多巷道式立体车库优化设计与车辆存取策略研究

丁述勇，张 征，丁文洁，林 勇

（1.浙江工业大学之江学院，浙江绍兴312030；2.浙江工业大学机械工程学院，浙江杭州310014）

立体车库具有人车分离，车辆存取高效、安全等特点，已成为城市重要的停车场地［1］。汽车在立体车库中垂直循环停放，节省了土地资源。目前市场上智能化立体车库可以实现人车分离后自动运输车辆的功能。从运输形式上看，立体车库主要分为垂直升降式、平面移动式和巷道堆垛式几类［2］。垂直升降式车库最节省地表空间，智能化程度较高，可前进前出，但有地下纵深大或地上高度高的要求，建造成本较高；平面移动式车库无提升机构，每层都须设置进出口，灵活性较差，且占用了较大的平面面积；巷道堆垛式车库兼有垂直升降式和平面移动式车库的特点，容量大，灵活性好，可根据不同的空间设置不同的巷道数和垂直层数，且建造成本较低。近年来出现了基于自动导引运输车的平面车库，其技术新颖，车辆运输速度快，但因造价过高而难以市场化。对比各类车库的技术特点、容量、建造成本后可知，巷道堆垛式立体车库是目前建造性价比最高的［3］。

在巷道堆垛式立体车库中，完成堆垛动作的水平传输机构主要有固定式梳齿搬运机构、活动式梳齿搬运机构和夹举式搬运机构几种。固定式梳齿搬运机构的定位精度不高；活动式梳齿搬运机构结构复杂，外形较大，成本较高；夹举式搬运机构对轮胎有一定的损伤［4］。通常，水平传输机构将汽车提升至堆垛货架上方后放下来完成堆垛交换。提升时汽车重量会使巷道机车产生侧倾力矩，当巷道机车将汽车提升至一定高度后会因侧倾力矩过大而影响行车安全。现有巷道堆垛式车库在运行的安全性和节能减时方面还有一定的优化空间。优化设计后其水平传输机构将汽车重量通过辊道传递给堆垛货架，不仅消除了巷道机车的侧倾力矩，而且减少了能耗与堆垛时间。

为了使巷道式立体车库运行的能耗和时耗达到最低，国内外许多学者进行了车辆存取策略研究，已经形成了连续存车优先、连续取车优先、原地待命、交叉排队存取等4种车辆存取策略［5-9］。他们依据不同的车库特点和分析算法得出了不同的车辆存取策略。为缓解车辆拥堵，在存车高峰时选择“连续存车优先”策略，在取车高峰时选择“连续取车优先”策略，在非存取车高峰时段选择“原地待命”策略，存取车数量相当时选择“交叉排队存取”策略［7］。研究表明，采取“原地待命+交叉排队存取”策略可以使单巷道式车库运行的能耗和时耗最低。已有的策略研究或基于单巷道式车库的结构特点分析其运行的能耗和时耗［10-12］，或以排队理论分析车辆存取的效率［13-14］，或通过算法寻优去验证策略的合理性［15-17］，都没有根据工程实际需要考虑策略的实际应用问题，并且对车主等待服务的满意度指标考虑不周。

高层容量大、结构简单、成本低、智能化程度高、机械效率高是巷道式立体车库的设计目标。但容量大必然造成车辆存取服务繁忙，在车辆存取高峰时易造成拥堵。单巷道式车辆存取不能解决实际拥堵问题，大容量巷道式立体车库必须采取多巷道设计。发生车辆存取拥堵时，车主等待服务的满意度会随等待时间的增加而降低［18］。在多巷道式车库存车时可采取多服务台排队系统下提高顾客等待服务满意度的排队管理策略［19］，而取车时由于取车位置固定只适用排队理论中的单服务台模型，故取车时车主等待服务的满意度受拥堵时间影响的敏感度较大。基于上述思路，笔者设计了一种新型多巷道式立体车库，结合多巷道式立体车库的结构特点，从车主等待服务的满意度和工程应用技术的角度出发，提出一种“取车优先+交叉排队存取”的车辆存取自动化控制策略。

1 多巷道式立体车库的优化设计

多巷道式立体车库采用钢架结构，可在地上或地下建造。车库设置K个巷道。立体车库整体平面示意图如图1所示。

图1 多巷道式立体车库整体平面示意图Fig.1 Schematic diagram of the overall plan of multilane stereo garage

