巷道堆垛式立体车库上位机停车管理系统设计

郑江花,王亚丽,马海燕,张艳芳,吴昊

(山东省科学院自动化研究所, 山东省机器人与制造自动化技术重点实验室,山东 济南 250014)

巷道堆垛式立体车库上位机停车管理系统设计

郑江花,王亚丽,马海燕,张艳芳,吴昊

(山东省科学院自动化研究所, 山东省机器人与制造自动化技术重点实验室,山东 济南 250014)

采用OPC、网络通讯、数据库及软件编程等关键技术设计开发了立体车库上位机停车管理系统，用于辅助PLC核心控制单元，实现对立体车库的监控、管理及存取车等功能。同时，为了缩短立体车库存取车时间，提出了相应的停车优化方案。该设计进一步提高了立体车库的自动化、智能化，有效缓解了城市停车难的问题。

立体车库；停车管理系统；OPC技术；停车优化

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

随着社会的发展及人们生活水平的提高，我国汽车保有量快速增长，导致停车难、停车位紧张、收费乱问题越来越突出。目前，大型城市的商场、医院等车辆密集、停车位紧张的场所积极推进立体车库的建设。伴随着自动化、计算机与网络技术的飞速发展，立体车库也由传统的单一监测与控制，发展到与管理自动化相结合，集控制、监视、管理及决策等功能于一体的综合自动化系统。国外立体车库产业及技术已经比较成熟，与之相比，我国的立体车库产业还处于初级发展阶段，还存在一些问题，如多数产品是仿效或引进国外技术制造，企业技术力量薄弱，缺乏自主开发能力，技术创新能力不足等[1]。

目前，机械立体车库主要有以下几种形式：升降横移、垂直循环、水平循环、多层循环、平面移动、巷道堆垛、垂直升降及简易升降式[2]，各种类应用在不同场点分别具有不同的优势。本文主要根据国内实际情况，结合企业技术优势及需求，以巷道堆垛式立体车库为研究对象。该类停车设备技术含量和智能化程度较高，可根据场地的不同设置在室外、室内、地上或地下，存车容积率高，安全可靠。其控制管理系统则采用可编程控制器(PLC)直接控制车库运行、计算机辅助监视管理及云端停车服务的方式。PLC控制系统是车库安全运行的基础，运行在工控机上的上位机管理系统通过立体车库局域网监视整个车库现场的运行状态，两者的相互协调工作共同实现车库系统的安全运行和管理，而云端停车服务则提供高端查询、支付及预订功能。本文主要针对上位机停车管理系统进行深入研究与设计开发，利用OPC、网络通讯及数据库技术等进行数据库、系统界面设计及代码编写，实现对立体车库现场设备的运行监控与管理。

1 立体车库系统

1.1系统组成

本文研究开发的是一个2排4层64位巷道堆垛式立体车库，主要有以下部分组成：钢质与土建架构、安全门、入口旋转台、堆垛机、智能搬运器、控制柜、读卡器、发卡器、车牌识别装置及各种传感器等，图1为巷道堆垛式立体车库入口图。车库停车采用智能卡与车牌识别技术共同管理的方式，智能停车卡与用户车辆一一对应，车牌号及其他车辆相关信息一并存入计算机数据库中。通过PLC控制堆垛机和智能搬运器完成车辆的存取，车位配置简单，维护方便，故障点少，自动化水平高，可以满足用户快速存取车的要求[3]。

图1 巷道堆垛式立体车库入口图Fig.1 The entrance of laneway-stow-typed stereo garage

1.2系统工作流程

入口收费岗亭处安装车牌识别摄像头及栏杆机作为车牌信息识别、采集单元，另外装有发卡装置，若为临时停车用户，先从发卡机取出一张临时卡。入口显示屏若提示车位已满，栏杆机则不会抬起；若车位未满，固定用户需先刷卡，临时用户先取卡，再刷卡，车牌识别完成，栏杆自动打开，车辆驶入。

存车流程：若立体车库入口有车，车辆先在入口处等待；若车库入口无车，将车辆驶入车库停放在旋转台上，根据显示屏及交通灯的提示，调整前后位置直至指示灯提示完成，下车关好车门，在入口处刷卡盒进行存车确认后，用户方可持卡离开。此后系统自动进行车型检测、车位分配及数据入库等操作，并完成车辆入库。

取车流程：取车时直接在刷卡盒刷卡，系统查出该卡对应车所在的车位，将车取出后置于旋转台上，用户将车开至出口岗亭。若为固定用户，需刷卡确认，栏杆启动放行。若为临时用户，需将卡放入收卡机，车牌识别并判断是否缴费，若已缴费，栏杆启动放行；若未缴费，现场缴费，手动启动栏杆放行。

