智能化立体车库存取车优化控制策略的研究
智能化立体车库存取车优化控制策略的研究
周雪松1，田 密1，马幼捷1，马云斌2，邵宝福2，王 辉1
（1.天津理工大学 自动化学院，天津 300191；2.天津天兴机械制造有限公司 天津 300000）
摘 要：文章通过对智能化立体车库的研究，阐述了中国目前发展立体车库的重要性，介绍了目前应 用较广的几种立体车库。主要比较分析了两种典型的立体车库的存取车优化控制策略，即选取 不同的目标函数—时间和能耗，建立他们的存取车优化控制策略并对其仿真结果进行分析，进 而说明目前对存取车优化控制策略的研究现状及其在立体车库中的重要性。最后简要介绍了目 前大多数立体车库所采取的控制系统——可编程逻辑控制器（PLC）在立体车库中的应用，并 指出数字信号处理器（DSP）在立体车库的应用终将取代 PLC 的趋势。
关键词：立体车库；控制策略；效率；优化；仿真
中图分类号：TP273+.1 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2008)10-0029-06
Research on optimal storage-retrieval control strategy of the intelligent solid garage
ZHOU Xue-song1, TIAN Mi1, MA You-jie1, MA Yun-bin2, SHAO Bao-fu2 (1.TianJin University Of Technolog TianJin 300191, China; 2.TianJin TianXing limited company of Machine manufacturing 300000, China)
Abstract: Through the research of the intelligent solid garage, this paper expatiate the importance of develop solid garage in china at present, and introduce several kinds of solid garage which apply quite extensive these days. Compare and analyze the process of storage－retrieval between two typical solid garage mainly, then set up their control strategy of storage－ retrieval based on different function of object and analyze the result of simulation, then show actuality of the research about control strategy presently and the importance of the control strategy in the solid garage. Finally recommend the control system adopt by most of solid garage at the present time－the application of Programmer Logic Control in the solid garage, and indicate the trend of appliance of Digital Signal Processing in solid garage will one day replace the PLC.
Key words: solid garage; control strategy; efficiency; optimization; simulation
0 引言
随着我国汽车工业的发展和鼓励轿车进入家庭 等一系列相关政策实施，特别是伴随着大城市经济 社会的发展和城市现代化水平的提高，使得城市交 通拥挤的矛盾日益突出。城市车位与车辆较为合理 的比例应该为1.2∶1，也就是说除了100%的基本停 车位之外，还需要 20% 的公共停车位。然而，目前 我国城市机动车辆的保有量与停车位之比大约为
5∶1，也就是说停车位的满足率只有 20% 左右。停 车位严重不足，造成机动车非法停放、占道停放现 象日益严重，造成静态交通混乱现象。而道路系统 的发展将会受到静态交通设施的制约，撇开静态交 通来解决城市交通问题，是不可能取得彻底成功的，
