（机械设计及理论专业论文）智能立体车库设计方案优化及其监控管理系统研究.pdf

k 安大学硕士学位论文 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。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。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，印证了车库车 辆存取过程符合排对论m d 模型。建立了立体车库存取车辆的最优路线算法， 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，在此基础上开发了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 长安人学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t e l l i g e n ts t e r e o s c o p i cg a r a g ei sa ne 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 b o t ht h ep e r f o r m a n c eo ft 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 s t h a ta 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 l o ft h eo p t i m u md e s i g no ft h el a n e w a y s t r a c k e r t y p es t e r e o s c o p i cg a r a g e i se s t a h 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 em o d e i sc a r r i e do u t u s i n g m a t l a b l a n g u a g e i nt h i st h e s i s t h er e a l i 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 gq u e u i n gt h e o r ya n d t h eh y p o t h e s i s v 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 es t e r e o s c o p i cg a r a g em a t c h e s t h em d 1m o d eo ft h eq u e u i n gt h e o r yi nt h i st h e s i s t h eo p t i m u ma l g o r i t h m t 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 sg i v e no u ti nt h et h e s i s ， a n dt h eu n i to ft 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 eg 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 sd 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 it o rm a n a g e m e n ts y s t e m j 】 长安大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1 国内外立体车库发展概况 随着社会的发展，城市人口日益增多，楼房和车辆也越来越多。特别是随着 改革开放以来，国民经济的高速发展为汽车工业的振兴注入了强劲动力”1 。据中 国汽车工业协会公布的数据表明，1 9 9 7 年全国汽车保有量11 0 0 万辆，其中轿车 4 0 0 万辆，当年轿车生产量4 8 2 万辆，微型车生产量3 8 2 万辆；1 9 9 8 年轿车生 产量5 0 万辆，1 9 9 9 年5 5 万辆，2 0 0 0 年5 7 万辆。2 0 0 2 年中国汽车产量达到了 3 2 5 万辆，比上年增长3 8 ，全球排位由2 0 0 1 年的第八位上升至第五位。随着 2 0 0 8 年北京奥运、2 0 1 0 年上海世界博览会、中国加入世贸、“十六大”顺利召开 和政府平稳过渡等重大盛事的影响，以及内需的迸一步拉动和“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间并将继续保持快速平稳发展。 按前述数据预测，到2 0 0 5 年的轿车保有量将达到1 0 0 0 万辆，2 0 1 0 年将达到2 0 0 0 万辆。城市中停车位需求按l ：l i2 ( 1 0 0 的基本停车位和2 0 的公共停车位) 计 算，总需增加停车位4 8 0 万个，平均每年需求9 6 万个”，参见表1 - 1 为1 9 9 8 几个城市的汽车保有量及停车位情况”。为此停车问题也就逐渐成为大城市的一 大难题。城市中有限的地面面积已无法提供足够的停车车位，于是向空间发展成 为当前解决问题的一条重要途径。 表卜1几个城市汽车保有量及停车位现状( 1 9 9 8 ) 汽车保量 停车场数有停车车所有停车位 ( 万量)( 个)位( 万)数( 万) 北京1 3 08 0 071 0 7 上海 5 23 1 51 54 4 9 广州 5 05 1 8l84 3 3 立体车库具有占地面积小、使用操作简单、灵活， 安全可靠等诸多独特的优点，决定了其在寸土寸金的 大都市中有着不可替代的存在价值，已成为平面车库 不可取代的选择，示意简图如图卜l 所示，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，国家把其列入了“九五，重点科技攻关项目之一【”。 