（机械电子工程专业论文）堆垛式立体车库设计方案优化问题的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 智能立体车库是解决目前城市车辆存放的一条经济有效途径，其车库 设计方案优劣及管理智能化程度对车库使用效率有着直接影响。堆垛式立 体车库是近年发展起来的最先进的全自动化中、高层立体停车库之一。论 文详细分析了巷道堆垛式立体车库设计中的主要影响因素之间的关系，建 立了立体车库设计方案优化设计的数学模型，并应用m a t l a b 语言对优化 数学模型进行了仿真求解。论文中运用排队论和数理统计的假设检验方法 对实际调研数据进行了分析，论证了车库车辆存取过程符合排队论m d 1 模型。建立了立体车库存取车辆的最优路线算法，提出了三种自动化立体 车库存取策略，即存车优先、原地待命和交叉存取策略；分析比较了在不 同策略下存取车时间的长短。借鉴有关资料，分析了车库监控管理系统中 各模块实现的功能及软件的实现技术，在此基础上有待开发智能监控管理 系统部分功能相关的软件。 关键词：立体车库；设计方案；优化设计；监控管理系统 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t e l l i g e n ts t o w e ds t e r e o s c o p i cg a r a g ei sa l le c o n o m i ca n de f f i c i e n ts t r a t e g y t os o l v et h ep r o b l e mo fc i t yp a r k i n g 。i n t r o d u c e dt h es t r u c t u r ea n dw o r k p r i n c i p l e so f t h es t o w e ds t e r e o s c o p i cg a r a g e 。b o t ht h ep e r f o r m a n c eo f t h ed e s i g n s c h e m ea n dt h ei n t e l l i g e n td e g r e eo ft h em a n a g e m e n ta r ec r i t i c a lt ot h e e c o n o m i cp e r f o r m a n c eo ft h eg a r a g e 。t h er e l a t i o n s h i po ft h em a i nf a c t o r st h a t a r ei m p o r t a n tt ot h ed e s i g ni sa n a l y z e d ，a n dt h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h e o p t i m u md e s i g no f t h el a n e w a ys t o w e dt y p es t e r e o s c o p i cg a r a g ei se s t a b l i s h e d 。 n u m e r i ce m u l a t i o nt ot h er e s o l u t i o no fm a t h e m a t i cm o d ei sc a r r i e do u tu s i n g m a t l a bl a n g u a g ei nt h i st h e s i s 。t h er e a li n v e s t i g a t i o nd a t ai sa n a l y z e du s i n g q u e u i n gt h e o r ya n d t h eh y p o t h e s i sv a l i d a t i o nm e t h o d ，w h i c hc o n c l u d e st h a tt h e s t e r e o s c o p i cg a r a g em a t c h e st h em d 1m o d eo ft h eq u e u i n gt h e o r yi nt h i s t h e s i s 。t h eo p t i m u ma l g o r i t h mt oa c c e s sv e h i c l ei nt h es t e r e o s c o p i cg a r a g ei s g i v e no u ti nt h et h e s i s ， a n dt h eu n i to f t h em o n i t o rm a n a g e m e n ts y s t e mf o rt h e g a r a g ei sd i s c u s s e d 。b a s eo nt h ea n a l y z e d ，t h em a n a g e m e n ts y s t e ms o f t w a r ei s d e v e l o p e d 。 