巷道堆垛式混合车库设计及存取策略分析

侯相荣, 闫宏伟, 杨 雄, 王 璐, 李鹏程, 魏秀业

(中北大学机械工程学院，太原 030051)

随着中国社会的进步和交通业的不断发展，停车难的问题越来越成为困扰人们日常生活的社会难题。同时伴随着绿色出行方式的大力提倡，推动着城市公交车辆大量使用，截至2018年底，全国公共汽电车保有量为67.34万辆，公交车数量以每年3%的速度增长，车辆停放问题日趋严重。城市的公交停车场多采用平面式，占地面积大，且多数建立在郊区等远离市中心的地段，对于公交公司、司机、乘客都很不方便，解决该问题的出路是车辆的立体存放[1]。

市面上出现的立体车库多数是为中小汽车设计的，针对公交车立体停放的研究，受项目投资回报率低等的影响一直处于停滞状态，为数不多的设计则存在着车库利用效率低等现象[2]。目前中国首例公交车机械式立体停车库于2019年完成[3]。该车库停车类型单一，白天车库处于空闲状态，车库停车利用低；同时，受制于升降横移式机械车库搬运器单向运动的缺点，无法充分利用车库空间，浪费资源。国外对此的相关研究主要集中在韩国及日本，同样存在着车库利用率低的现象，未将混合停车技术应用到车库中。因此选择合适的车库类型，有效利用不同机械式车库的特点，改变车辆存取方式，将小汽车及公交车混合立体停放，并寻找高效的存取策略，是解决当下小汽车及公交车两种车辆停放难题的出路。

1 巷道堆垛式立体车库工作原理

巷道堆垛式立体车库常为多巷道、多层列布设，每个巷道均为双排多层结构，其工作原理为：通过堆垛机完成巷道内的Z向垂直升降及Y向纵向往复、搬运器完成X向横向存取，将车辆自动移送到多层车库的停车区域。搬运器负责将车辆移动到堆垛机上，实现车辆从停车位到堆垛机升降平台及车库入口到堆垛机升降平台两种工况[4-5]。

现有的巷道堆垛式立体车库的优势在于堆垛机可以实现车库任意位置的停靠，多巷道布置时可以多台堆垛机配合，车库存取效率高，控制精度高，智能程度高。但缺点是，车库入口兼做出口，需安装出入库旋转平台或者堆垛机自带车辆旋转功能，才能完成车辆掉头，增加车库成本及结构复杂度[6-7]。因此提出一种巷道堆垛式立体混合公交车库，对车库结构做出改进，根据堆垛机车库任意位置停靠的优点，设计了停车位双层结构，实现车辆混合停放，并且单独设置车库出口及入口，使用齿形带进行车辆移动，无需借助旋转掉头即可实现车辆出库。

2 公交车库结构设计及工作原理

2.1 结构方案

巷道堆垛式立体混合公交车库平面布局为纵向分布式，如图1所示，主要包括车库主体1、入口2、出口3、堆垛机4、搬运器5等，单套车库采用单巷道四列四层布局，车库一层设置控制室及入口，各占用一个停车位；中间为巷道，堆垛机位于巷道内，可以实现垂直提升及纵向移动；堆垛机升降平台上放置两台搬运器，可以横向运动；采用载车板作为车辆停放载体，搬运器作为车辆横移装置；巷道两侧为停车位，车库入口位于巷道一侧，出口与入口相连，置于车库外侧。车库使用两台搬运器，每台搬运器各搬运一套载车板，实现两台搬运器可以同时搬运，也可独自搬运，以完成公交车及小汽车不同的搬运要求。

巷道堆垛式立体混合公交车库垂面布局如图2所示，堆垛机为双立柱结构，提升装置位于立柱顶部，采用滚筒-钢丝绳提升方式，设置双配重，分别位于每个立柱外侧；巷道底部有多道行走导轨，堆垛机行走在巷道内，巷道顶部有堆垛机辅助导轨；停车位为双层结构，上层停车单元可以降落，上层停车单元升起时，停车位停放公交车，上层停车单元降落时，停车位上下单元停放小汽车，达到公交车及小汽车混合停放的目的。立体混合车库每个停车位上下单元各停放两套载车板，停放公交车时，两套载车板配合使用，停放小汽车时，载车板可以单套使用，且单套载车板可以并排停放两辆小汽车。

1为二层停车板；2为上层停车单元；3为下层停车单元；4为堆垛机导轨；5为堆垛机行走组；6为堆垛机立柱；7为堆垛机升降系统图2 巷道堆垛式立体混合公交车库垂面布局Fig.2 Vertical layout of PXD stereo mixed bus garage

搬运器是立体车库的核心部件，主要由行走机构、升降机构、横移机构、滑动机构组成。行走机构负责搬运器越过巷道及停车位之间的间隙；升降机构负责横移机构的升降；横移机构由齿轮装置组成，与载车板下方的齿条啮合完成车辆横移；滑动机构位于搬运器底板上方，由一系列支撑轮组成，提供载车板滑动，搬运器的结构如图3所示。

