升降橫移式立體車庫車輛智能監(jiān)控調度系統(tǒng)設計

徐敏

（江蘇財經職業(yè)技術學院機械電子與信息工程學院，江蘇 淮安223003）

隨著我國汽車保有量的不斷增加，城市停車難的問題日益顯著。自動化立體車庫作為未來車庫的主流發(fā)展趨勢，具有占地面積小、存取容量大等優(yōu)點。但是，其也存在操控性能差，程序控制誤差較大等不足。文中以升降橫移式立體車庫的結構與功能需求為基礎，對車庫總體控制架構、車輛存取策略、載車板優(yōu)化調度算法進行了研究，為改善立體車庫的操控性、適應性與實用性提供了有效的解決方案。

1 總體方案設計

車庫底層與頂層載車板分別僅能夠作橫移、升降運動，中間層則皆可。常用的2～3 層升降橫移式立體車庫通過鏈條傳動方式牽引載車板沿車庫主體升降，通過橫移電機的正反轉運行驅動載車板沿導軌橫移。

系統(tǒng)以PLC 為控制核心，在正常運行狀態(tài)下，由上位計算機直接向PLC 發(fā)送控制指令，調動載車板移動至預定車位，同時進入監(jiān)控狀態(tài)；操作人員也可以在面板上輸入目標車位號，由PLC 執(zhí)行載車板移動程序，完成車輛存取操作。

在車輛存取過程中，以射頻IC 卡實現(xiàn)車輛身份信息識別、停車計時與費用收繳等功能。

2 控制系統(tǒng)設計

系統(tǒng)由配置有Profibus-DP 卡CP5611 的上位計算機和帶EM277 智能通信擴展模塊的西門子S7-200 PLC 為核心的兩級控制系統(tǒng)組成。現(xiàn)場控制級設備主要包括一個S7-200 型PLC與三個分布式I/O ET200 模塊，主從之間利用Profibus 協(xié)議建立一種一主多從通信網絡。其它現(xiàn)場檢測及驅動設備均與鄰近ET200 的Profibus 接口相連接。主站通過輪詢方式實現(xiàn)與從站的數(shù)據(jù)交換。

2.1 信號檢測系統(tǒng)

車庫單元進口處的光電開關，用來檢測車輛長度、高度，以防止超限造成車輛損壞；靠近進（出）口處的光電開關，用來判斷載車板是否到位，以及對出、入庫車輛進行加、減計數(shù)；載車板對角線、底層兩側上的光電開關，用于判斷空載、停車到位狀態(tài)。當出現(xiàn)人員誤入等意外，光線遮擋光電開關，發(fā)送一個電平突變信號至PLC，所有電機停止運行并報警。四只稱重傳感器實現(xiàn)汽車重量檢測。信息經PLC 處理計算后，由上位機進行后續(xù)分析處理。

2.2 傳送控制系統(tǒng)

傳送控制系統(tǒng)的目標對象為車庫驅動設備。上層載車板的升降與下層的橫移運動互鎖，且每次只執(zhí)行一個單元的升降運動。行程開關用于載車板在定位控制時的電機制動或者在故障時緊急斷電觸發(fā)防墜掛鉤：任一載車板觸碰上、下行程裝置或按下急停開關，則斷開所有電機電源；頂、底層載車板未在原位時，則中間層載車板無法運行；中間層未在原位時，則頂、底層載車板無法運行；防墜掛鉤閉合時，則無下行運動。

圖1 傳送控制系統(tǒng)控制原理圖

以3x4 型立體車庫的實際需求分析，控制系統(tǒng)輸入、輸出信號分別有54、36 個。S7-200-CPU226 本機帶24 輸入/16 輸出，選用輸入輸出模塊EM223CN 擴展（32 輸入/輸出）。

2.3 上位計算機監(jiān)測

上位機采用組態(tài)王軟件接收與處理PLC 上傳的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并驅動圖形化界面顯示各單元狀態(tài)信息。S7-200 型PLC 利用EM277 通信模塊建立Profibus-DP 通信網絡，組態(tài)王經OPC 通道連接OPC 服務器以實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

3 控制算法與最優(yōu)選擇

3.1 控制方法

單元停車位存在多種狀態(tài)組合，若將調度程序全部編制，會占用較大量的存儲空間。因此，在設計中利用S7-200 的功能指令SBR 編制運動程序模塊。將所有載車板行列信息及各層空位列信息均存儲于變量寄存器Var 中。假設3x4 型10 車位立體車庫在初始狀態(tài)下，底層與中間層空位均處于車庫最右側，分別用P4、P8表示其所在列，賦值P4=P8=4。P1～P3、P5～P7為從左至右第一、二層載車板所處列位置，依次賦值為P1=P5=1，P2=P6=2，P3=P7=3。同理，用P9～P11、P12～P15表示車庫中間層、頂層從左至右載車板升降狀態(tài)，以0 與1 定義原位與底層。頂層載車板、底層載車板勿需運動，所以不予編號與賦值。在執(zhí)行過程中，上述狀態(tài)變量值不斷刷新，并調度相關載車板運行以建立下行移動通道。

3.2 最優(yōu)選擇算法

載車板需根據(jù)一定的規(guī)則在最短時間范圍內移動到車庫底層。人工智能算法在搜索最優(yōu)解時具有較強的魯棒性，可進行最優(yōu)車位選擇。

假設3x4 型二維矩陣立體車庫10 個車位均與像素點相對應，以數(shù)組X[X1][X2]、Y[Y1][Y2]分別表示各車位單元、載車板所處位置，其中X1、Y1用于表征車庫層數(shù)，取值為1、2 或3；X2、Y2用于表征車庫列值，取值為1、2、3 或4。

在調度管理算法中，第一步搜索底層空載車板，如果已有車輛數(shù)目小于本層所允許停放車輛的最大值3，則能夠直接停放。否則采用基于領域的搜索策略擇優(yōu)獲取最佳車位：將車庫的當前狀態(tài)作為初始節(jié)點，預設其遍歷最深深度值為5（V1～V5）。V1、V2、V3表示遍歷底層空閑車位單元的4 鄰域、8 鄰域與其正上方頂層的空閑車位單元、中間層空閑車位單元的4 鄰域，V4、V5分別表示遍歷中間層、頂層余下的車位單元。節(jié)點代價公式：I（x）=J（x）+K（x），其中J（x）、K（x）與I（x）分別表征由初始節(jié)點到目標節(jié)點的橫移、升降與總代價。依序遍歷V1～V5以得到空閑單元，如若在某一深度下搜索到的該類單元超過一個時，進行總代價比較，最小即為最優(yōu)。

4 結論

基于Profibus 總線技術的一主多從立體車庫二級調度管理技術提出了簡單易行的基于鄰域的有界擇優(yōu)搜索策略，得到了趨近于最佳的車位選擇結果，對車庫的建設、改造與管理優(yōu)化具有較好的借鑒價值，具有較為廣闊的市場前景。