深井式停車庫存取車控制系統(tǒng)研究

摘? 要：文章介紹了深井式立體停車庫的主要結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式，設(shè)計(jì)一種基于上下位機(jī)的深井式停車庫存取車控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有智能調(diào)度、可視化操作、全過程安全監(jiān)測及故障預(yù)警等特點(diǎn)。同時(shí)，介紹了存取車控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)，并基于車庫總體存取車需求和客戶個(gè)體存取車需求的差異，提出存取車運(yùn)維調(diào)度策略和故障監(jiān)測及預(yù)警方案，優(yōu)化了現(xiàn)有深井式停車庫的運(yùn)維方案。

關(guān)鍵詞：深井式；立體車庫；控制系統(tǒng)；智慧運(yùn)維

中圖分類號：TP39；U491.7? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：2096-4706（2023）08-0138-03

Abstract： This paper introduces the main structure and operation mode of deep well stereo parking garage， and designs a access vehicle control system for deep well parking garage based on upper and lower computers. The system has the characteristics of intelligent dispatching， visual operation， whole process safety monitoring and fault early warning. At the same time， the hardware configuration of the access vehicle control system is introduced， and based on the difference between the overall access vehicle demand of the garage and the individual access vehicle demand of the customer， the access vehicle operation and maintenance scheduling strategy and the fault monitoring and early warning scheme are proposed， which optimizes the existing operation and maintenance scheme of the deep well parking garage.

Keywords： deep well; stereo garage; control system; intelligent operation and maintenance

0? 引? 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國汽車保有量不斷增加，截至2022年9月，全國汽車保有量達(dá)3.15億輛，汽車給人們帶來方便快捷的出行方式的同時(shí)，也帶來了較大的停車?yán)_。隨著城市化的快速推進(jìn)，城市交通擁堵問題的日漸嚴(yán)重，同時(shí)由汽車停車問題引起的城市靜態(tài)交通問題變得日益嚴(yán)重。特別是城市中心城區(qū)，其土地開發(fā)程度較高、地段價(jià)格相對更加昂貴，地面的停車空間開發(fā)和利用逐漸趨向飽和，規(guī)劃日益嚴(yán)苛，開發(fā)成本快速上升，無法繼續(xù)常規(guī)開發(fā)大規(guī)模建設(shè)停車場。

因此，為解決城市停車難問題，多地提出了深井式立體停車庫解決方案，最大限度提高了城市小規(guī)模地塊土地的使用效率[1]。同時(shí)，隨著近年來國家不斷出臺相關(guān)政策鼓勵立體停車庫的投資和建設(shè)，立體停車庫呈現(xiàn)良好的發(fā)展態(tài)勢。但從目前實(shí)際的使用過程中來看，深井式立體停車庫普遍存在存取車時(shí)間較長、耗能過高、智能化程度不高、難以維修保養(yǎng)等問題。因此，為了實(shí)現(xiàn)深井式立體停車庫自動化運(yùn)行以及科學(xué)高效運(yùn)維調(diào)度，本文提出一種基于上下位機(jī)的深井式立體停車庫存取車控制系統(tǒng)，提出了一種深井式立體停車庫的總體設(shè)計(jì)方案、存取車控制系統(tǒng)的硬件軟件組態(tài)及設(shè)計(jì)、基于車庫總體存取車需求和客戶個(gè)體存取車需求的差異，提出存取車運(yùn)維調(diào)度策略，以及提出車庫故障監(jiān)測及預(yù)警設(shè)計(jì)方案，為進(jìn)一步優(yōu)化深井式停車庫運(yùn)維提供基礎(chǔ)。

1? 深井式立體車庫介紹及總體設(shè)計(jì)

深井式停車庫利用城市邊角地建造車庫，車庫將汽車分層停到地下幾十米深處，最大限度地提高土地使用面積，為城市“停車難”提供了一種全新的技術(shù)解決方案[2]。相比于其他類型停車庫，深井式立體停車庫降低了停車開發(fā)成本，減少了對綠地的損壞，減少了對人類生存環(huán)境的破壞。有停車密度高、性價(jià)比高、有效利用城市邊角地及地下深層空間、集約用地、節(jié)約用地等特點(diǎn)[3]。

