基于PLC的智能化停車(chē)場(chǎng)指揮引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熊?chē)?guó)良，朱正清，王小明，張宏怡

（1.華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330013；2.上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

停車(chē)難的問(wèn)題是社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和城市交通發(fā)展到一定程度的結(jié)果[1]，管理高效、快捷方便、安全合理的智能停車(chē)場(chǎng)管理系統(tǒng)己經(jīng)成為許多大型綜合性建筑物和居民小區(qū)必備的配套設(shè)施[2]。傳統(tǒng)的停車(chē)場(chǎng)管理系統(tǒng)重點(diǎn)均放在計(jì)費(fèi)、收費(fèi)管理功能上，而在停車(chē)場(chǎng)的安全性、運(yùn)行效率和針對(duì)顧客的人性化需求方面考慮的較少[3]。此外，目前智能化的停車(chē)場(chǎng)指揮引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)備多且復(fù)雜，價(jià)格高昂，設(shè)備傳輸給駕駛員的信息也較為復(fù)雜容易給駕駛員造成困擾。為了在提高停車(chē)場(chǎng)車(chē)輛的通行效率和安全性，便于管理人員管理，減輕管理人員勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約駕駛員停車(chē)時(shí)間的同時(shí)，兼具節(jié)約資源，減少成本，減輕駕駛員信息困擾，本文設(shè)計(jì)了適用于中、大型室內(nèi)停車(chē)場(chǎng)的智能化停車(chē)場(chǎng)指揮引導(dǎo)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

停車(chē)場(chǎng)指揮引導(dǎo)系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、中央處理系統(tǒng)和輸出顯示系統(tǒng)組成[4]，如圖1所示。

1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：對(duì)車(chē)輛信息和車(chē)位信息等進(jìn)行檢測(cè)，并將獲得的信號(hào)傳輸給中央處理系統(tǒng)。

2）中央處理系統(tǒng)：主要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并傳輸?shù)斤@示設(shè)備。

圖1 系統(tǒng)框圖

3）輸出顯示系統(tǒng)：中央處理系統(tǒng)將收集到的信息經(jīng)過(guò)分析處理，發(fā)送到各個(gè)顯示屏，顯示車(chē)位信息，進(jìn)行泊車(chē)指引。

1.2 系統(tǒng)的工作原理

基于PLC的智能化停車(chē)場(chǎng)指揮引導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)合實(shí)際情況，根據(jù)停車(chē)場(chǎng)中空余車(chē)位數(shù)占總車(chē)位數(shù)的比例采用多段式分級(jí)引導(dǎo)[5]方案，具體是：

1）當(dāng)比例大于40%時(shí)，停車(chē)場(chǎng)的車(chē)輛可停放情況比較理想，駕駛員可以很容易的找尋到車(chē)位，此時(shí)系統(tǒng)采用自由停放方式，駕駛員可以根據(jù)自身的判斷快速找到車(chē)位。

2）當(dāng)比例在20%～40%之間時(shí)，停車(chē)場(chǎng)的車(chē)輛可停放數(shù)量相對(duì)較少，駕駛員可以較為容易的找尋到車(chē)位，此時(shí)系統(tǒng)采用引導(dǎo)停放方式，駕駛員可以根據(jù)路口指示燈，有選擇的找到車(chē)位。

3）當(dāng)比例小于20%但不為0時(shí)，停車(chē)場(chǎng)的車(chē)輛可停放數(shù)量非常稀少，空余車(chē)位的分布大概率是零散分布，駕駛員將花費(fèi)更多時(shí)間和精力尋找車(chē)位，系統(tǒng)將采取強(qiáng)制引導(dǎo)停放方式，對(duì)駕駛員進(jìn)行引導(dǎo)。

4）當(dāng)空余車(chē)位數(shù)量為0時(shí)，禁止車(chē)輛進(jìn)入。直至有空余車(chē)位，才再次開(kāi)放停車(chē)場(chǎng)引導(dǎo)車(chē)輛進(jìn)入。

具體的工作原理：

當(dāng)車(chē)輛通過(guò)出入口停車(chē)管理系統(tǒng)進(jìn)入室內(nèi)停車(chē)場(chǎng)時(shí)，駕駛員可以在停車(chē)場(chǎng)入口顯示屏上了解各停車(chē)區(qū)域（如，A、B、C、D、E、F、G、H、I）的車(chē)位占用情況、空余車(chē)位量和空余車(chē)位編號(hào)。路口指示燈為轉(zhuǎn)向指示燈，具有三個(gè)指向分別是：左行、右行和前進(jìn)。