1.3系统控制与管理架构

立体车库控制管理系统分为PLC控制系统、上位机停车管理系统及云端停车服务系统3部分，并且各部分间的交互采用不同的通讯方式。图2为立体车库控制系统3部分的关系图，其中控制系统采用西门子S7-300系列自带网口的PLC控制器，基于PLC的控制系统与立体车库现场各设备之间采用Profibus-DP总线通讯，PLC采集现场各设备的数据信息，通过数据分析实现对存取车的控制；上位机停车管理系统与PLC建立通讯连接，实时访问PLC的数据，实现对立体车库的监视与远程控制，方便停车场管理人员实时了解停车场中车位的使用情况[4]；云端停车服务系统，利用网络及云计算技术存储并处理来自多个车库的车位数据(立体车库传感器实时状态显示、车位信息、车辆进出信息展示等)，进行费用支付及处理预订请求与服务等，方便车主用户查询、缴费及预订车位。

图2 立体车库控制管理系统关系图Fig.2 The relationship of parking control and management system

2 上位机停车管理系统

2.1系统开发环境

Visual Studio是微软公司推出的完整开发环境，包含一个集成开发环境和高级C#编译器，C#与.Net框架的完美结合成为Windows下最主要的开发工具，具有开发效率高、源代码更加易读等特点。因此，上位机停车管理系统采用C#进行人机界面设计和代码编写。

上位机平台需安装SIMATIC NET软件。SIMATIC NET是西门子在工业控制层面上提供的一个开放的、多元的通讯系统，能将工业现场的PLC、主机、工作站和个人电脑联网通讯。使用OPC服务前，需要分别对SIMATIC NET OPC服务器和西门子PLC S7-300进行通讯配置，编写的OPC客户端应用程序才能通过OPC服务器对PLC进行数据访问。

SQL Server是微软公司开发和推广的关系数据库管理系统，具有多方面的优越性，停车管理系统后台采用SQL Server存储和管理立体车库系统的各项数据。

2.2 OPC客户端应用程序

OPC客户端应用程序通过一个标准的、开放的多供应商接口，与OPC服务器进行通讯，OPC将数据来源提供的数据以标准方式传输至任何客户机应用程序。OPC客户端的开发过程实际上就是对服务器接口的声明和调用。

OPC服务器有两类接口：定制接口和自动化接口[5]。选用的接口不同，应用程序开发的便利性、快捷性也不同。OPC客户程序与服务器之间的数据通信方式有同步方式和异步方式。同步访问方式中，OPC应用程序在得到返回结果前必须处于等待状态，效率很低。异步方式中，OPC服务器接到OPC应用程序的要求后，立即将方法返回。OPC应用程序随后可以进行其他处理。当OPC服务器完成数据访问时, 触发OPC应用程序的异步访问完成事件，将数据访问结果传送给OPC应用程序，所以异步方式的效率更高，但其实现起来也是相对比较复杂的[6-7]。

本文在C#开发环境下，编写OPC客户端程序实现上位机与PLC之间的通讯，采用自动化接口及异步通讯方式。OPC客户端程序开发流程主要包括添加引用“Interop.OPCAutomation”组件、进行环境初始化、连接OPC服务器、创建OPC服务器支持的OPC对象，然后就可以使用OPC对象支持的属性和方法，对其进行各种操作。

2.3 Socket客户端程序

上位机停车管理系统与云端停车服务系统间采用长连接的Socket套接字通讯技术，客户端与服务器的连接使用 TCP/IP连接方式。上位机停车管理系统主机作为客户端，将OPC客户端程序采集的立体车库现场设备运行信息、传感器状态信息及故障报警等实时数据信息通过Socket客户端程序提供给云停车服务端，Socket客户端开发采用本地Windows服务的方式向云停车服务端推送数据。C#开发环境下，微软提供了 System.Net.Sockets 命名空间，利用Socket类进行客户程序开发。其通讯过程为创建一个Socket套接字，绑定服务器的IP和端口，与服务器建立连接，判断连接状态，向服务器发送数据，断开连接等。

2.4停车优化设计

大多数立体车库在存车方面，基本是靠计算机程序扫描车库中的空闲车位，将车辆随机存放到空闲车位上。这种传统的存储方式没有考虑到取车时所消耗的时间，取车的时间越长，用户体验越差。

本文巷道堆垛式立体车库存取车用户主要分为固定用户和临时用户，根据固定用户和临时用户比例，将车位分区来存储不同类型用户的车辆。开启管理软件系统对车位的优化功能，根据车库运行与车位使用统计情况，调整车位优先级，一般来说离出入口近的车位优先级高，稍远的次之。若不同分区的车位未满，固定用户和临时用户车辆会存储在各自的分区；若固定用户存车区已满，可以按临时用户车辆存放。上位机系统记录用户的存取车数据，如取车时间，取车频率等，利用这些停车数据来分析用户的存取车习惯，作为停车优化的条件。例如，针对频繁来存的车辆，若每次存车时间较长，可以将此类车辆存放在低优先级的车位上，反之要存放在高优先级的车位上。通过对车位合理地进行分配，可以有效提高平均取车速度。