反而可能会使动态交通和静态交通的关系形成恶性 循环。在寸土寸金的城市里，能否解决城市交通堵塞 和停车难的问题，已成为影响制约城市建设和经济发 展的一个重要因素。因此，具有占地面积小，库容量 大，存取车自动迅速的智能化立体车库就应运而生。
对立体车库而言，传统意义上的自动化只是利 用传感和光电元件把车辆自动随机地存入和取出车 库的车位，存取顺序和车位的管理还没有达到科学 化、智能化、合理化。而目前的研究任务可以充分 利用计算机的高级决策功能，通过对车辆的存取顺 序进行决策控制研究，提高了车库的整体效率和利 用率，减少了车辆的存取时间和存取车的能耗，这一 研究无疑是把自动化立体车库推向智能化发展方向。
收稿日期：2008-07-15
作者简介：周雪松（1964 －），男，江西人，汉族，博士，教授，博士生导师，主要从事电力电子和电机控制的应用研究。
1 立体车库的主要类型及其结构特点
1.1 主要类型 按照机械装置的构造，机械式立体车库一般可
分为垂直循环式、多层循环式、水平循环式、升降
横移式、升降导轨式、电梯提升式、车面往复式、组 合式、巷道堆垛式、圆形水平循环式等几大类。
1.2 典型机械式立体车库的技术性能
（1）垂直循环式。该型车库采用了垂直方向做 循环运动的停车系统存取车辆的停车设备。
（2）多层循环式。该类停车库是采用了通过载 车板作上下循环运动，而实现车辆多层存放的多层 循环式停车设备。
（3）水平循环式。该车库外形狭长，通过采用 两层停车结构，可以有效地提高狭长地段的土地利
用率。
（4）升降横移式。此类机械式停车设备采用以 载车板升降或横移达到存取车辆的目的，且该型车 库对停车场地的适应性较强，因此采用这类设备的 停车库十分普遍。
（5）升降导轨式。中间是可沿轨道水平移动的 升降装置，两侧是沿水平方向设置的多层停车位。
（6）电梯提升式。车库中间是各升降机垂直运 送汽车的通道，两侧是沿垂直方向设置的停车车位。 它像电梯一样用升降机把汽车提升到指定车位旁， 然后用横移装置将汽车平移到停车位。
（7）组合式。组合式有两层升降式、两层或三 层升降横移式等形式，特别适用于地下停车场或露 天停车场，容车数量可随意增减，控制系统较简单。
（8）巷道堆垛式。该型车库采用以巷道堆垛机 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，并且用存取机构存取车辆的机械式停车 设备的车库
各类型机械式立体车库均有其他附属设备，如 转盘用于汽车原地调头转向；停车位置检测、消防、 通风、照明等安全装置及停电时的取车装置等。基 本上所有车库都可建成为地上、半地下、地下式，并 可数套并列设置。
1.3 结构特点
（1）占地面积小，空间利用率高。一般情况下， 其占地面积约为平面停车场的1/2～1/25，是土地资 源紧缺、车辆容量大的场所最佳停车方式。
（2）自动化操控，使用方便，效率高。机械式 立体车库采用电脑控制，存取车辆无须在车库内行 驶，机械自动记忆调车，耗费时间少，效率高，存 取车时间一般为 12 秒～35 秒。
（3）安全可靠、美化环境。配备自动检测系统， 各种安全机构，自动报警，消防系统及其他防范设 施。因地制宜，利用零星空地，配以外形美观的车 库，美化城市环境。
（4）配置灵活。如上所述，机械式立体车库具 有多种形式，可适应各种不同形式的建筑物。
（5）经济性好，立体车库建设成本大大低于传 统停车场。机械式立体车库占地面积少，空间利用 率高，便于合理规划、优化设计，综合性经济指标 较高。
2 立体车库存取车优化策略
就大多数的立体车库而言，其存取策略有非常 多的相同点，但由于各个立体车库的特殊情况以及 选取目标函数的不同，实际的应用又有许多的不同 点，下面就目前应用较广泛的巷道堆垛式和前景看 好的电梯式两种车库进行比较，进而说明存取策略 在不同立体车库中的应用。
2.1 巷道堆垛式 前面已简单介绍巷道堆垛式，下面以库容量为
288（六层双巷道）为例进行分拆。如图 1 所示，车
库每层有48个车位(每个巷道两侧每层各有12个车 位) 。
对于多层多巷道式车库进行存取车操作，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 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