1为支撑轮；2为升降平台；3为行走轮；4为导轮；5为横移齿轮；6为支撑轮；7为载车板；8为横移齿条图3 单套搬运器及载车板示意图Fig.3 Schematic diagram of a single set of carrier and car board

载车板在巷道内通过搬运器实现横移，在出入口之间通过齿形带正反转实现横移，减少搬运器行走频率；搬运器和齿形带两者之间可以配合工作又可独自工作，提高车库运行效率；车库出入口轨道相连，车辆出库后，载车板可以快速横移到入口，方便下次存车(搬运器处于一层入口待命状态)，如果遇到再次取车的情况，搬运器可以快速搬运载车板到车库中，减少载车板空行程，提高了载车板的存取效率；出口前后方向皆可出入，无复杂的旋转盘结构，同时提高车库存取效率，出入口示意图如图4所示。

图4 车库出入口示意图Fig.4 Schematic diagram of garage entrance

2.2 工作原理

2.2.1 搬运器原理

本车库采用载车板齿轮齿条式搬运方式，鉴于公交车重量太大的原因，将载车板的整体升降改为了横移装置的升降。如图5所示，通过位于搬运器两端的横移装置内部的齿轮与载车板下部的齿条的啮合传动，实现载车板的横向搬运，这种设计使得搬运器不必钻入载车板的底部，而是行驶到载车板一侧固定距离后，通过升降横移装置来实现搬运横移。

省略横移装置升降图5 搬运器搬运车辆示意图Fig.5 Schematic diagram of transporter

立体车库存车时，待存放车辆驶入车库入口之前，外侧的图像、位置等传感系统接收到所存车辆信息；立体车库取车时，根据车主身份识别，系统读取所取车辆信息。根据存取时系统读取到的车辆信息，车辆为公交车时，使用两台搬运器同时搬运两套载车板，车辆为小汽车时，使用单台搬运器搬运一套载车板即可。

两台搬运器可以通过控制系统实现独自运动或同时运动，同时运行时采用机械结构实现连接，保证运行可靠。如图4所示，搬运小汽车时，单台搬运器工作，为保证车辆前进出库，搬运器优先选择A侧轨道。

2.2.2 存取车原理

存车时，先根据车辆信息判断入口处载车板数量，同时系统分配停车位，堆垛机根据车辆信息就近取空板，车辆入库后，堆垛机、搬运器配合完成车辆存放。如图6为车库取车流程图，同样根据车辆信息采取不同搬运方式。

图6 立体混合车库取车流程图Fig.6 Flow chart of car pickup in stereo hybrid garage

3 混合车库调度问题研究

3.1 结构简化

堆垛机不同的运行方式对车库运行效率产生不同的影响，选择适合的存取策略可以大大提高车库的存取效率，减少顾客等候时间。

混合车库可停放公交车及小汽车，由于公交车白天处于运营状态，因此车库白天主要服务对象为小汽车，车库的存取车时间如表1所示。白天的非上下班高峰期以小汽车交叉存取为主，晚上车辆停放后车库关闭，同时在公交车与小汽车交替存放的时间，可能存在个别公交车或小汽车未按照规定时间完成取车的现象，此时搬运器可以通过单双搬运进行切换，实现不同车辆类型的存取。因此，对混合车库调度问题的研究以白天小汽车存取为主。

表1 存取车时间表Table 1 Access car timetable

车库存取车模式可分为以下3种[8-9]：

(1)连续存车模式。多出现在上班高峰时间段，连续存车时，两台搬运器搬运两套空载车板到出入口，一次存车4辆后，堆垛机将两套载车板存入库中，然后搬运两套空板到入库口继续存车操作。

(2)连续取车模式。多出现在下班高峰时间段，连续取车时，根据取车信息，在一次取车时，堆垛机可以到达两个位置，两台搬运器各搬运1套待取车辆载车板到出入口，一次完成两辆取车操作，然后将两套载车板依据就近停放的原则，存入其余停车位。

(3)交叉存取模式策。多出现在非存取车高峰时间段，堆垛机在完成本次任务后，无论其上有无载车板都停在原地，等待接受下一次命令。

车库结构是对称的，车库一侧简化图如图7所示。由车库结构知，一个停车位在停放小汽车时，可以扩展为上下两个停车位使用，则车库整体结构单侧为4列8层。

m为立体车库总列数，m=4；n为立体车库的总车位层数，n=8；a为第a列车位，a=1,2,3,m；b为第b层车位，b=1,2,…,n；l为每个车位的长度；h为每个车位的高度图7 车库存车位简化图Fig.7 Simplified map of car inventory parking spaces

3.2 建立存取车策略数学模型

根据以上停车策略知，双搬运器的设置主要应用在车库连续存车、连续取车模式下。在交叉存取车模式下，由于车库存取存在随机性，且每次存取1辆车，因此双搬运在这种模式下应用不到。以下将针对车库在连续存车、连续取车模式下，双搬运器对车库存取效率的影响进行研究。