圈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 停车难采取一种措施。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、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 长安大学硕士学位论文 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“1 。 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。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 内立体停车库市场正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。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，国家已出台了机 械式停车设备类别、型式与基本参数一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。( 在北京般地面停车每小时2 元，而立体车库为 5 元”) 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。( 参观西安市工商银行一期工程地上4 层5 0 泊机械式停车库，西安市 南关正街地下2 层4 8 泊停车库，西安通视房地产开发公司地上2 层1 2 泊停车库 也有这样的现象存在) 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 长安大学硕士学位论文 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1 8 】。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( 液压或堆跺机) 部分和控制管理系统三部分。 1 ) 机械部分：以垂直升降式为例说明，如图l 一2 ，图1 - 3 所示，机械部分 也可以分为三个部分，如下所述。车库中间的起升机构在电机拖动下上下移动， 起升机构的平台上装有双向伸缩机构，其作用是把车送到左右两边的车架上以及 从车架上取车，车库车架在中间垂直通道的两边。 ( 1 ) 车架：由若干各竖向框架以及若干层与竖向框架相连接的横向梁组成， 衡量上有固定的支持架，汽车连同托盘一起放在支架上。 ( 2 ) 起升机构：起升机构位于车库架中部，由电动机、制动器、卷筒升降平 台以及支持立柱组成。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。 ( 3 ) 双向伸缩机构：伸缩机构位于升降台上，它的作用是将托盘和车辆放入 指定的车库位置或从车库中取出。 2 ) 电机驱动部分：取层左车位为例，升降机构从底层上升，当升降台的 挡块撞到层行程开关时，升降台停止上升，伸缩机构向左伸出、升降机构微 升，将托盘和车一起置于伸缩机构的上层的平台上，伸缩机构再逐级收回将车带 到升降台上，然后升降机构带动平台上的车，托盘一起下降到底层，由车主把车 开走。升降机构和伸缩机构再配合动作把托盘放回原位，升降平台回到起始位置， 完成整个取出过程。 3 ) 控制管理系统：立体车库控制系统将随采用的控制器的智能化程度的高 低有所不同，参见1 1 3 小节中的内容。 l 叩口l l 啜口i 7 - = 丁 车位板il 过i 阵位 l _ i 幽1 2 车库示意主视幽图1 - 3 车库示意俯视图 长安大学硕士学位论文 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 道堆跺式以及地下停车的专用型等几大类“。 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，先下降到一层所空车位再出库。 3 ) 巷道堆跺式：其工作原理和堆跺式立体自动化仓库存取货物很接近，升 降机构( 或堆跺机或智能搬运器a g v ) 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。 4 ) 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2 1 所示) 与其他种类车库相比较：采用堆跺机 作为存取车辆的工具，所有车辆均由堆跺机进行存取，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。1 。目前这类 车库研究在国外已经比较成熟了，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“。 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“1 。控制系统随其使用的主控制器智能化程度不断提高，在国 4 长安大学硕士学位论文 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且为两层，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 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1 。 