廖易侖 桂林智神信息技術(shù)公司有限公司 劉德智 程小輝（通訊作者） 汪彥君 桂林理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院

引言：中國(guó)的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國(guó)的城市的交通也是快速地發(fā)展，傳統(tǒng)停車位不能滿足人們的停車需求的現(xiàn)象也由此而產(chǎn)生了。立體車庫(kù)的設(shè)計(jì)及出現(xiàn)，可以及時(shí)地解決停車難問題。我國(guó)這幾年工業(yè)發(fā)展也很快，選購(gòu)私家車的家庭逐年增多，我國(guó)又是人口大國(guó)，所以也是擁有汽車最大的國(guó)家之一。在一些地方，如居民小區(qū)和寫字樓密集區(qū)域要解決這些地方的停車難問題，最直接，最快速的方法是多建一些立體車庫(kù)。堆垛式立體車庫(kù)可設(shè)置于地上或地下，充分利用有效空間。但其實(shí)用性較升降橫移式立體車庫(kù)差，高峰期依次取車時(shí)間過長(zhǎng)，甚至超過30分鐘。

本文根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)堆垛式立體車庫(kù)進(jìn)行存取車調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)堆垛式立體車庫(kù)的特點(diǎn)，對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中的初始值進(jìn)行確定，選定合適的學(xué)習(xí)率、動(dòng)量因子，對(duì)某一時(shí)段車庫(kù)存取車的耗時(shí)總時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化。

1 堆垛式立體車庫(kù)的結(jié)構(gòu)及工作原理

堆垛式立體車庫(kù)采用巷道堆垛機(jī)或橋式起重機(jī)將載車板上的車輛水平和垂直移動(dòng)到存車位，并用存取機(jī)構(gòu)存取車輛的機(jī)械式停車設(shè)備。堆垛式立體車庫(kù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為，通過控制升降機(jī)構(gòu)的上下移動(dòng)、橫移機(jī)構(gòu)的前后移動(dòng)以及存取車輛的行走小車的左右移動(dòng)，由這三個(gè)方向（X,Y,Z）的相互配合實(shí)現(xiàn)車輛的存車與取車功能。立體車庫(kù)內(nèi)的堆垛機(jī)利用堆垛機(jī)載車平臺(tái)上的載車板將汽車連同載車板移送至該車位或?qū)④囄焕锎嫒氲钠囈扑椭炼讯鈾C(jī)載車平臺(tái)上再由堆垛機(jī)運(yùn)送至地面出口處，其主視圖與左視圖如圖1所示，為5*3*3的堆垛式立體車庫(kù)，可存取30輛車。

圖1 車庫(kù)結(jié)構(gòu)圖

2 PLC控制系統(tǒng)存取車流程

對(duì)于PLC來說，其主要任務(wù)是要完成存放車輛和取出車輛，以及檢測(cè)載車板的運(yùn)行狀態(tài)和載車板即時(shí)的位置。所用狀態(tài)元件、定時(shí)器及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器均選用具有掉電保護(hù)功能的元件，當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)元件保持掉電前的狀態(tài)，保證整個(gè)立體車庫(kù)的安全。立體車庫(kù)存車流程如圖2所示。立體車庫(kù)取車流程如圖3所示。

圖2 存車流程圖

圖3 取車流程圖

3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)存取車模型優(yōu)化

3.1 存取車策略

各類型立體車庫(kù)的存取車模型優(yōu)化問題采用的方法很多,如基于排隊(duì)論的存車優(yōu)先、取車優(yōu)先等不同的存取車策略；而采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，可達(dá)到總存取時(shí)間最少。為分析存取模式下堆垛機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，我們選取相同的存取次數(shù)，特定義目標(biāo)函數(shù)為k次存取車操作所需的總時(shí)間∑ T。

設(shè)（a，b）為堆垛機(jī)現(xiàn)在的位置坐標(biāo)；（c，d）為堆垛機(jī)即將執(zhí)行操作的車位坐標(biāo)；（e，f）為堆垛機(jī)上一次操作的車位坐標(biāo)；tx，tz為堆垛機(jī)沿X軸和Z軸每運(yùn)動(dòng)一個(gè)車位所需的時(shí)間；ty為堆垛機(jī)在X—Z平面上到達(dá)指定坐標(biāo)后，載車板沿Y軸執(zhí)行存取操作所需時(shí)間，設(shè)為常數(shù)。其中，堆垛機(jī)沿X方向和沿Z方向上可同時(shí)運(yùn)動(dòng)，且不考慮其加減速動(dòng)作所用的時(shí)間。則存取一輛車所需時(shí)間：

