硕士学位论文-基于巷道堆垛式立体车库的车辆存取策略算法研究.docx

分类号 u463 单位代码 10618 密 级 学 号 1110i010 专业硕士学位论文基于巷道堆垛式立体车库的车辆存取策略算法研究 研 究 生 姓 名： 导师姓名及职称： 申请专业学位类别 工程硕士 学位授予单位 论文提交日期 专业领域名称 论文答辩日期 2014 年 月 日research of vehicleaccessstrategy algorithmbased onlaneway-stow-typed automatic 3d-parka dissertation submitted for the degree of professional mastercandidate：wei lisupervisor：prof. yang zhigangchongqing jiaotong university, chongqing, china重庆交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务（包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等），同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊（光盘版）电子杂志社cnki系列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日摘要摘要摘 要自动化立体车库在汽车保有量日益增长和土地资源相当紧缺的现代社会发挥着越来越重要的作用，同时它的出现还在一定程度上缩短了车辆的存取时间，降低了资源的浪费。巷道堆垛式立体车库作为自动化立体车库的一种，具有泊车位数量多，安全可靠性高等特点，特别适用于人口比较集中的大型商圈和办公区。近几年来该类型的车库在国内外大中城市的应用越来越广泛，在生活工作节奏日益加快资源紧缺的今天，如何在该类型车库运营现状的基础上进一步降低顾客的等待时间和车库存取车辆的能耗，成为亟待解决的问题。本文以重庆解放碑商圈处某大型巷道堆垛式立体车库为研究对象，调研统计了该车库几天中从早八点到晚七点间的顾客到达时刻，应用排队论确定了该车库车辆存取的排队模型以及各种排队指标，得出该车库顾客等待时间长、存取效率低的结论。鉴于此，针对各时间段内对降低顾客等待时间和减少车库存取能耗需求的不同，提出了优化后的主存取策略和辅助存取策略，并根据该类型车库的运行特点，建立各策略存取时间和能耗的数学模型。国内外对巷道堆垛式立体车库存取策略算法的研究较少，主要包括一般路径搜索算法和传统的遗传算法。一般路径搜索算法搜索速度较慢，特别是在车库泊车位较多时，存取效率较低。传统遗传算法中如果编码或遗传参数选择不当则很难得到最优解。结合巷道堆垛式立体车库的工作特点，本文采用基于混合编码和自适应交叉变异概率的改进遗传算法，采用双目标优化的权重法实现优化的存取策略。传统遗传算法中交叉概率和变异概率的确定繁琐而复杂，本文采用改进后的自适应交叉概率和变异概率，提高了算法的收敛效率。利用matlab遗传算法工具箱对各策略存取时间和能耗的数学模型进行仿真，获得存取时间和能耗的迭代曲线，以及最优的车辆存取路径和顺序。最后将各优化策略和随机策略的排队指标进行对比，验证各优化策略算法的可行性。本文设计并制作了堆垛机的物理模型，结合巷道堆垛式立体车库整体控制系统的特点，选择西门子s7-300 plc 为下位机，结合plc的工作原理，确定下位机的控制方案。利用step7中的梯形图语言表示采用各策略时堆垛机存取车辆的过程。关键词：巷道堆垛式立体车库；排队模型；存取策略；遗传算法；plcabstractautomatic stereogarageis playing an increasingly important rolein the modern societyis increasingand landresources isscarcein cars,at the same timeit appearsalso to some extentand reduce the vehicleaccess time,reducethe waste of resources.garageas anautomated three-dimensional garage,parkingbitswithmultiple,high security,especially suitable for thepopulation is relatively concentratedin largeareaand office area.in recent