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 应用已相当广泛，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、 管理殛通讯功能，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，从最 长安大学硕士学位论文 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 自动化控制巷道堆跺式立体车库，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跺式立 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已经比较成熟，对各种门类的立体 车库已经采用系统化、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 l 盯显示技术以及 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“。 我国的互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。 长安大学硕士学位论文 1 2 课题的提出 如前面所述，我国立体车库工业已经有了长足的发展，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 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，以期降低运行管理费用，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 本文研究的主要内容 为了提高巷道堆跺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： 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 研究立体车库具体车辆在车库中存取路线最优方案，分析智能化监控管 理系统中各模块的功能及如何在程序中实现，确定上述最优路线在监控管理系统 中程序的实现，用编程语言v i s u a lc + + 6 0 编制监控管理系统相关部分程序。 & 安大学硕士学位论文 第2 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 巷道堆跺式立体车库结构简介 巷道堆垛式立体车库( 如图2 - 1 所示) ，它和垂直升降式立体车库( 参见第1 章i 1 2 小节) 结构组成类似，也有三个主要部分组成，即机械部分，堆跺机搬 运过程和计算机监控管理系统。 1 1 机械部分：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 固定运行堆跺机的轨道。起身机构中依靠堆跺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 ) 堆跺机搬运过程：智能堆跺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跺式车库的自动控 制系统采用了激光外形检测、激光认址定位、p i a 3 网络控制及变频调速等，实现 无人化管理，自动化程度已经很高。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 长安大学硕士学位论文 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“1 。 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。 图2 - 1 巷道堆跺式立体车库实物图 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 后向通道 z 前向通道 出入口 图2 - 2 巷道堆跺式立体车库 假定车库的宽、长、高方向分别如图2 2 示意的x 、y 、z 方向( 车库立体图 参见图2 1 0 所示1 。车辆从入口经由堆跺机存入指定的车位，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z 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，堆跺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 9 博一卜胃怛一x胡 高层 巷道 一 平 嘲 y 高层 巷遭 翮引引刘 长安大学硕+ 学位论文 随车位高度不同而不同，沿巷道水平运彳亍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 ，沿高度运送的平均时间设为t ：，沿巷道水平运动平均时间f ，和小车交换 时间设为t 。，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间t 。假定巷道宽为w ，车库车位宽为w o ( 也 即汽车长度方向) ，沿水平平均速度设为v ，则沿通道平均时间为： 当巷数为1 时( 如图2 - 3 所示) ： 佣wn t 。一0 ( 2 - 1 ) 2ii 6 7 1 ! 一 当巷道数为2 时( 如图2 - 4 所示) ： 图2 3 巷道数为1 车库示意图 州( + 小詈+ 瓦w 。q 当巷道数为3 时( 如图2 - 5 所示) ： p堕警一等+两2w(2-3vl 3 v 3 ) 1 ，如， 圳 当巷道数为4 时( 如图2 - 6 所示) ： 图2 _ 4 巷道数为2 车库示意图 图2 - 5 巷道数为3 车库示意图 卜垡等塾一8 w o 百4 w 4 ，1 和，和，和， 、7 当巷道数为5 时( 如图2 7 所示) ： 图2 7 巷道数为5 车库示意图 长安大学硕士学位论文 ，盟型掣：学+ 竽 姚姚 巷道数为6 时( 如图2 - 8 所示) ： ( 2 5 ) 铲型迪害竺墼。