匡姝靜 孫 磊 蔣冬梅 張 軍 段 譽

鹽城工學院 鹽城 224000

0 引言

隨著當前信息化的和智能化的發(fā)展，為解決停車難的問腿，智能立體車庫得到應用與普及，針對現有的立體車庫車位隨機分配，車輛檢測時間長、車輛存取控制過程時間長、等待空位時間長等問題，設計了一種基于快速堆棧的多層可轉位的智能立體車庫系統?；诳焖俣褩Ｋ惴?，設計主要從車輛檢測和車輛分配著手，存取入口分開，減少了動力單元往返兩頭滾動所帶來的不必要的浪費，利用一個緩沖車位，有效地將動力單元在執(zhí)行的任務進行優(yōu)先處理，利用先進先出的原則，優(yōu)先檢測靠近出口的位置的空車位，優(yōu)先進入的車優(yōu)先出，后進的車位后出，在很大程度上減少了能源的浪費。其次，采用紅外和超聲設備對車位信息的進行檢測，采用直視化的方法為用戶增加安全感。最后，系統通過在出口地方設置旋轉區(qū)，避免倒車存在的隱患的發(fā)生。

我國汽車的保有量的持續(xù)增加導致部分區(qū)域停車位一位難求、停車慢等問題[1-3]。隨著自動化和智能化的發(fā)展，立體車庫變得多樣化，如俯仰雙層式、橋式無避讓式等[4，6]，但其結構均存在一定的缺點，停取車時間長，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，無法滿足智能化的需求[7,8]。

堆棧算法是一個動態(tài)的存儲過程，根據一般停車規(guī)律，商場、醫(yī)院、景區(qū)等停車場，先進入的人通常會先離開，因此依據先入先出的原則設計的存取過程，可以有效地提高存取車效率。通過紅外設備和壓力傳感器等設備[9-13]可以有效地探測車位信息，將設備發(fā)送給上位機，同時客戶可通過云端查看車輛的狀態(tài)。系統的硬件選取有效融入堆棧算法的實現[14-16]。上位機通過堆棧算法，將獲取到的車位信息進行優(yōu)先級的判定，每次獲取一個新的車輛輸入，將優(yōu)先級最高的車位信息發(fā)送給控制單元。根據倒車出庫存在死角，設置旋轉區(qū)將車頭對準出口的設計，提高安全系數。最后基于機器學習的過程，實現較好的路徑規(guī)劃[17-20]，提高車庫的存車效率，更加快捷高效的解決停車難的問題。

1 系統功能設計

多層可轉位的智能立體停車庫包括硬件系統和軟件系統，集升降、平移、旋轉于一體，基于核心控制器模塊、車輛識別模塊、收費系統、車輛運行數據采集模塊、PLC控制模塊，共同構成了智能立體車庫控制系統，如圖1所示。在數據處理時基于堆棧算法進行，通過IDT-DSER的PLC通訊智能網關將數據直接傳輸到數據庫，上位機將接收到數據按照堆棧算法在數據庫將數據進行處理，按照優(yōu)先級排序，優(yōu)先級高則排在前面，每次觸發(fā)響應的時將優(yōu)先級最高的數據位的信息發(fā)送給控制單元，PLC接收到控制信息后進行控制。

圖1 智能立體車庫控制系統結構圖

用戶可通過移動終端進行查看附近智能立體車庫的使用情況，用一鍵停車即可快速便捷的停車。系統首先通過車牌識別模塊將車輛入場時間、車牌號等信息發(fā)送給控制單元，控制單元與上位機建立通信連接，將信息準確地傳到上位機，根據車庫運行數據采信息，自動配置車位信息發(fā)送給執(zhí)行機構。本設計中的拖車盤可依據取車方向自動調整車頭，通過PLC控制及相關傳感器和紅外設備可自動旋轉至正確方向。取車則可通過一鍵取車自動實現，將車牌信息發(fā)送云端進行費用處理，可在移動終端一鍵繳費。

2 快速堆棧算法

2.1 堆棧算法引入

傳統的立體車庫由于存取的車輛較多，車輛離進出入口的距離較遠，導致存取車的時間較長。其次載車板及控制單元在交替存取的過程會導致路徑重復，一輛車要走2個路程，需要消耗更多的能源，為了更好地實現立體車庫的功能，有效縮短存取車的時間，研究一種有效的調度算法，快速堆棧算法。

2.2 快速堆棧定義

堆棧算法是一種先進先出的順序表，在數據庫中將數據節(jié)點按照優(yōu)先級的高低進行排序，優(yōu)先級越高的數據最先被執(zhí)行，堆棧算法有PUSH和POP和存儲3種操作，在程序同時進行時采用寄存器緩沖，其結構框圖如圖2所示。

圖2 堆棧架構圖

快速堆棧方法的最大關鍵在于中斷時間、任務切換和任務響應時間的實時性。緩沖位置可以有效地在存入和取出的過程節(jié)省很多時間，而不需要在存入數據后，系統再等下一個數據地址計算過程。