years,application andthe type ofgarage in domestic and foreignlarge and medium-sizedcitymore widely,increasinglyscarce resourcesin todayslife and work rhythm,how in basicrunningstatus offurtherreducing the energy consumptionof customer waiting time andaccess to vehicles,becomeurgent to solve theproblem.this paperlooksat themonument for liberation in chongqing,a largegarageas the research object,researchthevehicle accesstimefrom early eightto lateseven points betweenthegaragedays,the application of queuing theory todetermine thequeuing modelandevaluationindex of thegarage,thegaragecustomer wait time,low access efficiencyconclusion.in view of this,for eachtime periodtoreduce customerwaiting time andreduceenergy consumption ofdifferentaccessdemand,optimize themainaccess strategyandassistedaccess strategy.according to the operationcharacteristics ofgarage,a mathematical modelis established for eachtime andthe energy consumptionof thestrategyand matlab simulation,validateaccess strategy.little researchon thegarageaccessstrategy algorithm,including the generalpath searchalgorithm and traditionalgenetic algorithm.the general pathsearch algorithm to searchspeed is slow,especially in thegarageparking spaceis large,the accessefficiency is low.in the traditional genetic algorithmif thecode orimproper selection ofgeneticparametersisveryhard to find the optimal solution.combined with the characteristics ofgarage,the improvedhybrid coded genetic algorithmandadaptive crossover and mutationprobability based onthe weighted method,doubleobjective optimization,theoptimizedaccess strategy.tediousto determine thecrossover probability and mutationprobability in traditional genetic algorithmand complex,this paperuses the improvedadaptivecrossover probability and mutation probability,greatly savestime,improvesthe convergence efficiency of the algorithm.and the simulationusing genetic algorithmtoolbox of matlab simulation,validateaccess strategy.little researchon thegarageaccessstrategy,theaccesstime