1）當(dāng)比例大于40%時(shí)，系統(tǒng)采取自由停放方式。此時(shí)駕駛員可以根據(jù)自身的判斷，按照路面指示標(biāo)線尋找到車(chē)位。

2）當(dāng)比例在20%～40%之間時(shí)，系統(tǒng)采取引導(dǎo)停放方式。此時(shí)停車(chē)場(chǎng)入口處的路口光電檢測(cè)器開(kāi)始工作，其他各路口光電檢測(cè)器不工作。PLC會(huì)形成從停車(chē)場(chǎng)入口到終點(diǎn)停車(chē)區(qū)域處的最優(yōu)路線，終點(diǎn)停車(chē)區(qū)域的定義是：該停車(chē)區(qū)域空余車(chē)位數(shù)占該停車(chē)區(qū)域總車(chē)位數(shù)的比例大于20%。駕駛員通過(guò)路口指示燈點(diǎn)亮的指向，再結(jié)合開(kāi)車(chē)時(shí)觀察兩邊的車(chē)位，找到空余車(chē)位。因?yàn)樵O(shè)定的比例大于20%，所以駕駛員在尋找車(chē)位的過(guò)程中，即使終點(diǎn)停車(chē)區(qū)域?qū)?yīng)的路口指示燈點(diǎn)亮的指向熄滅，駕駛員也能夠很容易的在終點(diǎn)停車(chē)區(qū)域找到車(chē)位。

3）當(dāng)比例小于20%，但不為0時(shí)，系統(tǒng)采取強(qiáng)制引導(dǎo)停放方式，停車(chē)場(chǎng)入口顯示屏?xí)~外顯示“當(dāng)前車(chē)位情況緊張，請(qǐng)根據(jù)路口指示燈提示駕駛車(chē)輛進(jìn)入停車(chē)位”，停車(chē)場(chǎng)所有的路口光電檢測(cè)器開(kāi)始工作。PLC根據(jù)從停車(chē)場(chǎng)入口到達(dá)具有空余車(chē)位停車(chē)區(qū)域行駛距離的遠(yuǎn)近，對(duì)這些停車(chē)區(qū)域進(jìn)行優(yōu)先級(jí)編排，等級(jí)越高行駛距離越近，等級(jí)由高到低標(biāo)記為1，2，3……當(dāng)車(chē)輛經(jīng)過(guò)停車(chē)場(chǎng)入口并被此處的路口光電檢測(cè)器檢測(cè)到時(shí)，選取最高等級(jí)的停車(chē)區(qū)域作為目標(biāo)停車(chē)區(qū)域，PLC控制路口指示燈亮的指向形成引導(dǎo)路線，引導(dǎo)車(chē)輛找到空余車(chē)位；當(dāng)有多輛車(chē)同時(shí)進(jìn)入停車(chē)場(chǎng)時(shí)，按照車(chē)輛進(jìn)入的先后順序，PLC為各輛車(chē)形成引導(dǎo)路線，當(dāng)高等級(jí)停車(chē)區(qū)域的空余車(chē)位被分配完后，還有車(chē)輛經(jīng)過(guò)停車(chē)場(chǎng)入口，PLC則分配低一個(gè)等級(jí)停車(chē)區(qū)域的空余車(chē)位，否則PLC對(duì)停車(chē)區(qū)域重新劃分優(yōu)先等級(jí)。假設(shè)：1等級(jí)有2個(gè)車(chē)位，則首先進(jìn)入的2輛車(chē)被分配到1等級(jí)停車(chē)區(qū)域，第3輛車(chē)進(jìn)入到2等級(jí)停車(chē)區(qū)域。被引導(dǎo)的車(chē)輛只有按照PLC設(shè)定的引導(dǎo)路線，有步驟的行駛，引導(dǎo)路線才會(huì)工作。在引導(dǎo)路線上，車(chē)輛通過(guò)兩個(gè)鄰近路口光電檢測(cè)器的時(shí)間介于5～10s之間，引導(dǎo)路線正常工作。當(dāng)時(shí)間少于5s時(shí)，PLC判定有其他車(chē)輛通過(guò)路口光電檢測(cè)器（如車(chē)輛駛出停車(chē)場(chǎng)等）造成誤檢，PLC篩除該干擾信號(hào)，引導(dǎo)路線的工作不受影響；當(dāng)時(shí)間超過(guò)10s，PLC判斷該車(chē)輛已經(jīng)找到新車(chē)位，結(jié)束該車(chē)輛引導(dǎo)，但此時(shí)該等級(jí)停車(chē)區(qū)域的空余車(chē)位數(shù)減1，這樣可以解決駕駛員去尋找非目標(biāo)停車(chē)區(qū)域的空余車(chē)位而造成的系統(tǒng)誤判。

