深井式停車(chē)庫(kù)存取車(chē)控制系統(tǒng)研究

摘? 要：文章介紹了深井式立體停車(chē)庫(kù)的主要結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式，設(shè)計(jì)一種基于上下位機(jī)的深井式停車(chē)庫(kù)存取車(chē)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有智能調(diào)度、可視化操作、全過(guò)程安全監(jiān)測(cè)及故障預(yù)警等特點(diǎn)。同時(shí)，介紹了存取車(chē)控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)，并基于車(chē)庫(kù)總體存取車(chē)需求和客戶個(gè)體存取車(chē)需求的差異，提出存取車(chē)運(yùn)維調(diào)度策略和故障監(jiān)測(cè)及預(yù)警方案，優(yōu)化了現(xiàn)有深井式停車(chē)庫(kù)的運(yùn)維方案。

關(guān)鍵詞：深井式；立體車(chē)庫(kù)；控制系統(tǒng)；智慧運(yùn)維

中圖分類號(hào)：TP39；U491.7? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：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(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國(guó)汽車(chē)保有量不斷增加，截至2022年9月，全國(guó)汽車(chē)保有量達(dá)3.15億輛，汽車(chē)給人們帶來(lái)方便快捷的出行方式的同時(shí)，也帶來(lái)了較大的停車(chē)?yán)_。隨著城市化的快速推進(jìn)，城市交通擁堵問(wèn)題的日漸嚴(yán)重，同時(shí)由汽車(chē)停車(chē)問(wèn)題引起的城市靜態(tài)交通問(wèn)題變得日益嚴(yán)重。特別是城市中心城區(qū)，其土地開(kāi)發(fā)程度較高、地段價(jià)格相對(duì)更加昂貴，地面的停車(chē)空間開(kāi)發(fā)和利用逐漸趨向飽和，規(guī)劃日益嚴(yán)苛，開(kāi)發(fā)成本快速上升，無(wú)法繼續(xù)常規(guī)開(kāi)發(fā)大規(guī)模建設(shè)停車(chē)場(chǎng)。

因此，為解決城市停車(chē)難問(wèn)題，多地提出了深井式立體停車(chē)庫(kù)解決方案，最大限度提高了城市小規(guī)模地塊土地的使用效率[1]。同時(shí)，隨著近年來(lái)國(guó)家不斷出臺(tái)相關(guān)政策鼓勵(lì)立體停車(chē)庫(kù)的投資和建設(shè)，立體停車(chē)庫(kù)呈現(xiàn)良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。但從目前實(shí)際的使用過(guò)程中來(lái)看，深井式立體停車(chē)庫(kù)普遍存在存取車(chē)時(shí)間較長(zhǎng)、耗能過(guò)高、智能化程度不高、難以維修保養(yǎng)等問(wèn)題。因此，為了實(shí)現(xiàn)深井式立體停車(chē)庫(kù)自動(dòng)化運(yùn)行以及科學(xué)高效運(yùn)維調(diào)度，本文提出一種基于上下位機(jī)的深井式立體停車(chē)庫(kù)存取車(chē)控制系統(tǒng)，提出了一種深井式立體停車(chē)庫(kù)的總體設(shè)計(jì)方案、存取車(chē)控制系統(tǒng)的硬件軟件組態(tài)及設(shè)計(jì)、基于車(chē)庫(kù)總體存取車(chē)需求和客戶個(gè)體存取車(chē)需求的差異，提出存取車(chē)運(yùn)維調(diào)度策略，以及提出車(chē)庫(kù)故障監(jiān)測(cè)及預(yù)警設(shè)計(jì)方案，為進(jìn)一步優(yōu)化深井式停車(chē)庫(kù)運(yùn)維提供基礎(chǔ)。

1? 深井式立體車(chē)庫(kù)介紹及總體設(shè)計(jì)