and energy consumptioncurve of eachstrategy,and the optimalvehicle accesspaths and order.at the end of the paperand the originaldata contrast,verify the feasibilityofthe improvedgeneticalgorithm.this papermade the physicalmodel ofstacking machine,combined with the characteristics ofthe wholecontrol systemgaragesiemens,chooses7-300plc as lower machine,combined with the workprinciple of plc,determination of controlcomputer.andstep7ladder diagramlanguageaccessvehicle.analysis ofthe logical relationship betweenthe input andoutputof thesensoractuator,is consistent with thereservationrequest.algorithm.key words:laneway-stow-typed automatic 3d-park;queuing model;access strategy;genetic algorithm;plciii目录i第一章 绪论11.1 论文的研究背景11.2 自动化立体车库研究概述21.2.1 自动化立体车库研究现状及发展趋势21.2.2 自动化立体车库的类型31.3 自动化立体车库车辆存取策略及算法研究概述51.3.1 自动化立体车库车辆存取策略研究现状51.3.2 自动化立体车库车辆存取策略算法研究现状61.4 论文的研究意义71.5 论文的总体安排7第二章 巷道堆垛式立体车库概述92.1 巷道堆垛式立体车库的特点92.2 巷道堆垛式立体车库的类型92.3 巷道堆垛式立体车库的组成及工作过程102.3.1 巷道堆垛式立体车库机械系统112.3.2 巷道堆垛式立体车库控制系统122.4 本章小结16第三章 巷道堆垛式立体车库存取策略优化及建模173.1 排队论简介173.2 排队系统的基本结构173.2.1 输入过程与到达规律183.2.2 排队规则和服务机构193.2.3 排队系统的符号和类型203.2.4 排队系统的评价指标203.3 巷道堆垛式立体车库排队模型的分析213.3.1 巷道堆垛式立体车库排队模型的确定223.3.2 巷道堆垛式立体车库排队系统各衡量指标的确定263.4 存取策略的优化263.4.1 存取策略简介273.4.2 不同时段的存取策略优化分配283.5 巷道堆垛式立体车库泊车位分布293.6 存取策略时间和能耗数学模型的建立293.7 本章小结32第四章 基于改进遗传算法的存取策略实现及仿真334.1 遗传算法简介334.1.1 基本概念及特点334.1.2 实现的主要因素及流程344.2 遗传算法的改进374.2.1 编码的改进374.2.2 交叉概率变异概率的改进374.3编码及初始种群设定394.4适应度函数的确定414.4.1 基于权重和方法的目标函数确定414.4.2 目标函数和适应度函数的转换424.5 遗传算子的选择444.5.1 选择算子444.5.2 交叉算子444.5.3 变异算子454.6存取策略算法的仿真与分析464.6.1 遗传算法工具箱简介464.6.2 仿真过程464.6.3存取时间、能耗的仿真曲线结果及分析474.6.4优化的存取策略和随机策略的排队指标比较分析504.7 本章小结51第五章 堆垛机物理模型总体设计制作525.1 堆垛机机械部分设计525.2 框架机构设计525.3 平移机构机械设计535.4 升降机构机械设计545.5 堆垛机驱动机构及传感器的选择565.5.1 驱动机构选择565.5.2 传感器选择565.6 本章小结57第六章 存取策略算法在车库物理模型上的模拟实现586.1 立体车库总体控制方案586.2 plc简介596.2.1 plc的工作原理596.2.2 plc选型606.2.3 s7-300 plc的基本结构616.2.4 编程软件简介626.3 堆垛机存取的控制方案设计636.3.1 上位机控制系统及i/o变量的定义636.3.2 plc中i/o口的分配646.3.3 堆垛机控制流程的设计646.4 堆垛机存取过程的模拟实现656.4.1 设备656.4.2 步骤666.4.3 结果分析696.5 本章小结69第七章 结论与展望707.1 结论707.2 展望71致谢72参考文献73附录76i. 