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2.2 电梯式立体车库 电梯式立体车库主要是通过电梯的上升、下
降，行走小车的水平行走及载车板（现有研究叉梳
式存取车方式，取代载车板功能，取车时电梯直接 升到所取车停车位，没有空行程，减少了取车时间， 提高了取车效率。叉梳式存取车方式对电梯的平层 精度要求比较高，需要另加挡油板，以防止上层车 辆上的污物落到下层车上）。主要结构如图 4 所示。
与巷道堆垛式相同，该立体车库的存取车也是 三维运动,即水平 X 方向、横向 Y 方向和高度 Z 方向 的运动。高度Z方向的运动由电梯的升降实现;水平 X 方向的运动由行走小车的前、后行走实现;横向 Y 方向的运动由载车板的横移实现。即一个存取周期
应由 X 方向、横向 Y 方向和高度 Z 方向的运动组成。 车库运行的几种控制策略及其定义如下：
(1) 存车优先策略：当电梯完成存取操作后回到 基层，有且仅有 1 块托车板在电梯上以供下辆来车
可立即开进电梯，无需等待。
(2) 取车优先策略：当电梯完成存取操作后回到 基层，电梯上没有托车板，有利于取者快速取车。 (3) 停车优先和取车优先组合策略：是指在车库 的存车数量达到一定限度后,自动实现停车优先或取
车优先的转换。
(4) 原地待命策略：当电梯完成1次存取车操作 后，停在原地等待下次操作。
控制策略不仅会影响车库的停取车时间，还会 直接影响设备的损耗和能耗，为了说明控制策略对 立体车库能耗的影响，定义目标函数为 N 次存取车 总能耗。根据以上介绍的立体车库及存取策略建立 其数学模型并进行仿真，分别对各控制策略下的能 耗值进行分析和比较，以制定最小能耗的控制策略。 仿真如图 5 所示。
从图中可以看出：
(1) 存车优先的能耗少于取车优先，约节省
20% ~30%。其原因是取车优先的前期准备工作能耗 远大于存车优先，体现在：① 如果刚完成取车作业， 则不需能耗就可进入存车优先模式，而要进入取车 优先模式，则必须送回托车板，多运行一个来回；② 如果刚完成存车作业，进入存车优先模式要取 1 块 托车板，考虑顺道取板的话,能耗方面只是多一次空 板横移，而且带板下行比取车优先模式中的无板下 行消耗的能量要少些；
(2) 组合策略的能耗比取车优先要少，比停车优 先要多。这是因为组合策略本身就是取车优先和停 车优先的组合，其能耗当然应在两者之间。
(3) 由图可见原地待命策略的能耗比停车优先节 省 20%~30%，是能耗最少的一种，这是因为原地待
命策略的前期准备工作能耗为 0。 由以上分析可知，控制策略与车库运行的能耗
有很大关系，最大和最小值相差 40％~50％，说明
此项研究有一定的学术价值和明显的经济效益。经 比较分析可以看出，原地待命工作方式能耗最少， 其次是存车优先方式、组合方式和取车优先方式。 在车库运行能耗中，前期准备工作能耗起决定性作 用，而后期工作能耗是随顾客的要求而改变的变量， 难以预测，因此在考虑系统节能时以前期准备工作 为主。综合考虑实际情况，可以在原地待命工作方 式的基础上，高峰期时(如存车者或取车者排队等候 时)转换为存(取)车优先，这样既保证了运行效率， 又能达到能耗最优化。
由电梯式立体车库能耗最优化控制决策，以原 地待命策略为存取车模式。若车库内未存车，则下 一指令一定为存车 ；如车库内存有车辆，则下一指
令为存、取车是随机的，由概率论可知其概率各为
50%。由于当前指令动作与上一指令相关，现列出 所有情况如表 1。
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存车 - 存车：此状态电梯上无行走小车亦无载 车板，则存车动作为:电梯运行至指定车位所在层， 行走小车运行至指定车位取载车板，然后上电梯， 电梯下行至地面，轿车停车到位，电梯上行至指定 车位所在层，小车行走到指定车位，存入载车板。
取车-存车：此状态电梯上有小车，且停在一层, 则存车动作为 ：轿车停车到位，电梯上行至指定车 位所在层，行走小车运行至指定车位，存入载车板。 (也可以另取载车板，其动作为：电梯运行至指定车 位所在层，小车行走到指定车位，存入载车板。另 一小车行走到指定车位，取载车板，电梯运行至新 指定车位所在层，小车后行上电梯，电梯下行至地 面，轿车停车到位，电梯上行至指定车位所在层，小 车行走到指定车位，存入载车板。但从效率和能耗 角度考虑均难以达到最佳)。
当取一辆车时，车位是确定的不存在优化。综 上所述,仅存车- 存车有优化的可能。因此，我们可 以通过研究电梯式立体车库电梯运行时间、各层小 车行走时间和载车板横移时间等，结合 PLC 程序及 相关检测装置指令小车动作，完成优化存车。