车库设中央控制主机1台，用以统计K个巷道内空车位数量和号码，并且求解各巷道的最优存车路线。在车道上方电子指示牌上显示各巷道的空车位数量，提示待停车车主根据各巷道的等候状态选择合理的巷道口等候。多巷道式立体车库的结构如图2所示。每个巷道含人机分离舱、巷道机车、随行承载板库和堆垛式储架。

图2 多巷道式立体车库的结构Fig.2 Structure of multi-lane stereo garage

车库由机电执行系统和计算机控制系统两大部分构成。

1.1 机电执行系统

多巷道式立体车库的机电执行机构包括人车分离舱、水平传输机构、提升机构、堆垛式储架、随行承载板库和安全保护机构。其中，堆垛式储架、随行承载板库和水平传输机构分别如图3至图5所示，水平传输机构中巷道机车的结构如图6所示。巷道机车是安装在巷道地轨上的有轨电车，提升机构安装在巷道机车的机架上。

图3 堆垛式储架示意Fig.3 Schematic of stackable storage rack

图5 水平传输机构示意Fig.5 Schematic of horizontal transmission mechanism

图6 巷道机车的结构Fig.6 Structure of roadway locomotive

车库的堆垛式储架类似于货架。将其存放单元格的水平位置和垂直位置分别标上1，2，……等序号，则某一单元格的位置表示为“水平位置序号-垂直位置序号”的形式，如2-3。每个单元格分配有唯一号码，且装有反射式光电位置传感器，以判断其是否有随行承载板。如有，则此位置为非空；如无，则此位置为空。

图4 随行承载板库示意Fig.4 Schematic of accompanying bearing plate warehouse

以往水平传输机构通过将车辆抬起、展臂伸出、展臂下降、展臂缩回四个动作完成堆垛动作。经过优化设计，水平传输机构完成堆垛动作的过程为：电机通过滚珠丝杠驱动抓取机构作水平运动，抓料钩推动随行承载板上的金属销而带动随行承载板；随行承载板由水平传输机构的辊道被推送至堆垛式储架单元格的辊道上，直到装在水平传输机构末端的限位机械挡块触发抓取机构中的机械式触动机构，抓料钩脱钩、归位，完成存车并触发水平传输机构的行程开关，触发信号传至上位机将所存单元格标记为非空。取车时电机反转，机械挡块触动抓取机构使抓料钩抱抓随行承载板上的金属销，将随行承载板拉至巷道机车上。可见，完成堆垛动作只需要1个电机且只有1个动作，总时间与以往进行堆垛动作时的展臂伸出时间相当，省去了完成其他3个动作所需的时间。因此，该设计不仅节省了1个为抬升车辆配置的电机的硬件成本，还具有明显的节能减时效果。

在巷道地轨上装有反射式光电位置传感器，用以定位巷道机车的水平位置。在提升机构的导轨上也装有反射式光电位置传感器，以保证巷道机车垂直位置的准确性。在每个单元格的水平导轨上同样装有反射式光电位置传感器，用以判断汽车是否已经准确入库。如果汽车入库完毕，则水平传输机构的抓料钩归位，同时通知计算机控制系统此位置已有车辆，该空位号码失效。

1.2 计算机控制系统

多巷道式立体车库的计算机控制系统主要由控制室内的上位机（电脑服务器）和巷道机车上的下位机（PLC，programmable logic controller，可编程控制器）组成，如图7所示。

图7 多巷道式立体车库计算机控制系统的构成Fig.7 Composition of computer control system of multi-lane stereo garage

上位机完成空位查找、路线寻优、空位显示、有效空位判定、候车信息提示、存取车辆信息读取、费用计算、下位机采集的各种位置信息的收集等工作。下位机根据上位机发出的指令，控制各个电机运行，使水平传输机构运动到指定位置完成存取车动作。上位机的主要功能为：1）车库各巷道内的空位判断与拥堵情景分析，引导车主将汽车驶到最合理的巷道；2）车库门口发生拥堵时选择合理的存取车策略；3）人机交互；4）计时计费；5）故障报错；6）行车路线规划，并向下位机发出存取车的位置信息和动作指令；7）接收到堆垛单元格的传感器信号和下位机的运动信号后实时更新后台数据库信息；8）后台数据库信息的存储。

采用Qt框架设计车辆存取的人机交互界面。设计的人机交互界面如图8所示。

图8 车辆存取的人机交互界面示意Fig.8 Schematic of human-machine interactive interface for vehicle access