第二个普通工作日存取时刻的原始数据76ii. 某周末存取时刻的原始数据77iii. 某节假日存取时刻的原始数据78在校期间发表的论文及科研学术成果797 第一章 绪论第一章 绪论1.1 论文的研究背景近年来，在国家宏观经济政策调控下，我国经济由原来的依靠投资和出口拉动型转为依靠内需拉动型。因此，个人消费在经济中的比重呈不断上升的趋势。在汽车领域的表现就是：汽车销量大增。据有关统计，目前我国每百户居民家用汽车保有量为26.5辆，比2012年增加了15.5辆，截止到2013年第一季度，中国个人汽车拥有量将破亿，未来10年每百户汽车保有量将达到或接近60辆1。 汽车保有量的井喷式增长和城市中紧缺土地资源的矛盾日益加剧，城市中静态交通状况越来越恶劣。“停车难”问题也在大中城市中变得越来越突出。例如，具有上海cbd之称的黄浦区，面积4.2平方公里，人口26.8万，是上海市金融、行政、文化和商贸中心。在上下班高峰时间段，轿车停放量达4000辆以上，即平均每平方公里停放1000辆左右。尽管政府花了很大的力度充分利用每个空间每个地方，但终究没有从根本上解决停车拥挤的问题。不仅像上海这样的国际大都市停车状况如此紧张，国内的其他大中城市，“一位难求”的问题也越发凸显。近年，建设部城市交通工程技术中心的一次调查表明：调查范围内15个城市的现有停车位和车辆的平均比例大概为1：5，也就是说停车位的满足率只有20%，很多城市的百辆车只能平均拥有3-5个停车位。其中广州市为7.8%，杭州市为3.2%，哈尔滨市为8%。目前，重庆主城区小区停车位价格也一直在上涨，新建小区车位更是“身价”暴涨，每个车位的价格甚至超过一辆普通轿车的售价。重庆市主城区五大商圈附近停车位缺口更是巨大。目前，我国大部分城市使用的是地上或地下平面式停车场，以地下式居多，由于这种平面式停车场占地面积较大，故造成了土地资源的极大浪费。因为在车位设计中应考虑车辆的停车面积、车道面积等，所以每个车位平均占地面积高达30-40m2，并且车辆进出库时均低速行驶，尾气和噪声污染严重。地下平面停车场虽然在一定程度上利用了地下空间，缓解了恶劣的静态交通状况，但同时也存在一定的弊端。如：地下停车场的增设会影响地下城市交通（如：地铁）的建设；出入库的定点刷卡缴费，使得存取车辆效率低下；地质结构复杂时，增加了建设费用，造成不必要的浪费；驾驶员和车辆同时入库，增加了火灾隐患。1.2 自动化立体车库研究概述立体车库的定义为：用于大量存放车辆的机械或机械设备系统2。自第一辆汽车诞生以来它就随之产生。然而拥有数百年历史的它却远远不及汽车工业那么引人注目，更没有被大多数人所重视。至今，仍没有把它严格地归于哪一类，哪一项，但它是一个涉及车辆工程、机械电子、建筑结构、物流仓储、物业管理等多领域的综合性项目。1.2.1 自动化立体车库研究现状及发展趋势经过近百年的发展，立体车库在美、德、日等国家的技术已经相当的成熟。这些国家也代表了世界上立体车库最先进的技术水平。1918年美国伊利诺斯州芝加哥市华盛顿西大街215号的一家宾馆建立了世界上第一个机械式立体车库，目的是为了解决该宾馆周围拥挤的停车问题3。德国意大利等欧洲国家在机械式立体车库的开发和生产应用方面也发展的比较早，像意大利的sotefin、interpark，德国的palis等都是当今世界拥有立体车库尖端科技的公司4。它们在二层及多层平面式立体停车库系列中，早已发展了h、u、v等型号。1959年日本就开始从事立体停车设备的开发、生产、销售，迄今已经有五十多年的历史。1983年，日本在本国建造了25454座多种类型的立体车库，平均每座的泊车位为10个左右，最多的能达到100个以上。从上个世纪70年代末起，立体车库泊车位年递增率达5%-7%，超出同期汽车拥有量年递增率的4%-6%。由于日本国土资源有限，汽车数量众多，在立体车库的投入上比较大，并取得了一定的成效。目前在日本从事立体停车设备的公司达到了200多家，比较大的公司包括：三菱重工、日精、新明和、石川岛播磨等。在日本每年投入运行的立体车库泊车位高达10万个，随着科技的不断发展，这些公司逐渐形成了一体化的产业体系，立体停车产业在日本诸多产业中已经占据了绝对优势。5 20世纪70年代为立体车库在韩国的起步阶段。由于国土资源紧张，交通状况拥挤，立体车库的发展一度受到韩国政府的高度重视。至90年代起，达到了30%的增速发展，2000-2010年随着汽车供应量的不断扩大，发展更为迅猛6。上个世纪80年代初我国开始使用机械式立体车库，由于当时的汽车保有量低，停车难问题表现的不突出，泊车位需求量少，立体车库产业发展缓慢。