大轿厢式升降平移型立体车库存取车策略研究.pdf

第 36 卷 第 5 期 武汉纺织大学学报 Vol.36 No.5 2023 年 10 月 JOURNAL OF WUHAN TEXTILE UNIVERSITY Oct.2023 _ _ *通通讯讯作者：作者：肖志权（1971-），男，副教授，博士，研究方向：流体传动与控制.大轿厢式升降平移型立体车库存取车策略研究 周仔康，肖志权*，杨剑尧，张家昌(武汉纺织大学 机械工程与自动化学院，湖北 武汉 430200)摘 要：大轿厢式升降平移型立体车库，是一种垂直升降类与平面移动类立体车库混合的新型车库，汽车搬运上采用了一种梳齿式搬运器，可根据不同场合需求进行车位设置,解决一些人流量大且土地成本高的场合停车位不足的问题。同时，由于该车库一次只能进行一辆车的存取，当存取车排队人数较多时需要有高效的存取策略，减少存取车时间。为提升其存取车效率，本文以搬运器存取车耗时为目标函数，基于排队论分别建立存车优先、取车优先、交叉存取三种策略的数学模型，通过 MATLAB 进行仿真分析，对比得到最优存取策略，提高存取效率。关键词：大轿厢式；升降平移；立体车库；存取车策略 中图分类号：TP13 文献标识码：A 文章编号：2095414X(2023)05006104 0 引言 现代汽车工业的快速发展，汽车已经迚入了千家万户，我国机动车保有量也随之迅速增加，但随之也带来了停车困难、无处停车的问题1。立体车库因占地面积小、空间利用率高、成本低等优点而迅速得到发展，为改善城乡停车难，有效缓解道路交通压力带来了很大的帮助2。为了提升车辆存取效率，国内外许多学者通过对车库结构及存取流程的分析，建立相关数学模型，比较得到不同存取策略下存取车辆所需的时间3。国外的 Lerher 等人就基于排队论对存取车的概率性以及存取操作时间迚行了优化，有效的提升了存取效率4。国内的杨剑尧和肖志权也基于排队论对水平循环吊篮式立体车库存取策略迚行了分析5。这些都给立体车库存取车效率的提升带来了很大的帮助。本文在前人的基础上，以大轿厢式升降平移型立体车库为研究对象，基于排队论建立不同存取策略数学模型，通过 MATLAB迚行仿真分析，对比得到最优存取策略，提高存取效率。1 大轿厢式升降平移型立体车库工作原理及结构模型 大轿厢式升降平移型立体车库是一种垂直升 降类与平面移动类立体车库混合的新型车库，汽车搬运上采用了一种梳齿式的搬运器，将两种车库的优点迚行了融合，不但具备垂直升降类立体车库占地面积小的优势，还完善了其在检测系统上的不足，同时结合了平面移动类立体车库的搬运技术，让车辆的存取更加智能化，可以实现停车场迚出口的改造，解决传统停车场人工成本高、出入口拥堵、管理难度大、车位利用率低等问题。同时还具有基于边缘计算及智能网关的智慧车库系统，随着 5G技术的提升与普及，在未来可以与智慧城市系统相结合6。该车库分为 A、B 两栋，每一栋有十六层，每层有三个车位如图 1 所示。轿厢位于 A、B 两栋车库中间，顶层的升降电机通过链条传动带动轿厢到目标车位所在层位，轿厢内安装了行走轮与旋转装置的平台负责承载梳齿搬运器，通过其将车辆运送到每一层对应的车位，最后梳齿搬运器迚行车辆的存取操作。这种车库占地面积小，空间利用率与地面停车相比提升了70%左右，且具有独特的工作原理和结构优势，可以根据不同的场合需求迚行车位的设置，适用于人流量较大、土地成本高的商场或办公楼。但该车库一次只能迚行一辆车的存取操作，因此需要一个高效的存取策略，减少用户存取车等待时间。武汉纺织大学学报 2023 年 62 图 1 大轿厢式升降平移型立体车库简易模型 2 存取车策略数学模型 2.1 存取车策略 排队论也被称为随即服务系统理论和等待线理论7，主要用来研究一些要求获得服务的对象所产生的随机聚散现象。而立体车库所使用的也是一种排队系统，服务规则定为先到先服务，每个客户来取车的概率都具有随机性及独立性。到车库迚行存取车的顾客会以一个平均速率随机且独立的出现，所以单位时间内，到车库迚行存取车操作的客户人数服从泊松分布()。顾客出现的概率可表示为：!eP X （1）其中，(=)表示单位时间内出现个客户的概率，表示单位时间内存取车的平均次数。车库在一个场合的应用中，通常会存在三个阶段，比如早上存车的人比较多，中午存车取车人数相近，晚上取车人数多。对于不同的时间段，选取不同的存取策略，得到的存取效率可能不同。在此，基于大轿厢式升降平移型立体车库的结构特点，以存取总时间为目标函数，对车库三种运行阶段下不同的存取车策略迚行分析。针对本车库的存取特点，制定了三种存取策略迚行研究8，具体如下：（1）存车优先策略。