深井式停車(chē)庫(kù)利用城市邊角地建造車(chē)庫(kù)，車(chē)庫(kù)將汽車(chē)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(chē)難”提供了一種全新的技術(shù)解決方案[2]。相比于其他類型停車(chē)庫(kù)，深井式立體停車(chē)庫(kù)降低了停車(chē)開(kāi)發(fā)成本，減少了對(duì)綠地的損壞，減少了對(duì)人類生存環(huán)境的破壞。有停車(chē)密度高、性價(jià)比高、有效利用城市邊角地及地下深層空間、集約用地、節(jié)約用地等特點(diǎn)[3]。

如圖1所示，深井式停車(chē)庫(kù)主要由圓形車(chē)庫(kù)結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)升降裝置、車(chē)輛搬運(yùn)器、地面存取車(chē)庫(kù)房基礎(chǔ)設(shè)施等組成，其內(nèi)部車(chē)位呈放射狀布置，如圖2所示，每層的存車(chē)數(shù)量取決于圓井的直徑。

其中，地面存取車(chē)庫(kù)房設(shè)施包括引導(dǎo)路段系統(tǒng)、智能卡口系統(tǒng)、存取車(chē)緩存車(chē)庫(kù)、檢修爬梯、刷卡機(jī)、車(chē)輛尺寸監(jiān)測(cè)裝置、生命監(jiān)測(cè)裝置等服務(wù)設(shè)施。深井式立體車(chē)庫(kù)采用搬運(yùn)器在同一平面內(nèi)存取車(chē)輛，采用旋轉(zhuǎn)升降設(shè)備上下運(yùn)輸車(chē)輛，存車(chē)架由圓形提升裝置向外呈放射狀排布，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)停車(chē)庫(kù)工作時(shí)，客戶首先根據(jù)車(chē)庫(kù)外的引導(dǎo)系統(tǒng)，將車(chē)輛開(kāi)往指定存車(chē)入口，并將車(chē)輛駛?cè)氲孛嬷付ň彺孳?chē)庫(kù)。待司機(jī)完成停車(chē)并刷卡離開(kāi)后，緩存車(chē)庫(kù)門(mén)關(guān)閉，庫(kù)內(nèi)的車(chē)輛尺寸監(jiān)測(cè)裝置開(kāi)始掃描車(chē)身尺寸，車(chē)身尺寸掃描完成后，根據(jù)車(chē)輛尺寸合理安排存車(chē)位置。同時(shí)，紅外探測(cè)裝置開(kāi)始檢測(cè)車(chē)內(nèi)是否存在乘客，并確保無(wú)乘客。檢測(cè)完畢后，緩存車(chē)庫(kù)與主體圓井車(chē)庫(kù)之間的間隔門(mén)打開(kāi)，由車(chē)輛搬運(yùn)器將車(chē)輛由緩存車(chē)庫(kù)搬運(yùn)至主體車(chē)庫(kù)的旋轉(zhuǎn)升降裝置。此后緩存車(chē)庫(kù)與主體圓井車(chē)庫(kù)之間的隔門(mén)關(guān)閉，隨后升降裝置經(jīng)過(guò)下降、旋轉(zhuǎn)到達(dá)指定存車(chē)位置，再由搬運(yùn)器將車(chē)輛存放至指定車(chē)架，最后升降設(shè)備回歸地面，等待下一輛待停車(chē)輛，取車(chē)過(guò)程類似[4]。

2? 深井式停車(chē)庫(kù)存取車(chē)控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

本深井式立體車(chē)庫(kù)控制系統(tǒng)主要硬件設(shè)備及其組態(tài)，如圖3所示，控制系統(tǒng)主要由工控機(jī)、預(yù)約系統(tǒng)、PLC、HMI、IO模塊、現(xiàn)場(chǎng)總線模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、各類視頻攝像頭和相關(guān)信號(hào)傳感器等組成。

