大型纵深式巷道堆垛立体车库的设计与实现

　　摘 要

　　立体车库的优化研究具有极佳的现实意义,作为解决"停车难"这一民生问题的实用性解决方案,立体车库一词不但多次出现在各地政府的工作报告中,也不断出现在国内外高校、学者的研究论述中.针对立体车库的研究,是一门复杂的、具体的研究门类,由于方案众多,针对问题的侧重点不同,需要对具体问题进行综合讨论.本文主要针对城市中高密度车辆停放难问题,结合规模化立体车库建设趋势,选取大型纵深式巷道堆垛立体车库进行优化研究.

　　(1)对立体车库的布局进行了优化设计.选取了更适合大型巷道堆垛立体车库的双堆垛机工作模式,对照立体车库的设计原则及现实需求,在类比多种常见的布局思路后,提出了在纵深巷道的正中心建立并排双出入口的布局模式.将车库分解成两个相同的小型堆垛工作区域,在同一条轨道上堆垛机可进行独立工作,也可跨区域协同工作.

　　(2)双堆垛机作业的防碰撞避让分析.对巷道内工作区域的划分方法及任务分配方式进行了确定,探讨了在独立工作和协同工作模式下,堆垛机运行的过程,类比不同时段、不同工作原则下的堆垛机主要工作模式,对发生协同工作时可能产生的堆垛机交叉工作类型进行了分析, 对发生在同一区域内的协同工作,采取捆绑工作的模式防止碰撞,建模并验证在三种不同工作优先级下立体车库运行的效率.

　　(3)堆垛机运行路径优化研究.利用遗传算法对堆垛机工作路径进行优化,并通过 MALAB 进行分析,得出了同一系列存取任务下,堆垛机各自区域独立与协同工作,以及堆垛机路径优化后的 3 种运行轨迹及耗时,验证了路径优化对立体车库工作效率的提升.

　　(4)构建堆垛机控制系统.为了达到提升堆垛机工作效率,优化立体车库工作效率的最终目的,对堆垛机的控制系统及其模块进行了设计,在传统堆垛机控制流程中,加入了避让判定策略,使堆垛机工作选择更为智能,利用 PLC 控制高频脉冲发射实现对堆垛机运动的控制,并对控制的各个子系统进行了设计.

　　关键词:立体车库,布局设计,调度优化,防碰撞,PLC控制

　　Abstract

　　As a practical solution to the people's livelihood problem of "parking difficulty",the term "three-dimensional garage" has appeared not only in the work reports of localgovernments, but also in the research and discussion of universities and scholars athome and abroad. The study of three-dimensional garage is a complex and specificresearch category. Because of many schemes and different emphasis on the problem,it is necessary to discuss the specific issues comprehensively. In this thesis, aiming atthe difficult parking problem of high-density vehicles in cities, combined with theconstruction trend of large-scale three-dimensional garage, large-scale deep roadwaystacking three-dimensional garage is selected for optimization research.

　　(1) The layout of the three-dimensional garage is optimized. The double stackerworking mode which is more suitable for large-scale roadway stacking threedimensional garage is selected. According to the design principle of three -dimensional garage, after analogizing various common layout ideas, the layout modeof parallel double entrances and exits in the center of deep roadway is put forward.The garage is decomposed into two identical small stacking workspaces. On the sametrack, the stacker can work independently or collaboratively across regions.

　　(2) Anti-collision and avoidance analysis of double stacker operation. Thedivision method and task allocation method of working area in roadway aredetermined. The operation process of stacker under the mode of independent work andcooperative work is discussed. The main working modes of stacker under differenttime periods and working principles are analogized. The possible types of cross workof stacker are analyzed, and the cooperation occurring in the same area is alsodiscussed. In the same work, the bundling mode is adopted to prevent collision, andthe efficiency of three-dimensional garage operation under three different workpriorities is modeled and verified.

　　(3) The stacker operation path is optimized. The genetic algorithm is used tooptimize the working path of the stacker, and MALAB is adopted to calculate. Underthe same series of access tasks, it is concluded that the trajectory route andtime-consuming of the stacker under the three working conditions which are thestacker working independently and cooperatively, and after the optimization of thestacker's path, which verifies that the optimized path improves the working efficiencyof the stereo garage.

