立体车库存取车时间优化控制方案

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  前言:
  随着我国人民生活水平的提高,家用汽车正快速进入家庭。以杭州为例,人均100户家庭已拥有汽车数量达到了56辆。使得城市交通拥堵的矛盾日显突出,城市车位与车辆的合理比例应为1.2:1,也就是说100%的停车位以外,还要增加20%的公共停车位。然而,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%。停车位严重不足,造成机动车非法乱停,严重影响交通。在寸土寸金的城市里,能否解决城市交通拥堵和停车难的问题,以成为影响制约城市建设和经济发展的重要因素。因此,占地面积小,库容量大,存取车方便的立体车库在城市中呈现迅速增加的态势。但是立体车库相对与地面车位,有个很大的区别,多了存取车的等待时间。存取顺序和车位的管理还没有达到科学化,智能化,合理化。而本文研究的方向就是如何通过立体车库内PLC的高级决策,对车辆存取顺序和车位的合理调配,提高车库的整体效率和车位的合理利用,减少用户存取车时间,也是今后立体车库的发展方向。
  目前使用的立体车库主要类型和结构特点,按工作原理主要区分为九大类。升降横移类,垂直升降类,平面移动类,垂直循环类,巷道堆垛类,水平循环类,多层循环类,汽车升降机,简易升降类。
  现以典型机械式立体车库从人为管理优化和技术改进优化谈起,本文首先提出了以人为管理提高车库的存取车辆时间,(1)即不管车辆存放时间长短,优先将车辆存人出人口附近的低位区中的空车位中,以减少后继客户的存车等待时间,一旦有空闲,就将存放时间长的车辆自动调整到车位的高位区,从而让出人口附近的低位区某些车位重新空出,以提高该区域的最佳利用率,当高位区车辆快取出前,再利用空闲时间将它们调整到低位区的空位上,大大减少客户取车时等待时间。(2)根据车辆存放时间的长短,把他们分别存放到车库远近不同的车位区域,即把存放时间短的存在出人口近的车位区域,存放时间长的放在较远的区域。这样可充分利用最佳车位进行车辆存取,客户等待时间就可减少。
  其次以车库技术改进来优化车库存取车时间,对于车库系统而言,存取车时间的长短直接反映了设备的利用率和效益。车库系统的存取车服务时间与车库中的车位有关,离出入口近的车位服务时间较短,离出入口远的服务时间较长,因此我们按照先低层后高层,由近及远的方案就近存取车。现在就市场使用率较高的二种车库为例进行探讨:
  一、垂直升降类立体车库
  基于该立体车库存取车辆的策略可分为三种,其定义如下:
  1.存车优先策略。当轿厢完成存取操作后回到出入口待命,以供下辆车到来后可直接存入,无需等待;
  2.原地待命策略。轿厢完成存取操作后停在原地等待下次操作;
  3.交叉存取策略。是指当同时有几辆车需要存取时,对存取车辆进行存车和取车分组,对两组服务对象进行存取车交叉服务。
  对于车库系统而言,存取车时间的长短直接反映了设备的利用率和效益。车库系统的存取车服务时间与车库中的车位有关,离出入口近的车位服务时间较短,离出入口远的服务时间较长,因此我们按照先低层后高层,由近及远的方案就近存取车。
  三种策略下存取车时间比较
  (1)原地待命比存车优先平均可节省8%的时间,交叉存取又比原地待命平均可节省4.5%的时间。当车辆入库与出库数越接近时的交叉存取策略,相对于原地待命策略节省时间越多,仿真结果中最多提高了8.8%;当入库与出库数相差越多交叉存取相对于原地待命能节省的时间越少,仿真中最少提高了1.2%;
  (2)存车优先耗时最多,在同样的时间间隔内连续入库数越大,平均存取车时间也相应越大。其原因是每存取车一次后堆垛机都要回到出入口待命,增加行程,耗费时间。其优越性体现在若是在连续几次存车操作且到车的时间间隔大于每次操作的服务时间的情形下,存车优先策略下顾客就不需要等待直接可以入库。在车流量不大且连续存车居多的情况下,存车优先策略可以减少顾客的等待时间;
  (3)原地待命耗时介于存车优先和交叉存取之间。交叉存取是对原地待命策略在存取顺序上的优化;当入库与出库数的比例越接近于1,可能交叉存取的组数越多,资源的配置越合理,优化的效果就越好。
  经分析比较可以看出,交叉存取耗时最少,其次是原地等待和存车优先策略。综合考虑实际情况,可以在原地待命的基础上,在出入库频繁的高峰期采用交叉存取策略,在车流量不大且连续存车居多的情况下,使用存车优先策略,减少存取车时间与顾客的等待时间。
  二、平面移动类立体车库
  平面移动类立体车库主要是通过轿厢的上升、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,取车时轿厢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轿厢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)。
  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方向的运动由轿厢的升降实现;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:当轿厢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:当轿厢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:当轿厢完成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。
  (5)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;
  (6)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。
  (7)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。
  由平面移动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。
  当前指令动作与上一指令动作的比较:
  存车-存车:此状态轿厢上无行走小车亦无载车板,则存车动作为:轿厢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,轿厢下行至地面,轿车停车到位,轿厢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:此状态轿厢上有小车,且停在一层,则存车动作为:轿车停车到位,轿厢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:轿厢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,轿厢运行至新指定车位所在层,小车后行上轿厢,轿厢下行至地面,轿车停车到位,轿厢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,我们可以通过研究平面移动类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,而平面移动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。
  三、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。(4)车库大量使用的变频器,使得车库的存取车时间得到有效的控制
  (3)平面移动类,巷道堆垛类等几类机械式停车设备的无车板化,研发梳齿,机械手等车辆交换技术有效的提高了存取车的速度,在控制系统方面信息化技术程度越来越高,如可实现预约取车,语音提示等功能,今后还可实现与停车诱导系统连接,与智慧城市建设接轨。
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