其中，升降機(jī)用于承載車(chē)輛，并在庫(kù)內(nèi)的上下升降移動(dòng)，搬運(yùn)器用于車(chē)輛的存取動(dòng)作，以上設(shè)備均由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)；刷卡機(jī)用于讀取地面人員所需存取車(chē)地址，并將地址發(fā)送給控制系統(tǒng)；車(chē)庫(kù)內(nèi)部軌道、滑觸線、軸承、車(chē)架、液壓缸、齒輪等核心部件布局限位、振動(dòng)、噪聲、溫度、水位等相關(guān)傳感器，用于保障機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的限界安全，并提供相關(guān)核心部件實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息，用于指導(dǎo)深井式立體停車(chē)庫(kù)核心設(shè)備的預(yù)防性維修及保養(yǎng)；HMI作為PLC控制器的人機(jī)交互界面載體，其控制優(yōu)先級(jí)高于上位機(jī)工控機(jī)，主要在設(shè)備調(diào)試、檢修、測(cè)試時(shí)的人機(jī)交互操作，其主要由專業(yè)的維修保養(yǎng)人員進(jìn)行操作；PLC作為主控單元，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線模塊與刷卡機(jī)、升降機(jī)電機(jī)、搬運(yùn)器電機(jī)等設(shè)備通信，接收刷卡機(jī)發(fā)送的存取車(chē)地址信息以及升降設(shè)備、搬運(yùn)器的編碼器信息，也可向電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送控制指令。通過(guò)IO模塊與限位、振動(dòng)、噪聲、溫度、水位、紅外等相關(guān)傳感器通信，收集車(chē)庫(kù)核心部件的狀態(tài)安全數(shù)據(jù)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線模塊，以報(bào)文的形式發(fā)送至工控機(jī)，供工控機(jī)進(jìn)行計(jì)算或人機(jī)交互使用。工控機(jī)作為PLC上位機(jī)，與預(yù)約存取車(chē)系統(tǒng)通信，獲得存取車(chē)預(yù)約信息，并結(jié)合目前車(chē)庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)，計(jì)算調(diào)度策略，指導(dǎo)下位機(jī)發(fā)送指令。并利用庫(kù)內(nèi)傳感器數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)計(jì)算設(shè)備狀態(tài)，通過(guò)人機(jī)交互界面展示。

綜上所述，如圖4所示，上位工控機(jī)基于其計(jì)算能力及交互性優(yōu)勢(shì)，負(fù)責(zé)深井式立體停車(chē)庫(kù)整體運(yùn)行策略和故障監(jiān)測(cè)預(yù)警的計(jì)算以及對(duì)外人機(jī)交互；下位PLC基于其邏輯控制能力及數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)勢(shì)，負(fù)責(zé)機(jī)械設(shè)備的動(dòng)作邏輯控制以及數(shù)據(jù)的報(bào)文化上傳；傳感器負(fù)責(zé)深井式立體停車(chē)庫(kù)主要核心部件的限界監(jiān)測(cè)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)動(dòng)作的執(zhí)行。

3? 深井式停車(chē)庫(kù)調(diào)度策略設(shè)計(jì)

除硬件設(shè)備外，調(diào)度策略是影響深井式立體停車(chē)庫(kù)效率的重要因素之一，調(diào)度策略包括車(chē)庫(kù)的運(yùn)營(yíng)策略和存車(chē)模式，面向深井式立體停車(chē)庫(kù)總體的存取車(chē)需求，提出深井式立體停車(chē)庫(kù)運(yùn)營(yíng)策略，面向客戶個(gè)體存取車(chē)需求，提出深井式立體停車(chē)庫(kù)存車(chē)模式，分別如圖5所示。

