深井式停车库存取车控制系统研究

摘  要：文章介绍了深井式立体停车库的主要结构和运行模式，设计一种基于上下位机的深井式停车库存取车控制系统。该系统具有智能调度、可视化操作、全过程安全监测及故障预警等特点。同时，介绍了存取车控制系统的硬件组态，并基于车库总体存取车需求和客户个体存取车需求的差异，提出存取车运维调度策略和故障监测及预警方案，优化了现有深井式停车库的运维方案。

关键词：深井式；立体车库；控制系统；智慧运维

中图分类号：TP39；U491.7    文献标识码：A    文章编号：2096-4706（2023）08-0138-03

Abstract： This paper introduces the main structure and operation mode of deep well stereo parking garage， and designs a access vehicle control system for deep well parking garage based on upper and lower computers. The system has the characteristics of intelligent dispatching， visual operation， whole process safety monitoring and fault early warning. At the same time， the hardware configuration of the access vehicle control system is introduced， and based on the difference between the overall access vehicle demand of the garage and the individual access vehicle demand of the customer， the access vehicle operation and maintenance scheduling strategy and the fault monitoring and early warning scheme are proposed， which optimizes the existing operation and maintenance scheme of the deep well parking garage.

Keywords： deep well; stereo garage; control system; intelligent operation and maintenance

0  引  言

随着我国经济快速发展，我国汽车保有量不断增加，截至2022年9月，全国汽车保有量达3.15亿辆，汽车给人们带来方便快捷的出行方式的同时，也带来了较大的停车困扰。随着城市化的快速推进，城市交通拥堵问题的日渐严重，同时由汽车停车问题引起的城市静态交通问题变得日益严重。特别是城市中心城区，其土地开发程度较高、地段价格相对更加昂贵，地面的停车空间开发和利用逐渐趋向饱和，规划日益严苛，开发成本快速上升，无法继续常规开发大规模建设停车场。

因此，为解决城市停车难问题，多地提出了深井式立体停车库解决方案，最大限度提高了城市小规模地块土地的使用效率[1]。同时，随着近年来国家不断出台相关政策鼓励立体停车库的投资和建设，立体停车库呈现良好的发展态势。但从目前实际的使用过程中来看，深井式立体停车库普遍存在存取车时间较长、耗能过高、智能化程度不高、难以维修保养等问题。因此，为了实现深井式立体停车库自动化运行以及科学高效运维调度，本文提出一种基于上下位机的深井式立体停车库存取车控制系统，提出了一种深井式立体停车库的总体设计方案、存取车控制系统的硬件软件组态及设计、基于车库总体存取车需求和客户个体存取车需求的差异，提出存取车运维调度策略，以及提出车库故障监测及预警设计方案，为进一步优化深井式停车库运维提供基础。

1  深井式立体车库介绍及总体设计

深井式停车库利用城市边角地建造车库，车库将汽车分层停到地下几十米深处，最大限度地提高土地使用面积，为城市“停车难”提供了一种全新的技术解决方案[2]。相比于其他类型停车库，深井式立体停车库降低了停车开发成本，减少了对绿地的损坏，减少了对人类生存环境的破坏。有停车密度高、性价比高、有效利用城市边角地及地下深层空间、集约用地、节约用地等特点[3]。

如图1所示，深井式停车库主要由圆形车库结构、旋转升降装置、车辆搬运器、地面存取车库房基础设施等组成，其内部车位呈放射状布置，如图2所示，每层的存车数量取决于圆井的直径。

其中，地面存取车库房设施包括引导路段系统、智能卡口系统、存取车缓存车库、检修爬梯、刷卡机、车辆尺寸监测装置、生命监测装置等服务设施。深井式立体车库采用搬运器在同一平面内存取车辆，采用旋转升降设备上下运输车辆，存车架由圓形提升装置向外呈放射状排布，其结构如图2所示。当停车库工作时，客户首先根据车库外的引导系统，将车辆开往指定存车入口，并将车辆驶入地面指定缓存车库。待司机完成停车并刷卡离开后，缓存车库门关闭，库内的车辆尺寸监测装置开始扫描车身尺寸，车身尺寸扫描完成后，根据车辆尺寸合理安排存车位置。同时，红外探测装置开始检测车内是否存在乘客，并确保无乘客。检测完毕后，缓存车库与主体圆井车库之间的间隔门打开，由车辆搬运器将车辆由缓存车库搬运至主体车库的旋转升降装置。此后缓存车库与主体圆井车库之间的隔门关闭，随后升降装置经过下降、旋转到达指定存车位置，再由搬运器将车辆存放至指定车架，最后升降设备回归地面，等待下一辆待停车辆，取车过程类似[4]。

