算的，但這樣可能會(huì)由于編碼器信號(hào)不準(zhǔn)確而造成位移值反饋發(fā)生偏差，因此建議在每層中分別安裝反光片，并將光電傳感器與反光片進(jìn)行配合使用來對位移值進(jìn)行校準(zhǔn)。在上位機(jī)中，應(yīng)通過雙機(jī)冗余系統(tǒng)來消除主機(jī)故障影響，當(dāng)上位機(jī)發(fā)生故障時(shí)，可以更換備用機(jī)來使系統(tǒng)得以繼續(xù)運(yùn)行。在橫移機(jī)構(gòu)中，可以利用正反向接觸器來實(shí)現(xiàn)硬件聯(lián)索。對于硬件中的某些關(guān)鍵部件，應(yīng)通過冗余技術(shù)來提高系統(tǒng)的容錯(cuò)率，這些需要采取冗余技術(shù)的關(guān)鍵部件主要包括備用系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)及表決系統(tǒng)。此外，為了加強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，應(yīng)利用不間斷電源與交流電源對稱濾波技術(shù)來消除側(cè)干擾的影響。

對于軟件部分來說，應(yīng)在升降臺(tái)與庫位中全部安裝傳感器，并對傳感器狀態(tài)及系統(tǒng)狀態(tài)的一致性進(jìn)行檢測，當(dāng)存在不一致時(shí)便會(huì)對故障進(jìn)行檢測并報(bào)警。軟件的時(shí)間保護(hù)值的設(shè)置中，應(yīng)按照升降臺(tái)在升降時(shí)的一層所用最長時(shí)間及橫移時(shí)的最長時(shí)間來進(jìn)行設(shè)置。對于軟件部分的抗干擾性能來說，在進(jìn)行信號(hào)輸入時(shí)，應(yīng)在滿足采樣要求的基礎(chǔ)上設(shè)置一定時(shí)間的延時(shí)再進(jìn)行采樣，以此確保采樣穩(wěn)定，而在信號(hào)輸出時(shí)，應(yīng)利用短時(shí)間重復(fù)輸出的方式進(jìn)行。需要注意的是，為了使軟件的程序更加穩(wěn)定可靠，應(yīng)將其分解成若干個(gè)相互獨(dú)立的子程序，以便于后續(xù)對這些子程序的調(diào)試與修改。

（二）傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

對于傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要包括鋼絲繩的優(yōu)化設(shè)計(jì)與鏈條的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對于鋼絲繩的優(yōu)化設(shè)計(jì)來說，滑輪的直徑要較大，并且在安裝時(shí)注意反向彎曲現(xiàn)象的出現(xiàn)，鋼絲繩的選擇應(yīng)為面接觸或線接觸的，并具有良好的防腐蝕性，同時(shí)還要選用深槽輪來降低磨損，并進(jìn)行定期上油保養(yǎng)。對于鏈條可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)來說，應(yīng)選擇鏈傳動(dòng)方式，并按設(shè)計(jì)要求及實(shí)際使用情況來對鏈條型號(hào)進(jìn)行規(guī)范選擇，同時(shí)在鏈條安裝時(shí)要確保鏈條與載車板連接點(diǎn)的合理性，并使各段鏈條所受荷載盡量相同。

結(jié)語：

實(shí)踐證明，將垂直升降式立體車庫進(jìn)行子系統(tǒng)劃分來進(jìn)行可靠度的預(yù)計(jì)與配置，能夠顯著提高立體車庫的安全可靠性，有效保障了車輛及人員的安全，為垂直升降式立體車庫的科學(xué)合理設(shè)計(jì)與高效使用提供十分寶貴的借鑒意義。

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