如圖1所示，深井式停車庫主要由圓形車庫結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)升降裝置、車輛搬運(yùn)器、地面存取車庫房基礎(chǔ)設(shè)施等組成，其內(nèi)部車位呈放射狀布置，如圖2所示，每層的存車數(shù)量取決于圓井的直徑。

其中，地面存取車庫房設(shè)施包括引導(dǎo)路段系統(tǒng)、智能卡口系統(tǒng)、存取車緩存車庫、檢修爬梯、刷卡機(jī)、車輛尺寸監(jiān)測裝置、生命監(jiān)測裝置等服務(wù)設(shè)施。深井式立體車庫采用搬運(yùn)器在同一平面內(nèi)存取車輛，采用旋轉(zhuǎn)升降設(shè)備上下運(yùn)輸車輛，存車架由圓形提升裝置向外呈放射狀排布，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)停車庫工作時(shí)，客戶首先根據(jù)車庫外的引導(dǎo)系統(tǒng)，將車輛開往指定存車入口，并將車輛駛?cè)氲孛嬷付ň彺孳噹臁４緳C(jī)完成停車并刷卡離開后，緩存車庫門關(guān)閉，庫內(nèi)的車輛尺寸監(jiān)測裝置開始掃描車身尺寸，車身尺寸掃描完成后，根據(jù)車輛尺寸合理安排存車位置。同時(shí)，紅外探測裝置開始檢測車內(nèi)是否存在乘客，并確保無乘客。檢測完畢后，緩存車庫與主體圓井車庫之間的間隔門打開，由車輛搬運(yùn)器將車輛由緩存車庫搬運(yùn)至主體車庫的旋轉(zhuǎn)升降裝置。此后緩存車庫與主體圓井車庫之間的隔門關(guān)閉，隨后升降裝置經(jīng)過下降、旋轉(zhuǎn)到達(dá)指定存車位置，再由搬運(yùn)器將車輛存放至指定車架，最后升降設(shè)備回歸地面，等待下一輛待停車輛，取車過程類似[4]。

2? 深井式停車庫存取車控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

本深井式立體車庫控制系統(tǒng)主要硬件設(shè)備及其組態(tài)，如圖3所示，控制系統(tǒng)主要由工控機(jī)、預(yù)約系統(tǒng)、PLC、HMI、IO模塊、現(xiàn)場總線模塊、驅(qū)動電機(jī)、各類視頻攝像頭和相關(guān)信號傳感器等組成。

其中，升降機(jī)用于承載車輛，并在庫內(nèi)的上下升降移動，搬運(yùn)器用于車輛的存取動作，以上設(shè)備均由伺服電機(jī)驅(qū)動；刷卡機(jī)用于讀取地面人員所需存取車地址，并將地址發(fā)送給控制系統(tǒng)；車庫內(nèi)部軌道、滑觸線、軸承、車架、液壓缸、齒輪等核心部件布局限位、振動、噪聲、溫度、水位等相關(guān)傳感器，用于保障機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的限界安全，并提供相關(guān)核心部件實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測信息，用于指導(dǎo)深井式立體停車庫核心設(shè)備的預(yù)防性維修及保養(yǎng)；HMI作為PLC控制器的人機(jī)交互界面載體，其控制優(yōu)先級高于上位機(jī)工控機(jī)，主要在設(shè)備調(diào)試、檢修、測試時(shí)的人機(jī)交互操作，其主要由專業(yè)的維修保養(yǎng)人員進(jìn)行操作；PLC作為主控單元，通過現(xiàn)場總線模塊與刷卡機(jī)、升降機(jī)電機(jī)、搬運(yùn)器電機(jī)等設(shè)備通信，接收刷卡機(jī)發(fā)送的存取車地址信息以及升降設(shè)備、搬運(yùn)器的編碼器信息，也可向電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送控制指令。通過IO模塊與限位、振動、噪聲、溫度、水位、紅外等相關(guān)傳感器通信，收集車庫核心部件的狀態(tài)安全數(shù)據(jù)，并通過現(xiàn)場總線模塊，以報(bào)文的形式發(fā)送至工控機(jī)，供工控機(jī)進(jìn)行計(jì)算或人機(jī)交互使用。工控機(jī)作為PLC上位機(jī)，與預(yù)約存取車系統(tǒng)通信，獲得存取車預(yù)約信息，并結(jié)合目前車庫運(yùn)行狀態(tài)，計(jì)算調(diào)度策略，指導(dǎo)下位機(jī)發(fā)送指令。并利用庫內(nèi)傳感器數(shù)據(jù)，監(jiān)測計(jì)算設(shè)備狀態(tài)，通過人機(jī)交互界面展示。

