城市街道上方立体车库存取策略的研究

何国旗 唐洋洋 何瑛

摘要：提出一种建立于街道上方的立体车库，改善城市停车泊位规模不足导致的交通拥堵等问题。为制定该车库的存取策略，提高车位的利用率，以车辆存取时间为目标函数，运用排队论分别建立了存车优先、取车优先、原地复位和混合交叉存取策略的数学模型，考虑存车高峰期、取车高峰期、存取车数量相当的时间段下，利用Matlab对比分析了不同存取策略的效率，得到较合理的车辆存取方式。结果表明：采用原地复位和混合交叉策略平均存取车时间较短，车位利用率较高，为该车库在实际工程中控制方式的制定提供理论参考。

关键词：立体车库;存取策略;存取车效率;排队论;目标函数

0  引言

立体车库作为一种高自动化的设备，是一种集存车、取车一体化的智能化的综合性系统，目前的结构形式主要有垂直循环式、巷道堆垛式、垂直升降式等[1]。近年来，随着城市私家车的保有量逐渐递增，传统的平面停车泊位规模无法满足需求，立体车库的迅速发展在缓解城市交通压力方面起着重要的作用[2]，同时如何实现立体车库作业的高效化、智能化也成为了重要的研究热点。

由于城市土地资源的限制，当前的立体车库极大多数建于地形狭长的地方，制约了车库的运营效率，影响城市生活节奏[3-5]。为此，提出一种建立于城市街道上方的立体车库，充分利用道路上方的空间，降低了对车库建设用地的要求，同时在道路两边可直接完成存取车的过程。为制定该车库车辆存取控制方式，利用排队理论建立不同的存取策略数学模型，并分析在不同时间段下的车辆存取的效率，确定较优的车辆存取方式，为立体车库的结构设计及工程应用提供理论参考。

1  城市街道上方立体车库设计方案

城市街道上方的立体车库横跨于道路上方，车库底层留有足够的高度供大型车辆通行，其垂直布局和水平布局分别如图1、图2所示。车库两侧的汽车升降巷道建设在道路两侧的绿化带位置上，车库垂直方向上设置有三层停车位，在水平方向上车辆平移通道的两侧这有五个停车位，共48个停车位。整个车库长24000mm，宽16500mm，高11500mm。

车库的存车工作原理是：汽车的转移方式通过梳齿交错来完成，梳齿如图3所示。每个车位设置有固定的叉梳式载车板。司机将汽车停至指定位置的梳齿板上，车库底层的载有提升装置的横移装置横移至汽车下方，横移装置上的提升装置通过梳齿板的升降交错将汽车转移至提升装置位置上，横移装置横移至升降机位置处，通过梳齿交错的方式将汽车转移至升降机位置上的梳齿板上，升降机将汽车送至指定层楼。每层停车平台均设置有能够完成汽车转移的横移装置，通过每层停车平台的横移装置将汽车转移至指定停车位，来完成车辆在停车位的存取。

2  车库存取策略

车库升降机设置在车库两侧，即该车库是双出入口类型。采用分区存取策略，将该车库分为道路左侧和道路右侧区域，两个区域的升降巷道中各有一个升降机，且每个区域每层都装有搬运台车，两个区域单独作业，互不影响，因此，针对一个区域研究该车库的存取车策略。车库车辆存取方式一般可分为以下四种：

①存车优先：车库实现上一次存取任务后，梳齿式搬运器直接回到横移台车上，无论后续动作是存车还是取车，横移台车回到与升降平台连接位置处，升降平台运行至最底层，便于存车动作。

②取车优先：车库实现上一次存取任务后，升降机都会直接下降或上升到升降巷道的中层位置处，以便优先完成后续的取车动作。

③原地复位：若车库之前的动作为存车，梳齿载车板完成存车动作后，直接回到搬运台车，并停止后续动作，直到等待下一条指令;假如车库之前的动作为取车，则升降平台在初始位置处等待下一条车库的指令。

④交叉存取：若存车和取车指令存在交叉的情况，则车库的控制系统采取混合交叉存取的方式，达到存取车总的时间最短的目的。例如，如果车库前一次动作为存车，后续指令为取车，则车库在完成存车的指令后，梳齿载车板直接运动到待取车的目标车位处，完成后续的取车动作。

3  建立车库存取策略的数学模型

排队论主要研究排队系统的服务状态、运行规律，分析服务的对象所产生的随机聚散现象，旨在通过优化系统中的相关指标，改善系统服务性能[6]。立体车库的车辆存取控制是一个具有代表性的排队系统，如图4所示，待存取的车辆为排队论中的顾客，立体车库為顾客提供存取车服务相当于排队论中的服务方，服务方所提供的服务为对车辆进行存取操作。

