深井式停車庫存取車控制系統研究

摘? 要：文章介紹了深井式立體停車庫的主要結構和運行模式，設計一種基于上下位機的深井式停車庫存取車控制系統。該系統具有智能調度、可視化操作、全過程安全監測及故障預警等特點。同時，介紹了存取車控制系統的硬件組態，并基于車庫總體存取車需求和客戶個體存取車需求的差異，提出存取車運維調度策略和故障監測及預警方案，優化了現有深井式停車庫的運維方案。

關鍵詞：深井式；立體車庫；控制系統；智慧運維

中圖分類號：TP39；U491.7? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：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

隨著我國經濟快速發展，我國汽車保有量不斷增加，截至2022年9月，全國汽車保有量達3.15億輛，汽車給人們帶來方便快捷的出行方式的同時，也帶來了較大的停車困擾。隨著城市化的快速推進，城市交通擁堵問題的日漸嚴重，同時由汽車停車問題引起的城市靜態交通問題變得日益嚴重。特別是城市中心城區，其土地開發程度較高、地段價格相對更加昂貴，地面的停車空間開發和利用逐漸趨向飽和，規劃日益嚴苛，開發成本快速上升，無法繼續常規開發大規模建設停車場。

因此，為解決城市停車難問題，多地提出了深井式立體停車庫解決方案，最大限度提高了城市小規模地塊土地的使用效率[1]。同時，隨著近年來國家不斷出臺相關政策鼓勵立體停車庫的投資和建設，立體停車庫呈現良好的發展態勢。但從目前實際的使用過程中來看，深井式立體停車庫普遍存在存取車時間較長、耗能過高、智能化程度不高、難以維修保養等問題。因此，為了實現深井式立體停車庫自動化運行以及科學高效運維調度，本文提出一種基于上下位機的深井式立體停車庫存取車控制系統，提出了一種深井式立體停車庫的總體設計方案、存取車控制系統的硬件軟件組態及設計、基于車庫總體存取車需求和客戶個體存取車需求的差異，提出存取車運維調度策略，以及提出車庫故障監測及預警設計方案，為進一步優化深井式停車庫運維提供基礎。

1? 深井式立體車庫介紹及總體設計

深井式停車庫利用城市邊角地建造車庫，車庫將汽車分層停到地下幾十米深處，最大限度地提高土地使用面積，為城市“停車難”提供了一種全新的技術解決方案[2]。相比于其他類型停車庫，深井式立體停車庫降低了停車開發成本，減少了對綠地的損壞，減少了對人類生存環境的破壞。有停車密度高、性價比高、有效利用城市邊角地及地下深層空間、集約用地、節約用地等特點[3]。

如圖1所示，深井式停車庫主要由圓形車庫結構、旋轉升降裝置、車輛搬運器、地面存取車庫房基礎設施等組成，其內部車位呈放射狀布置，如圖2所示，每層的存車數量取決于圓井的直徑。

其中，地面存取車庫房設施包括引導路段系統、智能卡口系統、存取車緩存車庫、檢修爬梯、刷卡機、車輛尺寸監測裝置、生命監測裝置等服務設施。深井式立體車庫采用搬運器在同一平面內存取車輛，采用旋轉升降設備上下運輸車輛，存車架由圓形提升裝置向外呈放射狀排布，其結構如圖2所示。當停車庫工作時，客戶首先根據車庫外的引導系統，將車輛開往指定存車入口，并將車輛駛入地面指定緩存車庫。待司機完成停車并刷卡離開后，緩存車庫門關閉，庫內的車輛尺寸監測裝置開始掃描車身尺寸，車身尺寸掃描完成后，根據車輛尺寸合理安排存車位置。同時，紅外探測裝置開始檢測車內是否存在乘客，并確保無乘客。檢測完畢后，緩存車庫與主體圓井車庫之間的間隔門打開，由車輛搬運器將車輛由緩存車庫搬運至主體車庫的旋轉升降裝置。此后緩存車庫與主體圓井車庫之間的隔門關閉，隨后升降裝置經過下降、旋轉到達指定存車位置，再由搬運器將車輛存放至指定車架，最后升降設備回歸地面，等待下一輛待停車輛，取車過程類似[4]。