2  深井式停车库存取车控制系统软硬件设计

本深井式立体车库控制系统主要硬件设备及其组态，如图3所示，控制系统主要由工控机、预约系统、PLC、HMI、IO模块、现场总线模块、驱动电机、各类视频摄像头和相关信号传感器等组成。

其中，升降机用于承载车辆，并在库内的上下升降移动，搬运器用于车辆的存取动作，以上设备均由伺服电机驱动；刷卡机用于读取地面人员所需存取车地址，并将地址发送给控制系统；车库内部轨道、滑触线、轴承、车架、液压缸、齿轮等核心部件布局限位、振动、噪声、温度、水位等相关传感器，用于保障机械设备运行的限界安全，并提供相关核心部件实时状态监测信息，用于指导深井式立体停车库核心设备的预防性维修及保养；HMI作为PLC控制器的人机交互界面载体，其控制优先级高于上位机工控机，主要在设备调试、检修、测试时的人机交互操作，其主要由专业的维修保养人员进行操作；PLC作为主控单元，通过现场总线模块与刷卡机、升降机电机、搬运器电机等设备通信，接收刷卡机发送的存取车地址信息以及升降设备、搬运器的编码器信息，也可向电机等执行机构发送控制指令。通过IO模块与限位、振动、噪声、温度、水位、红外等相关传感器通信，收集车库核心部件的状态安全数据，并通过现场总线模块，以报文的形式发送至工控机，供工控机进行计算或人机交互使用。工控机作为PLC上位机，与预约存取车系统通信，获得存取车预约信息，并结合目前车库运行状态，计算调度策略，指导下位机发送指令。并利用库内传感器数据，监测计算设备状态，通过人机交互界面展示。

综上所述，如图4所示，上位工控机基于其计算能力及交互性优势，负责深井式立体停车库整体运行策略和故障监测预警的计算以及对外人机交互；下位PLC基于其逻辑控制能力及数据传输优势，负责机械设备的动作逻辑控制以及数据的报文化上传；传感器负责深井式立体停车库主要核心部件的限界监测和状态监测，执行机构负责动作的执行。

3  深井式停车库调度策略设计

除硬件设备外，调度策略是影响深井式立体停车库效率的重要因素之一，调度策略包括车库的运营策略和存车模式，面向深井式立体停车库总体的存取车需求，提出深井式立体停车库运营策略，面向客户个体存取车需求，提出深井式立体停车库存车模式，分别如图5所示。

在运营策略方面，由于深井式车库主要分布于城市医院、公园、办公大楼等边角地区，其存、取车服务需求随时间、节日具有波动性。因此，系统将车库服务状态分为存车高峰、取车高峰和平峰三个时期。当车库处于存车高峰期时，存车频率较高，车库采取存车优先策略，即每当完成存取车动作后，若后续无任务，升降机立即回到地面层，等待下一辆待存车辆，节省存车时间；当车库处于取车高峰期时，取车频率较高，车库采取取车优先策略，即每当完成取车动作后，若后续无任务，升降机立即回到车库中间层，等待下次取车动作，节省取车时间。当车库处于平峰期时，此时存取车需求随机性较强，升降设备采用原地待命策略，即完成存车任务后，升降设备于车库内原地待命，或完成取车任务后，升降设备于地面层原地待命，等待下次存车或取车任务，并结合预约系统的预约情况，合理提前调整升降机位置。