引導(dǎo)路線的工作采用順序控制方法實(shí)現(xiàn)：當(dāng)車(chē)輛經(jīng)過(guò)停車(chē)場(chǎng)入口并被此處的路口光電檢測(cè)器檢測(cè)到時(shí)，PLC控制第一個(gè)路口指示燈亮的指向，當(dāng)車(chē)輛繼續(xù)行駛到停車(chē)區(qū)域路口并被此處的路口光電檢測(cè)器檢測(cè)到時(shí)，PLC控制第二個(gè)路口指示燈亮的指向，第一個(gè)路口指示燈亮的指向熄滅，依次類(lèi)推，直到將車(chē)輛引導(dǎo)進(jìn)入目標(biāo)停車(chē)區(qū)域的空余車(chē)位。

4）當(dāng)停車(chē)場(chǎng)空余車(chē)位數(shù)量為0時(shí)，出入口停車(chē)管理系統(tǒng)阻止車(chē)輛進(jìn)入停車(chē)場(chǎng)。

2 基于PLC的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以PLC為控制核心實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)位檢測(cè)外部電路等的信號(hào)處理，主要由PLC S7-200、MCGS組態(tài)軟件、車(chē)位檢測(cè)模塊、PLC輸入信號(hào)形成模塊、信號(hào)整合模塊、路口光電檢測(cè)器、路口指示燈等組成，具有自動(dòng)檢測(cè)、智能化等特點(diǎn)，如圖2所示。其中，車(chē)位檢測(cè)外部電路分為車(chē)位檢測(cè)模塊、PLC輸入信號(hào)形成模塊和信號(hào)整合模塊。路口光電檢測(cè)器主要用于系統(tǒng)可以在路口檢測(cè)并跟蹤車(chē)輛。PLC主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并輸出相應(yīng)信號(hào)與MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行通信。MCGS組態(tài)軟件主要顯示當(dāng)前停車(chē)場(chǎng)的情況，如空余車(chē)位信息、車(chē)位占有情況、車(chē)輛引導(dǎo)線路、相關(guān)提示等。路口指示燈主要負(fù)責(zé)對(duì)進(jìn)入車(chē)輛進(jìn)行引導(dǎo)。

2.1 車(chē)位檢測(cè)外部電路

2.1.1 車(chē)位檢測(cè)模塊

車(chē)位檢測(cè)模塊主要包括兩組光電檢測(cè)器和其構(gòu)成的電路，在實(shí)際安放時(shí)將兩組光電檢測(cè)器分別放置在車(chē)輛停放的前后輪位置，并在光電檢測(cè)器的輸出端接入一個(gè)與非門(mén)。車(chē)位檢測(cè)模塊的原理是：當(dāng)車(chē)輛駛?cè)胲?chē)位后由于前后輪處的光電檢測(cè)器檢測(cè)到遮擋物，光電檢測(cè)器輸出低電平給與非門(mén)，與非門(mén)輸出高電平。

2.1.2 PLC輸入信號(hào)形成模塊

本系統(tǒng)采用74LS123穩(wěn)態(tài)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)位檢測(cè)模塊輸出信號(hào)的處理，并作為PLC輸入信號(hào)。該電路模塊由上升沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路和下降沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路組成，可以通過(guò)車(chē)輛停放在車(chē)位上和駛離出車(chē)位兩種狀態(tài)輸出一個(gè)高電平給PLC，波形圖如圖3所示。

圖3 波形圖

圖3中，U1表示車(chē)輛停放在車(chē)位上的狀態(tài)，U2表示車(chē)輛駛離出車(chē)位的狀態(tài)，U0為模塊輸出的信號(hào)。

