多巷道式立體車庫優化設計與車輛存取策略研究

丁述勇，張 征，丁文潔，林 勇

（1.浙江工業大學之江學院，浙江紹興312030；2.浙江工業大學機械工程學院，浙江杭州310014）

立體車庫具有人車分離，車輛存取高效、安全等特點，已成為城市重要的停車場地［1］。汽車在立體車庫中垂直循環停放，節省了土地資源。目前市場上智能化立體車庫可以實現人車分離后自動運輸車輛的功能。從運輸形式上看，立體車庫主要分為垂直升降式、平面移動式和巷道堆垛式幾類［2］。垂直升降式車庫最節省地表空間，智能化程度較高，可前進前出，但有地下縱深大或地上高度高的要求，建造成本較高；平面移動式車庫無提升機構，每層都須設置進出口，靈活性較差，且占用了較大的平面面積；巷道堆垛式車庫兼有垂直升降式和平面移動式車庫的特點，容量大，靈活性好，可根據不同的空間設置不同的巷道數和垂直層數，且建造成本較低。近年來出現了基于自動導引運輸車的平面車庫，其技術新穎，車輛運輸速度快，但因造價過高而難以市場化。對比各類車庫的技術特點、容量、建造成本后可知，巷道堆垛式立體車庫是目前建造性價比最高的［3］。

在巷道堆垛式立體車庫中，完成堆垛動作的水平傳輸機構主要有固定式梳齒搬運機構、活動式梳齒搬運機構和夾舉式搬運機構幾種。固定式梳齒搬運機構的定位精度不高；活動式梳齒搬運機構結構復雜，外形較大，成本較高；夾舉式搬運機構對輪胎有一定的損傷［4］。通常，水平傳輸機構將汽車提升至堆垛貨架上方后放下來完成堆垛交換。提升時汽車重量會使巷道機車產生側傾力矩，當巷道機車將汽車提升至一定高度后會因側傾力矩過大而影響行車安全。現有巷道堆垛式車庫在運行的安全性和節能減時方面還有一定的優化空間。優化設計后其水平傳輸機構將汽車重量通過輥道傳遞給堆垛貨架，不僅消除了巷道機車的側傾力矩，而且減少了能耗與堆垛時間。

為了使巷道式立體車庫運行的能耗和時耗達到最低，國內外許多學者進行了車輛存取策略研究，已經形成了連續存車優先、連續取車優先、原地待命、交叉排隊存取等4種車輛存取策略［5-9］。他們依據不同的車庫特點和分析算法得出了不同的車輛存取策略。為緩解車輛擁堵，在存車高峰時選擇“連續存車優先”策略，在取車高峰時選擇“連續取車優先”策略，在非存取車高峰時段選擇“原地待命”策略，存取車數量相當時選擇“交叉排隊存取”策略［7］。研究表明，采取“原地待命+交叉排隊存取”策略可以使單巷道式車庫運行的能耗和時耗最低。已有的策略研究或基于單巷道式車庫的結構特點分析其運行的能耗和時耗［10-12］，或以排隊理論分析車輛存取的效率［13-14］，或通過算法尋優去驗證策略的合理性［15-17］，都沒有根據工程實際需要考慮策略的實際應用問題，并且對車主等待服務的滿意度指標考慮不周。

高層容量大、結構簡單、成本低、智能化程度高、機械效率高是巷道式立體車庫的設計目標。但容量大必然造成車輛存取服務繁忙，在車輛存取高峰時易造成擁堵。單巷道式車輛存取不能解決實際擁堵問題，大容量巷道式立體車庫必須采取多巷道設計。發生車輛存取擁堵時，車主等待服務的滿意度會隨等待時間的增加而降低［18］。在多巷道式車庫存車時可采取多服務臺排隊系統下提高顧客等待服務滿意度的排隊管理策略［19］，而取車時由于取車位置固定只適用排隊理論中的單服務臺模型，故取車時車主等待服務的滿意度受擁堵時間影響的敏感度較大。基于上述思路，筆者設計了一種新型多巷道式立體車庫，結合多巷道式立體車庫的結構特點，從車主等待服務的滿意度和工程應用技術的角度出發，提出一種“取車優先+交叉排隊存取”的車輛存取自動化控制策略。

1 多巷道式立體車庫的優化設計

多巷道式立體車庫采用鋼架結構，可在地上或地下建造。車庫設置K個巷道。立體車庫整體平面示意圖如圖1所示。

圖1 多巷道式立體車庫整體平面示意圖Fig.1 Schematic diagram of the overall plan of multilane stereo garage

