環(huán)境友好型共享單車立體存放系統(tǒng)

肖磊，黃薰好，崔悅琪，鐘麗，楊梅*

（1. 華北理工大學 建筑工程學院，河北 唐山 063210；2. 華北理工大學 經(jīng)濟學院，河北 唐山 063210； 3. 華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210）

0 引言

近年來，隨著共享經(jīng)濟和移動互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，一種新型環(huán)保的綠色交通工具——共享單車應(yīng)運而生[1]。因其符合低碳出行理念，是城市綠色交通系統(tǒng)的組成部分，能在一定程度上緩解城市交通擁擠而備受青睞。

然而，隨著各地共享單車投放量的急劇增加，出現(xiàn)了單車擺放混亂無序浪費大面積土地資源、占用人行道及車道堵塞交通、停車設(shè)施不健全造成車輛損壞等一系列嚴重的城市交通問題（如圖1，2為實地調(diào)研情況）。這不僅造成交通擁堵，存在較大的交通隱患，而且還嚴重影響了城市形象。因此，設(shè)計一種盡可能多的存放共享單車，而最少程度占用土地資源的停車設(shè)施是一個現(xiàn)代城市亟待解決的難題。

圖1 北京某地鐵站附近 Fig. 1 Near a subway station in Beijing

圖2 北京某公交地鐵接駁站點 Fig. 2 A bus and subway connection site in Beijing

早在50 多年以前[2-3]，國外便采用了立體停車的設(shè)計方案來解決停車問題，先后出現(xiàn)了適合家庭使用的雙層停車設(shè)備、城市中心商業(yè)區(qū)停車樓等。自20 世紀70 年代后期以來[4]，美國、德國、日本等發(fā)達國家在停車領(lǐng)域有了較多研究。但國內(nèi)外在立體停車方面的研究幾乎針對小轎車而言，對單車方面的研究卻非常少。若能借鑒國外小轎車立體車庫的原理設(shè)計一個共享單車的存放系統(tǒng)，那么其應(yīng)用價值、經(jīng)濟價值和社會價值都是無限寬廣的。

在理論研究方面，國外的 Albert Gragera 和 Daniel Albalate[5]通過對34 個車庫的數(shù)據(jù)研究，分析了路邊停車管理對車庫需求的影響。Han M 等學者認為，立體車庫是一個隨機離散排隊服務(wù)系統(tǒng)[6]；Czes?aw Pypno 和Grzegorz Sierpiński[7]通過排隊論，研究了擁有1000 多個車位的自動化大容量多層車庫的服務(wù)過程。同時，立體車庫的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)多元化，涵蓋交通、計算機、機械自動化等多個領(lǐng)域。John Keble[8]認為未來立體車庫管理應(yīng)當更加快捷集約，逐步朝著自動化、一體化、整體化的方向發(fā)展，最終形成一個無人管理的完備存放系統(tǒng)[9]。

盧正[10]設(shè)計出了一種針對自行車的懸掛式立體停車裝置，但停放的自行車數(shù)量少，土地資源得不到充分利用。老焯源[11]基于單車存放安全性低、停放空間浪費等問題，通過三維建模和模型制作研制了一種簡單的單車存放系統(tǒng)。魯武林[12]通過對PLC 自動化控制的設(shè)計，仿真和論證了PLC 系統(tǒng)對于車輛存取的可行性和有效性。張育斌[13]針對現(xiàn)有立體車庫的控制系統(tǒng)的自動化程度低問題，開發(fā)了一種巷道堆垛式的立體車庫管理系統(tǒng)。但這些方案停放的自行車數(shù)量少，土地資源得不到充分利用，沒有考慮自行車的安全問題，也沒有盈利性方案，只是一種公用品性質(zhì)的設(shè)計，沒有考慮到政府負擔。故而設(shè)計一種存儲量大，節(jié)約土地資源，自動化程度高，存取便捷，安全性高，以及持續(xù)盈利的共享單車立體存放系統(tǒng)來改變現(xiàn)狀顯得尤為重要。