　　(4) The control system of stacker is constructed. In order to improve the workingefficiency of the stacker and optimize the working efficiency of the three-dimensionalgarage, the control system and its modules of the stacker are designed. In thetraditional control process of the stacker, the decision strategy of avoidance is addedto make the stacker work more intelligent. The high-frequency pulse transmissioncontrolled by PLC is used to control the movement of the stacker, and the controlsubsystems are also designed.

　　Key words: three-dimensional garage; layout design; scheduling optimization;anti-collision; PLC control

　　目 录

　　摘 要 ......................................................................................................................... I

　　Abstract ......................................................................................................................II

　　插图索引 .................................................................................................................. IV

　　附表索引 .................................................................................................................. VI

　　第 1 章 绪论 ...............................................................................................................1

　　1.1 研究背景......................................................................................................1

　　1.2 立体车库国内外的研究现状.......................................................................2

　　1.2.1 立体车库的行业发展 .......................................................................2

　　1.2.2 立体车库的解决方案对比 ...............................................................4

　　1.2.3 不同策略下的国内外研究 .............................................................10

　　1.3 本课题的主要研究内容 ............................................................................11

　　1.4 本章小结....................................................................................................12

　　第 2 章 巷道堆垛式立体车库的结构布局设计 .......................................................13

　　2.1 巷道堆垛式立体车库的经典结构 .............................................................13

　　2.2 巷道堆垛式立体车库布局设计 .................................................................14

　　2.2.1 设计原则 ........................................................................................14

　　2.2.2 同轨双车的立体车库布局设计......................................................14

　　2.3 堆垛机运行区域的划分 ............................................................................17

　　2.3.1 存取区域划分.................................................................................18

　　2.3.2 拟采用存取优化方法分析 .............................................................19

　　2.4 本章小结....................................................................................................22

　　第 3 章 存取过程中的避让策略研究.......................................................................23

　　3.1 不同时段避让情况分析 ............................................................................23

　　3.1.1 不同时段的工作原则 .....................................................................23

　　3.1.2 产生的避让类型 .............................................................................24

　　3.1.3 影响碰撞发生的因素 .....................................................................25

　　3.1.4 传统的避障方法分析 .....................................................................26

　　3.2 防碰撞模型的建立 ....................................................................................27

　　3.2.1 存取参数建立.................................................................................28

　　3.2.2 连续时段工作模型 .........................................................................29

　　3.2.3 模拟工作过程求解 .........................................................................30

　　3.3 本章小结....................................................................................................32

　　第 4 章 运行过程中的堆垛机调度优化...................................................................33

　　4.1 路径优化问题 ............................................................................................33

　　4.2 路径优化的方法 ........................................................................................34

　　4.2.1 遗传算法 ........................................................................................34

　　4.2.2 算法中的参数转换 .........................................................................34

　　4.2.3 遗传算法的优势 .............................................................................35

　　4.2.4 遗传算法的过程 .............................................................................35

　　4.3 路径优化模型 ............................................................................................36

　　4.4 路径优化过程 ............................................................................................37

　　4.5 实验仿真....................................................................................................38

　　4.6 本章小结....................................................................................................42

　　第 5 章 堆垛机控制系统的实现 ..............................................................................43

　　5.1 设计思路综述 ............................................................................................43

　　5.1.1 功能与设备.....................................................................................43

　　5.1.2 控制系统设备清单 .........................................................................44

　　5.1.3 关键设备选取.................................................................................44

　　5.1.4 控制方案的设计 .............................................................................45

　　5.2 各子系统模块的构建 ................................................................................47

　　5.2.1 定位系统 ........................................................................................47

　　5.2.2 条码系统 ........................................................................................47

　　5.2.3 调速系统 ........................................................................................48

　　5.2.4 监控系统 ........................................................................................48

　　5.2.5 管理系统 ........................................................................................48

　　5.3 双堆垛机调度控制系统设计.....................................................................48

　　5.3.1 搜索与认址.....................................................................................50

　　5.3.2 交互设置 ........................................................................................50

　　5.4 本章小结....................................................................................................51

　　总结与展望 ...............................................................................................................52

　　总结 ..................................................................................................................52

　　展望 ..................................................................................................................52

　　参考文献 ...................................................................................................................54

　　致 谢 .......................................................................................................................58

　　附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录 .......................................................59