百1 8 w o + 瓦9 w ， o v o v ，o v ， 、 当巷道数为7 时( 如图2 - 9 所示) ： 图2 - 9 巷道数为7 车库示意图 t 。喳：型! ：! ：竺：坚：型三塾坐 ( ：一) _ ! 一_ “，l 和7 v ，7 v ， 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n 时，车辆沿通道到达巷道的平均时问计算一般公式为： nn t 偶2 瓦+ 石” n 2 1h2 1 ，奇2 瓦+ 百” ( 2 - 8 ) 其? ：t 。偶表示巷道数n 为偶数时的沿通道平均时间，- j 舒表示巷道数n 为奇数时 的沿通道平均时问。 假设堆垛机垂直上升的速度为v ：，每一层的高度是h 。，车辆运送到车库的 高度层数为n 1 ( 图2 1 0 所示) ，则沿高度方向运送平均时问为： t 2t n l h o 2 ( 2 - 9 ) 艮安人学硕士学位论文 假没车库沿巷道方向车位的长度为。 ( 即汽车宽度方向) ，沿巷道排放的车的数量 为n ，则车辆沿巷道运送的平均时间为： t 3 = n z l o v l ( 2 - 1 0 ) 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r ，则： t = t o + 2 ( t l + t 2 + t 3 ) ( 2 1 1 ) 其中：t 。为车辆运送到车位后堆跺机中搬运小 车交换平均时间。 2 3 2 车库成本计算方法 图2 1 0 车库空间示意图 根据图2 - 1 、图2 1 0 中示意的巷道堆跺式立体车库模型。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) ； l o , w 。，h 。单个车位的长、宽、高； 弹，y 向车位数： 、z 向车位数； ，l 巷道数； w 巷道宽： c ，每平方米车位地面造价； c 。每辆堆垛机价格； ，堆垛机数； c 。每对导轨价格； c 单个车架及托盘价格； c ，空制计算机总价格； c 。每年维修成本； 丁车库寿命； r 折旧率： c 一每个工人年工资价格： 。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， 车库的宽为( 2 w o + n ，沿y 方向长度为月：上。 c 1 = c ，( 2 w + w o ) ，l n 2 l o 图2 1 0 示，沿x 方向 ( 2 1 2 ) 安大学硕十学位论文 2 硬件设备成本设为c ，主要包括堆跺机成本，导轨成本，车库架及托盘 成本，计算机及其监控系统设备成本等。 c 2 = g m + 2 h q + n c p + g ( 2 1 3 ) 3 运行成本设为c ，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 32 c ：c m ；( 1 + r ) 。+ n o c y t 亿1 4 1 4 车库的总成本费用为： c ric 1 + c 2 + c 3 蕾蔓c i ( 2 - 1 5 ) 口 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 低，即。一c k 。，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n ，y 向车位数月：，和z 向车位数n 。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f 2 1 3 ) 式知，成本与巷道数，堆跺机数等有关，即随巷道数增加，硬件设 备成本将随之提高。 由f 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h 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1 2 l 。，宽为( 2 w o + 咖，高度( 层数) 为n ，h 。，堆垛机水平移动速度 为v 、，垂直移动为v ，。根据( 2 1 2 ) 式知，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： ，二箧差基呦徽回 叫鲣唑等必+ 警+ 警】数毕” i v 1”2u “刀可裂 综合式( 2 一1 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侧f ，、沿高度 长安人学硕十学位论文 方向平均时间f ，、沿巷道平均时间f ，和t 。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，这样车位排列方式与作业效率之问的关 系可以用表达式f 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 1 ( 土地价格一一般比较昂贵) 【参见式( 2 1 2 ) l ， 同时巷道数j l 的不同也会带来造价c ，不同，进而影响造价c ，不同【参见式( 2 1 3 ) 、 ( 2 1 3 ) 1 。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 f c r _ m i n c r = m i n ( c 1 + c 24 - c 3 ) l t m i n t m i n ( t o + 2 ( t 1 + t 2 + 岛) ) 式中： c l - c ，( 2 w o + w ) n n 2 唾c 2 = c s ns + 2 n c g + n c ，+ c 。 c ，i c ：c 。t ( 1 + 月) _ f + 。