1 方案設(shè)計

1.1 設(shè)計目標

本文設(shè)計了一種運用PLC 控制的環(huán)境友好型共享單車立體存放系統(tǒng)來解決共享單車的停放問題，它主要適用于商場、學校、地鐵站、公交站等共享單車密集停放區(qū)域，旨在為用戶提供一個便捷集約的存取中心，在改善城市交通環(huán)境的同時減少土地資源的占用，提升城市的品牌形象。該存放系統(tǒng)具有占地空間小，存儲量大，自動化程度高，存取快捷等特點，巧妙地將智能系統(tǒng)和傳統(tǒng)機械機構(gòu)進行了更大程度的完美結(jié)合。驅(qū)動電機在存放系統(tǒng)中的運動由PLC 自動化整體控制，存取共享單車的安全性和便捷性明顯提高，存取過程穩(wěn)定性顯著改善，用戶存取時間大大減少，如圖3 是一個共享單車立體存放系統(tǒng)的整體效果。

圖3 共享單車立體存放系統(tǒng)整體效果圖 Fig. 3 Shared bicycle stereo storage system overall effect picture

1.2 設(shè)計方案

共享單車立體存放系統(tǒng)，總體分為電腦端（PC端）、PLC 控制端和車庫系統(tǒng)三大部分。其中車庫系統(tǒng)由五部分組成：操作顯示系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、機械臂及導(dǎo)軌系統(tǒng)、水平移動系統(tǒng)和垂直升降系統(tǒng)，如圖4 所示。

存車時：用戶將共享單車放入平臺的導(dǎo)軌槽，通過手機端選擇存車方式。經(jīng)系統(tǒng)檢測識別后，車庫內(nèi)部伸出機械臂，夾住共享單車前車輪，然后縮回手臂，單車便順著機械臂縮回的方向水平進入車庫。當單車前進到垂直升降系統(tǒng)中心軸的時候，開始進入上升階段。通過PC 端監(jiān)控計算，將結(jié)果實時反饋至PLC 控制系統(tǒng)，水平移動系統(tǒng)使單車繞著中心軸轉(zhuǎn)動一定的角度后指向目標“停車位”所在方向，同時垂直升降系統(tǒng)使之上升相應(yīng)的距離到達“停車位”所在高度。最后，機械臂將單車沿導(dǎo)軌槽推送至指定位置。至此，整個工作流程結(jié)束，全程設(shè)計時間約10～15s 左右。取車時：系統(tǒng)反向運行，運行原理不變。

1.2.1 操作顯示系統(tǒng)

操作顯示系統(tǒng)與共享單車公司（如ofo、mobike等）進行數(shù)據(jù)實時對接，用戶通過微信、支付寶或APP 方式掃描二維碼，即可進行存取操作。為實現(xiàn)更友好的用戶交互，采用觸屏作為操作界面，既可觸摸屏幕選擇，又可使用手機直接進行數(shù)據(jù)同步選擇，方式靈活，滿足不同用戶喜好。當用戶進行存車操作時，操作顯示系統(tǒng)會將車輛檢測系統(tǒng)給出的當前車輛運行狀態(tài)的返回值，顯示在該面板上，如圖5 所示。

1.2.2 檢測系統(tǒng)

通過使用傳感器等設(shè)備來執(zhí)行檢測，此部分檢測信息包括：車輛是否固定于機械臂、是否進入運行軌道、當前運行軌道上是否有障礙物、垂直升降系統(tǒng)是否能夠和橫移系統(tǒng)實現(xiàn)無縫結(jié)合等，并且當存取共享單車時識別單車的類型（如：ofo、mobike等）。存放系統(tǒng)按照不同類型的共享單車進行分類存放，并將其放置于不同的導(dǎo)軌位置。存車到車庫里面就相當于把共享單車鎖上，即結(jié)束行程。整個 存取過程速度極快，較大程度降低了用戶存取共享單車所消耗的時間。如圖6 是一個存車過程中檢測系統(tǒng)的狀態(tài)顯示。

圖4 共享單車立體存放系統(tǒng)架構(gòu)圖 Fig. 4 Shared bicycle stereo storage system structure diagram

圖5 存取方式選擇界面 Fig. 5 Access mode selection interface

圖6 存車過程檢測界面 Fig. 6 Storage process detection interface

1.2.3 機械臂及導(dǎo)軌系統(tǒng)

運載共享單車過程采用機械臂來實現(xiàn)，作為優(yōu)選，設(shè)計采用電動式驅(qū)動機械臂，它具有反應(yīng)快捷、工作靈活等優(yōu)勢。存入共享單車時，用戶先將其放在平臺導(dǎo)軌槽上，機械臂夾住共享單車前輪，共享單車支架轉(zhuǎn)動到合適的位置，使其平穩(wěn)地進入車庫內(nèi)。如果底層的共享單車存放導(dǎo)軌槽已放滿，通過傳感器感應(yīng)傳送信號到機械臂，機械臂會將其運送至高層的空閑存放導(dǎo)軌槽上（如圖7 所示）。