k e y w o r d s ：s t e r e o s c o p i cg a r a g e ；d e s i g ns c h e m e ；o p t i m u md e s i g n ； m o n i t o rm a n a g e m e n ts y s t e m v i - 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：石盘盈日期：圭寥：! z 厂 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：丕起师签名：糙日期-0 7 。t i 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义来源 1 1 1 国内外立体车库发展概况 目前我国各主要城市停车设施的建设远远落后于道路建设和汽车工业的发 展，我国从改革开放以来，房地产和汽车工业两大支柱产业得到了高速发展， 人民生活水平不断提高，汽车进入家庭的速度不断加快，因此对城市交通基础 设施的压力越来越大，交通拥堵、停车难已经成为很多城市发展的严重制约因 素，引起了各级政府的重视。有资料表明，现有停车位数不及所需停车位数的 7 ，远远落后于城市汽车交通的发展，由此所带来的一系列问题是令人担忧的。 据中国汽车工业协会公布的数据表明，2 0 0 2 年中国汽车产量全球排位由 2 0 0 1 年的第八位上升至第五位。2 0 0 3 年全国轿车产量首次突破2 0 0 万辆，达到 2 0 6 8 9 万辆，比2 0 0 2 年增长8 0 7 ，同时2 0 0 3 年全年轿车销售2 0 4 万辆。2 0 0 4 年全国轿车产量将达到2 8 0 万辆，比2 0 0 3 年增长4 0 。2 0 0 5 年全国轿车保有 量约8 3 0 8 7 0 万辆。超过”十五”汽车工业发展规划提出的指标。其中今年1 至 9 月，全国生产汽车5 2 8 3 2 万辆，销售5 1 7 万辆，同比增长2 5 7 4 和2 5 0 1 ， 前三季度的销量已直逼去年全年5 7 0 万辆的销量。预计2 0 1 0 年轿车保有量将达 到2 0 0 0 万辆。 随着2 0 0 8 年北京奥运、2 0 1 0 年上海世界博览会等重大盛事的影响，以及 内需的进一步拉动和“费改税”等政策的驱动，我国的汽车工业仍将具有很大 的发展空问并将继续保持快速平稳发展。据调查分析，目前全国供轿车停车的 停车位缺1 3 在4 0 0 万个以上，其中北京市缺口2 9 万个、上海市停车位缺口8 5 万个、广州市停车位缺口4 2 万个、深圳市停车位缺口4 0 万个、南京市停车位 缺口3 0 万个、杭州市停车位缺口1 2 万，这就是停车位的欠债。这几年新增轿 车每年在2 0 0 万辆左右，按轿车位与轿车数之比为1 ：1 2 ( 1 0 0 的基本停车位 和2 0 的公共停车位) 计算，每年需新增停车位2 4 0 万个，加上每年平均还旧债 5 0 万个，则每年要提供2 9 0 万个停车位，才能满足停车位的需求。 上海大学硕士学位论文 为此停车问题也就逐渐成为大城市的一大难题。用大量的土地资源来满足 停车位的需求是不现实的，如北京市现有停车位缺口2 9 万个，每年新增的轿车 在2 0 万辆以上，按每个停车位需地面积2 0m 2 计算，除解决欠债需停车位面积 5 8 0 万i n i ，每年新增停车位面积4 0 0 万m 2 ，上海市停车位缺口8 5 万个，需停车 面积1 7 0 0 万咿，每年新增轿车1 0 万辆，需新增停车面积2 0 0 万开，广州市停 车位缺口4 2 万个，需停车面积8 4 0 吖，每年新增轿车1 0 万辆，需新增停车面 积2 0 0 万肝，要用如此大的土地面积来建平面停车场，肯定是不可取的，我国 是城市人口多，人均土地面积小，不像欧美国家，人少土地多，因此我们要解 决停车难的问题，根本的出路在于停车立体化，这是今后城市停车改革的主要 方向。 立体车库除了土地利用率或空间利用率很高的优越性外，立体停车设备还 具有操作简单、灵活、安全可靠、良好的汽车防盗性和防护性，减少因路边停 车而引起的交通事故，改善市容环境，相对造价低等优越性。随着停车设备制 造技术的不断提高，新产品、新技术的不断涌跃，大批具有高安全性、高可靠 性、高效率的机械式停车设备将提供给用户。于是自动化立体车库就应运而生 并成为城市交通的一个研究热点，国家把其列入“九五”重点攻关项目之一。 示意简图如图1 1 所示。 图1 1 立体车库模型示意简图 立体车库发源于二十世纪2 0 年代的美国，是在繁华拥挤的都市里，为解决 停车难而采取的一种措施。5 0 年代以后，伴随着私人小汽车的大量涌现，在西 欧、东南亚、韩国和日本都得到了广泛的应用，形成了一个包括制造、安装、 上海大学硕士学位论文 使用和维修的行业体系，其中，发展较早、较好的有日本、韩国、德国、香港 及台湾等国家和地区。这些国家和地区从二十世纪六十年代初就开发并使用可 最大限度地利用空间的机械式停车设备，经过几十年的不断发展，机械停车库 从造型、结构、控制、驱动、监测、材料、保险等各方面不断的更新换代，日 趋完美。 