綜上所述，如圖4所示，上位工控機(jī)基于其計(jì)算能力及交互性優(yōu)勢，負(fù)責(zé)深井式立體停車庫整體運(yùn)行策略和故障監(jiān)測預(yù)警的計(jì)算以及對外人機(jī)交互；下位PLC基于其邏輯控制能力及數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)勢，負(fù)責(zé)機(jī)械設(shè)備的動作邏輯控制以及數(shù)據(jù)的報(bào)文化上傳；傳感器負(fù)責(zé)深井式立體停車庫主要核心部件的限界監(jiān)測和狀態(tài)監(jiān)測，執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)動作的執(zhí)行。

3? 深井式停車庫調(diào)度策略設(shè)計(jì)

除硬件設(shè)備外，調(diào)度策略是影響深井式立體停車庫效率的重要因素之一，調(diào)度策略包括車庫的運(yùn)營策略和存車模式，面向深井式立體停車庫總體的存取車需求，提出深井式立體停車庫運(yùn)營策略，面向客戶個(gè)體存取車需求，提出深井式立體停車庫存車模式，分別如圖5所示。

在運(yùn)營策略方面，由于深井式車庫主要分布于城市醫(yī)院、公園、辦公大樓等邊角地區(qū)，其存、取車服務(wù)需求隨時(shí)間、節(jié)日具有波動性。因此，系統(tǒng)將車庫服務(wù)狀態(tài)分為存車高峰、取車高峰和平峰三個(gè)時(shí)期。當(dāng)車庫處于存車高峰期時(shí)，存車頻率較高，車庫采取存車優(yōu)先策略，即每當(dāng)完成存取車動作后，若后續(xù)無任務(wù)，升降機(jī)立即回到地面層，等待下一輛待存車輛，節(jié)省存車時(shí)間；當(dāng)車庫處于取車高峰期時(shí)，取車頻率較高，車庫采取取車優(yōu)先策略，即每當(dāng)完成取車動作后，若后續(xù)無任務(wù)，升降機(jī)立即回到車庫中間層，等待下次取車動作，節(jié)省取車時(shí)間。當(dāng)車庫處于平峰期時(shí)，此時(shí)存取車需求隨機(jī)性較強(qiáng)，升降設(shè)備采用原地待命策略，即完成存車任務(wù)后，升降設(shè)備于車庫內(nèi)原地待命，或完成取車任務(wù)后，升降設(shè)備于地面層原地待命，等待下次存車或取車任務(wù)，并結(jié)合預(yù)約系統(tǒng)的預(yù)約情況，合理提前調(diào)整升降機(jī)位置。

在存車模式方面，由于不同客戶停車需求存在差異，因此將存車模式分為短暫臨時(shí)停車模式、規(guī)律停車模式和長時(shí)停車模式[5]，存車前，客戶根據(jù)需求選擇停車模式，車庫根據(jù)不同的客戶停車需求采用對應(yīng)的存車模式，節(jié)省綜合存取車時(shí)間。對于短暫臨時(shí)停車客戶，一般存車時(shí)長為2～3小時(shí)，存車時(shí)間較短，因此將車存放至車庫上層，縮短取車等待時(shí)間。并根據(jù)客戶實(shí)際取車時(shí)間情況，為用戶ID附加信用系數(shù)，作為該用戶下次使用短暫臨時(shí)停車模式時(shí)，車庫控制系統(tǒng)的決策依據(jù)。對于上班族等規(guī)律停車客戶，存車時(shí)間范圍分布較廣，為3～12小時(shí)，但其存車時(shí)間具有一定的規(guī)律性。因此基于其日常存取車時(shí)長的規(guī)律性，根據(jù)日常存車時(shí)長短，將車存放至車庫上中下部對應(yīng)車位。對于長時(shí)停車客戶，一般存車時(shí)長為12小時(shí)以上，存車時(shí)間較長，因此將其車輛存放至車庫下部，降低其他短時(shí)存放車輛的存取車時(shí)長。

