自动化立体车库存取车优化策略的研究

王明凯

（通力电梯有限公司，江苏　昆山　215300）

自动化立体车库存取车优化策略的研究

王明凯

（通力电梯有限公司，江苏昆山215300）

对立体车库而言，针对传统意义上的自动化技术，其只是利用相关技术将车辆进行自动的存取操作，但是没有考虑到实际使用中的耗时、耗能等指标，也没有考虑车辆存取的合理化、智能化、科学化。针对车库整体效率低、车辆存取时间不合理的问题，以提高立体车库的存取车辆作业效率和降低能耗为目标，提出三种调度原则。以排队论为基础，总存取时间为目标，建立三种调度策略的数学模型，并对其进行仿真实验，分析比较在不同策略下存取车时间的长短，得出最优的调度策略。进而将不同调度策略灵活组合起来，针对不同时间段采用不同的调度策略，可以有效地减少存取车时间。

立体车库；调度策略；排队论

随着社会经济的发展以及人们生活水平的提高，我国城市汽车的保有量迅速增长，而与之配套的停车设施发展却相对滞后，难以满足停车需求。城市泊车压力越来越大，严重影响广大市民的日常生活，在寸土寸金的城市里不可能大量建造停车场来缓解停车难的问题，因此，建设具有占地面积小、方便安全、库容量大的立体车库既能缓解城市道路空间狭小的矛盾，又能适应城市高节奏快速发展的需要，为城市向更大规模发展提供了有利的条件。

对立体车库而言，传统意义上的自动化只是利用相关技术将车辆自动进行存取操作，没有考虑到实际使用中的耗时、耗能等指标，车辆的存取还没有达到合理化、智能化、科学化［1］。所以如何提高车库整体效率，减少车辆存取时间是立体车库当前研究的重要内容。本论述以排队论为基础，对巷道堆垛式立体车库采用不同的存取车策略分别建模，并对车辆存取时间进行仿真对比，分析实验结果，确定最优调度策略，为车库的前期设计提供参考。

1　模型建立

1.1巷道堆垛式立体车库概述

巷道堆垛式立体车库是20世纪60年代欧洲根据自动化立体仓库原理设计的一种专门用于停放小型汽车的立体停车设备，其原理是依靠巷道堆垛机或桥式起重机将进到搬运器的车辆水平且垂直移动到存车位，并用存取机构存取车辆的机械式停车设备。该类型的车库是集机、光、电、自动控制为一体的全自动化立体停车设备，技术含量和智能化程度较高，可以灵活设置在室外、室内、地下等场地，市场占有率较高。

1.2车库模型建立

图1　巷道堆垛式立体车库模型

图1是巷道堆垛式立体车库模型，对于多层多巷道的立体车库的存取操作，每个巷道内存取车过程是相同的，因此只需选取单个巷道来考虑。在单个巷道内进行一次存取车操作可分为三个基本动作，即三个方向上的运动——沿巷道方向上的水平运动X，用来选择所要存取的车在X方向所处的车位；垂直升降运动Z，用来选择车位所处的层数；横向存取运动 Y，实现存取操作。对于不同的车位，Y向存取操作相同，因此可将模型简化为单巷道内（X，Z）的二维运动，图2为车位坐标编号。

图2　巷道堆垛式立体车库坐标编号

2　立体车库存取策略

最大限度提高巷道堆垛式立体车库的存取车效率，减少用户等待时间是立体车库研究的重点内容。尤其是在存取车的高峰期，效率低下可能会导致车主的长时间等待，造成车库外交通拥堵，降低用户的使用体验，因此如何减少立体车库工作时耗尤为重要，也是立体车库设计之初最先考虑的问题。

2.1车库调度原则

立体车库存在以下几种调度策略［2］：

（1）存车优先策略：当堆垛机完成存取操作后回到出入口待命，当有下一辆车来到时可以直接存入，不需要等待，这种模式适合早晚时段的存车高峰期。

（2）原地待命策略：堆垛机在执行完上一次存取任务后原地不动，等待下一次的操作。

（3）交叉存取策略：当同时有几辆车需要存取时，按照存车和取车进行分组，对分组后的存取任务进行交叉操作。

对立体车库而言，存取车服务的时间和车位的分配有关，离出入口近的存取车时间短，离出入口远的存取车时间长，因此我们按照由近及远，由低层到高层的方案就近存取车辆。

2.2模型参数设定

为定量进行分析，本论述对立体车库作如下假设：

（1）立体车库的输入输出过程符合排队规则，按照车辆到达时间间隔服从泊松分布；车辆在库内存放时间服从正态分布；车辆到达时若没有车位则离去；顾客接受服务遵循先到先服务原则。