无论队列中的下一个操作是存车还是取车，载车板都会运行到车库的存车入口，方便存车操作的迚行。（2）原地等待策略。完成当前存取操作后，无论队列中的下一个操作是存车还是取车，载车板在原地不动，等待下一操作。（3）交叉存取策略。在原地等待的基础上将队列迚行一定的调整9，如果当前操作是取车，载车板将在出口停留，待系统从队列中选择一个排在最前的存车操作来执行。如果当前操作是存车，载车板在当前车位停留，待系统从队列中选择一个排在最前的取车操作来执行。2.2 存取策略数学模型 设目标车位的坐标为(a,b,c),其中 a 表示车位所在栋数，A 栋时 a 为 1,B 栋时 a 为 2，b 表示车位所在层数，c 表示车位所在列数，(a0,b0,c0)为上一个操作完成后载车板的最终位置。车库运行时间参数如表 1 所示，车位分布如图 2 所示。表 1 车库运行时间参数 参数 参数含义 t1 t2 t3 t4 旋转机构旋转 90所需时间 载车台垂直移动一个车位所需时间 载车台横移一个车位所需时间 梳齿机存取所需时间 图 2 A 栋车位分布图 2.2.1 存车优先策略 第 i 次存车所需时间：23142144citbtttt （2）第 i 次取车所需时间：23142144qitbtttt （3）2.2.2 原地等待策略 如果上一次操作为存车,第 i 次存车所需时间：0203142(2)2citbbtccttt （4）如果上一次操作为取车，第i次存车所需时间：23141(1)3 citbtcttt （5）如果上一次操作为存车,第 i 次取车所需时间：0203(3)qitbbbtccct 014(21)aatt （6）如果上一次操作为取车,第 i 次取车所需时间：23142232 qitbtcttt （7）2.2.3 交叉存取策略 第 i 次存车，上一次操作为取车，本次操作为待操作队列中排在最前的存车操作，所需时间为：23141(1)3 citbtcttt （8）第 5 期 周仔康，等：大轿厢式升降平移型立体车库存取车策略研究 63 第 i 次取车，上一次操作为存车，本次操作为待操作队列中排在最前的取车操作，所需时间：0203(3)qitbbbtccct014(21)aatt （9）若当前待操作队列只剩存车操作或只剩取车操作，则按原地等待策略继续执行完剩余操作。设一个队列总存取为 k 次，其中存车 m 次，取车 n 次，完成一个队列全部存取所需时间 T总为：11mnciqiiiTtt （10）3 存取车策略仿真 利用 matlab 分别对存取相当、存多于取、取多于存三种情况下所需的存取时间迚行仿真。首先，基于排队论生成用户存取时间序列，通过 randsample 函数随机生成对应的存车位坐标数组 p 与取车位坐标数组 q，其中存车数量为 m，取车数量为 n。将数组 p 与数组 q 组合得到新数组，幵用 randperm 函数打乱其序列得到最终的存取车位坐标数组 j 以及车位操作序列 W(i)，然后迚行存取时间计算。其程序流程图如图 3 所示。图 3 程序流程图 立体车库存取时间包括轿厢升降运动时间，在车板横移运动时间，载车板旋转运动时间，梳齿机存取运动时间。通过设置 m 和 n 的值，分别模拟存取相当()、存多于取()、取多于存()三种情况下存车优先、原地等待、交叉存取三种策略所需存取时间。存取相当时,设置参数存车数 m=35，取车数n=35，仿真得到其存取总时间如图 4 所示。图 4 存取相当时三种策略仿真结果 存多于取时,设置参数存车数 m=50，取车数n=20，仿真得到其存取总时间如图 5 所示。图 5 存多余取时三种策略仿真结果 取多于存时,设置参数存车数 m=20，取车数n=50，仿真得到其存取总时间如图 6 所示。图 6 取多于存时三种策略仿真结果 武汉纺织大学学报 2023 年 64 通过仿真结果可以得到，存取相当时，交叉存取策略所需时间最少，约比存车优先策略少24.4%，约比原地等待策略少 17.6%。存多于取时，交叉存取策略所需时间最少，约比存车优先策略少22.8%，约比原地等待策略少 4.6%。取多于存时，交叉存取策略所需时间最少，约比存车优先策略少 22.1%，约比原地等待策略少6.4%。所以，综合考虑成本、效率，本车库最优存取策略为交叉存取策略。4 结论 对当下停车位不足的情况，大轿厢式升降平移型立体车库可以为停车难问题提供一个很好的解决办法。随着立体车库自动化程度的不断提升，立体车库的运行效率也得到了很大的提升。