2.3 多目标模糊综合评判算法在立体车库中的应用 由以上两种典型的立体车库所采用的存取优化 控制策略可以看出，它们采用的存取车辆的控制策
略可以说相差无几，但它们选取的目标函数却不一 样，巷道式选取存取车客户的等待时间为目标函数，
而电梯式立体车库选取了存取车能耗为目标函数。
一般而言，立体车库的服务对象关心的是存车/取车 所耗的时间，而车库的经营者出于盈利的目的和对 设备的损耗考虑更关心的是车库的运行能耗。
对于立体车库各种优化控制策略对车库中升降 横移之类装置的控制，传统的算法只有一个控制目 标。或是以立体车库客户的最小等待时间为控制目 标,因为单个顾客在发出存取车信号后可以在短时间 内存取车辆；或是以立体车库的最低能耗为控制目 标，它能满足立体车库经营者对车库低能耗高效运 行的要求。
但因为单纯追求最小等待时间或是低能耗,忽略 其他存车取车信号、能量损耗、等待时间等因素,只 能达到局部的最优,不一定能满足所有影响车库控制 系统的要素。现有的研究工作有采用多目标模糊综
合评判算法实现立体车库控制系统的全局最优，目 的就是弥补上述控制方法的缺陷，实现控制系统升 降装置的合理调度。模糊综合评判是在模糊的环境 中，应用模糊变换原理和最大隶属度原则，考虑被 评价事物相关的各个因素，对事物做出的综合评价。 如通过该控制算法可以在存车/取车高峰时，选择控 制系统中升降装置的控制方式为以减小顾客等待时 间为主要考虑因素，节约能源为辅；当顾客稀少时, 比如在晚上，则以节约能源为主。而在通常情况下 车库控制系统的运行优先考虑的是存车/取车时间， 其次才考虑能量消耗。与该多目标模糊综合评判算 法相似的是，目前亦有基于专家系统的自动化立体 车库出入库调度策略方面的研究，它也可以实现立 体车库的优化调度控制，使得车辆出入库更加流畅． 缩短了等待时间，提高了车库整体的运行效率。
3 结论
（1）随着汽车工业的迅速发展和人民生活水平 的不断提高，汽车保有量迅速增长，汽车停放车位 紧张的问题越来越突出，对立体车库的需要越来越 迫切，我国完全可以借鉴国外已经相对成熟的研究 经验，大力发展能有效地节约土地资源和充分利用 空间的自动化立体车库，这样才能有效改善城市停 车难和静态交通等问题。
（2）立体车库动作复杂，要求控制系统实现顺 序动作控制、速度控制、定位控制及安全互锁控制。 由于可编程序控制器（PLC）的优点都能够适应和 满足立体车库高性能的使用要求，因此目前几乎所 有的自动停车系统中都采用 PLC 作为立体车库控制 系统的核心。而随着科技的发展，数字信号处理器 件（DSP）性能不断改善，用 DSP 器件来做实时处 理已成为当今和未来技术发展的一个新热点，有望 代替目前在立体车库中的应用较广的控制手段 PLC 而成为立体车库控制手段的新宠。
（3）立体车库包含了当前机械、电子、液压、光 学、磁控技术领域的成熟先进技术，已成为技术密 集型产品的代表。如何实现存取车优化控制策略在 立体车库中的应用从而使其高效的运行作为一个新 兴的课题也吸引了越来越多的科研人员展开对它的 研究。
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另外，磨削加工过程中精磨和粗磨之间需要进 行一次砂轮修整，经修整之后的砂轮其半径将会减 小，所以在磨削加工下一个工件进行砂轮半径补偿 时必须把这个修整量也补偿进去。为此也需要一个 存储单元来存储时实的砂轮半径值。
在此，本系统开辟了一个如下所示的缓冲区用 于存放插补起点坐标值和砂轮半径值。
typedefstruct
{ INT16S X0;
INT16S Z0; //存放上一个程序段的插补终点 坐标，用于下一个插补程序段的起点
INT16U W0; //保存时实的砂轮半径值，初始
值由半径补偿值确定，之后由砂轮修整指令更新；
}CODEPtr
3 结束语
本方案从新一代数控系统设计的要求出发，结 合内圆磨床特殊的加工工艺，充分发挥了 ARM 处理 器的强大功能。另外，c/os-ii操作系统的引用，大 大的节省了系统开发的周期，同时还增强了系统的 时实性和稳定性，使得机床的加工性能得到了进一 步的提高。触摸屏的使用简化了机床电气装置的设 计，同时增强了人机交互的友好性。
此方案不仅对于内圆磨床，在其他的机床上也 同样可以借鉴适用，具有广泛的使用价值。
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