九十年代后随着汽车产业的发展，立体车库产业逐渐升温，市场需求逐渐从北京、上海、广州等一线发达城市向二、三线城市发展。据统计，1997年全国立体停车设备生产企业只有9个，全国也仅仅只有13个城市拥有机械立体停车设备。2006年底，全国的机械立体停车设备企业已达100多家，94个城市兴建了机械式立体车库，泊车位达284,752个。2012年，全国做立体停车设备的企业已经达到了150多家，其中杭州西子和深圳怡丰等都是发展比较好的公司，年销售额达到了4个亿以上。1.2.2 自动化立体车库的类型国家质量监督检验检疫总局颁布的特种设备目录中，将立体车库分为简易升降类、升降横移类、水平循环类、垂直循环类、平面移动类、多层循环类、垂直升降类、巷道堆垛类和汽车专用升降机九大类。7在选择立体车库类型时应该注意存放车辆的规格、存车时间、车位周转率、泊车位数量、土地价格、土地面积、投资及回报等方面的因素。其中市场上使用最多的、市场占有率最高的、最适合大型化发展的、最典型的是：巷道堆垛类、升降横移类、垂直升降类、平面移动类。1、巷道堆垛类采用巷道堆垛机或桥式起重机将进入到搬运机构的车辆水平且垂直移至或移开泊车位的机械式停车库叫做巷道堆垛式停车库6。它主要由泊车位、垂直升降装置、水平行走装置、旋转装置等组成，垂直升降装置可以上下移动，水平装置可以实现水平方向的行走。如图1.1所示。这种车库类似于立体仓库，最早出现在美国，其泊车位数量一般在100辆以上。 图1.1 巷道堆垛式立体车库2、升降横移类采用横移存取或载车板升降的机械式立体停车库叫做升降横移类停车库6。如图1.2所示。升降横移式立体车库车辆停放数目从几辆至几十辆不等，一般为中、小型车库。它多采用2-5层结构，所以也被称为两层或多层升降横移式立体车库。其工作原理为：每个泊车位均有对应的载车板，目标车位的载车板通过升降、横移运动到达地面层取车，然后通过升降、横移运动存车。 图1.2 升降横移式立体车库3、垂直升降类垂直升降类立体停车库也称为塔式停车库，它是通过提升机的升降和装在提升机上的横移机构将车辆或载车板横移，实现车辆存取的机械式停车库6。它是指以固定或安装于可移动构架上的电梯作为汽车的垂直运输工具，同时在电梯上设置可水平移送汽车作的装置，能使汽车自动平移至两侧泊车位进行存放的机械式立体车库。如图1.3所示：图1. 3 垂直升降式立体车库4、平面移动类在同层用台车或其他设备平面移动车辆，或使载车板平面横移实现车辆存取，亦或用台车和升降机配合实现多层平面移动的停车设备叫平面移动类停车库6。主要形式有：单层平面横移式、多层平面移动式、门式起重机多层平移式等。单层平面横移式如图1.4所示：图1.4 平面移动式车库1.3 自动化立体车库车辆存取策略及算法研究概述自动化立体车库的建立在很大程度上缓解了停车难的窘境。但自动化立体车库的服务能力还有待提高，服务价格还有待降低，这主要体现在尽量缩短存取车时间，减少存取车能耗等方面。立体车库如何对诸多泊车位进行分配？运送车辆的机械装置采用什么样的行走路线？泊车位分配方式对车库整体运行效率有什么影响？能否在节约能耗和减少存取车等待时间的同时实现存取？1.3.1 自动化立体车库车辆存取策略研究现状立体车库存取策略是缩短存取车辆耗时，减少能耗的关键，合理的存取策略可以使自动化立体车库的存取效率更高，性能更好，更能满足广大客户的需求。因此自动化立体车库存取策略的问题一直受到国内外诸多学者的关注，研究现状如下：1、武汉大学的杨晓芬、肖华等通过对自动化立体车库的工作过程和工作特点进行分析，建立相关的模型。提出相应的车辆存取策略，分析比较在不同策略下车辆的存取时间8。 2、上海电力学院的潘耀芳提出了优化后的自动化立体车库库位排列及造价成本问题数学模型，为建造者选择合理的库位排列提供了科学依据9。3、太原科技大学的程玫红在研究车库调度系统中，以排队论为理论依据，通过对立体车库堆垛机作业时间和用户存取车排队系统概率性的研究，对立体车库车辆存取调度原则进行优化分析10。4、沈阳大学的陈夺基于就近存储策略，以堆垛机行驶时间为优化控制目标，对立体车库中堆垛机理想待命位动态控制算法进行研究11。5、manzini r，gamberi m等提出了随机存储策略下最佳车位的分析表达式，以及人为操作情况下的命令执行排序问题的启发式解决方法12。6、potrco i，lerher t等研究了单一堆垛机双货叉的运行时间模型以及车辆存车和取车操作的排序问题13。国外学者在自动化立体车库存取策略研究方面已经取得了一定的成果。这些成果提高了自动化立体车库的使用率，同时也为现代物流仓储系统和立体车库存取策略算法的深入研究奠定了坚实的基础。国内，由于外界客观条件的制约，小规模的升降横移式立体车库存在较多，对它的存取策略研究也较多。