　　第 1 章 绪论

　　1.1 研究背景

　　经济的全球化上行,引导并推动着我国国民生活质量与消费方式的升级,私家车的购买在共享经济当道的今天,仍然稳稳占据中国家庭大宗消费支出的前三甲,并且其市场仍以迅猛的姿态不断发展[1-2].早在 2015 年,我国的机动车保有量和汽车保有量就已经分别达到 2.79 亿辆和 1.72 亿辆[3],个性化出行方式在给人们带来高效便捷,改善生活、消费方式的同时,也带来了诸多问题,这其中"停车难",正突出影响着城市的发展、影响着居民的生活体验[4].截至 2018 年底,兰州市机动车保有量已突破 104 万辆,而 100:13 的停车位比例也意味着市区内半数以上的车辆将成为城市交通的"流浪者"[5],想有固定的"栖身之所"一位难求,尽管政府一直在努力新增改善,这一现状与国家公安、交通、建设等部门 100:20的城市通畅建设标准仍有很大的差距.在北京,同样有 137 万停车位缺口,而这些仅仅是诸多全国城市共同问题的一个缩影,根据发改委统计,我国的停车位缺口保守估计在 5000 万以上,且这一缺口逐步扩大,从现如今各地大力吸纳人才资源,扩大城市人才储备的发展态势来看,停车矛盾将在未来 5 年内有阶段性的凸显,如何平衡好居民停车需求问题,关系到城市动态交通的正常运转,社区、街道的安全问题,也关系到居民生活体验的方方面面,进一步关系到整个城市的发展及环境,因此,在 2018 年各地政府都将解决停车难问题写入了新一期政府工作报告当中.传统的静态交通解决方案以平面、路边式停放为主,土地占用率较高,使用效率较为低下,且不仅在商场、医院、写字楼之类的人员流动密集型场所难以适用,即使是在居民区也在逐渐被淘汰中,未来,平面停车选择将注定被辅助化、边缘化,现实问题迫切需要我们采取更加高效、低土占率、智能化的现代解决方案,因此,向天要地、向地要地的立体车库解决方案成了当下最好的选择[6].

　　相较于传统地下停车方案,立体车库的选择有诸多优势:

　　(1)各方效率协调提升.消除了大面积的土地占用,消除了停车场内的人行、车行辅助道路设施,公摊下降,空间利用率提升;消除了停车过程中,人的因素影响,存取过程由机器完成,避免了个体技术差异带来的时间影响,运行效率得到了提升.

　　(2)环境友好.在立体车库运行中,车辆驶入指定位置后即刻熄火停止操作,全程由机械带动,一定程度上降低了车主油耗,避免了车辆在怠速或等待状态下汽油燃烧不充分带来的 CO 排放等尾气问题,减少了有害气体污染,使立体车库能够有针对性的降低通风换气设备的投入,同时也避免了照明设备的架设,减少声光污染,降低投资.车库外部环境也不与市政绿化等冲突,在一定的规划设计下,还可作为城市景观的一部分.

　　(3)安全系数高.在立体车库运行过程中,人车分离,保障了行人的安全,设备操作下,误差小,车辆碰撞、剐蹭的情况几乎不会出现,且一经验收投入使用后,运营状况通常较为稳定.

　　(4)可选择性强.立体车库发展至今,选择多样化,可匹配性强,针对不同的地形,场合及使用需求,几乎可以做到一个项目多项选择,且同一类型的产品对于不同项目,可做大小、使用方式等不同程度的拆分.

　　表 1.1 对比了立体车库与传统地下车库在建设使用方面的优劣,更为直观的反映了立体车库的实用性及可发展性.

　　由上述看来,立体车库的发展具有一定的时代先进性,符合未来静态交通建设的趋势,考虑到未来将有大面积的建设投入,立体车库的建设实施也有许多值得研究探讨的问题.其中亟待解决的问题有:

　　(1)各类机组解决方案众多,其中优劣各异,哪一种更具有发展潜力,更能适应城市发展大宗车辆停放需求,高效解决城市交通拥堵,解决停车难问题.

　　(2)立体车库的发展受到资金成本,硬件设备,调配策略等多方因素影响,机电设备的技术提升在短时间内难以有颠覆性突破,所以要想使车库设置更高效,更有经济价值,首先需要在调配策略的突破上下工夫.