2.3 堆棧算法應用

利用堆棧的算法優(yōu)化了傳統的結構的不足之處。在整個算法的工作過程中，首先是將通過紅外設備采集到的停車位圖像進行數據預處理，再根據機器學習得到的擬合模型對車位進行預測。將距離出口處的車位信息進行計算，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

堆棧算法的目標之一是查找耗時短且能耗最低的停車位，基本思想為按照先入先出的原則，能耗低耗時短，距離出口近的停車位優(yōu)先級高，通過數據層來實現優(yōu)先級排列。在堆棧算法查找過程中，將每一個停車位都看成是一個數據點，在數據庫中將得到的空閑車位按優(yōu)先級排序。

2.3.1 停車位優(yōu)先級分配原則

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

圖4 優(yōu)先級原理

2.3.2 堆棧算法

基于堆棧算法的存取車過程是一個動態(tài)的過程，將車位視為一個數據節(jié)點，每次從隊頭開始檢測，其次讀取數據看車位是否空閑，若車位有車，則不分配該車位，繼續(xù)尋找車位中的下一個節(jié)點。若車位空閑，進行存取車操作。堆棧算法在智能車庫的應用中支持2種操作，即車輛入庫和車輛出庫，車輛入庫會向隊列追加一個新的元素，而車輛出庫會刪除一個元素。車輛出庫后如果距離出口近的優(yōu)先級高的車位，下一次來車時依舊是優(yōu)先檢索。所以需要一個索引來指出智能車庫檢索起點，方便快捷高效地檢索到車位，有效地節(jié)省時間。

2.4 堆棧實驗

智能立體車庫采用走廊結構，包含兩排停車位，4層立體，中間為橫移和旋轉通道。立體車庫的平面圖如圖5所示。

圖5 立體車庫平面圖

傳統的車庫采用隨機停放，不僅會影響車輛存取的頻率，而且會影響存取車過程的能源消耗及車庫設備的使用壽命。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的效率。

2.4.1 模型構建

設智能立體車庫有m排，每一層有n個車位，共有s層，車庫車位坐標（Xn，Yn，Zn），Xn=1,2,3…m，Yn=1,2,3…n，Zn=1,2,3…s?；谥悄芰Ⅲw車庫模型，建立存取車輛路徑的數學模型，參數設定如表1所示。

表1 參數設定

智能立體車庫在存取車過程中，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方向移動路徑的時間記為tX，在Y方向移動路徑的時間記為tY，在Z方向移動路徑的時間記為tZ，在運行過程中，橫移車在X方向的運行時間為

升降機在Z方向上的運行時間為

梳齒搬運器在Y方向的運行時間為

車庫當初存取車輛最短移動距離為

采用快速堆棧方法建立目標函數

2.4.2 計算分析

智能車庫中的車輛存取可視為三維合成運動：動力單元在X、Y方向的水平運動，升降裝置在Z方向的升降運動。存取車輛時間為

當升降裝置初始狀態(tài)位于出入口層，則存取時間為

考察立體車庫存取車的效率重要指標，即平均時間，記為。假設一段時間內系統存取n次車，則

2.4.3 優(yōu)化結果對比

堆棧算法，結合全局搜索載車板的位置和出口處的存車情況進行快速識別車位，結合重心最低原則，其主要原理是出入口分別在兩側，存車的時候盡可能把車存放在靠近出口的地方，因為存取車正常是先停的先走，所以結合先入先出的原則，在很大程度上節(jié)省了存取車時間以及存車能源消耗。

車輛的存取的時候，車庫的空閑率為

當k≥n時，平均排隊隊長記為L1

車輛排隊等候的時間為

通過實驗驗證可知，一個4層10列1行的智能立體車庫，該車庫配置1個入口、1個出口、1臺升降裝置和2個空單元，規(guī)模為36個車位。該車庫停車位寬度l=2.40、長度d=5.40、高度hi=2.50；橫移車移動速度vX=35 m/min，梳齒搬運器速度vY=70 m/min，升降裝置縱向速度vZ=30 m/min。存取車平均時間是評價智能立體車庫的性能指標的一個重要的因素，對比傳統停車庫和基于快速堆棧算法的停車數據，如表2所示。

表2 傳統算法與堆棧算法對比

通過計算可知：傳統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)取車平均時間分別減少40.58%、39.25%、36.86%，有效縮短存取車的時間，提高智能立體車庫的存取車效率。

3 結語

傳統智能車庫的研究多以存取車機械結構為基礎，車位采用隨機分配原則，本文更加注重效率及能源消耗的結合，創(chuàng)新點在于提出快速堆棧的方法。本文所研究的智能立體車庫主要考慮車庫的分配，使用快速堆棧的算法，根據立體車庫的特點進行優(yōu)化。最后通過實驗驗證了快速堆棧算法的可行性?；诳焖俣褩５目赊D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間。