但是随着汽车保有量的增加，巷道堆垛式这种大规模的立体车库已逐渐占领立体车库市场。而总体上讲，国内外对巷道堆垛式立体车库存取策略的研究较少，因此，对巷道堆垛式立体车库存取策略的研究变得极为重要。1.3.2 自动化立体车库车辆存取策略算法研究现状自动化立体车库根据种类的不同采用不同种类的存取策略算法。巷道堆垛式立体车库采用的存取策略算法有最佳车位查找算法和传送车调度算法。升降横移式立体车库的存取策略算法主要是一般路径搜索算法14。一般路径搜索算法是指在c语言环境下，将车库位置定义成数组形式，通过目标载车板和当前车位的比较，最终以最快的时间让目标载车板按照最优的动作顺序到达地面，供用户使用。这种算法一般只适用于升降横移式立体车库，由于寻找目标载车板时间较长，所以车辆存取效率较低。最佳车位查找算法是通过链表队列来实现的，链表把反映同一对象特征的多项数据通过结构体组织成节点，每个节点中包含了指向下一节点的指针，这样的多个节点组成了队列15。在车库的存取策略算法中，每个泊车位一个节点，每个节点包括了车位编号、存车时限、取车时限及指向下一个节点的指针。队列主要包括三种类型：空闲队列、占用车位队列、预约车位队列。该算法描述采用了类pasical语言，不足之处为算法运行时间较长，效率较低。传送车调度算法是指控制系统根据用户的请求和传感器的反馈信号对传送小车的运动路径进行优化控制16。不足之处为：在传送小车上没有装无线探测装置，所以无法确定多个传送小车之间的位置，每个巷道内只能允许一辆传送小车通过，系统的自动化和智能化水平有待提高。现有的巷道堆垛式立体车库存取策略算法研究较少，我们只能借鉴大型立体仓储系统和其他类型的立体车库的存取策略算法，由于巷道堆垛式立体车库针对的是大量到达时刻未知的车辆和顾客，从节约时间和节约能耗考虑，采用一个合理有效的存取策略算法是非常必要的。1.4 论文的研究意义目前，在国内一些经济较发达，特别是人口密度较大的城市，巷道堆垛式立体车库得到了大力的开发和推广，并且已日趋成熟。它的建设不仅改善了城市静态交通状况，减少了污染，并且也满足了城市经济稳定快速发展的需要，同时也带动了一大批第三产业的兴起，为城市高效快速发展提供了有利的条件。本论文的研究意义在于17：（1）采用合理有效的车辆存取策略算法，在一定程度上减少顾客存取车辆的时间。在现代社会，时间的价值变得越来越凸显，特别在人口密集，生活节奏日益加快的大城市，合理有效的车辆存取策略算法可以大大的节约顾客存取车辆的时间，有利于创造更多的社会价值。（2）合理有效的存取策略算法不仅可以减少顾客存取车辆的时间，还可以减少车库运行中的能耗，节约资源。存取策略算法保证了堆垛机能够按照相对较短的路径存取车辆，即：消耗的能耗也是较小的。在资源紧缺的今天，能源的节约利用显得尤为重要。（3）合理有效的存取策略算法在减少顾客等待时间的同时，也提高了车库的运行效率，即：很大程度上提高了车库的服务能力。（4）在存取车辆数目一定时，车库的总体运行能耗得到了降低，即：车库的经济效益得到了一定程度的提高，节约了车库运营的成本。（5）在同行业中，提高了车库的综合竞争力。综上，合理有效的车辆存取策略算法的研究，对巷道堆垛式立体车库企业和顾客带来了一定的社会效益和经济效益，它还可以推广到更多的领域，如：大型物流和仓储企业等，发挥更大的作用。1.5 论文的总体安排论文共分7章，结构安排如下：第一章主要介绍本文的研究背景、研究意义，立体车库及其存取策略算法的研究现状，并对自动化立体车库的类型进行了简单的介绍。第二章主要介绍巷道堆垛式立体车库的特点、类型、组成及各部分的工作过程。第三章统计整理重庆市解放碑商圈某大型巷道堆垛式立体车库正常工作日某时间段内的车辆存取时刻数据。应用排队理论确定该车库车辆存取过程的排队模型及排队指标。以减少顾客等待时间和存取能耗为目的，对该车库不同的时间段采用不同的优化存取策略。根据车库的实际工作情况建立三个主要存取策略的时间和能耗的数学模型。 第四章介绍遗传算法的基本理论，结合本论文研究对象的特点和各策略的存取时间和能耗的数学模型，采用改进后的遗传算法来实现车辆的存取策略。利用权重法对各策略的时间和能耗比例进行分配，并利用matlab遗传算法工具箱对算法进行仿真，得出各策略的存取时间和能耗的迭代曲线，以及最优的车辆存取路径和顺序。利用排队理论验证采用优化的存取策略算法后，车库的运行效率是否得到提高。第五章介绍了堆垛机物理模型的结构设计、装配过程，以及物理模型中驱动机构、传感器的选择。第六章主要介绍了车库的总体控制方案，下位机plc的选型和基本结构，重点介绍了堆垛机存取的控制方案的设计以及堆垛机存取过程的模拟实现。第七章对本论文的研究工作做一个总结，指出论文的不足之处，并确定今后的研究方向。