2.1.3 信號(hào)整合模塊

本系統(tǒng)選用具有54個(gè)車(chē)位的室內(nèi)停車(chē)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)?？紤]到車(chē)位上輸出的信號(hào)有108個(gè)，為了減少PLC輸入口數(shù)量，簡(jiǎn)化編程，節(jié)約資源，系統(tǒng)將所有車(chē)位按區(qū)域劃分為A-I停車(chē)區(qū)域，每個(gè)停車(chē)區(qū)域中的車(chē)位進(jìn)行1-6編號(hào)。系統(tǒng)將按照停車(chē)區(qū)域號(hào)和車(chē)位編號(hào)對(duì)每個(gè)車(chē)位進(jìn)行分組，并通過(guò)或門(mén)電路進(jìn)行匯總，整合簡(jiǎn)化成30個(gè)PLC輸入口。

2.2 系統(tǒng)停車(chē)場(chǎng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)對(duì)54個(gè)車(chē)位的停車(chē)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，共需要14個(gè)路口光電檢測(cè)器和8個(gè)路口指示燈，設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 停車(chē)場(chǎng)設(shè)計(jì)圖

圖4中，A1-A3和A4-A6組成A停車(chē)區(qū)域，其他停車(chē)區(qū)域的表示方法類(lèi)似；帶箭頭的圖標(biāo)表示路面指示標(biāo)線；紅色表示路口指示燈，上面的數(shù)字表示編號(hào)，如1號(hào)路口指示燈；黑色表示路口光電檢測(cè)器，上面的數(shù)字表示編號(hào)，如1號(hào)路口光電檢測(cè)器。

3 3PLC程序設(shè)計(jì)

在車(chē)輛的引導(dǎo)過(guò)程中，PLC采用多段式分級(jí)引導(dǎo)方案。

3.1 程序流程圖

停車(chē)場(chǎng)指揮引導(dǎo)系統(tǒng)程序流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

3.2 強(qiáng)制引導(dǎo)停放方式程序流程圖

強(qiáng)制引導(dǎo)停放方式程序流程如圖6所示。

3.3 PLC中I/O地址分配

停車(chē)場(chǎng)指揮引導(dǎo)系統(tǒng)具體的I/O分配如表1所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

圖6 強(qiáng)制引導(dǎo)程序流程圖

表1 I/O分配表

續(xù)（表1）

系統(tǒng)測(cè)試主要用來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)用性以及存在的問(wèn)題。為了達(dá)到測(cè)試效果，確定系統(tǒng)的實(shí)用性和可實(shí)現(xiàn)性，系統(tǒng)選用54個(gè)車(chē)位的停車(chē)場(chǎng)為對(duì)象，設(shè)計(jì)了車(chē)位檢測(cè)外部電路板和電源轉(zhuǎn)換電路等硬件，并通過(guò)PLC與MCGS通信實(shí)現(xiàn)界面的模擬，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試，如圖8所示。

圖7 系統(tǒng)測(cè)試實(shí)物圖

圖8 系統(tǒng)仿真界面圖

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)功能的研究和測(cè)試的結(jié)果顯示，基本上實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)能夠通過(guò)PLC、MCGS組態(tài)軟件和相關(guān)硬件實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的分段式引導(dǎo)，并采用順序控制方法完成引導(dǎo)路線的工作。

系統(tǒng)提高了傳統(tǒng)停車(chē)場(chǎng)的安全性和運(yùn)行效率，減輕了管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了駕駛員尋找車(chē)位的時(shí)間。相對(duì)于目前智能化的停車(chē)場(chǎng)指揮引導(dǎo)系統(tǒng)，本系統(tǒng)能夠在滿(mǎn)足中、大型室內(nèi)停車(chē)場(chǎng)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行智能化指揮引導(dǎo)需求的前提下，所需要的成本更低，引導(dǎo)更方便，能夠通過(guò)對(duì)車(chē)輛分段式引導(dǎo)節(jié)約資源和提高系統(tǒng)利用率，能夠在引導(dǎo)過(guò)程中使用路口指示燈的指向等減少駕駛員的信息困擾。在應(yīng)用到實(shí)際中、大型停車(chē)場(chǎng)上，系統(tǒng)需要對(duì)停車(chē)區(qū)域、路口指示燈安放位置等進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保各停車(chē)區(qū)域的車(chē)位數(shù)不少于10個(gè)。此外，還需要在此基礎(chǔ)上對(duì)硬件進(jìn)行升級(jí)，比如增加出入口停車(chē)管理系統(tǒng)、車(chē)位燈、將路口光電檢測(cè)器更換為電磁線圈等，本系統(tǒng)具有很強(qiáng)的使用價(jià)值和社會(huì)意義。