導(dǎo)軌系統(tǒng)是存放系統(tǒng)的運行設(shè)備，共享單車的存取通過導(dǎo)軌槽進行運輸。導(dǎo)軌槽分為兩部分，一是外部車庫口前的導(dǎo)軌槽（如圖8 所示），用于存入共享單車前的定位，便于檢測后與機械臂上的導(dǎo)軌槽對接；二是車庫內(nèi)部用于存放共享單車的大量導(dǎo)軌槽及機械臂上的導(dǎo)軌，如圖7 所示，存放單車時機械臂通過推送單車使其沿著對接的導(dǎo)軌槽進入指定存放點。

圖7 機械臂 Fig. 7 Manipulator

圖8 車庫口前的導(dǎo)軌槽 Fig. 8 Guide slot in front of the garage door

1.2.4 水平移動系統(tǒng)

水平移動系統(tǒng)用于實現(xiàn)共享單車水平方向的全方位移動，與機械臂及導(dǎo)軌系統(tǒng)、垂直升降系統(tǒng)等相輔相成，共同進行工作。存車時，用戶首先將單車放入導(dǎo)軌槽，傳感裝置檢測到車輛放入后，機械臂便固定單車，然后將單車沿著軌道拖到垂直升降系統(tǒng)中心軸。作為優(yōu)選，水平移動系統(tǒng)采用滾子鏈傳動，這樣不會出現(xiàn)彈性滑動以及打滑現(xiàn)象。水平移動系統(tǒng)如圖9 所示。

圖9 水平移動系統(tǒng) Fig. 9 Horizontal movement system

1.2.5 垂直升降系統(tǒng)

垂直升降系統(tǒng)用于實現(xiàn)單車豎直方向上的升降傳送，并配合水平移動系統(tǒng)一起工作。工作時，由PC 端計算共享單車“停車位”的具體位置，然后將計算結(jié)果通過PLC 控制系統(tǒng)調(diào)控，實時反饋給共享單車系統(tǒng)，使單車繞著中心軸轉(zhuǎn)動一定的角度后指向“停車位”所在的方向，然后上升或者下降相應(yīng)的距離到達“停車位”所在的高度。然后，橫移系統(tǒng)的機械臂將單車沿卡槽推送至指定位置。為了提高存取效率，采用兩個中軸作為傳輸軌道，這兩個垂直升降系統(tǒng)可以單獨運行，互不影響。作為優(yōu)選，本設(shè)計采用齒輪齒條升降形式，其承載能力大，傳動的精確度高，同步性好，工作平穩(wěn)。垂直升降系統(tǒng)如圖10 所示。

圖10 垂直升降系統(tǒng) Fig. 10 Vertical lifting system

1.2.6 PLC 控制系統(tǒng)

可編程邏輯控制器（PLC）[14]，是專為工業(yè)環(huán)境下運用所設(shè)計的一種數(shù)字運算操作電子裝置。作為優(yōu)選，本作品采用三菱FX3U-48MR 基本模塊PLC，此PLC 通過CC-Link 網(wǎng)絡(luò)的擴展可以實現(xiàn)最多達384 點的控制，大幅增加了內(nèi)部軟元件的數(shù)量。FX3U 系列[15]內(nèi)部的編程口能夠?qū)崿F(xiàn)115.2kbps 的高速通信，擁有更加良好的通信功能。

采用PLC 控制[12]，特別是變頻器的增加，能夠更加快速、精準地實現(xiàn)一鍵存取共享單車的功能，以及對運輸共享單車速度和限位的控制。采用PLC一體的變頻器控制驅(qū)動電機，可以實現(xiàn)在車庫內(nèi)部的水平移動和垂直升降運動，極大程度提高了運輸共享單車的速度和存取過程穩(wěn)定性，還大大減少了存取共享單車的時間。

2 可行性分析

2.1 政策可行性

國務(wù)院在《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》（國發(fā)〔2016〕74 號）中指出，加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，促進交通運輸節(jié)能，推動交通運輸智能化，建立“共享型”交通運輸模式。本作品設(shè)計的環(huán)境友好型共享單車立體存放系統(tǒng)不僅減少了土地資源的浪費，而且體現(xiàn)了“智能·共享·綜合”的主題。