我国立体车库的发展，始于二十世纪八十年代，河北承德的华一机械车库 集团有限责任公司于1 9 8 9 年建造起国内第一台垂直循环类机械式停车车库，填 补了国内机械式停车车库的空白。9 0 年代初开始研究开发机械立体停车设备， 距今已有十多年的历程。虽然从二十世纪八十年代就开始研制和使用机械式立 体车库，但由于市场需求原因，经历了十多年的温和发展。近年来，中国经济 腾飞，城市化进程加快，汽车工业和汽车需求市场也得到快速发展，汽车保有 量的不断增加，城市停车设施的增长却长期落后于车辆的增长。立体车库产业 在二十世纪九十年代迅速兴起，步入了引进、开发、制造和使用的快车道，国 内立体停车库市场j f 以直线上升的态势在飞速发展。到目前为止，国内从事立 体车库研发的企业已有1 0 0 余家，其中主机生产的企业有5 0 多家，首批获得国 家颁发的立体停车设备制造企业资质的有2 2 家。其中有8 0 的企业通常活跃在 北京、上海等城市。产品以升降横移类为主，约占总量的8 4 ，垂直升降、平 面移动类都有较大的增长。车库类型以小型车库为主，l o t ) 个车位以下的占“， 1 0 0 5 0 0 个车位的占3 3 ，5 0 0 个车位以上的大型车库占3 ，但有增长的势 头，使用地以住宅小区为主，用于小区配套的占5 0 ，自用停车库占3 0 ，公 共停车库占2 0 。为适应立体车库行业迅猛发展的需要，保证产品质量和可靠 性，以规范立体车库的生产和建设，国家己出台了“机械式停车设备类别、型 式与基本参数 - j b t 8 7 1 3 0 1 9 9 8 等6 个标准，对推动我国立体车库事业起到了 极大的促进作用。 但尽管如前所述，目前我国各主要城市停车设施的建设仍远远落后道路建 设和汽车工业的发展。有资料表明，现有停车数不到总需求的7 ，远远落后于 城市汽车交通的发展，由此将会带来的诸如影响城市形象、汽车消费等一系列 社会问题。出现这种现象除了和停车设备行业的发展本身涉及到停车立法、收 费政策、城市规划、交通管理等诸多方面困难和阻碍之外，停车设备设计本身 上海大学硕士学位论文 存在缺限，设计制造成本过高而导致的车辆收费过高，关键自动化技术水平低 下也是主要问题之一。 资料显示，目前北京的立体车库共9 2 处，拥有l 万多停车位，收费高成为 阻碍其推广使用的主要原因。同时在立体车库规范标准中规定车库最难取车的 车位，一次取车时间不得超过两分钟，但由于考虑存车优先设计原则，实际上 很难达到这样的标准，所以，我们经常能见到只停满地面一层的立体车库，上 面的二三层只有星星点点的几辆车。立体车库成了地面停车场，利用空间优势 没有显现出来。立体车库缓解停车难的问题，没有根本得到解决。 在土地越来越紧缺的情况下，解决城市中停车难的问题立体车库是必然出 路，但要良性发展，就要解决现存问题。当前我国的设计制造的立体车库大多 处于初级的停车功能，是最原始的使用阶段，它的设计水平、经济价值还有待 于完善和开发。由此可见研究如何降低立体车库设计制造成本及其控制系统以 便进一步提高自动化程度有重大的现实意义。 1 1 2 自动化立体车库主要结构组成和类型 1 主要结构组成 机械式立体停车设备一般由电机驱动和液压驱动实现动作。其主要的结构 组成一般包括机械部分，电机驱动( 液压或堆垛机) 部分和控制管理系统三部分。 1 1 机械部分：以升降横移式为例说明，如图1 2 所示。 - 由 图1 23 x 3 升降横移立体车厍工作原理图 多层升降横移式停车库机械部分采用单元钢架结构，电机驱动，链条或钢 丝绳传动。升降横移类机械停车库利用托盘移位产生垂直通道，实现高层车位 升降存取车辆。每个车位单元配置停放车辆的托盘，托盘由电机独立驱动。 2 ) 电机驱动部分：升降横移立体车库结构特点是：底层只能平移，只需配 备交流减速横移电机；顶层只能升降，只需配备交流减速升降电机；中间层既 上海大学硕士学位论文 可平移又可升降，则需配备两台交流减速电机，分别用于横移和升降驱动。除 最上层外，每层均留有一个空车位，允许托盘左右移动一个车位位置，为上层 托盘下移留出通道。 3 ) 控制管理系统：立体车库控制系统将随控制器的智能化程度高低有所不 同，参见1 1 3 小节中的内容。 2 主要类型 根据立体车库修建位置及空间伸缩方向可分为垂直升降式，升降横移式， 巷道堆垛式以及地下停车的专用型等几大类。 1 1 垂直升降式 车库中部为升降机构，左右两部分为车库架。存车时在升到升降台中部的 托盘上，升降机构带动车和托盘一起上升，到达指定层面时，升降台停稳，升 降台上的伸缩机构通过横向伸缩把车和托盘放在空车架上，取车情况和此类似。 2 ) 升降横移式 特殊设计的结构，通过升降和横移操作实现停车取车，以三层横移式为例 说明其操作过程。一层放车托盘，只能平移和上升，二层托盘也可平移也可升 降，三层只能下降与平移。一层车位在地面，在可直接进出，停放在一层可以 升至二、三层；二层车辆出库时，先下降到一层所空出的车位再出库。 3 ) 巷道堆垛式 其工作原理和堆垛式立体自动化仓库存取货物很接近，升降机构可上下水 平移动，在运行到停车位时，伸缩机构伸缩，从车架上取放车。 