智慧停車庫技術改造選型與創新應用研究

張楠, 馬耀家, 陳駿, 張景州

(江蘇蘇星資產管理有限公司, 江蘇, 南京 210000)

0 引言

截至2021年6月,全國機動車數據量超過3.3億輛,機動車駕駛人達到1.12億人[1]。汽車產業迅速發展的同時帶來了新的問題,汽車數量與停車位數量之間的比例相差較大,在我國一線城市中小汽車與停車位的比例為1∶0.8,在中小城市的比例為1∶0.5[2],造成停車問題越來越嚴重。在城市道路交通中,隨意亂停車的問題造成道路擁堵,嚴重影響了道路交通狀況。

智能停車場的建設成為解決停車問題的一個途徑。文獻[3]采用了圖像識別技術采集出入口車輛圖像,完成車輛識別并在系統中實時顯示停車位資源的使用情況。文獻[4]設計出智能泊車綜合管理系統,使用智能泊車機器人和停車場監控實現自動泊車和自動計費的功能。當前研究在停車庫領域取得了一定的進展,但仍存在停車位信息反饋不及時導致停車位使用效率低、系統無法對停車位資源進行統一調度的問題,系統停車路徑規劃不合理,出現路徑過長和轉彎角度過大的情況。

1 智慧立體停車庫系統

1.1 停車庫空間結構

為了提高停車庫中空間資源的利用率,使每個停車位得到有效的利用,對停車庫進行改造設計,使用垂直提升機、水平行走機、搬運器、存車架等部件,設計出智慧立體停車庫。停車庫為3棟多層的結構設計,在停車庫入口處設置升降臺,并且每層停車位中間設置平移軌道,能夠通過機械載體框架提高停車庫的連續出入庫能力,組合式框架設計提高停車效率。使用水平行走機搭載搬運器實現橫向移動,在用戶存車的情況下,水平行走機搭載待存車輛向系統分配好的目標停車位移動,完成存車操作后返回初始位置[5]。智慧立體停車庫結構模型如圖1所示。

圖1 智慧立體停車庫結構模型

1.2 系統設計

停車庫系統具有自動存取車、停車位查詢、安全檢測等功能,用戶通過系統界面完成自動存車請求,系統接收到用戶請求后自動分配1個空閑停車位,由升降機完成車輛的入庫。系統內部集成了MySQL數據庫,可隨時查詢車輛的停車信息,更清楚地展示車輛的存取狀態[6]。安全檢測功能用來對待存車輛的重量和存入停車位之后的偏移程度進行檢測,當車輛超重或停放不到位時系統發出安全警報并定位到停車位的位置。智慧立體停車庫系統架構如圖2所示。

圖2 智慧立體停車庫系統架構

智慧立體停車庫系統中主要包含了操作單元、檢測單元、控制器、讀碼器等設備,控制器與變頻器之間使用Profinet I/O的通信協議[7]。用戶使用系統界面完成存車操作時,系統存儲車輛信息和停車位信息,并生成條形碼控制打印機打印條形碼。同時,根據系統分配的停車位信息,水平行走機行駛到相應的車列位,升降機上升到相應的層數,搬運器抬起行駛到目標停車位處,搬運器下降將車輛停放在停車位上并移回存車架[8]。進行取車操作時,使用了型號為DATAMAN260的固定式讀碼器讀取存車時生成的條形碼,系統讀取到車輛信息后水平行走機移動到相應的位置,搬運器抬起將車輛移動到搬運器上,升降機下降到地面位置,水平行走機移動到出入庫位置。

2 關鍵技術分析

2.1 停車庫環境溫度檢測

系統使用分布式感溫光纖、紅外熱釋電傳感器和溫度傳感器。感溫光纖通過采集整個光纖路徑的溫度場信息來實現整個光纖線路的溫度測量,經過系統對溫度數據處理后實現火災的探測,并聯動報警系統實現報警功能[9]。分布式感溫光纖檢測過程如圖3所示。

圖3 分布式感溫光纖檢測過程示意圖

由于光照強度的大小和感溫光纖自身的溫度存在高低,每段感溫光纖的溫度數據不同,由此可定位出發生火災的位置[10]。系統的溫度探測組件使用紅外熱釋電傳感器,包括多組透鏡和反光鏡。利用熱電效應原理,可以在不同區域完成目標探測,采集到的信號經過處理和轉換后進行判斷。紅外熱釋電傳感器如圖4所示。

圖4 紅外熱釋電傳感器

當外界溫度發生變化時,紅外熱釋電傳感器就會產生電壓或電流;當連接外圍電路時,可以測量出電流的大小;當溫度升高和降低時,電流的方向也是相反的[11],輻射強度與溫度的變化關系可表示為

(1)

式(1)中,Wr表示輻射強度,C1表示第一輻射常數,λ表示波長,c2表示第二輻射常數,T表示溫度。

智慧停車庫中使用的溫度傳感器測溫范圍為-40 ℃～60 ℃。其中,基準電路為溫度傳感器提供正溫度系數的輸入信號,其他模塊的電壓、電流基準不隨溫度的變化而改變[12]。傳感器使用低壓差線性穩壓器為電路提供穩定的供電電壓,滿足傳感器中其他模塊的工作需求,具有較好的電源抑制能力。帶隙基準電路產生零溫度系數的電壓基準。帶隙基準電路如圖5所示。

