一種基于快速堆棧的多層可轉(zhuǎn)位的智能車庫(kù)系統(tǒng)

匡姝靜 孫 磊 蔣冬梅 張 軍 段 譽(yù)

鹽城工學(xué)院 鹽城 224000

0 引言

隨著當(dāng)前信息化的和智能化的發(fā)展，為解決停車難的問腿，智能立體車庫(kù)得到應(yīng)用與普及，針對(duì)現(xiàn)有的立體車庫(kù)車位隨機(jī)分配，車輛檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、車輛存取控制過程時(shí)間長(zhǎng)、等待空位時(shí)間長(zhǎng)等問題，設(shè)計(jì)了一種基于快速堆棧的多層可轉(zhuǎn)位的智能立體車庫(kù)系統(tǒng)?；诳焖俣褩Ｋ惴ǎO(shè)計(jì)主要從車輛檢測(cè)和車輛分配著手，存取入口分開，減少了動(dòng)力單元往返兩頭滾動(dòng)所帶來(lái)的不必要的浪費(fèi)，利用一個(gè)緩沖車位，有效地將動(dòng)力單元在執(zhí)行的任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先處理，利用先進(jìn)先出的原則，優(yōu)先檢測(cè)靠近出口的位置的空車位，優(yōu)先進(jìn)入的車優(yōu)先出，后進(jìn)的車位后出，在很大程度上減少了能源的浪費(fèi)。其次，采用紅外和超聲設(shè)備對(duì)車位信息的進(jìn)行檢測(cè)，采用直視化的方法為用戶增加安全感。最后，系統(tǒng)通過在出口地方設(shè)置旋轉(zhuǎn)區(qū)，避免倒車存在的隱患的發(fā)生。

我國(guó)汽車的保有量的持續(xù)增加導(dǎo)致部分區(qū)域停車位一位難求、停車慢等問題[1-3]。隨著自動(dòng)化和智能化的發(fā)展，立體車庫(kù)變得多樣化，如俯仰雙層式、橋式無(wú)避讓式等[4，6]，但其結(jié)構(gòu)均存在一定的缺點(diǎn)，停取車時(shí)間長(zhǎng)，占地面積大，成本較高，智能化水平較低，依舊采用半人工的方式，無(wú)法滿足智能化的需求[7,8]。

堆棧算法是一個(gè)動(dòng)態(tài)的存儲(chǔ)過程，根據(jù)一般停車規(guī)律，商場(chǎng)、醫(yī)院、景區(qū)等停車場(chǎng)，先進(jìn)入的人通常會(huì)先離開，因此依據(jù)先入先出的原則設(shè)計(jì)的存取過程，可以有效地提高存取車效率。通過紅外設(shè)備和壓力傳感器等設(shè)備[9-13]可以有效地探測(cè)車位信息，將設(shè)備發(fā)送給上位機(jī)，同時(shí)客戶可通過云端查看車輛的狀態(tài)。系統(tǒng)的硬件選取有效融入堆棧算法的實(shí)現(xiàn)[14-16]。上位機(jī)通過堆棧算法，將獲取到的車位信息進(jìn)行優(yōu)先級(jí)的判定，每次獲取一個(gè)新的車輛輸入，將優(yōu)先級(jí)最高的車位信息發(fā)送給控制單元。根據(jù)倒車出庫(kù)存在死角，設(shè)置旋轉(zhuǎn)區(qū)將車頭對(duì)準(zhǔn)出口的設(shè)計(jì)，提高安全系數(shù)。最后基于機(jī)器學(xué)習(xí)的過程，實(shí)現(xiàn)較好的路徑規(guī)劃[17-20]，提高車庫(kù)的存車效率，更加快捷高效的解決停車難的問題。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

多層可轉(zhuǎn)位的智能立體停車庫(kù)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，集升降、平移、旋轉(zhuǎn)于一體，基于核心控制器模塊、車輛識(shí)別模塊、收費(fèi)系統(tǒng)、車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)采集模塊、PLC控制模塊，共同構(gòu)成了智能立體車庫(kù)控制系統(tǒng)，如圖1所示。在數(shù)據(jù)處理時(shí)基于堆棧算法進(jìn)行，通過IDT-DSER的PLC通訊智能網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)，上位機(jī)將接收到數(shù)據(jù)按照堆棧算法在數(shù)據(jù)庫(kù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，按照優(yōu)先級(jí)排序，優(yōu)先級(jí)高則排在前面，每次觸發(fā)響應(yīng)的時(shí)將優(yōu)先級(jí)最高的數(shù)據(jù)位的信息發(fā)送給控制單元，PLC接收到控制信息后進(jìn)行控制。