2? 深井式停車庫存取車控制系統軟硬件設計

本深井式立體車庫控制系統主要硬件設備及其組態，如圖3所示，控制系統主要由工控機、預約系統、PLC、HMI、IO模塊、現場總線模塊、驅動電機、各類視頻攝像頭和相關信號傳感器等組成。

其中，升降機用于承載車輛，并在庫內的上下升降移動，搬運器用于車輛的存取動作，以上設備均由伺服電機驅動；刷卡機用于讀取地面人員所需存取車地址，并將地址發送給控制系統；車庫內部軌道、滑觸線、軸承、車架、液壓缸、齒輪等核心部件布局限位、振動、噪聲、溫度、水位等相關傳感器，用于保障機械設備運行的限界安全，并提供相關核心部件實時狀態監測信息，用于指導深井式立體停車庫核心設備的預防性維修及保養；HMI作為PLC控制器的人機交互界面載體，其控制優先級高于上位機工控機，主要在設備調試、檢修、測試時的人機交互操作，其主要由專業的維修保養人員進行操作；PLC作為主控單元，通過現場總線模塊與刷卡機、升降機電機、搬運器電機等設備通信，接收刷卡機發送的存取車地址信息以及升降設備、搬運器的編碼器信息，也可向電機等執行機構發送控制指令。通過IO模塊與限位、振動、噪聲、溫度、水位、紅外等相關傳感器通信，收集車庫核心部件的狀態安全數據，并通過現場總線模塊，以報文的形式發送至工控機，供工控機進行計算或人機交互使用。工控機作為PLC上位機，與預約存取車系統通信，獲得存取車預約信息，并結合目前車庫運行狀態，計算調度策略，指導下位機發送指令。并利用庫內傳感器數據，監測計算設備狀態，通過人機交互界面展示。

綜上所述，如圖4所示，上位工控機基于其計算能力及交互性優勢，負責深井式立體停車庫整體運行策略和故障監測預警的計算以及對外人機交互；下位PLC基于其邏輯控制能力及數據傳輸優勢，負責機械設備的動作邏輯控制以及數據的報文化上傳；傳感器負責深井式立體停車庫主要核心部件的限界監測和狀態監測，執行機構負責動作的執行。

3? 深井式停車庫調度策略設計

除硬件設備外，調度策略是影響深井式立體停車庫效率的重要因素之一，調度策略包括車庫的運營策略和存車模式，面向深井式立體停車庫總體的存取車需求，提出深井式立體停車庫運營策略，面向客戶個體存取車需求，提出深井式立體停車庫存車模式，分別如圖5所示。

在運營策略方面，由于深井式車庫主要分布于城市醫院、公園、辦公大樓等邊角地區，其存、取車服務需求隨時間、節日具有波動性。因此，系統將車庫服務狀態分為存車高峰、取車高峰和平峰三個時期。當車庫處于存車高峰期時，存車頻率較高，車庫采取存車優先策略，即每當完成存取車動作后，若后續無任務，升降機立即回到地面層，等待下一輛待存車輛，節省存車時間；當車庫處于取車高峰期時，取車頻率較高，車庫采取取車優先策略，即每當完成取車動作后，若后續無任務，升降機立即回到車庫中間層，等待下次取車動作，節省取車時間。當車庫處于平峰期時，此時存取車需求隨機性較強，升降設備采用原地待命策略，即完成存車任務后，升降設備于車庫內原地待命，或完成取車任務后，升降設備于地面層原地待命，等待下次存車或取車任務，并結合預約系統的預約情況，合理提前調整升降機位置。

在存車模式方面，由于不同客戶停車需求存在差異，因此將存車模式分為短暫臨時停車模式、規律停車模式和長時停車模式[5]，存車前，客戶根據需求選擇停車模式，車庫根據不同的客戶停車需求采用對應的存車模式，節省綜合存取車時間。對于短暫臨時停車客戶，一般存車時長為2～3小時，存車時間較短，因此將車存放至車庫上層，縮短取車等待時間。并根據客戶實際取車時間情況，為用戶ID附加信用系數，作為該用戶下次使用短暫臨時停車模式時，車庫控制系統的決策依據。對于上班族等規律停車客戶，存車時間范圍分布較廣，為3～12小時，但其存車時間具有一定的規律性。因此基于其日常存取車時長的規律性，根據日常存車時長短，將車存放至車庫上中下部對應車位。對于長時停車客戶，一般存車時長為12小時以上，存車時間較長，因此將其車輛存放至車庫下部，降低其他短時存放車輛的存取車時長。