（2）如果车位位于i列j行，则标记为（i，j）点，车库出入口位于O点，假设车位长度为l，高度为h，堆垛机的运行速度为v，横移机构存取车辆的时间为t。

2.3不同调度策略下的数学模型

（1）存车优先的数学模型

按照该策略向（a，b）车位存入车辆，则运行时间为：

存取k次的总时间∑T为：

（2）原地待命的数学模型

前一次从（a，b）车位取车，后一次向（c，d）车位存车，所需的时间T1为：

前一次从（a，b）取车，后一次从（c，d）车位取车，所需时间T2为：

前一次向（a，b）车位存车，后一次向（c，d）车位存车，所需时间T3为：

前一次向（a，b）车位存车，后一次从（c，d）车位取车，所需时间T4为：

（3）交叉存取策略的数学模型

当车库中同时有几辆车需要存取作业时，可以用交叉存取的方式，在有车辆需要存入后紧接着执行取车操作，当有取车操作后直接执行存车操作。该策略是对存取车序列进行了优化，使存车和取车任务进行组合，以达到最少的存取车时间，执行一次存取车的复合作业分别是T1和T4的过程。

3　仿真及结果分析

以排队论为基础建立参数为λ的泊松分布，车辆在库内停放时间符合参数为（μ，σ）的正态分布，取λ=1，μ=90，σ=30，模拟车库高峰时段一个小时内的存取车情况，得到存车任务的时间序列和取车任务的时间序列，根据此时间序列和立体车库模型以及存取策略进行仿真模拟，结果见图3所示。

（1）存车优先花费时间较多，堆垛机每次完成作业后都需要返回到出入口，如果前一次存车后一次取车就需要多运行一个来回，要比原地待命的策略更加耗时，但存车优先策略适用于办公场所、居住区等场所的早晚存车的高峰时段，在早晚固定时段采用存车优先的策略会显著减少车库运行时间。

（2）交叉存取策略耗时最少，其优越性表现在对车辆的存取序列进行了一定的优化，大大减少了堆垛机的空载行程，尤其是商业中心区存取车任务繁重，存取时间较随机，通过对存取序列的重新组合，可以提高车库运行效率，较少顾客等待时间。

（3）原地待命策略耗时介于存车优先和交叉存取之间。原地待命的策略不需要进行前期准备，无形中减少了个别不必要的往返运行。

综合考虑实际情况，立体车库可以在原地待命的基础上，在出入库频繁的高峰期采用交叉存取策略，在车流量不大且连续存车居多的情况下使用存车优先策略，通过不同时段存取车特点选择合适的调度策略可以有效减少存取车时间与顾客的等待时间。

图3　三种策略下存取车时间比较

4　结束语

（1）随着城市的快速发展，城市停车场已经成为稀缺资源，越来越难以满足人们的停车需求，而自动化立体车库能有效地节约土地资源和充分利用空间，为停车难问题提供了一个有效的解决途径，具有良好的市场推广前景。

（2）立体车库包含了当前机械、电子、计算机等领域的成熟技术，已成为技术密集型产品的代表。如何实现存取车调度策略的优化从而使其高效运行成为了立体车库研究的重要内容，也吸引了越来越多的学者对其进行研究。

（3）对立体车库存取车调度策略进行优化，可以减少用户的存取车等待时间，提高用户的使用体验，而对于商家而言，可以减少车库能耗，提高车库竞争力。综合分析可以看出，如果将三种调度策略灵活组合起来，针对不同时间段采用不同的调度策略，可以有效地减少存取车时间。

［1］ 周雪松，田密，马幼捷.智能化立体车库存取车优化控制策略的研究［J］.制造业自动化，2008，30（10）：29-34.

［2］ 杨晓芬，肖华.自动化立体车库存取策略的比较分析［J］.电气技术与自动化，2004，（05）：47-53.

［3］ 周志勇，张纪会，宋晓鹏，等.基于排队论的出行车辆停放接受条件［J］.东南大学学报，2006，36（04）：638-642.

［4］ 潘驰，赵胜川，姚荣涵.基于出行目的停车行为差异分析［J］.交通信息与安全，2012（01）：39-57.

［5］ 周志勇，张纪会，宋晓鹏，等.基于排队论的出行车辆停放接受条件［J］.东南大学学报，2006，36（04）：638-642.

［6］ 朱文真，唐敦兵，王雷.基于遗传禁忌搜索算法的自动化立体仓库出入库路径优化研究［J］.机械科学与技术，2011，30 （07）：1201-1206.

［7］ 关宏志，王鑫，王雪.停车需求预测方法研究［J］.北京工业大学学报，2006，32（07）：600-604.

［8］ 徐格宁，程红玫.基于排队论的立体车库车辆存取调度原则优化［J］.起重运输机械，2008（05）：50-55.

［9］ 张芳芳，梁飞，朱敏哲.基于排队论的升降横移立体车库控制策略研究［J］.计算机仿真，2013，30（01）：208-211.

TP273+.1

A

10.3969/j.issn.1672-6375.2016.07.010

2016-3-21

王明凯（1972-），男，汉族，江苏连云港人，硕士，主要从事电梯和自动扶梯等垂直运输设备的研发工作。