圖1 智能立體車庫(kù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

用戶可通過移動(dòng)終端進(jìn)行查看附近智能立體車庫(kù)的使用情況，用一鍵停車即可快速便捷的停車。系統(tǒng)首先通過車牌識(shí)別模塊將車輛入場(chǎng)時(shí)間、車牌號(hào)等信息發(fā)送給控制單元，控制單元與上位機(jī)建立通信連接，將信息準(zhǔn)確地傳到上位機(jī)，根據(jù)車庫(kù)運(yùn)行數(shù)據(jù)采信息，自動(dòng)配置車位信息發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)中的拖車盤可依據(jù)取車方向自動(dòng)調(diào)整車頭，通過PLC控制及相關(guān)傳感器和紅外設(shè)備可自動(dòng)旋轉(zhuǎn)至正確方向。取車則可通過一鍵取車自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，將車牌信息發(fā)送云端進(jìn)行費(fèi)用處理，可在移動(dòng)終端一鍵繳費(fèi)。

2 快速堆棧算法

2.1 堆棧算法引入

傳統(tǒng)的立體車庫(kù)由于存取的車輛較多，車輛離進(jìn)出入口的距離較遠(yuǎn)，導(dǎo)致存取車的時(shí)間較長(zhǎng)。其次載車板及控制單元在交替存取的過程會(huì)導(dǎo)致路徑重復(fù)，一輛車要走2個(gè)路程，需要消耗更多的能源，為了更好地實(shí)現(xiàn)立體車庫(kù)的功能，有效縮短存取車的時(shí)間，研究一種有效的調(diào)度算法，快速堆棧算法。

2.2 快速堆棧定義

堆棧算法是一種先進(jìn)先出的順序表，在數(shù)據(jù)庫(kù)中將數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)按照優(yōu)先級(jí)的高低進(jìn)行排序，優(yōu)先級(jí)越高的數(shù)據(jù)最先被執(zhí)行，堆棧算法有PUSH和POP和存儲(chǔ)3種操作，在程序同時(shí)進(jìn)行時(shí)采用寄存器緩沖，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 堆棧架構(gòu)圖

快速堆棧方法的最大關(guān)鍵在于中斷時(shí)間、任務(wù)切換和任務(wù)響應(yīng)時(shí)間的實(shí)時(shí)性。緩沖位置可以有效地在存入和取出的過程節(jié)省很多時(shí)間，而不需要在存入數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)再等下一個(gè)數(shù)據(jù)地址計(jì)算過程。

2.3 堆棧算法應(yīng)用

利用堆棧的算法優(yōu)化了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的不足之處。在整個(gè)算法的工作過程中，首先是將通過紅外設(shè)備采集到的停車位圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，再根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)得到的擬合模型對(duì)車位進(jìn)行預(yù)測(cè)。將距離出口處的車位信息進(jìn)行計(jì)算，得到具體的車位發(fā)送給控制單元。基本流程圖如圖3所示。

圖3 基本流程圖

堆棧算法的目標(biāo)之一是查找耗時(shí)短且能耗最低的停車位，基本思想為按照先入先出的原則，能耗低耗時(shí)短，距離出口近的停車位優(yōu)先級(jí)高，通過數(shù)據(jù)層來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)排列。在堆棧算法查找過程中，將每一個(gè)停車位都看成是一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中將得到的空閑車位按優(yōu)先級(jí)排序。

2.3.1 停車位優(yōu)先級(jí)分配原則

停車位優(yōu)先級(jí)的管理方法主要考慮用時(shí)少與能源消耗低2點(diǎn)。按設(shè)定方法確定優(yōu)先級(jí)。與出入口同層的情況，靠近出口的優(yōu)先級(jí)高于進(jìn)口的優(yōu)先級(jí)。多層立體車庫(kù)，以入口建立模型，該車庫(kù)每層有m列車位，每列有n個(gè)車位，共有s層，由下到上，由出口側(cè)到入口側(cè)的原則給出每個(gè)車位的優(yōu)先級(jí)別，即第m-1層優(yōu)先級(jí)大于m層，第n+1個(gè)優(yōu)先級(jí)大于第n個(gè)，第s-1層優(yōu)先級(jí)大于s層。從時(shí)間和空間兩個(gè)角度確定了車位的優(yōu)先級(jí)，確保了存取車用時(shí)少且費(fèi)用低。原理如圖4所示。

圖4 優(yōu)先級(jí)原理

2.3.2 堆棧算法

基于堆棧算法的存取車過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，將車位視為一個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，每次從隊(duì)頭開始檢測(cè)，其次讀取數(shù)據(jù)看車位是否空閑，若車位有車，則不分配該車位，繼續(xù)尋找車位中的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。若車位空閑，進(jìn)行存取車操作。堆棧算法在智能車庫(kù)的應(yīng)用中支持2種操作，即車輛入庫(kù)和車輛出庫(kù)，車輛入庫(kù)會(huì)向隊(duì)列追加一個(gè)新的元素，而車輛出庫(kù)會(huì)刪除一個(gè)元素。車輛出庫(kù)后如果距離出口近的優(yōu)先級(jí)高的車位，下一次來(lái)車時(shí)依舊是優(yōu)先檢索。所以需要一個(gè)索引來(lái)指出智能車庫(kù)檢索起點(diǎn)，方便快捷高效地檢索到車位，有效地節(jié)省時(shí)間。