車庫設中央控制主機1臺，用以統計K個巷道內空車位數量和號碼，并且求解各巷道的最優存車路線。在車道上方電子指示牌上顯示各巷道的空車位數量，提示待停車車主根據各巷道的等候狀態選擇合理的巷道口等候。多巷道式立體車庫的結構如圖2所示。每個巷道含人機分離艙、巷道機車、隨行承載板庫和堆垛式儲架。

圖2 多巷道式立體車庫的結構Fig.2 Structure of multi-lane stereo garage

車庫由機電執行系統和計算機控制系統兩大部分構成。

1.1 機電執行系統

多巷道式立體車庫的機電執行機構包括人車分離艙、水平傳輸機構、提升機構、堆垛式儲架、隨行承載板庫和安全保護機構。其中，堆垛式儲架、隨行承載板庫和水平傳輸機構分別如圖3至圖5所示，水平傳輸機構中巷道機車的結構如圖6所示。巷道機車是安裝在巷道地軌上的有軌電車，提升機構安裝在巷道機車的機架上。

圖3 堆垛式儲架示意Fig.3 Schematic of stackable storage rack

圖5 水平傳輸機構示意Fig.5 Schematic of horizontal transmission mechanism

圖6 巷道機車的結構Fig.6 Structure of roadway locomotive

車庫的堆垛式儲架類似于貨架。將其存放單元格的水平位置和垂直位置分別標上1，2，……等序號，則某一單元格的位置表示為“水平位置序號-垂直位置序號”的形式，如2-3。每個單元格分配有唯一號碼，且裝有反射式光電位置傳感器，以判斷其是否有隨行承載板。如有，則此位置為非空；如無，則此位置為空。

圖4 隨行承載板庫示意Fig.4 Schematic of accompanying bearing plate warehouse

以往水平傳輸機構通過將車輛抬起、展臂伸出、展臂下降、展臂縮回四個動作完成堆垛動作。經過優化設計，水平傳輸機構完成堆垛動作的過程為：電機通過滾珠絲杠驅動抓取機構作水平運動，抓料鉤推動隨行承載板上的金屬銷而帶動隨行承載板；隨行承載板由水平傳輸機構的輥道被推送至堆垛式儲架單元格的輥道上，直到裝在水平傳輸機構末端的限位機械擋塊觸發抓取機構中的機械式觸動機構，抓料鉤脫鉤、歸位，完成存車并觸發水平傳輸機構的行程開關，觸發信號傳至上位機將所存單元格標記為非空。取車時電機反轉，機械擋塊觸動抓取機構使抓料鉤抱抓隨行承載板上的金屬銷，將隨行承載板拉至巷道機車上。可見，完成堆垛動作只需要1個電機且只有1個動作，總時間與以往進行堆垛動作時的展臂伸出時間相當，省去了完成其他3個動作所需的時間。因此，該設計不僅節省了1個為抬升車輛配置的電機的硬件成本，還具有明顯的節能減時效果。

在巷道地軌上裝有反射式光電位置傳感器，用以定位巷道機車的水平位置。在提升機構的導軌上也裝有反射式光電位置傳感器，以保證巷道機車垂直位置的準確性。在每個單元格的水平導軌上同樣裝有反射式光電位置傳感器，用以判斷汽車是否已經準確入庫。如果汽車入庫完畢，則水平傳輸機構的抓料鉤歸位，同時通知計算機控制系統此位置已有車輛，該空位號碼失效。

1.2 計算機控制系統

多巷道式立體車庫的計算機控制系統主要由控制室內的上位機（電腦服務器）和巷道機車上的下位機（PLC，programmable logic controller，可編程控制器）組成，如圖7所示。

圖7 多巷道式立體車庫計算機控制系統的構成Fig.7 Composition of computer control system of multi-lane stereo garage

上位機完成空位查找、路線尋優、空位顯示、有效空位判定、候車信息提示、存取車輛信息讀取、費用計算、下位機采集的各種位置信息的收集等工作。下位機根據上位機發出的指令，控制各個電機運行，使水平傳輸機構運動到指定位置完成存取車動作。上位機的主要功能為：1）車庫各巷道內的空位判斷與擁堵情景分析，引導車主將汽車駛到最合理的巷道；2）車庫門口發生擁堵時選擇合理的存取車策略；3）人機交互；4）計時計費；5）故障報錯；6）行車路線規劃，并向下位機發出存取車的位置信息和動作指令；7）接收到堆垛單元格的傳感器信號和下位機的運動信號后實時更新后臺數據庫信息；8）后臺數據庫信息的存儲。

采用Qt框架設計車輛存取的人機交互界面。設計的人機交互界面如圖8所示。

圖8 車輛存取的人機交互界面示意Fig.8 Schematic of human-machine interactive interface for vehicle access