舢地下停车场专用型 它是为宾馆，商厦等原有地下停车场专门设计的，原有的停车场一般只能 存放一层车辆，但经济改建加上专用设备后，可放置上、下两层车，使得停车 库增加近4 0 的车位。有些地下停车场本身就是专门设计与环境协调的立体多 层自动化车库。 其它的立体车库类型还包括，简易升降式、高层立体车库、立体塔式等。 其中巷道堆垛式立体停车库( 如图1 3 所示) 与其他种类车库相比较：采用堆垛机 作为存取车辆的工具，所有车辆均由堆垛机进行存取，摒弃了老式停车场或停 车楼占地面积大、停车数量少、污染严重和停车安全性低等问题，继承和发扬 上海大学硕士学位论文 自动化立体车库的占地少，停放车辆多，便于集中管理、安全可靠等优点，具 有结构简单可靠、钢架结构稳定性好、车位的增减方便灵活、造价低、使用方 便、汽车存放的安全性高、采用计算机控制、实现了管控一体化等特点。还可 以根据用户的需要及环境和场地的要求设计不同数量的车位可大可小，小到几 十个车位，大到上千个车位，在地下、地上、低层、高层均可得到灵活的配置， 可建在广场上、大商场旁边、建筑顶部、地下等场所，是解决大城市静态交通 问题的一种最为有效方式之一，也是近年来市场上各大厂家研究开发的热点产 品之一。目前这类车库研究在国外己经比较成熟了，在我国刚刚起步，但随着 近年经济发展和城市规模不断扩大，在上海，北京，广州等城市，研究正在兴 起之中。 图1 3 巷道堆垛式立体车库 1 1 3 国内外车库监控系统的研究现状及发展趋势 立体车库是作为根据自动化物流系统物料传输原理，采用多层高架式存放 车辆的大型停车设备。控制系统随其使用的主控制器智能化程度不断提高，在 国内外都经过一个半自动化、自动化、智能化发展过程。 1 直接使用电动机与链条驱动的简易立体车库 该类型车库一般只有几个车位，一般为两层，不利于规模化，智能化发展 趋势的要求。 2 采用可编程控制器( p l c ) 控制的立体车库 上海大学硕士学位论文 p l c 是专门为顺序生产过程而设计的控制器，它替代传统的继电器，实现 顺序控制、运动控制、过程控制等具有很强的时序性，抗干扰能力强，安全性 高。这类立体车库是当前国内生产制造或已建成的主要形式，但不能实现智能 化管理，并且只适合几个到几十个泊位的车库，不适应规模化发展趋势。 3 采用单片机控制的立体车库 在目前的应用研究中，较易于实现数字控制的方案是使用单片机来实现其 功能，尤其是新型的8 位，1 6 位单片机具有a d ，p w m ，e e p r o m 、比较 输出、捕捉输入、s p i 接口、异步串行通讯接口、f l a s h 程序存储器等功能。 单片机成本低，易开发，因为单片机价格不断下降，而其技术含量却不断提高。 另外，单片机的应用己经相当广泛，有许多可以借鉴的成功应用范例与大量的 公用程序，并且尺寸小，结构易布置，单片机及其外围接口电路可以紧凑地放 在一块印刷电路板上，这就为控制器的面板设计带来方便，面板形状与大小都 可以在一定程度上随意设计。对于一些比较复杂的控制，其计算量往往很大， 这样，计算速度将直接影响控制精度，一般用于下位机和小型控制；与此同时， 单片机易受外界干扰，单片机系统属于微电系统，比较容易受到强电，磁场， 电脉冲的影响，甚至也容易受恶劣工作环境的影响，所以必须采取抗干扰措施。 为此这类立体车库也只适用规模不是很大的车库，在国内已经有一些成果。 4 采用工控机为上位机的立体车库 相对于单片机和p l c 来说功能灵活，结构复杂，它集单片机与p l c 优点 于一体，具有很强的控制功能。工控机成本高，系统结构复杂，若和其它控制 系统联合使用，不仅会降低成本，而且会协调控制系统的工作，采用先进的控 制模式，实现整个立体车库的控制的智能化。编程容易，接口简单，可以采用 高级语言编程，设计友好的工作界面，利用计算机强大的计算功能，编制复杂 的软件。另外，其接口都是标准接口，易于与各系统之间进行通讯与连接。工 控机有强大的计算、管理乃通讯功能，适宜于高性能进行机群调度和管理适合 形成网络控制系统的上位机。这一类型的立体车库，智能化程度高，适用于需 要建造大型的立体车库车型，比如巷道堆垛式立体车库。 1 1 4 车库设计方案优化研究的意义 随着控制技术的不断的更新，立体车库越来越向智能化，规模化发展，从 上海大学硕上学位论文 最初的用电机与链条直接驱动的简易二层立体车库，发展到今天已经是用计算 机全自动化控制巷道堆垛式立体车库，车库的车位也随着从几个发展到今天的 几百个甚至达到一千个。这使得在设计制造车库时，为提高立体车库的可靠性 和经济效益要考虑的影响因素越来越多，越来越复杂。比如大型的智能化巷道 堆垛式立体车库设计与建造过程中受到车库库容量、现场的空间( 土地面积) 、 车辆存放作业效率、土地价格、立体车库总造价，周围的车流量等众多因素的 影响。这就使得需要对在车库设计中选择何种合理的设计方案进行必要的研究， 以期采用合理的设计方案降低立体车库的成本。 国外对大型自动化立体车库设计方案研究己经比较成熟，对各种门类的立 体车库己经采用系统化、模块化设计，充分利用c a d 技术，使得设计时设计者 可以给出经济合理的设计方案，这也有利于规模大型化，功能复杂化的智能立 体车库产品质量的提高和成本的降低。 