基于時間最優的立體車庫存取調度研究

關榆君+和淼

摘要：通過研究垂直升降式立體車庫結構和運行原理，對其存取車輛調度進行研究，以總的存取時間最少為目的，將其視為時間最優控制問題，通過改進的遺傳算法來實現時間最優控制，并經過Matlab進行仿真，獲得的結果較為滿意，可以提高車庫的運行效率。

關鍵詞：垂直升降式立體車庫；存取調度研究；時間最優控制；改進的遺傳算法

0引言

我國的交通行業在飛速發展，我國車輛的數目急劇增加，車輛的增多以及大中型城市立體車庫的不完善，成為交通擁堵的主要因素之一。現在中國的停車場主要是平面停車場為，這種類型的停車場不但占地面積大沒有充分利用上層的空間，而且容納汽車的數量相對與立體車庫也非常的少，面對著土地資源越來越稀缺的現狀，立體車庫的廣泛的發展已經成為必然。從目前立體車庫的數量上來說，全國已經建成的立體車庫中的停車位才僅僅有30000個左右，并且都在沿海以及發達的大城中，內陸城市和及中小城市中數量極少；從技術上來看，中國發展立體車庫的先進技術與德國、美國等發達國家有較大的差距，特別是立體車庫在智能化和自動化管理方面。所以，中國的立體車庫的建設和發展才逐漸起步，還有非常大的發展進步空間。在我國立體車庫的發展是大勢所趨，是必然的。在我國大中型城市公共交通已經初具規模，做好城市規劃對我國未來的經濟發展具有重要作用。立體車庫未來的發展趨勢必然是具有占地小、投資小、造型美等優點，而垂直升降式立體車庫具有這些優勢，其在我國未來交通規劃中能夠得到廣泛應用。

本文通過研究垂直升降式立體車庫的結構，以總的存取時間最少為目標，通過改進的遺傳算法解決存取車輛調度中的時間最優問題，并通過MATLAB進行編程仿真。

1垂直升降式立體車庫的結構特點

對本文采用垂直升降式立體車庫，進行第二部分的立體車庫存取調度研究，立體車庫的結構如圖1所示，立體車庫一共10層，20個車位，采用上下升降左右平移的方式，車庫中間通過升降機垂直運送車輛，兩側是和車庫中軸線垂直設置的停車位。通過升降機構將車輛運送到預存層，每個車位都設有一個搬運器，搬運器橫移從預存車位水平運動，再將車輛從升降機上運送到預存車位，完成存車過程。對于取車過程，搬運器水平運動將車輛送到升降機上，搬運器回歸到原位置，升降機將垂直將車輛運送到車輛出入口處，旋轉臺旋轉180°，等車人員將車輛開走。

垂直升降式立體車庫的結構，如圖1所示

2 通過改進的遺傳算法實現時間最優控制

2.1 編碼和初始種群的生成

為了解決存取車調度的問題，如果以最短的路線及最少的時間實現存取車輛，那么便能達到時間最優。編碼采用混合整數編碼，遺傳個體為操作碼+操作數，操作碼包括取車和存車，采用0，1的二進制編碼，0代表的是存取車操作，1代表的是車位號；操作數為立體車庫中各個可存放車輛的車位號，采用整數編碼，整數代表車位號。

2.2 適應度函數的建立

適應度函數是用來區分群體中個體好壞的指標，本文是求總的存取時間的T的最小值，把函數值的倒數作為個體的適應度，函數值越小，適應度越大，適應度計算函數 。升降機在相鄰兩層運動所需的時間為Ts，且為常數，取為3s。搬運器橫移時間為TBH，搬運器橫移從升降機取車時間為TBQ，搬運器橫移從車位送車時間為TBS，搬運器橫移回歸到位時間為 TBG，旋轉臺旋轉180°所需的時間為TX，其中TBH=TBQ=TBS=TBG，且為常數，取為4S，TX亦為常數，取為10S， 。其中m表示取車總次數，n表示存車總次數，（ij）表示車位坐標，ji1表示取車時車位置所在層數，ji2表示存車時車位置所在層數。當ji1≠ji2時，表示取車位置和存車位置不同，當ji1=ji2時，表示取車位置和存車位置相同。

2.3 遺傳算子的選擇

選擇算子采用輪盤賭選擇方法，輪盤賭選擇類似于博彩游戲中的輪盤賭。個體的適應度按比例轉化為選中概率，按照選中概率將輪盤分成扇區，按照選擇次數，隨機產生和選擇次數相等的[0，1]之間的隨機數列，將這些隨機數列與累計概率相比較，確定被選中的個體。顯然適應度高的個體被選中概率大，而且可能被選中；而適應度低的個體則很有可能被淘汰。

2.4 交叉算子的設計

交叉算子采用改進的OX交叉算子，具體步驟如下：

（1）在A1、A2兩個父代個體中隨機生成兩個交叉點，將交叉點中間部分基因串分別取出記為P1、P2。

（2）將父代個體A1中P2相等的基因取出，若無與之相等的基因則去除A1中最大的基因，從而得到B1；將父代個體A2中P1相等的基因取出，若無與之相等的基因則去除A1中最大的基因，從而得到B2。

（3）將P2作為一個基因串，一次插入到B1的任意兩個基因中間（包括起始位前面和最后位后面），可得到一系列的子代個體C1；同理，將P1作為一個基因串，一次插入到B1的任意兩個基因中間，可得到一系列的子代個體C2。

（4）分別從C1和C2中選擇最優的個體，作為交叉后的子代個體。

2.5 變異算子的設計

本文采用改進逆轉變算子，在染色體的兩個奇數位之間發生斷裂，兩個斷裂點對應的偶數位按反向的順序插入，對應的奇數位不變，奇數位代表操作碼，偶數位代表操作數。

3 實例分析

以10個車位為例，假設在一段時間內有5輛車從車庫中取出，有5輛車預存入車庫。初始種群規模為20個個體，交叉概率PC=0.7，變異概率選取為Pm=0.01，遺傳代數為150代。經過仿真后得出的實驗結果，如下圖2所示。

圖2的橫坐標表示遺傳代數，縱坐標表示每一代中所用總的存取時間最小個體的總的存取時間。經過仿真后，獲得了較好的收斂，得到的最小的總的存取時間為238s，對應的車輛存取序列見表1。

4結語

通過結合垂直升降式立體車庫的運行特點，通過改進的遺傳算法，來實現車輛存取調度中總的存取車輛時間達到最少的目的，從而達到時間最優控制，通過Matlab仿真，獲得了使總的存取車時間達到最小的較優的存取車序列，如果在實際的車庫存取中使用該序列，可以較大限度地節約用戶的存取車時間，對于提高效率有極大的幫助。

參考文獻：

[1]劉文娟，潘宏俠.垂直升降式立體車庫系統設計與研究[J].機械設計與制造，2011，（5）：48-50.

[2]張爭.立體車庫的發展現狀和前景分析[J].佳木斯職業學院學報，2016，（12）：478-478.

作者簡介：關榆君，男，河北唐山，教授，研究方向：控制工程；和淼，男，河北邢臺，研究生，研究方向：立體車庫調度系統endprint