车辆到达车库的时间和车辆在该车库存放时间都是随机和离散的，在一定的时间段到达车库的汽车数具有随机性和独立性，服从泊松分布[7]。根据泊松分布原理，车辆在立体车库中的存取时刻的分布可确定为：

其中N （t）表示在（t0，t0+t）时间段车辆到达车库的数量，n=0，1，2，3，…，t？叟0，λ为平均到车概率。现要研究的是在t0到t0+t之间即时间间隔为t时间段中发生一次的概率，所以n=1，任意相邻两辆车到车时间间隔为t的概率可表示为：

在城市的不同地段和不同时间，车库的存取车可分为存车为主和取车为主两种情况，比如公司上班时间存车数量较多，根据车流量的大小，针对车库的存车高峰、取车高峰、存取车数量相当的情况进行分析。为确定最优的存取车策略，将某一时间段内存取车的平均时间为∑t/k=t确定为目标函数。对以上的四种车辆存取策略选取相同的存取车次数，将k次的存取的总时间∑t确定为目标函数，m、n分别为立体车库的层数和列数，i为车辆存取车所处的层数，i=1，2，…，m，j为车辆存取车所处的列数，j=1，2，…，n，同时定义（i1，j1）为车库执行上一次存取车的存车坐标，t升降为升降机升降1层所需要的时间，t列为搬运台车移动1列所需要的时间，t梳齿为梳齿搬运器将车辆转移一次所用时间，根据三种不同存取策略建立以下数学模型：

4  仿真及其结果分析

为分析本车库在不同时段的采用不同存取策略的效率，采用MATLAB对不同策略的服务时间进行数值计算。运用poissrnd函数模拟出一段时间内车辆到达车库存车的时间序列a（参数为λ1）和存放的时间序列b（参数为λ2）作为输入数据，如图5所示，在考虑不同存取车时间断，获得不同存取方式所需总时间t（i），确定较优的存取策略。其中d（i）为不同存取车方式下每辆车的存取时间，v取值为1，2，3，4。分别代表四种存取策略，设存车次数为m，取车次数为n。

四种不同策略的存取车总时间仿真结果分别如图6、图7和图8所示。由仿真结果可知：在存车高峰期，存车优先策略和取车优先策略的平均需要的时间基本一致，原地复位策略用时最少，相比交叉存取策略平均可节省5.6%。在存取车数量相当时，原地复位策略和交叉存取策略相比选择存车优先策略和取车优先策略平均用时较少，其中交叉存取策略用时最少，相比原地复位策略平均用时可节省1.8%。在取车高峰期，选择存车优先策略、交叉存取策略和选择取车优先策略的平均用时基本相当，而选择原地复位策略最省时，原地复位策略用时最少，相比交叉存取策略平均可节省13.9%。

综上分析可知，在三个时段中，存车优先策略和取车优先策略的平均耗时较多，两者均高于原地复位策略和交叉存取策略。在存车高峰期和取车高峰期，原地复位策略相比其他三种存取策略的平均存取车用时最少，而在存取车数量相当时，选择交叉存取策略的平均耗时较优于原地复位策略。在交叉存取策略下存取车时，对于实现存取车顺序调整的控制难度较大，而采用原地复位策略更加节能。考虑到控制的实现难度、车库运行的效率和车库的建造成本等因素，采用原地复位策略作为该立体车库的控制策略可实现较高的车位利用率。

5  结束语

①城市街道上方立体车库能够有效的缓解我国经济发达地区停车难问题，具有广阔的应用前景。车库系统服务效率取决于立体车库存取方式，对于存取车问题具有重要的意义。

②本文设计的城市街道上方立体车库采用原地复位策略可实现较高的车位利用率，最大限度地满足车辆的停放要求。

参考文献：

[1]陈婧，田怀文.大型垂直循环横向平移立体车库的结构设计及稳定性分析[J].机械设计，2013，30（05）：67-70.

[2]王小农，李建国，贺云鹏.平面移动式立体车库车位分配的建模与仿真[J].南京理工大学学报，2019，43（01）：54-62.

[3]王立刚.小区智能化升降橫移立体车库的设计[J].内燃机与配件，2019（14）：252-253.

[4]程子健，赵永强.机械式智能立体车库的创新设计[J].内燃机与配件，2017（23）：1-2.

[5]李清杰，张明勤，张瑞军.基于TRIZ的环形垂直旋转式立体车库存取车控制策略的研究[J].起重运输机械，2012（3）：54-56.

[6]陈桂兰.立体车库控制系统调度优化算法研究[D].成都：成都理工大学，2018.

[7]朱德桥，李建国，郭佑民，等.基于排队论的立体车库堆垛机效率分析[J].兰州交通大学学报，2009，28（03）：62-64.

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51375159）;湘潭市科技成果转化及产学研合作项目（CG-YB20191012）。