在運(yùn)營(yíng)策略方面，由于深井式車(chē)庫(kù)主要分布于城市醫(yī)院、公園、辦公大樓等邊角地區(qū)，其存、取車(chē)服務(wù)需求隨時(shí)間、節(jié)日具有波動(dòng)性。因此，系統(tǒng)將車(chē)庫(kù)服務(wù)狀態(tài)分為存車(chē)高峰、取車(chē)高峰和平峰三個(gè)時(shí)期。當(dāng)車(chē)庫(kù)處于存車(chē)高峰期時(shí)，存車(chē)頻率較高，車(chē)庫(kù)采取存車(chē)優(yōu)先策略，即每當(dāng)完成存取車(chē)動(dòng)作后，若后續(xù)無(wú)任務(wù)，升降機(jī)立即回到地面層，等待下一輛待存車(chē)輛，節(jié)省存車(chē)時(shí)間；當(dāng)車(chē)庫(kù)處于取車(chē)高峰期時(shí)，取車(chē)頻率較高，車(chē)庫(kù)采取取車(chē)優(yōu)先策略，即每當(dāng)完成取車(chē)動(dòng)作后，若后續(xù)無(wú)任務(wù)，升降機(jī)立即回到車(chē)庫(kù)中間層，等待下次取車(chē)動(dòng)作，節(jié)省取車(chē)時(shí)間。當(dāng)車(chē)庫(kù)處于平峰期時(shí)，此時(shí)存取車(chē)需求隨機(jī)性較強(qiáng)，升降設(shè)備采用原地待命策略，即完成存車(chē)任務(wù)后，升降設(shè)備于車(chē)庫(kù)內(nèi)原地待命，或完成取車(chē)任務(wù)后，升降設(shè)備于地面層原地待命，等待下次存車(chē)或取車(chē)任務(wù)，并結(jié)合預(yù)約系統(tǒng)的預(yù)約情況，合理提前調(diào)整升降機(jī)位置。

在存車(chē)模式方面，由于不同客戶停車(chē)需求存在差異，因此將存車(chē)模式分為短暫臨時(shí)停車(chē)模式、規(guī)律停車(chē)模式和長(zhǎng)時(shí)停車(chē)模式[5]，存車(chē)前，客戶根據(jù)需求選擇停車(chē)模式，車(chē)庫(kù)根據(jù)不同的客戶停車(chē)需求采用對(duì)應(yīng)的存車(chē)模式，節(jié)省綜合存取車(chē)時(shí)間。對(duì)于短暫臨時(shí)停車(chē)客戶，一般存車(chē)時(shí)長(zhǎng)為2～3小時(shí)，存車(chē)時(shí)間較短，因此將車(chē)存放至車(chē)庫(kù)上層，縮短取車(chē)等待時(shí)間。并根據(jù)客戶實(shí)際取車(chē)時(shí)間情況，為用戶ID附加信用系數(shù)，作為該用戶下次使用短暫臨時(shí)停車(chē)模式時(shí)，車(chē)庫(kù)控制系統(tǒng)的決策依據(jù)。對(duì)于上班族等規(guī)律停車(chē)客戶，存車(chē)時(shí)間范圍分布較廣，為3～12小時(shí)，但其存車(chē)時(shí)間具有一定的規(guī)律性。因此基于其日常存取車(chē)時(shí)長(zhǎng)的規(guī)律性，根據(jù)日常存車(chē)時(shí)長(zhǎng)短，將車(chē)存放至車(chē)庫(kù)上中下部對(duì)應(yīng)車(chē)位。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)停車(chē)客戶，一般存車(chē)時(shí)長(zhǎng)為12小時(shí)以上，存車(chē)時(shí)間較長(zhǎng)，因此將其車(chē)輛存放至車(chē)庫(kù)下部，降低其他短時(shí)存放車(chē)輛的存取車(chē)時(shí)長(zhǎng)。

4? 深井式停車(chē)庫(kù)故障檢測(cè)預(yù)警功能設(shè)計(jì)