由单套车库结构知车库容纳小汽车数量上限为248辆，一侧停放124辆，定义目标函数为k辆存(取)车操作堆垛机所需的总时间∑T。设存车时：(a1,b1)为要存入车辆的位置坐标；(a2,b2)为下一辆待存入车辆的位置坐标。取车时，(a1,b1)为上次动作后的待存入车辆的位置坐标，即要送回的空载车板的位置坐标；(a2,b2)为要取车辆所在的位置。tY为堆垛机沿Y向每运动一个车位所需的时间；tZ为堆垛机沿Z向每运动一个停车单元所需的时间；堆垛机在Y-Z平面上到达指定坐标后，载车板沿X向执行存(取)操作所需时间，设为常数tX，载车板从入口移动到出口所需的时间，设为常数tS[10-12]，tX=2 s，tY=8.5 s，tZ=6 s。

定义一次存车操作堆垛机所需时间为T存=堆垛机到达停车位时间t1+堆垛机取空板的时间t4+堆垛机到达出口的时间t2。

定义一次取车操作堆垛机所需的时间为T取=堆垛机送回载车板的时间t3+堆垛机从送板位置到取车位置的时间t4+堆垛机到达出口的时间t2。

其中，t1、t2、t3、t4随机，与堆垛机当前位置及存取车位置有关，且t1≐t3，tX、tS是常数。

t1=max{(a1-1)tY,(b1-1)tZ}

(1)

t2=max{(a2-1)tY,(b2-1)tZ}

(2)

t4=max{(a2-a1)tY,(b2-b1)tZ}

(3)

堆垛机可同时沿Y方向和Z方向运动，且不考虑其加减速动作所用的时间，因此堆垛机最终完成的时间由其中最大的时间决定。

3.2.1 双搬运下的存取策略数学模型

(1)连续存车时，一次存车操作即可存放4辆，假设两个载车板存放及拿取都是在同一停车位完成的，则一次存车操作堆垛机所需的时间为

T存1=t1+t4+t2

(4)

假设两个载车板存放和拿取都不在同一停车位时，则一次存车操作堆垛机所需的时间为

T存2=t1+3t4+t2

(5)

假设两个载车板存放和拿取中某一步不是在同一停车位时，则一次存车操作堆垛机所需的时间为

T存3=t1+2t4+t2

(6)

则连续存放k辆小汽车，堆垛机所需的时间为：

(7)

(2)连续取车时，一次取车操作可以取2辆，假设送板和取板都在同一停车位，则一次取车操作堆垛机所需的时间为

T取1=t3+t4+t2

(8)

假设送板和取板都不在同一个停车位，则一次取车操作堆垛机所需的时间为

T取2=t3+3t4+t2

(9)

假设送板和取板某一步不是在同一个停车位，则一次取车操作堆垛机所需的时间为

T取3=t3+2t4+t2

(10)

则连续拿取k辆小汽车，堆垛机所需的时间为

(11)

3.2.2 单搬运下的存取策略数学模型

(1)连续存车时，一次存车操作即可存放2辆，则一次存车操作堆垛机所需的时间为

T存=t1+t4+t2

(12)

则连续存放k辆小汽车，堆垛机所需的时间为

T连存=T存×k/2

(13)

(2)连续取车时，一次取车操作存放1辆，则一次存车操作堆垛机所需的时间为

T取=t3+t4+t2

(14)

则连续拿取k辆小汽车，堆垛机所需的时间为

T连取=T取k

(15)

3.3 仿真分析

立体车库存取车服务系统属于典型的随机离散型服务系统，在服务过程中，单位时间内到达的顾客数和顾客到达时间以及服务时间都是随机变量[13]。研究对象为在两种存取车模式——连续存车、连续取车下堆垛机双搬运、单搬运两种不同的搬运机理下存取k辆车所耗用时间。

利用MATLAB软件随机生成三组车库存/取车时车位的位置数据，分别为存取车次数为50、100、124次，得出单、双搬运下堆垛机花费的总时间，如表2所示。

由表2知，双搬运在连存、连取两种模式下，堆垛机耗时都低于单搬运。双搬运可以节约顾客等候时间，极大地改善车库存取效率低的现象。

表2 单双搬运的耗时Table 2 Time-consuming single and double transportation

4 结论

(1)本车库旨在结合现有停车设备类型，提供一种公交车的立体停车方案。在实际应用中，可以通过车库主体、搬运器的结构改善及搬运方式的改进，达到车库混合停车的目的。无论在车库的前期修建还是后期改造，都可作为大型车及小型车混合停放的可行性方案，具有实际的应用价值。

(2)混合车库依据单双搬运原理和二层停车位的上下升降可以实现公交车及小汽车的交差存取。

(3)最后，分析了混合车库不同时间段的存取方式，通过建立体车库存取小汽车时，在连续存/取模式下，堆垛机耗用时间的数学模型，利用MATLAB进行随机仿真，得出双搬运方式的存取耗时低于单搬运方式，可以极大地提高车库的运营效率。在巷道式立体车库中，要提高车库存取效率，除了可以通过减少堆垛机自身的运行时间，规划不同存取策略下堆垛机不同的运行路径也尤为重要。