第二章 巷道堆垛式立体车库概述第二章 巷道堆垛式立体车库概述2.1 巷道堆垛式立体车库的特点巷道堆垛式立体车库最早是从大型仓储系统的巷道式仓库发展而来的，是近年来在人口密度比较集中的大型商圈、公寓附近使用比较多的一种全自动化立体车库。这种车库不需要车道，车辆的出入口设置比较灵活，车库容纳的泊车位数量多，能够满足现代社会对大型停车场所的需求。和其他几种类型的立体车库相比，巷道堆垛式立体车库的突出特点主要表现在以下几个方面：一、可以根据选址处的实际情况灵活采用地上或地下建设，充分有效的利用空间，节约土地资源；二、采用全封闭式建造，具有多重安全防护措施，能够为车辆提供最佳防护；三、无需进出车道，泊车位采用钢结构或混泥土多层建造的结构形式，极大地节省了土地资源；四、采用全封闭式管理，刷卡存取车辆，安全防盗系数高；五、车辆的存取全过程均可由自动化控制系统操作实现，并具有完善的监控系统，过程安全可靠，有效的保证了人、车的安全；六、车辆存取便捷，高效，连续出入库能力强，并可以同时实现多辆车的存取；七、车辆存取过程中车辆处于熄火状态由于，所以大大减少了噪声污染和废气污染，环保节能。2.2 巷道堆垛式立体车库的类型按堆垛机立柱的结构形式巷道堆垛式立体车库可以分为单立柱式、双立柱式、四立柱式；按照堆垛机运行路径上有无轨道分为有轨式和无轨式；按照堆垛机和台车设备的自动化程度分为全自动式和半自动式18。巷道堆垛式立体车库根据泊车位的分布情况分为独立型和非独立型。独立型立体车库是指堆垛机对泊车位中的任何一个进行存取操作时，运行时间均与其他车位的使用情况无关；非独立型立体车库是指该车库的相邻两排是紧挨着的，堆垛机在对其中一排某车位进行存取时，运行时间与其它排的车位使用情况有关。独立型和非独立型巷道堆垛式立体车库空间和平面示意图如下图2.1和2.2所示：图2.1 独立型巷道堆垛式立体车库空间和平面示意图图2.2 非独立型巷道堆垛式立体车库空间和平面示意图2.3 巷道堆垛式立体车库的组成及工作过程巷道堆垛式立体车库主要由机械部分、控制部分两大部分组成，还有与之配套的信息通信系统、消防警报系统、空调系统、供电系统等。本文的研究对象为四立柱、有轨式、全自动化巷道堆垛式立体车库，如下图2.3所示：83第二章 巷道堆垛式立体车库概述图2.3 四立柱有轨式巷道堆垛式立体车库2.3.1 巷道堆垛式立体车库机械系统巷道堆垛式立体车库机械系统总体结构如下图2.4所示：图2.4 巷道堆垛式立体车库机械系统总体结构图1、钢或水泥混凝土框架结构在巷道堆垛式立体车库中钢或水泥混凝土框架结构是整个立体车库的支撑主体，它的主要作用是为车辆提供泊车位。在设计钢或水泥混凝土框架结构的时候，除了要考虑设计成本及车辆尺寸的问题，框架的安全可靠性也是一个重要因素，在保证车库框架美观、简洁的同时应该要保证该框架能够承受最大数量时的汽车重量。2、旋转平台旋转平台是驾驶员存取车辆时，将车辆驶入或驶出的一个支撑平台，该平台可以实现车辆放置方向的改变，减少了车库出入口的数量，便于驾驶员驶入驶出。在一定程度上提高了土地利用面积和空间利用率，特别是对于土地资源紧缺的大型商圈或密集的办公区来说，显得尤为重要。3、升降机升降机是承载车辆从旋转平台到转换层之间垂直升降的一种装置，主要包括升降平台、固定支架、驱动装置、导向装置、配重装置等。它工作过程类似于电梯，依靠驱动电机、拽引机构和导向机构等牵动升降平台在固定支架上做垂直上下运动。升降平台中部设有下凹部分，两边对称设有能实现前轮限位、对中的带刹车无力滚筒装置，实现后轮限位的滚筒、挡板装置，以及实现车辆对中的加紧装置。各装置分别由电机驱动。车辆驶入升降平台，前轮移动至带刹车无力滚筒装置时，触发传感器，限位挡板升起，后轮移动至限位挡板处，车辆停止。驾驶员拉动手刹，汽车处于制动状态。限位挡板下降复位。电机工作将带刹车的无力滚筒装置刹紧，对中装置将车辆夹紧。限位挡板第二次升起，升降平台开始下降同时升降平台中部下凹部分下降，配重块在钢丝绳的拉动下上升。升降平台下降至转换层，台车进入升降平台，限位板下降，对中夹紧装置松开。4、堆垛机堆垛机是巷道堆垛式立体车库中较为重要的机构，可以实现水平方向（沿巷道方向）和垂直方向（垂直巷道方向）的运动，将车辆从泊车位运往转换层或者从转换层运往泊车位。它主要由垂直升降机构和平移机构组成。垂直升降机构主要包括承载台车和车辆的升降平台、导向机构、驱动装置、传动装置、配重装置等。平移机构主要包括水平行走装置、导向装置、驱动和传动装置等。存车时，升降机载车辆到达转换层之前或同时，堆垛机通过水平且垂直运动到达转换层，台车从堆垛机升降平台运行至转换层中的升降机平台上，将车辆带至堆垛机升降平台上，堆垛机根据指令将车辆运送至指定泊车位。