2.4 堆棧實(shí)驗(yàn)

智能立體車庫(kù)采用走廊結(jié)構(gòu)，包含兩排停車位，4層立體，中間為橫移和旋轉(zhuǎn)通道。立體車庫(kù)的平面圖如圖5所示。

圖5 立體車庫(kù)平面圖

傳統(tǒng)的車庫(kù)采用隨機(jī)停放，不僅會(huì)影響車輛存取的頻率，而且會(huì)影響存取車過程的能源消耗及車庫(kù)設(shè)備的使用壽命。搜索全局最優(yōu)解，一般采用SAGA、GA、PSO等，本文提出的快速堆棧法可有效提高立體車庫(kù)的效率。

2.4.1 模型構(gòu)建

設(shè)智能立體車庫(kù)有m排，每一層有n個(gè)車位，共有s層，車庫(kù)車位坐標(biāo)（Xn，Yn，Zn），Xn=1,2,3…m，Yn=1,2,3…n，Zn=1,2,3…s?；谥悄芰Ⅲw車庫(kù)模型，建立存取車輛路徑的數(shù)學(xué)模型，參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 參數(shù)設(shè)定

智能立體車庫(kù)在存取車過程中，最主要的是在保證安全的情況下盡量提高存車的效率。將待存取車輛在X方向移動(dòng)路徑的時(shí)間記為tX，在Y方向移動(dòng)路徑的時(shí)間記為tY，在Z方向移動(dòng)路徑的時(shí)間記為tZ，在運(yùn)行過程中，橫移車在X方向的運(yùn)行時(shí)間為

升降機(jī)在Z方向上的運(yùn)行時(shí)間為

梳齒搬運(yùn)器在Y方向的運(yùn)行時(shí)間為

車庫(kù)當(dāng)初存取車輛最短移動(dòng)距離為

采用快速堆棧方法建立目標(biāo)函數(shù)

2.4.2 計(jì)算分析

智能車庫(kù)中的車輛存取可視為三維合成運(yùn)動(dòng)：動(dòng)力單元在X、Y方向的水平運(yùn)動(dòng)，升降裝置在Z方向的升降運(yùn)動(dòng)。存取車輛時(shí)間為

當(dāng)升降裝置初始狀態(tài)位于出入口層，則存取時(shí)間為

考察立體車庫(kù)存取車的效率重要指標(biāo)，即平均時(shí)間，記為。假設(shè)一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)存取n次車，則

2.4.3 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

堆棧算法，結(jié)合全局搜索載車板的位置和出口處的存車情況進(jìn)行快速識(shí)別車位，結(jié)合重心最低原則，其主要原理是出入口分別在兩側(cè)，存車的時(shí)候盡可能把車存放在靠近出口的地方，因?yàn)榇嫒≤囌Ｊ窍韧５南茸撸越Y(jié)合先入先出的原則，在很大程度上節(jié)省了存取車時(shí)間以及存車能源消耗。

車輛的存取的時(shí)候，車庫(kù)的空閑率為

當(dāng)k≥n時(shí)，平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)記為L(zhǎng)1

車輛排隊(duì)等候的時(shí)間為

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，一個(gè)4層10列1行的智能立體車庫(kù)，該車庫(kù)配置1個(gè)入口、1個(gè)出口、1臺(tái)升降裝置和2個(gè)空單元，規(guī)模為36個(gè)車位。該車庫(kù)停車位寬度l=2.40、長(zhǎng)度d=5.40、高度hi=2.50；橫移車移動(dòng)速度vX=35 m/min，梳齒搬運(yùn)器速度vY=70 m/min，升降裝置縱向速度vZ=30 m/min。存取車平均時(shí)間是評(píng)價(jià)智能立體車庫(kù)的性能指標(biāo)的一個(gè)重要的因素，對(duì)比傳統(tǒng)停車庫(kù)和基于快速堆棧算法的停車數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 傳統(tǒng)算法與堆棧算法對(duì)比

通過計(jì)算可知：傳統(tǒng)停車與基于快速堆棧算法相比，連續(xù)存車、交叉存取、連續(xù)取車平均時(shí)間分別減少40.58%、39.25%、36.86%，有效縮短存取車的時(shí)間，提高智能立體車庫(kù)的存取車效率。

3 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)智能車庫(kù)的研究多以存取車機(jī)械結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，車位采用隨機(jī)分配原則，本文更加注重效率及能源消耗的結(jié)合，創(chuàng)新點(diǎn)在于提出快速堆棧的方法。本文所研究的智能立體車庫(kù)主要考慮車庫(kù)的分配，使用快速堆棧的算法，根據(jù)立體車庫(kù)的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了快速堆棧算法的可行性?；诳焖俣褩５目赊D(zhuǎn)位智能立體能夠有效提高存取車的效率，很大程度上降低能源消耗，大大地縮短顧客的等待時(shí)間。