利用Signal-Slot機制可以從后臺查看到車庫內各個車位的使用狀況。如果車位單元格顯示紅燈和車輛模型，表示該車位有車；如果車位單元格顯示綠燈且無車輛模型，表示該車位無車，處于閑置狀態。車位使用狀況后臺判斷界面如圖9所示。車位只有同時被上位機和堆垛單元格內的光電位置傳感器判斷為空或非空后，才能進行存取車；否則，該車位存在故障，需操作員進入車庫進行故障排查。

圖9 車位使用狀況后臺判斷界面Fig.9 Background judgment interface of parking space usage

2 車輛存取策略研究

位于城市中的醫院、大型超市、大型綜合辦公樓等處的立體車庫易出現存取車擁堵現象。除采取如增加巷道數量等硬件上的解決措施外，通過車輛存取策略的優化在一定程度上也能緩解這一現象。

根據Kallo等的研究［18］，車主等待服務的滿意度s與等待時間t呈負指數關系：

式中：β表示s對t的敏感程度，β≥0。

設車庫有K條巷道，s與t的關系如圖10所示［18］。

圖10 車主等待服務的滿意度s與等待時間t的關系Fig.10 Relationship between satisfaction degree of car own‐er’s waiting for the service s and waiting time t

存車車主面對K條巷道有K條路徑可以選擇。各巷道口處的電子顯示牌提示車庫每個巷道內的空位情況和巷道口的擁堵程度。“交叉排隊存取”策略下時間不公正現象對存車等待服務滿意度的影響不大，存車車主的服務滿意度較恒定。而取車位置是確定不變的，無論是在存車高峰還是在取車高峰，取車車主都須在確定的巷道口等待，即取車時K=1。若取車車主原地等待的時間超過ta（預設為15 min），車主會進入等待焦慮期，此時在“交叉排隊存取”策略下若時間排序在其之后的存車車主優先進入服務，則其服務滿意度會大大降低。因此，為提高取車車主的服務滿意度，提出“取車優先+交叉排隊存取”策略。“取車優先”策略還具有盡快解除車位占用、增加車庫空位資源的優勢。

計算機控制系統根據取車繳費信息核算出當前預取車數m。通過視頻技術自動判斷并記錄巷道等待區的存車數n。設在“原地待命+交叉排隊存取”策略下存取1輛車的平均模糊時間為t1，則構造模糊不滿意度指標a：

控制系統選擇存取車策略的流程如圖11所示。

圖11 控制系統選擇存取車策略的流程Fig.11 Process for control system to select the velicle access strategy

當系統判定當前為取車高峰時，選擇“取車優先”策略，進行取車動作；取車后取車序列中汽車減少1 輛，隨行承載板被送入隨行承載板庫，用于下一次取車，直到預取車數與預存車數相等；重新判定當前新的預取車數和預存車數，若判定為非取車高峰，則選擇“原地待命+交叉排隊存取”策略，取存車動作交互進行。無存取車信息時，巷道機車進入原地待命狀態。

當系統選擇“原地待命+交叉排隊存取”策略時，下一個取車位置是固定的。空位時間尋優算法則根據下一個取車位置尋找合適的存車位置。設下一個取車位置為J-L，尋優目標空位為x1-x2。巷道機車的水平移動與垂直移動可同時進行，存車時巷道機車水平移動時間和垂直移動時間分別為tx1、tx2，水平傳輸機構完成一次堆垛的時間為常量tc，則當前存車的時間為max（tx1，tx2）+tc。

巷道機車從存車位置到取車位置的水平移動時間和垂直移動時間分別為tx1-J、tx2-L，則從存車位置至取車位置的取車時間為max（tx1-J，tx2-L）+tc。可得存取車累計時間的目標函數為：

若無取車信息，存車按就近原則尋找耗時最少的空位，此時存取車累計時間的目標函數為：

利用MATLAB 軟件的遺傳算法（genetic algo‐rithm，GA）工具箱［20］分別求解上述目標函數的最小值。

在制定存取車策略時，采用構造的模糊不滿意度指標可以減少計算機編程難度；利用遺傳算法對空位尋優使交叉排隊存取車時間得以優化，實現了低能耗、低時耗的設計要求。

3 總結

與現有立體式車庫人車分離技術相比，多巷道式立體車庫的多巷道口存車緩解了存車時的車輛擁堵狀況，“取車優先”策略提升了取車車主等待服務的滿意度。水平傳輸機構的抓取機構對比目前已有的水平傳輸機構省去了堆垛時電機回程等動作，減少了堆垛時間。

通過多巷道式立體車庫機構的優化設計與車輛存取優化策略的實施縮短了巷道機車的移動時間，有效減少了巷道機車的多余空行程，實現了省時節能目標。多巷道式立體車庫為緩解日益緊張的城市停車難的現狀提供了一種設計借鑒。