在存车模式方面，由于不同客户停车需求存在差异，因此将存车模式分为短暂临时停车模式、规律停车模式和长时停车模式[5]，存车前，客户根据需求选择停车模式，车库根据不同的客户停车需求采用对应的存车模式，节省综合存取车时间。对于短暂临时停车客户，一般存车时长为2～3小时，存车时间较短，因此将车存放至车库上层，缩短取车等待时间。并根据客户实际取车时间情况，为用户ID附加信用系数，作为该用户下次使用短暂临时停车模式时，车库控制系统的决策依据。对于上班族等规律停车客户，存车时间范围分布较广，为3～12小时，但其存车时间具有一定的规律性。因此基于其日常存取车时长的规律性，根据日常存车时长短，将车存放至车库上中下部对应车位。对于长时停车客户，一般存车时长为12小时以上，存车时间较长，因此将其车辆存放至车库下部，降低其他短时存放车辆的存取车时长。

4  深井式停车库故障检测预警功能设计

当前深井式立体停车库维修主要依靠维修人员被动维修，即当车库内机械设备发生故障后，影响了车库正常运行，此时由维修人员通过检修爬梯前往故障地点进行故障后维修或核心部件的更换，在此维修过程中车库无法正常运行，降低了深井式立体停车库的使用效率，并且存在一定的安全隱患。因此，为了解决深井式立体车库的科学维修保养问题，设计了深井式停车库故障检测及预警功能模块，系统通过对车库核心设备及部件的实时监测，利用物联网技术和深度学习算法研究故障预警趋势，实现立体车库相关设备的故障预测及健康管理，改传统的“定期维修”“故障修”为“预防修”，可有效减少事故发生、减少深井式立体车库全寿命周期的维修费用。

深井式立体停车库故障监测及预警方案示意图如图6所示，本系统分为采集层、特征层和决策层。其中，数据采集层通过噪声、振动、温度、环境监测等物联网传感器对深井式立体车库电机、液压缸、齿轮、拉钩、轴承等主要核心部件的各种运行状态参数进行实时监测，将采集到的数据传送到后台服务器进行存储，并对数据进行格式结构处理和归类学习，实现对车库相关设备设施多源融合信息的采集，为数据分析提供数据基础。特征层采用机器学习算法，对采集层传来的数据进行特征提取和智能分析，综合总结各类故障的数据特征或走势，形成深井式立体停车库的故障知识库，作为深井式立体车库核心部件的故障诊断依据。决策层针对特征层分析得到的数据进行维修保养决策，基于相关核心部件当前的故障严重程度，根据深井式立体车库整体健康度，决策是立即停机应急抢修、更换部件或闲时进行预防性维修保养。从而提高深井式立体停车库维修的科学性和有效性。

5  结  论

本文提出了一种深井式立体停车库存取车控制系统方案，分别从作业流程、硬件组态、运营策略、存车模式、故障预警等方面进行了分析和设计。构建了一种基于上下位机的深井式立体车库存取车系统，确定了硬件组态与通信方案。同时，根据车库的总体存取车需求与客户个人存取车需求，将车库的调度策略分为车库运营策略和客户存取车模式，针对存取车高峰波动情况、客户存车需求类型等方面分别进行研究讨论，提出在车库总体存取车需求和客户个体存取车需求差异条件下的运营调度策略，确定自适应应对方案，提高存取车效率。最后设计深井式立体停车库故障监测及预警方案，实现立体车库相关设备的故障预测及健康管理，改传统“定期维修”“故障修”为“预防修”，可有效减少事故发生、减少深井式立体车库全寿命周期的维修费用。

参考文献：

[1] 彭家瑶，宋春华.关于立体车库的研究综述 [J].科技展望，2016，26（35）：87-88.

[2] 刘建波，潘欣宇，张礼华.环井式立体停车库的智能调度控制研究 [J].内燃机与配件，2018（22）：176-180.

[3] 李清杰.基于TRIZ的环形立体车库控制系统的设计与研究 [D].济南：山东建筑大学，2012.

[4] 蒋雨洋.环井式立体停车库控制系统设计及关键技术研究 [D].镇江：江苏科技大学，2021.

[5] 刘亚萍.非独立型立体停车库的存取策略优化及车辆调度研究 [D].武汉：武汉理工大学，2018.

作者简介：王剑涛（1996—），男，汉族，湖北武汉人，助理工程师，硕士，研究方向：智能装备与控制。