c ，丁 t 3 ；n 2 三o v l ，t o 为一常量，f o o t 2 一n 1 日o v 2 f。(n2)xw o + ( n 4 ) x w n 为偶数 u f。(nz-1)2n)xwo+(n2-1)4n)x wn 为奇数 v l 2 约束条件为： w 0 ，w o 0 ，o 0 ，h o 0 c ， 0 ，e 0 ，n s 0 ，c g 0 ，c ， 0 ，c c 0 ，c m 0 r 0 ，c y 0 ，v n 0 甩o ，n ) 0 ，胆、s n ，膨，s n ，且均为自然数 v 】 0 ，v 2 0 ( 2 w 0 + w ) ns 暇 “l os 日1 f 2 - 1 7 ) 民安大学硕十学位论文 n 2 l o l l 其中上q ，暇，日，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 关于车库库容量与巷道数n 为变量的多目标优化数学问题。 2 3 4 优化程序设计及流程图 参照式( 2 1 7 ) ，该优化数学模型为一多目标优化问题，用达到成本的优化和 车辆平均存取时间符合要求的方法将其转化为单目标优化问题，基于这种想法采 用了枚举法设计了一个优化程序，对影响车库设计方案的各个主要因素进行综合 考虑，并找出符合要求的解，分析如下。 由式( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 、( 2 - 1 4 ) 看出，车库造价的c ，随车库占地面积，即与车位 的排列方式的改变而变化很大，而c ，将随巷道数一不同而不同，c 、将和具体的 车库硬件密切联系。考虑到本文主要问题在于理论上分析车库总造价、车辆平均 存取时间及车位排列方式之间的关系，加之于对现有立体车库硬件价格统计是一 件工程量巨大的事，在项目资金投入和时间上都有所欠缺。为此在编写优化程序 时除了主要考虑c ，影响外，在考虑c ：主要耿堆跺机的价格影响，省去了c ：其它 部分硬件价格和c ，对车库造价的影响：并且为对比方便，考虑车库总造价时， 用车库单个车位平均总造价来讨论分析问题。 程序中，先通过对车库的巷道数和库容量按照车位排列可能的组合进行因子 分解，再计算出车库单个车位的平均总造价、车辆的平均存取时间作为输出条件， 在这个过程中需要输入土地的单价，车库总的长、宽、高和单个车位的长、宽、 高( 和汽车宽、长、高相关的参数) 等因素，最后分别按不同的要求输出符合条 件的数组。程序中库容量最大设为，循环计算时从1 到因子分解。流程图 如图2 1 1 所示。程序采用了比较常用的数学工具m a t l a b 语言作为编程工具，主 要基于以下几点考虑： 1 m a t l a b 语言以向量和矩阵为基本的数据单位，拥有顺序，选择、选择等 结构控制语句，并拥有大量的运算符，可以编写出符合结构化标准的具有面向对 象特点的程序，既适用于对一个问题的的简单计算，也适用于开发复杂的大型程 序来实现对一个较大问题的处理，比如系统的动态仿真。 2 m a t l a b 语言数值运算全面，育几百种数学、统计、科学诸方面的函数， 可进行初等代数、微积分、微分方程、数理统计等多种计算，使用方便。 3 函数的表示方法自然，可以使用内含编辑器或其他的任何支付处理器， 有先进的可视化功能，可作出高品质的工程图形，与文字处理器结合，完成图文 并茂的文本，上述程序涉及计算与图文显示，正好利用m a t l a b 的可视化功能“。 艮安大学硕士学位论文 图2 - 1i 枚举法车库优化程序流程图 1 6 长安大学硕士学位论文 2 4 优化结果分析 2 4 1 原始数据说明 运行程序必须输入的常量数据有：w 。车库车位宽度，即与车的长度紧密相 联的参数；三。车库车位的长度，即车的宽度紧密相联的参数；h 。车库的车位高 度，即与车的高度紧密相联的参数：c o s t ，堆垛机的价格；c o s t ，每平方米的地价， 对每个车位造价显著影响的参数。h 堆垛机水平搬运速度，v ，堆垛机垂直( 上升) 搬运速度。所编写的程序中涉及的其它变量参数还包括，尼。车库的架子数，其 值只能为偶数，n 0 0 2 巷道数，t a s k 每辆车平均取放总时间，c o s t a s k 每个车位的平 均总造价，h a s k m a x 层数要求撮大值，h a s k m i n 层数要求最小值，n u m b c r m a x 库 容量最大值，n u m b e r m i n 库容量最小值【参见附一】。 为了得到相对比较准确的数据，对现有市场上常见的9 3 种汽车品牌2 0 7 类 型不同小汽车的长、宽、高进行了统计【参见附录二】，得出汽车长、宽、高三张 尺寸统计图，如图2 1 2 ，图2 1 3 ，图2 1 4 所示。从图2 1 2 可以看出，长为3 8 - - 4 9 m 之间的小汽车占了绝大部分；而小气车车宽绝大部分在l 5 1 9 m 之间；车 身高度多数不超过1 8 m 。 同时参照汽车库建筑设计规范 j g j l 0 0 - 9 8 1 表2 1 1 1 8 1 。 枚举法优化程序举例计算时，车位的宽、长、高可以分别用5 m 、2 m 、1 8 m 代入 是比较合理。对堆垛机的速度及其价格现在市场上一般为：十万到几十万不等m i ， 有关堆跺机产品的速度，参见表2 2 。其中参照济南天辰机器有限公司推出的巷 道堆跺式立体车库的产品信息，速度选用：水平为6 0 r e r a i n ，垂直为3 0 m m i n 。 城市中立体车库一般需要建在繁华的商业地带或居民小区，而大型的巷道式 立体车库由于其智能化较高，适应大城市中建造大型的立体车库，且一般建在城 市中繁华地段，而对土地价格一般来说，而越是靠近繁华地带地面价格越是昂贵， 加之于近几年房地产开发非常的热，各大城市中土地己经是寸土寸金了，表2 3 所示为西安市地区土地价格调查。 种 _ _ _ - _ - ，一 i2 - | 5 b5 一：8 l i 1 n1 - 4 4 h _ t h t 一o