在我国对立体车库设计方案的合理性的研究还处在不断起始阶段，特别是 由于智能化立体车库发展在我国还是刚刚起步，对该类型的立体车库设计方案 的研究虽有一些成果，但还有许多不足。 当前研究智能化立体车库的设计方案的优化，有利于降低设计成本，提高 车库作业效率，进而有利于智能化立体车库的推广使用，促进智能立体车库随 汽车行业的同步发展。 1 1 5 立体车库智能监控管理系统研究的意义 随着微电子技术、通讯技术、控制技求、计算机技术，c r t 显示技术以及 软件技术的迅猛发展，计算机更加广泛的进入工业的各个领域，并且正在发挥 着越来越大的作用。与此同时，计算机技术立体车库领域也得到了快速、广泛 的应用，实施综合机械化、自动化、系统化，进一步提高车量的出入频率，即 提高起重机、运输机的工作速度。由于速度的提高，自动化调速技术、认址技 术、停止精度技术等也相应予以发展。立体车库的信息传递技术方面，发展了 红外通讯技术、绝对认址技术、新条形码技术、计算机管理技术及其网络化技 术。除实现了车库本身车辆存取的计算机记录和收费管理智能化外，把计算机 作为上位机、使其成为更大系统的网络化部分。立体停车库自动化程度正不断 上海大学硕： 学位论文 提高，利用计算机进行实时控制和管理车库运行成为发展趋势。 我国的立体停车库与国际先进水平尚有较大的差距，主要反映在车库品种 少、设计制造成本高，自动化程度低，管理水平低、成本费用高等方面，远远 适应不了市场的需要，进一步研究立体车库监控管理系统有利于车库自动化程 度的提高，实现无人化管理，降低车库的投资成本，将会对我国的立体车库工 业发展起到很好的推动作用。 1 2 课题的提出 如前面所述，我国立体车库工业己经有了长足的发展，但是设计制造成本 过高、智能化程度偏低而造成管理成本过高，加上一些政策法规缺陷，使得立 体车库这一新兴行业还有很长的路要走，特别是我国对新型巷道堆垛式立体车 库研究刚刚起步，无论在选取合理设计方案经济性上还是在智能化管理程度上 都存在需要改进提高的地方。 1 国内在理论上还没有专门对该类型立体车库设计过程中经济性系统化 的研究的成果发表，也缺少该类型立体车库设计过程中合理选取设计方案的量 化的科学依据。 2 对立体车库运行过程中如何提高车库作业效率，增加经济效益，国内虽 有一些研究成果发表，但都不具体、不系统。对立体车库存取车过程符合排队 模型，借助排队论理论对车库设计中如何选取优化的方案缺少深入研究。 3 对自动化立体车库的分析研究，如何建立相关的实体模型和数学模型， 提出几种自动化立体车库存取策略，分析在不同策略下的存取车时间的长短。 4 车库智能监控管理系统研究是当前对该类型立体车库研究的一个热点。 如何采用更好的车库运行管理方案，以降低运行管理费用，且如何解决相应管 理方案在车库智能监控管理系统中软件实现的研究，有较大的现实经济效益。 1 3 本文研究的内容 为了提高巷道堆垛式立体车库的经济效益，使这一智能化较高，适用大规 模的新兴的新型立体车库得以在我国更快的发展和推广，论文对该类型立体车 库从四个方面作了一些研究工作： 上海大学硕士学位论文 1 收集和整理有关国内外立体车库设计方案优化及其监控管理系统的研 究现状相关的资料，分析立体车库设计中的影响因素及监控系统管理系统实现 的各种功能模块。 2 详细分析巷道堆垛式立体车库设计中的主要影响因素之间的关系，建立 车库设计方案优化设计数学模型，利用数学工具m a t l a b 进行仿真求解，为立 体车库设计者在设计车库选取较合理方案时提供经济价值的参考指标。 3 针对车库存取车流符合排队论的特点，进一步研究立体车库各主要影响 因素之间的关系，修正方案优化设计数学模型，从定量上分析优化设计结果， 用以分析评判立体车库设计方案优劣；同时对车库排队系统优化进行分析，确 定降低排队等待时间的方案。 4 提出几种自动化立体车库存取策略的实体模型和数学模型，分析在不同 策略下的存取时问的长短，确定最优化存取策略。 5 研究立体车库具体车辆在车库中存取路线最优方案，确定上述最优路线 在监控管理系统中程序的实现。 上海太学硕士学位论文 第二章车库设计方案优化设计 本章以新型巷道堆垛式立体车库为具体研究对象分析研究了影响车库设计 方案的主要因素：车库总造价( 单个车位的平均总造价) 、作业效率( 车辆平均存 取时间) 、车库车位排列方式( 长、宽、高) 及库容量之间的关系；给出了立体车 库设计方案的优化数学模型，并用m a t l a b 语言进行仿真计算求解，对其优化 结果进行了分析，得出车库设计方案各影响因素之间内在的关系。 2 1 堆垛式立体车库的概述 z1 1 堆垛式立体车库的实体模型和工作原理 堆垛式立体车库实体模型如图2 0 所示。库容量为2 8 8 ( 六层双巷道) ，车库 每层有4 8 个车位( 每个巷道两侧每层各有1 2 个车位) 。 一列有1 纠懈位 响口 工工 口 ：g a 口响_ + l l 出八口掏一 图2 0 六层双巷道式立体车库示意图 堆垛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 车板的横移实现存、取车的。