　　1.2 立体车库国内外的研究现状

　　1.2.1 立体车库的行业发展

　　立体车库的发展起步于美国,得益于汽车工业的蓬勃发展,在 1920 年,世界上第一台机械升降式立体车库在美国修建成功并投入使用,此后,随着工业技术水平的不断攀升,更加新颖的立体车库形式被开发出来.20 世纪 50 年代,通过对桥式堆垛机来起重控制车辆的存取,让美国在车库的技术发展上取得了进一步的突破,通过对这一技术的不断积累与完善,在 20 世纪 60 年代初,美国完成了巷道堆垛式立体车库技术的进一步开发,与之前的产品相对比,新一代产品的科技性,机械化与土地利用率都更加趋于当今对立体车库评判的标准,只是当时的立体车库仍需要人工操作来实现设备的良好运转.直到 1963 年,计算机技术的突破,让美国又一次走在了立体车库的世界前列,通过计算机控制的全自动立体车库,不需要人工协助即可实现汽车的自动分配入位,此项技术立刻就受到了欧洲发达国家的关注,并将其作为一项专门的学科开始进行技术性突破研究,德国的Palis,意大利的 Softfin 如今都是立体车库行业中的尖端领导者.由于立体车库的土地占用小,停放车辆多的特质对于国土资源紧张的国家来说十分友好,日韩也相继较早的加入了对立体车库的研发和制造中.日本从 20 世纪中期经过 30 余年的发展,已经成为了亚洲地区技术与设备的典范,开始向亚洲一些国家出口自家的产品.韩国自 20 世纪 70 年代引入日本的技术,此项技术立即受到了韩国政府的高度重视,通过政策支持与本土技术再创新,韩国的立体车库得到蓬勃发展,其设备量出货量逐年递增,每年 30%的比例令整个行业对其不容小觑[7].

　　中国的立体停车技术相比发达国家起步晚、起点低、发展缓,直到 20 世纪80 年代初期才开始了对此类设备的初步探索,工业基础落后,普通民众生活水平低于世界水平,汽车保有量与停放之间的矛盾并不凸显,此后近 10 年的时间内,中国的立体车库一直处在纸上研究的状态,发展十分缓慢.进入 20 世纪 90 年代,中国的经济瞬息万变的 10 年,社会经济结构出现重大调整,居民生活水平提高,城镇化规模逐渐增大,汽车保有量增加,对土地集约化利用的需求更加明显,立体车库建设开始重新受到市场的重视[8].

　　由图 1.2 可见,在 2006 至 2011 年期间,中国的汽车产业发展迎来了动态高潮,每千人汽车保有量以年同比 24.41%的增幅稳定增长,即便如此,中国的汽车保有量仍远落后于同时期其他国家,仅有 54 辆每千人(见图 1.1),但立体车库的生产普及情况已经增长了数十倍,全国已有 94 个城市已经引入了立体车库设施[9].到了 2018 年,我国国民每千人汽车保有量达到了 140 辆,这一倍的增长量彻底激发了我国立体停车行业的发展.2017 年全年,我国国内新增立体泊车位总数达 81 万余,增幅达到 11.3%,在的国内销售上也有 10.9%的增长,同年销售总额达 147.88 亿元,泊车位总量分布,二线城市占比 52%,一线城市 22%.从技术引进到本土落地开花,中国的立体车库行业涌现出了杭州西子,深圳怡丰,唐山通宝等诸多民族品牌,针对我国城市建设特点研发的无避让立体车库,由梁波涛教授发明,经过数代改良,已经成为立体车库行业的新宠,中国的立体车库研发建设,也已经走到了世界的前列,中国速度和中国质量也在为世界所瞩目[10].

　　1.2.2 立体车库的解决方案对比

　　立体车库的发展经过了国内外学者的研究及企业生产实践,至今共有 6 大类应用较广,产品较为成熟,历经市场检验的产品[11].

　　(1)升降横移方案,如图 1.3 所示.此类停车产品,多为两层或多层设计,通过层内载车板的左右平移带动车辆位移,高低通过升降机带动,地面只可横移,地上或地下设计的板位均可升降平移,顶层或底层只可升降.

　　优势点:对各类场地的适应性都较高,可根据企业需求进行模块化建设,规模可调,结构简单,出入便捷,通常由钢梁结构组成,施工与维修成本相对较低,目前的市场覆盖率较高.

　　待改善:此类车库在小区、单位较为常见,由于其敞开式结构,易受到雨水、风沙侵蚀,其使用寿命及设备稳定性容易下降;在多层情况下,车板的位移将变得复杂,且高频的车板位移,一旦产生故障,会影响整体的用户体验;尽管结构有所改善,部分提拉牵动设备,在运行中仍有车辆倾坠的风险.