利用Signal-Slot机制可以从后台查看到车库内各个车位的使用状况。如果车位单元格显示红灯和车辆模型，表示该车位有车；如果车位单元格显示绿灯且无车辆模型，表示该车位无车，处于闲置状态。车位使用状况后台判断界面如图9所示。车位只有同时被上位机和堆垛单元格内的光电位置传感器判断为空或非空后，才能进行存取车；否则，该车位存在故障，需操作员进入车库进行故障排查。

图9 车位使用状况后台判断界面Fig.9 Background judgment interface of parking space usage

2 车辆存取策略研究

位于城市中的医院、大型超市、大型综合办公楼等处的立体车库易出现存取车拥堵现象。除采取如增加巷道数量等硬件上的解决措施外，通过车辆存取策略的优化在一定程度上也能缓解这一现象。

根据Kallo等的研究［18］，车主等待服务的满意度s与等待时间t呈负指数关系：

式中：β表示s对t的敏感程度，β≥0。

设车库有K条巷道，s与t的关系如图10所示［18］。

图10 车主等待服务的满意度s与等待时间t的关系Fig.10 Relationship between satisfaction degree of car own‐er’s waiting for the service s and waiting time t

存车车主面对K条巷道有K条路径可以选择。各巷道口处的电子显示牌提示车库每个巷道内的空位情况和巷道口的拥堵程度。“交叉排队存取”策略下时间不公正现象对存车等待服务满意度的影响不大，存车车主的服务满意度较恒定。而取车位置是确定不变的，无论是在存车高峰还是在取车高峰，取车车主都须在确定的巷道口等待，即取车时K=1。若取车车主原地等待的时间超过ta（预设为15 min），车主会进入等待焦虑期，此时在“交叉排队存取”策略下若时间排序在其之后的存车车主优先进入服务，则其服务满意度会大大降低。因此，为提高取车车主的服务满意度，提出“取车优先+交叉排队存取”策略。“取车优先”策略还具有尽快解除车位占用、增加车库空位资源的优势。

计算机控制系统根据取车缴费信息核算出当前预取车数m。通过视频技术自动判断并记录巷道等待区的存车数n。设在“原地待命+交叉排队存取”策略下存取1辆车的平均模糊时间为t1，则构造模糊不满意度指标a：

控制系统选择存取车策略的流程如图11所示。

图11 控制系统选择存取车策略的流程Fig.11 Process for control system to select the velicle access strategy

当系统判定当前为取车高峰时，选择“取车优先”策略，进行取车动作；取车后取车序列中汽车减少1 辆，随行承载板被送入随行承载板库，用于下一次取车，直到预取车数与预存车数相等；重新判定当前新的预取车数和预存车数，若判定为非取车高峰，则选择“原地待命+交叉排队存取”策略，取存车动作交互进行。无存取车信息时，巷道机车进入原地待命状态。

当系统选择“原地待命+交叉排队存取”策略时，下一个取车位置是固定的。空位时间寻优算法则根据下一个取车位置寻找合适的存车位置。设下一个取车位置为J-L，寻优目标空位为x1-x2。巷道机车的水平移动与垂直移动可同时进行，存车时巷道机车水平移动时间和垂直移动时间分别为tx1、tx2，水平传输机构完成一次堆垛的时间为常量tc，则当前存车的时间为max（tx1，tx2）+tc。

巷道机车从存车位置到取车位置的水平移动时间和垂直移动时间分别为tx1-J、tx2-L，则从存车位置至取车位置的取车时间为max（tx1-J，tx2-L）+tc。可得存取车累计时间的目标函数为：

若无取车信息，存车按就近原则寻找耗时最少的空位，此时存取车累计时间的目标函数为：

利用MATLAB 软件的遗传算法（genetic algo‐rithm，GA）工具箱［20］分别求解上述目标函数的最小值。

在制定存取车策略时，采用构造的模糊不满意度指标可以减少计算机编程难度；利用遗传算法对空位寻优使交叉排队存取车时间得以优化，实现了低能耗、低时耗的设计要求。

3 总结

与现有立体式车库人车分离技术相比，多巷道式立体车库的多巷道口存车缓解了存车时的车辆拥堵状况，“取车优先”策略提升了取车车主等待服务的满意度。水平传输机构的抓取机构对比目前已有的水平传输机构省去了堆垛时电机回程等动作，减少了堆垛时间。

通过多巷道式立体车库机构的优化设计与车辆存取优化策略的实施缩短了巷道机车的移动时间，有效减少了巷道机车的多余空行程，实现了省时节能目标。多巷道式立体车库为缓解日益紧张的城市停车难的现状提供了一种设计借鉴。