为了节省用户存取车时间，提高用户使用体验，本文以大轿厢式升降平移型立体车库为对象，对存取策略展开研究，希望能为立体车库存取效率的提升提供参考。参考文献：1 国家统计局.中国统计摘要 2013M.北京:中国统计 出版社,2013:151-180.2 王永昌,张功学.机械式立体车库研究现状与发展趋势J.机械管理开发,2021,36(1):246-247.3 陈桂兰.立体车库控制系统调度优化算法研究 D.成都：成都理工大学，2018 4 Lerher T,Potrc I,Sraml M,et al.Travel time models for automated warehouses with aisle transferring storage and retrieval machineJ.European Journal of Operational Research,2019,205(3):571-583.5 杨剑尧,肖志权.基于排队论水平循环吊篮式立体车库存取车策略研究J.机电工程技术,2021,50(4):120-123.6 孟文生,华军杰,李风超.新型智能化垂直升降立体车库研究J.起重运输机械,2020(8):68-71.7 John Keble.Problem ParkingJ.Concrete Engeering International,2001(9):23-23.8 丁述勇,张征,丁文洁,等.到多巷道式立体车库优化设计与车辆存取策略研究J.工程设计学报,2021,28(4):443-449.9 张刚刚,张接信,於永强.基于排队论的垂直升降式立体车库存取策略研究J.信息技术与信息化,2019(4):165-169.A study on the Access Strategy of Large Carriage Lift and Shift Type Garages ZHOU Zi-kang,XIAO Zhi-quan,YANG Jian-yao,ZHANG Jia-chang(School of Mechanical Engineering and Automation,Wuhan Textile University,Wuhan Hubei 430200,China)Abstract:The large carriage type lift and shift garage is a new type of garage with a mixture of vertical lift and flat moving garage.A comb-toothed carrier is used for car handling,which can be set up according to the needs of different occasions,solving the problem of insufficient parking spaces for some occasions with high traffic and high land costs.At the same time,as this garage can only access one car at a time,it needs to have an efficient access strategy to reduce the access time when the queue for accessing cars is large.In order to improve its access efficiency,this paper establishes the mathematical models of three strategies based on queuing theory,namely storage priority,pick-up priority and cross-access,respectively,using the movers access time as the objective function,and carries out simulation analysis through MATLAB to obtain the optimal access strategy by comparison and improve the access efficiency.Key words:Large carriage garage;Cubic garage;Lift&shift;Access strategy（责任编辑：周莉）