住房城鄉(xiāng)建設(shè)部，國家發(fā)展改革委和財政部在《關(guān)于加強城市步行和自行車交通系統(tǒng)建設(shè)的指導(dǎo)意見》（城建〔2012〕133 號）中指出，應(yīng)當按要求在公共建筑、公園、廣場等設(shè)置自行車停車設(shè)施；必須在軌道交通車站、公共交通換乘樞紐等設(shè)置自行車停車設(shè)施。而本作品設(shè)計的共享單車立體存放系統(tǒng)正好符合了國家政策，因此具備有力的政策支持和良好的發(fā)展前景。

2.2 經(jīng)濟可行性

立體存放系統(tǒng)的建立，將極大減少共享單車的自然損耗、人為損毀和“私人化”，從而大程度上降低共享單車公司的維護消耗和生產(chǎn)成本。通過數(shù)據(jù)分析，如果以ofo 公司一年內(nèi)投放1000 萬輛單車計算，則需要10000 名維修員工，每年需支付薪酬5.04 億，而一向以質(zhì)量主打市場的摩拜每年所需維修費用也高達2 億元。并且，按照ofo 和摩拜平均生產(chǎn)成本計算，封閉式的車庫可避免單車“私人化”，這樣每年平均可節(jié)省7.2 億元。

與傳統(tǒng)大面積存放方式相比，立體存放系統(tǒng)的土地有效利用率能夠提升幾十倍。通過訪問中國地價信息服務(wù)平臺可知當年地價，現(xiàn)以第一季度的報價為標準，按照傳統(tǒng)存車方式占地面積的1/40 計算，以北京為例，平均單位面積可節(jié)約成本200 萬左右，這些節(jié)約的費用足以覆蓋建庫及其運行成本。而且更為重要的是，在車庫建成之后，位于人流密集地段（商場、地鐵站、公交站臺、學校等）的車庫外觀墻壁可作為廣告墻面使用，從而長效地獲得穩(wěn)定的廣告收入。例如，以一個能存放150 輛共享單車，高約7.8 米，直徑約7.3 米的圓柱形立體車庫為例，外觀墻壁廣告面積總計約80 平米，投入一個人均GDP 為8.72 萬元的中等城市，在核心地段年可獲利196 萬左右。前期投入的建造資金可以在第三年末收回，從長遠來看，這是一個比較穩(wěn)健盈利的方案。

3 創(chuàng)新特色及應(yīng)用前景

3.1 創(chuàng)新特色

一是節(jié)約土地資源。設(shè)計的占地面積很小[16]，但有效面積卻很大，是傳統(tǒng)存放方式土地利用率的幾十倍以上，非常適用于城市中心擁有極為緊張土地資源的地段投入建設(shè)。

二是減少資源浪費。解決了共享單車占用人行道，妨礙人行交通；停車位監(jiān)視不嚴，容易被盜竊；不良氣候和人為因素對共享單車造成損耗等問題，極大減少了社會資源的浪費。

三是方便和高效率。立體存放系統(tǒng)能夠自動收集不同共享單車信息，進行分類存放，并且存取處可顯示存儲的具體情況。用戶存取車直接交給系統(tǒng)完成，實現(xiàn)一鍵存取單車。

四是投資效益可觀。當今城市寸土寸金，相同面積下設(shè)計的存放系統(tǒng)要比傳統(tǒng)的停放點土地利用率提升幾十倍，而且穩(wěn)健的廣告收益更能吸引眾多的投資商，具有廣闊的市場前景。

3.2 應(yīng)用前景

解決城市靜態(tài)交通問題的有效措施——建立自動化的立體停車系統(tǒng)，具有綠色環(huán)保、存取快捷、安全穩(wěn)定、集約高效、操作簡單等優(yōu)點，擁有良好的應(yīng)用前景。相比于傳統(tǒng)的地上或地下停車設(shè)施[16]，自動化立體存放系統(tǒng)具備極大的潛力和優(yōu)勢，適用于商場、學校、車站等共享單車密集停放區(qū)域，本方案對于共享單車公司及政府都具有較強的實際參考意義和推廣價值。

4 結(jié)語

設(shè)計了一種運用PLC 控制的環(huán)境友好型共享單車立體存放系統(tǒng)，旨在盡可能多的存放共享單車而最少程度占用土地資源的基礎(chǔ)上，解決當今城市交通擁堵問題，為用戶提供“智能—共享—綠色”的共享單車存取中心，以此降低能源、資源、經(jīng)濟等損耗。本作品是符合當今社會價值觀的智能交通設(shè)計，可以促成更多的低碳環(huán)保的綠色出行，契合智能共享、環(huán)境友好的基本理念，因此具有較強的實際參考意義和推廣價值。