另外，可以利用存取车空闲时间，开启倒库功能，对车库车位进行优化调整，将那些停放时间长又处于高优先级车位的车辆转移到低优先级车位上。这些优化方案的使用，旨在提高车库车位的使用率及车辆的存取车效率。

2.5停车管理系统的功能

上位机停车管理系统是巷道堆垛式立体车库的一个重要组成部分，担负着人机交互、数据维护、状态监视等方面的任务[8]。上位机管理系统采用模块化的程序设计方法，本文根据企业需求，将系统功能划分为系统管理、基础信息管理、监控信息、查询与报表统计以及计费管理五大模块。详见图3。

图3 上位机停车管理系统功能图Fig.3 Function diagram of master computer parking management system

通过数据库、界面设计及代码编写，上位机管理系统较好地实现了以下功能：

(1)系统管理功能：实现对系统用户的管理、不同类型用户权限的设置、数据库数据的备份与恢复等。

(2)基础信息管理功能：主要包括停车卡的管理、车库车位的管理及车库车位优化的设置功能。

停车卡分为临时卡、固定卡和VIP卡，每类卡对应不同的收费价格，可以对每张卡的密码进行设置与修改。用户刷卡方式进行存取车、车卡自动识别、记录自动存储及费用结算，操作方便快捷，可大大提高工作效率。

(3) 车库、车位监控功能：利用直观图形显示车库的车位状态情况，可以查看每个车位有车无车及存车时间。还可监视车库各传感器的检测信号，判断车库的设备运行状态。

提供远离现场的立体车库控制功能，在刷卡盒故障时，操作人员可以通过上位机直接进行存取车操作；也可实现卡号对应车位查找、车位对应卡号查找、车位有无车转换及倒库等操作。

同时还具有存取车队列管理、排队删除操作、报警信息及历史信息提示功能。立体车库实时监控主界面如图4所示。

图4 车位监控图Fig.4 The monitoring chart of parking

(4)查询与报表

可以查询车卡、车位及报警信息；可以统计车位使用及车流量情况，并且可生成日报、月报及年报表，供决策使用。

(5)计费管理功能

按照价格标准设置收费费率，支持现场缴费和微信扫码缴费两种方式，缴费方式灵活。通过卡号或车牌号码查询停车时长，根据计费规则系统自动计算需要缴纳的费用，进行缴费、打印小票及车辆放行。

2.6停车管理系统应用

对立体车库现场、PLC控制系统及上位机管理系统的联调运行结果表明，设计开发出的上位机停车管理系统具有开发周期短、界面友好、程序运行流畅、操作简便的特点，能够较好地辅助PLC控制系统实现用户存取车操作，并可通过报表查询提供决策支持，基本实现了企业对立体车库监控管理的需求。同时，也证明了本文采用的技术及方案是简便可行的，对同类系统的设计开发具有一定的工程示范与借鉴意义。另外，随着调试工作的展开及用户体验，发现系统仍有一些不足之处，需要根据用户的改进意见，继续完善界面、功能及稳定性；演示库距离实际应用还有一定的差距，仍需进一步加强现场联机调试工作，使系统的软硬件功能更加完善可靠。

3 结 语

立体车库上位机停车管理系统的设计开发，有效提升了立体车库的智能化水平和管理效率。该系统具有友好的人机交互界面、灵活的控制方式及对各类信号的监测及报警提示功能，提高了立体车库系统的安全性和可靠性，促进了停车难问题的解决，为巷道堆垛式立体车库的推广应用奠定了更加坚实的基础。

[1]武乡.低成本、机械式立体车库人机交互系统研究与设计[D].兰州：兰州交通大学,2013.

[2]中华人民共和国机械工业部.JB/T8713—1998, 机械式停车设备类别、型式与基本参数[S].北京:机械工业部机械标准研究所,1998.

[3]王雪洁,王国雄.PLC与变频器在巷道堆垛式立体车库控制系统中的应用[J].起重运输机械,2005(2):19-20.

[4]沈金龙,陈富林,卓璐.立体车库智能控制管理系统设计[J].中国制造业信息化,2012，41 (21):71-73.

[5]赵宴辉,聂亚杰,刘二平,等.监控系统中OPC客户端程序设计与实现[J]. 微计算机信息, 2010,26(8-1):74-76.

[6]王帅,胡毅,何平,等.基于OPC技术实现西门子数控系统的数据采集[J].组合机床与自动化加工技术,2016( 4):69-71.

[7]黄娟.基于C#的OPC数据通信的设计与实现[J].工业控制计算机,2013,26(11):14-15.

[8]袁永康,员超.智能立体车库信息管理系统的功能分析[J].广东自动化与信息工程,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

山东省科技重大专项(2015ZDXX0101B01)

郑江花(1978—)，女，助理研究员，研究方向为自动化控制及软件研发。E-mail：zhengjh@sdas.org