停车库内设置能停放几十辆汽车的钢结构停车架， 一端或中间为电梯升降井道，通过小车水平行走至指定车位，利用小车上的横 移装置将载车板上的汽车送人停车架或将已存于各车位的汽车取回地面。 2 1 2 堆垛式立体车库的主要结构 巷道堆垛式立体车库主要结构( 如图2 1 所示) 介绍如下： 痴 圉目一 囤目一 上海大学硕士学位论文 图2 1 堆垛式立体车库主要结构 1 电梯电机2 钢结构框架3 停车架4 行 走小车轨道5 行走小车6 电梯7 藏车板 ( a ) 钢结构框架 主要由立柱、横梁、纵梁、电梯升降导轨、小车行走导轨、停车架等部件 组成。主要作用是承重和内置几十个停车泊位并安装机械传动、电气控制、消 防系统、排水等设备。 ( b ) 电梯 主要由电机、减速器、升降链、轿厢、平衡链以及平衡重等组成。 ( c ) 小车行走机构 行走小车由步进电机驱动，由p l c 发出脉冲控制行走距离，结合安装在导 轨上的接近开关实现小车行走到位的精确控制。为提高存取车效率，每层设置 1 辆小车，规定每辆小车仅能在其所在层存取车。 ( d ) 载车板横移机构 设置在行走小车长框架两端的横梁上。主要由电机、链传动长轴、链条、 链轮及三级滑叉等组成。其工作原理是当电机运转后，通过链传动带动长轴转 动，长轴两端通过链条、链轮带动三级滑又横向进出。载车板横移装置的功能 是将载车板存入车库或取出。 ( e ) 载车板 是轿车停放的场所和轿车位置转换的载体。 ( f ) 自动控制系统 主要包括控制、拖动、检测及安全保护部分。堆垛式立体车库存取车时的 动作较多且复杂，要求控制系统能实现顺序动作、速度、定位及安全互锁等控 制，一般采用p l c 控制系统。同时，为了保证传动装置在运行时做到低噪声、 低能耗、自动加减速，并且运行平稳、高速、准确，车库的驱动装置多采用交 上海大学硕士学位论文 流交频调速系统。为确保车辆安全，车库内还安装了光电检测装置和各种限位 装置来检测隐患。 ( g ) 消防系统 在停车库内设置整套自动灭火系统。烟感及温感探测器均匀分布在各层车 架中间，如果库内温度或烟气浓度过高，消防系统将启动排风机直至达到设定 要求。若失火，整个自动灭火系统会迅速将火熄灭。 2 1 3 堆垛式立体车库的系统组成 巷道堆垛式立体车库由三个系统组成，即机械系统，堆垛机搬运系统和计 算机监控管理系统。 1 机械系统 和垂直升降式立体车库相比车架和起身机构都有所不同。车库的每排车位 互相连成一体，排和排之间的车位互相独立，中间的支架换成上下固定运行堆 垛机的轨道。起身机构中依靠堆垛机作三维方向的动作，不需其他立体车库的 板式、叉式交接，依靠智能化搬运小车直接交接汽车。 2 堆垛机搬运系统 智能堆垛机可进行三维方向的动作完成车辆的存取。车驶进车道，司机在 发卡机处得到一张智能i c 卡，刷卡以向系统申请入库。系统根据卡号，确定是 否是本库允许卡，以决定是否可入库，并调用数据库以决定车可停的库内位置。 车驶进出入口后，由激光扫描仪检测到车的长、宽、高，以确保入库车辆的外 型不超过本车库的限制。同时激光扫描仪检测车的停放位置，提示司机准确停 车，并进行自动微调。司机下车后，堆垛机上的交接小车爬行到车下，液压系 统将车抬起，并放到堆垛机上。堆垛机根据上位信息管理计算机的指令，运行 到库内的车位外。交接小车爬行到车位，将车放下。出库时，司机读卡向系统 申请出库，系统根据卡号，确定是否是本库允许卡，并计算车费。司机交费后， 堆垛机开到车位，交接小车自动将车取出。 3 计算机监控管理系统 一般现有市场上的智能巷道堆垛式车库的自动控制系统采用了激光外形检 测、激光认址定位、p l c 网络控制及变频调速等，实现无人化管理，自动化程 上海大学硕士学位论文 度已经很高。上位机采用工控机，其信息管理系统还能实现入库车辆历史记录、 收费、出卡、报表、打印等功能。 2 2 影响立体车库设计和建造的各种因素 在设计制造该类型车库时，除了需要考虑到占地面积、库容量、车位排列 方式、造价及投入运行以后的车库管理等诸多因素之外，还需要立体车库本身 的作业效率问题，以减少顾客的等待时间，从而提高作业效率。如何合理的解 决这些问题，本章在参照有关资料的情况下，在这方面进行探讨性研究。 图2 2 所示，为一个多层巷道排列的立体车库布置图，不同的是出入口位 置不同( 有的在车库中间，有的在车库一角) ，巷道数、层数和库容量也都不固 定，至于立体车库各个部分的结构设计和控制方案也可不同。 高 屡 生 位 出人口 图2 2 巷道堆垛式立体车库平面图 由第1 章1 1 4 小节中介绍可知，立体车库的设计与建造过程中受众多因素 的影响，重要的有：车库的库容量、现场的空间( 土地面积) 、土地价格、立体 车库总造价、车库作业效率、周围的车流量等，综合考虑这些影响因素来选择 不同设计方案。在安排车库的车位排列方式中( 库容量一定) ，考虑不同影响因 素，就会有多种选择的可能，比如：在高度一定条件下，车架的长度短一点， 相应巷道数必须增加；在巷道数一定的情况下，车架的长度越长，高度也就越 低。 