連續(xù)存取車所需要的總時(shí)間為∑T，則

3.2 BP神經(jīng)網(wǎng)對(duì)存取車時(shí)間優(yōu)化

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要由輸入層、隱含層和輸出層構(gòu)成，如圖4所示。輸入層的各神經(jīng)元負(fù)責(zé)接受來操作系統(tǒng)及PLC輸出作為輸入信息，輸入變量的個(gè)數(shù)取決于被控系統(tǒng)的復(fù)雜程度。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層是信息處理中心，負(fù)責(zé)進(jìn)行信息變換。輸出層是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)向PLC輸出信息處理結(jié)果。理論上講，BP算法采用梯度下降的方法進(jìn)行搜尋，計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值，進(jìn)行比較，確定出一個(gè)時(shí)間最優(yōu)值，并傳遞給PLC執(zhí)行。

圖4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程如下：

（1）、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及學(xué)習(xí)參數(shù)的確定：輸入層、隱含層和輸出層的神經(jīng)元的數(shù)目、學(xué)習(xí)率、誤差容限、動(dòng)量因子、最大迭代次數(shù)。

（2）、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)初始化： 用較小的隨機(jī)數(shù)（絕對(duì)值小于1)對(duì)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值、閾值置初值。

（3）、提供學(xué)習(xí)樣本：輸入向量和輸出向量。

（4）、學(xué)習(xí)過程：權(quán)值的修改

式中：ρ為學(xué)習(xí)率，σ為動(dòng)量因子。

使用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)立體車庫(kù)的存取車策略進(jìn)行優(yōu)化，找到較好的存取車耗時(shí)，將耗時(shí)少的存取車順序傳遞給PLC，從而達(dá)到良好的存取車時(shí)間策略。當(dāng)PLC進(jìn)行存取車操作時(shí)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不像其傳輸信號(hào)，當(dāng)PLC結(jié)束存取車操作時(shí)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其傳輸信號(hào)。

3.3 基于BP網(wǎng)絡(luò)的存取車控制模型

由于廠商沒有提供PLC系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊或指令庫(kù)。對(duì)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究或應(yīng)用仍采用PC平臺(tái)?，F(xiàn)有技術(shù)必須首先從PLC系統(tǒng)等控制設(shè)備中獲取過程數(shù)據(jù)，完成BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，建立模型，根據(jù)模型進(jìn)行預(yù)報(bào)，最后根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果修改控制參數(shù)或控制量，將結(jié)果再回傳到PLC，由PLC系統(tǒng)優(yōu)化控制等任務(wù)。故立體車庫(kù)存取車控制模型采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將最優(yōu)耗時(shí)輸出到PLC，PLC對(duì)立體車庫(kù)存取車進(jìn)行控制,其存取車流程如第二章所示。其中，當(dāng)PLC進(jìn)行存取車操作時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不輸出信號(hào)，待PLC完成存取車操作時(shí)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)再輸出信號(hào)到PLC，對(duì)其進(jìn)行控制，達(dá)到安全控制立體車庫(kù)的目的。控制模型如圖5所示。

圖5 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的存取車控制模型

3 結(jié)論

本文基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的立體車庫(kù)存取車優(yōu)化模型優(yōu)化，可以對(duì)存取車順序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析并進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，當(dāng)有大量用戶同時(shí)存取車時(shí)，能夠設(shè)計(jì)出優(yōu)化的汽車存取順序，以減少用戶使用立體車庫(kù)存取車時(shí)間。大多數(shù)情況下，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到的結(jié)果要優(yōu)于PLC控制方法，能夠適用于影響因素多、變化大的場(chǎng)合。通過以上研究，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法對(duì)立體車庫(kù)存取車控制模型優(yōu)化是可以實(shí)現(xiàn)的，可以BP將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于此。

本論文的研究由廣西重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（桂科AB17195042）支持，我們致以誠(chéng)摯的感謝。