4? 深井式停車庫故障檢測預(yù)警功能設(shè)計(jì)

當(dāng)前深井式立體停車庫維修主要依靠維修人員被動維修，即當(dāng)車庫內(nèi)機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障后，影響了車庫正常運(yùn)行，此時(shí)由維修人員通過檢修爬梯前往故障地點(diǎn)進(jìn)行故障后維修或核心部件的更換，在此維修過程中車庫無法正常運(yùn)行，降低了深井式立體停車庫的使用效率，并且存在一定的安全隱患。因此，為了解決深井式立體車庫的科學(xué)維修保養(yǎng)問題，設(shè)計(jì)了深井式停車庫故障檢測及預(yù)警功能模塊，系統(tǒng)通過對車庫核心設(shè)備及部件的實(shí)時(shí)監(jiān)測，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和深度學(xué)習(xí)算法研究故障預(yù)警趨勢，實(shí)現(xiàn)立體車庫相關(guān)設(shè)備的故障預(yù)測及健康管理，改傳統(tǒng)的“定期維修”“故障修”為“預(yù)防修”，可有效減少事故發(fā)生、減少深井式立體車庫全壽命周期的維修費(fèi)用。

深井式立體停車庫故障監(jiān)測及預(yù)警方案示意圖如圖6所示，本系統(tǒng)分為采集層、特征層和決策層。其中，數(shù)據(jù)采集層通過噪聲、振動、溫度、環(huán)境監(jiān)測等物聯(lián)網(wǎng)傳感器對深井式立體車庫電機(jī)、液壓缸、齒輪、拉鉤、軸承等主要核心部件的各種運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，將采集到的數(shù)據(jù)傳送到后臺服務(wù)器進(jìn)行存儲，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行格式結(jié)構(gòu)處理和歸類學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)對車庫相關(guān)設(shè)備設(shè)施多源融合信息的采集，為數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。特征層采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對采集層傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和智能分析，綜合總結(jié)各類故障的數(shù)據(jù)特征或走勢，形成深井式立體停車庫的故障知識庫，作為深井式立體車庫核心部件的故障診斷依據(jù)。決策層針對特征層分析得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行維修保養(yǎng)決策，基于相關(guān)核心部件當(dāng)前的故障嚴(yán)重程度，根據(jù)深井式立體車庫整體健康度，決策是立即停機(jī)應(yīng)急搶修、更換部件或閑時(shí)進(jìn)行預(yù)防性維修保養(yǎng)。從而提高深井式立體停車庫維修的科學(xué)性和有效性。

5? 結(jié)? 論

本文提出了一種深井式立體停車庫存取車控制系統(tǒng)方案，分別從作業(yè)流程、硬件組態(tài)、運(yùn)營策略、存車模式、故障預(yù)警等方面進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。構(gòu)建了一種基于上下位機(jī)的深井式立體車庫存取車系統(tǒng)，確定了硬件組態(tài)與通信方案。同時(shí)，根據(jù)車庫的總體存取車需求與客戶個(gè)人存取車需求，將車庫的調(diào)度策略分為車庫運(yùn)營策略和客戶存取車模式，針對存取車高峰波動情況、客戶存車需求類型等方面分別進(jìn)行研究討論，提出在車庫總體存取車需求和客戶個(gè)體存取車需求差異條件下的運(yùn)營調(diào)度策略，確定自適應(yīng)應(yīng)對方案，提高存取車效率。最后設(shè)計(jì)深井式立體停車庫故障監(jiān)測及預(yù)警方案，實(shí)現(xiàn)立體車庫相關(guān)設(shè)備的故障預(yù)測及健康管理，改傳統(tǒng)“定期維修”“故障修”為“預(yù)防修”，可有效減少事故發(fā)生、減少深井式立體車庫全壽命周期的維修費(fèi)用。

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作者簡介：王劍濤（1996—），男，漢族，湖北武漢人，助理工程師，碩士，研究方向：智能裝備與控制。