为此，在本章中将遵循由浅入深思想方法，逐步讨论分析在库容量不同的 情况下，车库车位排列方式( 长、宽、高、巷道数) 、车辆平均存取时间和车库 总造价各影响因素之间的数学关系，研究分析在何种条件下，立体车库设计方 案较为合理。 税用髓聃胃黼 上海大学硕士学位论文 2 3 车库设计方案优化数学模型 2 3 1 车辆存取平均时间计算方法 假定车库的宽、长、高方向分别如图2 2 示意的x 、y 、z 方向。车辆从入 口经由堆垛机存入指定的车位，需经沿通道水平运动到达相应的巷道，即沿x 方 向，开始上升到指定车位高度，即沿：方向，再沿巷道水平运动到指定的车位 位置，即沿y 方向，最后搬运小车和指定车位的空小车交换，把车交换到指定 车位处，堆垛机装载空小车返回到入口处，等待下一量汽车到来。由于存车时 沿通道运行距离随巷道数不同而不同，高度方向运行距离随车位高度不同而不 同，沿巷道水平运行距离也和具体车位的坐标有关，为此可以把车辆运送的总 的平均时间分为四个部分，即车辆沿通道到达巷道的平均时间设为t ，沿高度 方向运送的平均时间设为f ：，沿巷道水平运动平均时间厶，和小车交换时间设 为t o ，取车时平均时间和此一样。 首先我们来计算沿通道的平均时间，由于是求平均时间，我们假定车辆都 从车库的最中间进入车库，只要求出车库中间到每一巷道的时间总和，除以巷 道数即可求出沿通道到达巷道的平均时自jt ，假定巷道宽为w ，车库车位宽为 1 4 o ( 也即汽车长度方向) ，沿水平平均速度设为，则沿通道平均时间为： 1 当巷道数为1 时( 如图2 3 所示) ： 厶= 0 ( 2 1 ) 2 当巷道数为2 时( 如图2 4 所示) ： 厶：譬：w o + 毫一“z 固 2 。2 1 一 图 图2 4 巷道数为2 车库示意图 匮一一塑型一哩 上海大学硕士学位论文 3 当巷道数为3 时( 如图2 5 所示) ： 厶：( 2 w 1 0 一+ w ) x 2 ：4 1 w o + _ 2 w ( 2 3 ) 3 3 3 1 、 图2 5 巷道数为3 车库示意图 4 当巷道数为4 时( 如图2 6 所示) ： 铲丛等盘：8 w o + 瓦4 w 4 v t 叫2 川 1 4 v l4 一7 图2 6 巷道数为4 车库示意图 5 当巷道数为5 时( 如图2 7 所示) ： 磊：( 2 w o + w + _ 4 w o + 2 一w ) x 2 ：1 2 。w o + _ 6 w ( 2 5 ) 1 5 5 5 图2 7 巷道数为5 车库示意图 6 巷道数为6 时( 如图2 8 所示) ： 六：! 坐：至w ! ：竺兰：至3 w ! ：! 兰：互5 w ! ! ：1 8 w o + 丝( 2 撕0 ) f = j l j l = 一= + i i 1 6 6 m 。6 m 7 - 1 6 上海大学硕士学位论文 图2 8 巷道数为6 车库示意图 7 当巷道数为7 时( 如图2 9 所示) ： ，：(2wo+w)+(4wo+2w)+(6wo+3w)x2：24wo+12_ew(27) 1 7 m7 7 v l 、 图2 9 巷道数为7 车厍不意图 由以上( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 、( 4 ) 、( 5 ) 、( 6 ) 、( 7 ) 式，根据数学归纳法推断，当巷道 数为一时，车辆沿通道到达巷道的平均时间计算一般公式为： n , 鼢2 2 v 1 讹+ 石w 刀2 1n 2 1 ( 2 8 ) 蝴2 2 - - 瓦- v 1w o + 瓦w 其中：矗( 。为偶数1 表示巷道数栉为偶数时的沿通道平均时间，厶( 肭奇数) 表示巷 道数l i t 为奇数时的沿通道平均时间。 ， 假设堆垛机垂直上升的速度为协，每一层的高度是h o ，车辆运送到车库 的高度层数为，z ，( 图2 1 0 所示) ，则沿高度方向运送平均时间为： 警 = 如 上海大学硕士学位论文 图2 1 0 车库空间示意图 假设车库沿巷道方向车位的长度为三。( 即汽车宽度方向) ，沿巷道排放的车 的数量为绝，则车辆沿巷道运送的平均时间为： 则堆垛机把车辆在车库中从入口存到指定车位的再回到入口处整个过程 的存取平均总时间设为t ，则： t = t o + 2 ( t 1 + t 2 + f 3 ) 其中：t 。为车辆运送到车位后堆垛机中搬运小车交换平均时间。 2 3 2 车库成本计算方法 根据图2 2 、图2 1 0 中示意的巷道堆垛式立体车库模型。假设总共有个 车位，根据2 1 小节介绍的车库组成结构，计算车库的成本。其中各变量假设 如下： 库容量( 总的车位数) ； 厶，w 。，凰 单个车位的长、宽、高； 聆2 ”y 向车位数； 珐 z 向车位数； ” 巷道数； w 巷道宽； 吐 = f 上海大学硕士学位论文 c ， ”每平方米车位地面造价； c ， 每辆堆垛机价格； ， 堆垛机数； e 每对导轨价格； c 。 单个车架及托盘价格； c 。 控制计算机总价格； ( 乙 每年维修成本； t”车库寿命； 尺折旧率； c 。 每个工人年工资价格； n o 操作工人数； 1 建筑与结构成本设为c 。，主要是占用土地的成本，图2 1 0 示，沿x 方 向车库的宽为( 2 w o + w ) n ，沿y 方向长度为n ：l 。 