當(dāng)前深井式立體停車(chē)庫(kù)維修主要依靠維修人員被動(dòng)維修，即當(dāng)車(chē)庫(kù)內(nèi)機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障后，影響了車(chē)庫(kù)正常運(yùn)行，此時(shí)由維修人員通過(guò)檢修爬梯前往故障地點(diǎn)進(jìn)行故障后維修或核心部件的更換，在此維修過(guò)程中車(chē)庫(kù)無(wú)法正常運(yùn)行，降低了深井式立體停車(chē)庫(kù)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(chē)庫(kù)的科學(xué)維修保養(yǎng)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了深井式停車(chē)庫(kù)故障檢測(cè)及預(yù)警功能模塊，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)車(chē)庫(kù)核心設(shè)備及部件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和深度學(xué)習(xí)算法研究故障預(yù)警趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)立體車(chē)庫(kù)相關(guān)設(shè)備的故障預(yù)測(cè)及健康管理，改傳統(tǒng)的“定期維修”“故障修”為“預(yù)防修”，可有效減少事故發(fā)生、減少深井式立體車(chē)庫(kù)全壽命周期的維修費(fèi)用。

深井式立體停車(chē)庫(kù)故障監(jiān)測(cè)及預(yù)警方案示意圖如圖6所示，本系統(tǒng)分為采集層、特征層和決策層。其中，數(shù)據(jù)采集層通過(guò)噪聲、振動(dòng)、溫度、環(huán)境監(jiān)測(cè)等物聯(lián)網(wǎng)傳感器對(duì)深井式立體車(chē)庫(kù)電機(jī)、液壓缸、齒輪、拉鉤、軸承等主要核心部件的各種運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將采集到的數(shù)據(jù)傳送到后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式結(jié)構(gòu)處理和歸類學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)庫(kù)相關(guān)設(shè)備設(shè)施多源融合信息的采集，為數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。特征層采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對(duì)采集層傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和智能分析，綜合總結(jié)各類故障的數(shù)據(jù)特征或走勢(shì)，形成深井式立體停車(chē)庫(kù)的故障知識(shí)庫(kù)，作為深井式立體車(chē)庫(kù)核心部件的故障診斷依據(jù)。決策層針對(duì)特征層分析得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行維修保養(yǎng)決策，基于相關(guān)核心部件當(dāng)前的故障嚴(yán)重程度，根據(jù)深井式立體車(chē)庫(kù)整體健康度，決策是立即停機(jī)應(yīng)急搶修、更換部件或閑時(shí)進(jìn)行預(yù)防性維修保養(yǎng)。從而提高深井式立體停車(chē)庫(kù)維修的科學(xué)性和有效性。

5? 結(jié)? 論

本文提出了一種深井式立體停車(chē)庫(kù)存取車(chē)控制系統(tǒng)方案，分別從作業(yè)流程、硬件組態(tài)、運(yùn)營(yíng)策略、存車(chē)模式、故障預(yù)警等方面進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。構(gòu)建了一種基于上下位機(jī)的深井式立體車(chē)庫(kù)存取車(chē)系統(tǒng)，確定了硬件組態(tài)與通信方案。同時(shí)，根據(jù)車(chē)庫(kù)的總體存取車(chē)需求與客戶個(gè)人存取車(chē)需求，將車(chē)庫(kù)的調(diào)度策略分為車(chē)庫(kù)運(yùn)營(yíng)策略和客戶存取車(chē)模式，針對(duì)存取車(chē)高峰波動(dòng)情況、客戶存車(chē)需求類型等方面分別進(jìn)行研究討論，提出在車(chē)庫(kù)總體存取車(chē)需求和客戶個(gè)體存取車(chē)需求差異條件下的運(yùn)營(yíng)調(diào)度策略，確定自適應(yīng)應(yīng)對(duì)方案，提高存取車(chē)效率。最后設(shè)計(jì)深井式立體停車(chē)庫(kù)故障監(jiān)測(cè)及預(yù)警方案，實(shí)現(xiàn)立體車(chē)庫(kù)相關(guān)設(shè)備的故障預(yù)測(cè)及健康管理，改傳統(tǒng)“定期維修”“故障修”為“預(yù)防修”，可有效減少事故發(fā)生、減少深井式立體車(chē)庫(kù)全壽命周期的維修費(fèi)用。

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作者簡(jiǎn)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。