　　(2)垂直升降方案,如图 1.4 所示.通过横移装置与升降机的结合运动,将车辆搬向指定车位,升降机拉升,横移装置负责存取车辆.该类产品目前有横纵圆三种车位处置模式.

　　优势点:其施工建设对土地面积需求最小,纵向空间利用率最高,适宜在城市繁华区域的停车高度密集点建设,可多出入口协同出入,且可以提供智能预约服务,车库外立面容易进行绿化装饰,对周边环境印象小.

　　待改善:由于结构性原因,载车板与存取车过程不可分离,载车板故障率将直接影响整体车库的运行故障率,其安全性对基建水平要求较高,且消防问题也是制约其发展的一大因素,总体造价高,因而市场占有率并不突出.

　　(3)简易升降方案,如图 1.5 所示.通常为地上两层建设升降,也有地下坑道式,存取时需要单层先存取,再进行升降存取,通常为钢结构.

　　优势点:能够满足部分单位和个人住宅的存取需求,整体花费不高,施工简单,结构紧凑,可在室外及地下室建设,不需要外墙等特殊地面设备.

　　待改善:由于存取结构限制,需要预先安排好车辆停放顺序,如需挪动升降层车辆需要先移出平层车辆,整个过程离不开人工干预,灵活性较差.

　　(4)平面移动方案,如图 1.6 所示.利用升降装备搬运车辆,每层平面独立工作,由载车板安排分配车位,可利用地上地下空间建设.

　　优势点:升降机和每层的载车板工作相对独立,全局出入库效率高,单层载车板故障不影响其他区域运行,整体抗故障性强.此外,可地上地下进行一定规模性建设,车辆及建筑安全性较好.

　　待改善:由于其面向大型车库建设,并且机械及电气设备结构复杂,单一部位更容易出现故障,在高峰期,进行单向存取作业时,载车板始终处在等待升降梯过程中，因而时段效率较低。

　…………由于本文篇幅较长,部分内容省略,详细全文见文末附件

　　总结与展望

　　总结

　　为了适应未来立体车库的规模化集约化发展趋势,对纵深式巷道堆垛立体车库这一解决方案进行优化,提出了中立位双堆垛机双出入口作业模式的,将不能适应发展需要的单堆垛机模式进行了有效的改善优化.就新模式的运行展开分析,对工作过程中的问题及可优化点进行分析,并对堆垛机的工作路径及控制系统进行了优化,主要完成了以下工作:

　　(1)对近年来立体车库行业的发展趋势,国内外现状,各类解决方案进行对比研究,选取了更能够满足未来规模化存取需求的巷道堆垛式立体车库,并确立了对其设计运行进行整体优化的思路;

　　(2)对立体车库的结构布局进行了设计,确定了双堆垛机,巷道中心双出入口的结构,确立堆垛机工作模式,堆垛机各自负责两侧相同大小的区域,并在有任务需求时可跨过中线协同工作,满足高效运行的同时更符合设计的合理性及实际性原则;

　　(3)对工作中的关键点,即堆垛机防碰撞过程进行了分时段不同运行策略下的探讨,对各策略下的避障处理进行了分析,建立了同区域捆绑工作模式,在一定约束条件下进行了建模分析,验证了在其模式下成功避障的同时提升了堆垛机工作效率;

　　(4)在上述工作的基础上,进一步简化模型,对整个车库进行编码,运用遗传算法思想对两堆垛机工作的路径进行了优化,并通过 MATLAB 进行仿真,得出了在传统分区工作模式下、跨区工作模式下、及协同工作模式下同一批任务的不同路径与时间消耗,验证了路径优化的高效性.

　　(5)通过 PLC 等技术实现了对堆垛机运行的控制,实现了堆垛机工作的精确化,自动化.

　　展望

　　立体车库的问题研究,源于立体仓库,又异于立体仓库,由于复杂的结构及工作特性,导致在实际的使用研究中,需要考虑大量因素,因而在一般研究中往往针对其某一点,或设立大量的约束、近似条件进行分析.本文对立体车库结构的改变及其功能性分析是一个较好的思路,更加符合立体车库设计的原则,由于笔者水平有限,研究还有极大的可深入点,希望借此抛砖引玉,让更多人加入到对立体车库的研究中来.后续研究可以对立体车库建立更为完善、约束条件更少的模型，在对模型进行坐标定位时，对出入口坐标有更便于计算的方式，对控制系统及其避障过程的进行更为精确的研究，以及在算法上进一步改善，寻求更为全面解决车库调度的思路
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