取车过程类似。堆垛机中升降机构和平移机构分别由不同的电机驱动，因此可以同时实现升降和水平横移运动，大大提高了车辆的出入库速度。5、台车它的主要作用是实现车辆在转换层、泊车位及堆垛机之间的运送任务。当台车在电机驱动下进入车辆下方，到达准确位置后，两个丝杠控制的横向杆弹出，直到触碰到左右两侧轮胎为止，此时抬升部分升起，汽车两后轮被抬起一定高度。驱动电机驱动台车运动，前轮在导向装置的作用下滚动，车辆被台车送出。到达目的地，丝杠控制横向杆收回，抬升机构下降，后轮着地，车辆被安全放置。2.3.2 巷道堆垛式立体车库控制系统巷道堆垛式立体车库控制系统的完善程度直接决定了立体车库自动化水平的高低，它能够协调各机械结构的联动运行，保证整个系统的正常运作。车库控制系统按照运动部件模块分主要包括升降机控制子系统、旋转台控制子系统、堆垛机控制子系统和台车控制子系统。按照其功能可以分为三个层次：监控层、控制层和执行层。19其结构图如下图2.5所示：图2.5 控制系统结构图1、监控层巷道堆垛式立体车库的监控层是一个涉及通信、信息管理、智能控制的综合管理系统。界面显示部分主要用了西门子自动化和驱动（a&d）公司开发的wincc组态软件进行监控和操作，wincc监控画面主要由以下八个部分组成：（1）主页：显示车位、堆垛机、升降机等设备的工作状态；（2）进出口：显示进出口处各传感器的工作状态；（3）升降机：显示升降机处各传感器的工作状态；（4）堆垛机：显示堆垛机处各传感器的工作状态；（5）台车：显示台车上设置的各传感器的工作状态；（6）存/取信息：显示所存车辆的基本信息；（7）报警：显示出错的报警点以及出错类型信息；（8）操作：用于手动/自动/半自动模式的切换，显示手动模式时的操作按钮。wincc组态软件演示界面如下图2.6所示：图2.6 wincc组态软件演示界面wincc监控系统的主要功能如下所述：（1）实现对立体车库各设备状态的监控。实时显示堆垛机、升降机、台车、旋转平台等设备的工作状态；（2）实现对立体车库各设备传感器的监控。实时显示车库中各传感器的工作情况，并以约定形式显示其工作状态，主要监控车辆进出口、升降机、堆垛机、台车处的传感器；（3）车位状态显示。实时显示各泊车位有无车辆存放，剩余车位分布，剩余泊车位数统计；（4）车辆管理，登记存/取信息。以表格的形式登记存入车辆的信息，主要内容包括日期/时间、车辆编号、存入位置、是否取车、取车时间等；（5）出错报警。以表格的形式将报警传感器的出错点予以提示，主要内容包括日期、时间、编号、报警点、报警原因等；（6）手动操作。利用wincc的按钮功能对整个系统的功能予以手动分解操作。2、控制层控制层主要由安装在主控室的plc和分布在各区的远程i/o工作站构成，通过profibus现场总线连接构成主从式多点链路。plc为各子站分配网络地址并分配工作指令。各个远程i/o工作站负责采集现场信息和执行控制指令，并负责向plc主站反馈指令的执行情况和各个设备的工作情况。3、执行层执行层主要包括堆垛机、升降机、旋转台、台车及各种传感装置。如：检测光电开关、行程开关、红外通讯器、制动器、认址器、接触器、变频器、信号输入设备、电机等。plc根据编写好的程序，按照预先设定的工作顺序发出相应的控制指令，控制相应的执行机构做出预定的动作。巷道堆垛式立体车库控制系统对各机构控制过程如下：（1）旋转台：首先进行故障检测，确定无故障后，进行下一步骤。存车：车辆驶入旋转台后，旋转台及升降台上各传感装置开始工作完成车辆在升降台的定位、对中、夹紧。取车：车辆被抬升至旋转台，金属检测传感器和行程开关工作，电机驱动旋转台旋转180o，待车主取车完毕后，旋转台复位。控制流程如下图2.7所示：图2.7 旋转台控制流程图（2）升降机：在升降平台中部安装一个行程开关，当车辆经过时触发该行程开关，后轮定位装置开启。后轮定位点也安装有行程开关，当车辆停在预订的后轮定位点时，控制器接受到信号，显示该点工作状态正常，表示台车能够准确的从升降平台上取车。在升降机的升降平台底部安装一个旋转编码器，用于检测升降的位置，以便对升降平台进行平层定位。控制流程如下图2.8所示：图2.8 升降机控制流程图（3）堆垛机、台车：首先进行故障检测，确定堆垛机和台车无故障。存车：堆垛机接受指令，无报警指示，驱动电机驱动升降机构和平移机构运行至转换层，对正，plc主控收到反馈信号，发出指令，台车运行到转换层的升降平台上将车辆取出，返回至堆垛机。plc主控收到反馈信号，再次发出指令，堆垛机运行，将车辆送到指定泊车位。取车过程和存车过程类似。堆垛机、台车控制流程如下图2.9所示：图2.9 堆垛机台车控制流程图2.4 本章小结本章首先介绍了巷道堆垛式立体车库的特点和巷道堆垛式立体车库的类型，将巷道堆垛