4? 深井式停車庫故障檢測預警功能設計

當前深井式立體停車庫維修主要依靠維修人員被動維修，即當車庫內機械設備發生故障后，影響了車庫正常運行，此時由維修人員通過檢修爬梯前往故障地點進行故障后維修或核心部件的更換，在此維修過程中車庫無法正常運行，降低了深井式立體停車庫的使用效率，并且存在一定的安全隱患。因此，為了解決深井式立體車庫的科學維修保養問題，設計了深井式停車庫故障檢測及預警功能模塊，系統通過對車庫核心設備及部件的實時監測，利用物聯網技術和深度學習算法研究故障預警趨勢，實現立體車庫相關設備的故障預測及健康管理，改傳統的“定期維修”“故障修”為“預防修”，可有效減少事故發生、減少深井式立體車庫全壽命周期的維修費用。

深井式立體停車庫故障監測及預警方案示意圖如圖6所示，本系統分為采集層、特征層和決策層。其中，數據采集層通過噪聲、振動、溫度、環境監測等物聯網傳感器對深井式立體車庫電機、液壓缸、齒輪、拉鉤、軸承等主要核心部件的各種運行狀態參數進行實時監測，將采集到的數據傳送到后臺服務器進行存儲，并對數據進行格式結構處理和歸類學習，實現對車庫相關設備設施多源融合信息的采集，為數據分析提供數據基礎。特征層采用機器學習算法，對采集層傳來的數據進行特征提取和智能分析，綜合總結各類故障的數據特征或走勢，形成深井式立體停車庫的故障知識庫，作為深井式立體車庫核心部件的故障診斷依據。決策層針對特征層分析得到的數據進行維修保養決策，基于相關核心部件當前的故障嚴重程度，根據深井式立體車庫整體健康度，決策是立即停機應急搶修、更換部件或閑時進行預防性維修保養。從而提高深井式立體停車庫維修的科學性和有效性。

5? 結? 論

本文提出了一種深井式立體停車庫存取車控制系統方案，分別從作業流程、硬件組態、運營策略、存車模式、故障預警等方面進行了分析和設計。構建了一種基于上下位機的深井式立體車庫存取車系統，確定了硬件組態與通信方案。同時，根據車庫的總體存取車需求與客戶個人存取車需求，將車庫的調度策略分為車庫運營策略和客戶存取車模式，針對存取車高峰波動情況、客戶存車需求類型等方面分別進行研究討論，提出在車庫總體存取車需求和客戶個體存取車需求差異條件下的運營調度策略，確定自適應應對方案，提高存取車效率。最后設計深井式立體停車庫故障監測及預警方案，實現立體車庫相關設備的故障預測及健康管理，改傳統“定期維修”“故障修”為“預防修”，可有效減少事故發生、減少深井式立體車庫全壽命周期的維修費用。

參考文獻：

[1] 彭家瑤，宋春華.關于立體車庫的研究綜述 [J].科技展望，2016，26（35）：87-88.

[2] 劉建波，潘欣宇，張禮華.環井式立體停車庫的智能調度控制研究 [J].內燃機與配件，2018（22）：176-180.

[3] 李清杰.基于TRIZ的環形立體車庫控制系統的設計與研究 [D].濟南：山東建筑大學，2012.

[4] 蔣雨洋.環井式立體停車庫控制系統設計及關鍵技術研究 [D].鎮江：江蘇科技大學，2021.

[5] 劉亞萍.非獨立型立體停車庫的存取策略優化及車輛調度研究 [D].武漢：武漢理工大學，2018.

作者簡介：王劍濤（1996—），男，漢族，湖北武漢人，助理工程師，碩士，研究方向：智能裝備與控制。