g = d ( 2 w o + w ) n n ：l o ( 2 1 2 ) 硬件设备成本设为c ：，主要包括堆垛机成本，导轨成本，车库架及托 盘计算机及其监控系统设备成本等。 c 2 = c3 n | + x n c g + ncp + c 。 q 1 运行成本设为g ，这部分的成本主要是车库维修成本与管理人员工资 成本。这里维修成本参照有关资料需要考虑硬件设备成本折旧率r 。 c = c ：巴窆( 1 + r ) 。+ n o c ，r ( 2 1 4 ) 2 车库的总成本费用为： 3 c ，= g + g + g = g ，= l 我们的研究的一个主要目标就在设计车库时给出的方案使其总成本c ，最 上海大学硕士学位论文 低，即c t c ，曲，为此对上述各式分析如下。 由( 2 1 2 ) 式知，需要选取合适的巷道数以，y 向车位数聆：，和z 向车位数， 的组合，即转化为车库车位排列问题，以使得车库占地面积最小。 由( 2 1 3 ) 式知，成本与巷道数，堆垛机数等有关，即随巷道数增加，硬件设 备成本将随之提高。 f l j ( 2 1 4 ) 式知，成本还和使用寿命相关，即车库运行使用维修成本和管理人 员工资成本。 分析可得，车库排列方式( 长、宽、高) 与车库的造价的内在关系，可以用 上述四个表达式表示出来，其中车库宽度改变将和巷道数 密切相连。 再依据( 2 8 ) 、( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 式，设t 为车辆平均存取所需的总时间， 车库总长为刀：l 。，宽为( 2 w o + w ) n ，高度( 层数) 为n l h 。，堆垛机水平移动 速度为，垂直移动为协。根据( 2 1 2 ) 5 蜘，车库车位排列方式不同，水平与 垂直运行时间都将不同，为此车库设计方案优化中作业效率用以下表达式表示： 如旷”2 l 毪n + 警+ 昔 i 胆 栉为偶数 r 为奇数 综合式( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) ，为进一步说清楚问题，举一个例子进行分析： 假设立体车库库容量为4 0 ，取车库长方向车位数为8 ，高方向车位数为5 ；当 巷道数为0 时，长高方向车位数量安排的排列组合为：( 1 ，4 0 ) ，( 2 ，2 0 ) ，( 4 ， 1 0 ) ，( 5 ，8 ) ，( 8 ，5 ) ，( 1 0 ，4 ) ，( 2 0 ，2 ) ，( 4 0 ，1 ) ；巷道数为1 的情况下， 每个车库的长高方向的车位数安排组合为；( 1 ，2 0 ) ， ( 2 ， 1 0 ) ，( 4 ，5 ) ， ( 5 ， 4 ) ，( 1 0 ，2 ) ，( 2 0 ，1 ) ，又由2 3 1 小节分析可知，车辆存取平均时间是沿通 道平均时间厶，沿高度方向平均时间f ：，沿巷道平均时间f ，和厶。四者之 和，车位排列方式不同，车库的长、宽、高均不同，则作业效率就不同，这样 警警挚 钳 上海大学硕士学位论文 车位排列方式与作业效率之间的关系可以用表达式( 2 1 6 ) 表示出来。 同时，取不同的长高车位数排列组合，那么所需的场地面积和车辆平均存 取所需时间将会不同。比如对于上例中长高方向车位数分别为：( 2 ，2 0 ) ，( 4 ， 1 0 ) 的车库来说，后者所需的场地面积是前者的两倍，说明不同的巷道数车库所 占用土地面积将不同，从而显著影响造价c ，( 土地价格一般比较昂贵) ，同时 巷道数甩的不同也会带来造价c ：不同，进而影响造价g 不同。这样不同库容 量的立体车库的车位排列方式( 车库的长、巷道数、高) 、作业效率和车库总造 价三者之间内在关系通过式( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 表示出来了。 2 3 3 车库设计方案优化数学模型 1 经以上分析可以建立如下的目标函数： c r r a i n c r = m i n ( c l + c 2 + g ) t 斗m i n t 2 w a n ( t o + 2 ( t l + t 2 + f 3 ” 式中： g 2c i ( 2 w o + w ) n n 2 l o c ：= c t i v , + 2 n c | + n cp + c c c 3 = c 2 g 窆( 1 + 尺) + o c ，z 如：业，厶为一常量，t o o m = 警 偶数2 瓦慨+ 石w 九黼= 舞讹+ 密w 上海大学硕士学位论文 2 约束条件为： w 0 , w o o 厶 o ，h o 0 自c ， o ，c ， o ，n o ，c g o ，c ， o ，c 。 o ，c 。 0 ， r 0 ，c ， 0 ，n o 0 n 郅，n 0 , n l n ，n 2 n ，且均为自然数 0 , 1 5 2 0 ( 2w 0 + w ) n w l 耽h 。h ， 刀2 l o l ， 其中厶，w ，h 。表示实际给定土地面积的长、宽、高。以上各参数和变量 所表示的意义均与本章2 3 。2 小节中所表示内容相同，该优化模型可以看成一个 关于车库库容