圖5 帶隙基準電路

其中,M6、M9、M10、M11、M12管組成電流鏡,將生成的基準電流復制給電路中其他支路。當處于其中一個工作點時,其他支路的電流都為0;當產生的基準電壓VBG時,M8管導通,放大器開始工作。當電路中使能信號為高電位時,PDn表示高電位、PDp表示低電位。

2.2 停車位資源調度策略

(2)

(3)

其中,di表示停車位距離,dN表示停車位最遠距離。考慮到停車時間對停車位資源調度的影響,當有車輛的停放時長較長時,且占有距離較近的停車位造成停車場的周轉率降低。停車位資源調度分配策略如圖6所示。

圖6 停車位資源調度分配策略

系統在收到用戶的停車請求時,向停車時間長的車輛分配距離適當的停車位,大部分車輛的停車時間為[Tmin,Tmax]范圍內。將停車時間劃分為N個等級,每個等級之間的時間間隔相同,系統在獲取停車位分配的優先級時,首先判斷待停車輛停放時間所處的等級,得到分配優先級可表示為

(4)

式(4)中,Tl表示停車時間等級,Tp表示停車時間,N表示停車時間等級數,Tmax表示停車時間最大值,Tmin表示停車時間最小值。

F(n)=G(n)+H(n)

(5)

其中,n表示當前節點,G(n)表示到起始節點的行駛距離,H(n)表示到目標節點的行駛距離。當起始節點和目標節點處于不同的通道時,截取通道Pss和交叉路口IS對應的路徑,再加上通道PGG到交叉路口IG和到目標節點對應的路徑,計算要經過的交叉路口并規劃最短路徑,將所有的片段串聯得到最終的行駛路徑。

3 應用測試

停車庫中的觸摸屏界面使用V15編程軟件,系統使用了MySQL數據庫,數據庫名稱為XUESSHATE。車位界面如圖7所示。

圖7 車位界面

為了驗證本文系統的性能,搭建實驗環境進行仿真測試,實驗環境中應用了數據庫服務器、交換機、路由器等設備,使用FANagv仿真軟件,停車庫中停車位設定為300個。實驗環境如圖8所示。實驗環境配置參數如表1所示。

表1 實驗環境配置參數

圖8 實驗環境

實驗過程中產生的車位狀態信息、任務信息和車輛信息如表2所示。

表2 實驗數據

通過實驗對系統的停車位資源調度策略進行測試,與文獻[3]系統和文獻[4]系統進行比較,對停車庫中300個停車位進行編號,每個停車任務的停車時間設定為0～360 min,將停車時長劃分為720個等級,每個停車時長等級的時間間隔為30 s。系統設定每個時段的任務密集度為每2分鐘生成1個停車任務,每個停車任務的停車時長在0～180 min范圍的概率為70%。實驗時間設定為3 h,得到3種系統的停車周轉率如圖9所示。

圖9 停車周轉率

在停車任務較為密集的情況下,3種系統的停車位資源調度表示的周轉率也不同。文獻[3]系統的周轉率為4.5%,文獻[4]系統為6.0%。當停車庫中車輛較多時,可用的停車位資源降低,導致系統的停車周轉率不高。停車周轉率越高,說明用戶停車效果好,智慧停車庫的AI程度高,該研究技術越有價值。

在進行停車路徑測試時,每個停車任務的停車時長保持不變,任務密集度設定為0～1,系統運行時間為20個時段,得到每個停車任務的平均行駛路徑長度如圖10所示。

圖10 平均行駛路徑長度

由圖10可知,當任務密集度較小時,每個停車任務的平均行駛路徑長度都在256 m以上,任務密集度上升到0.4時,文獻[3]系統的停車路徑長度達到257.2 m,文獻[4]系統的停車路徑長度為255.4 m,任務密集度到達最大時,文獻[3]系統的停車路徑長度為256.3 m,文獻[4]系統的停車路徑長度上升到259.2 m。文獻[3]系統受任務密集度影響不大,平均行駛路徑在一定范圍內波動,文獻[4]系統根據距離安排停車位,停車任務較多的情況下,距離較近的停車位被分配出去且長期被占用,導致行駛距離增加。平均停車路徑長度越長,說明該研究中的車庫數據運轉能力越高,停車運轉空間大。

4 總結

本文設計出智慧立體停車庫,采用多層多列的建筑結構,保證停車庫的停車安全性。系統采用多種溫度檢測裝置結合使用的方式滿足停車庫各個場景的溫度檢測需求,還提出一種停車位資源調度策略,同時考慮到用戶的初始位置和停車時間的需求,判斷車輛停車時間所處的等級,計算停車位的分配優先級,得到目標停車位后生成對應的最優行駛路徑。

在停車庫的實際應用場景中,可能存在其他環境因素影響用戶的停車效率,在系統規劃的行駛路徑中存在障礙,比如受到工作環境數據信息的影響,周圍電力磁波、溫度等各種環境信息影響,或者周圍施工噪聲的干擾等各種因素影響,在以后的研究中還需聯動系統的視頻監控功能,開發出更完善的系統功能。