升降橫移式立體車庫車輛智能監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐敏

（江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械電子與信息工程學(xué)院，江蘇 淮安223003）

隨著我國汽車保有量的不斷增加，城市停車難的問題日益顯著。自動(dòng)化立體車庫作為未來車庫的主流發(fā)展趨勢，具有占地面積小、存取容量大等優(yōu)點(diǎn)。但是，其也存在操控性能差，程序控制誤差較大等不足。文中以升降橫移式立體車庫的結(jié)構(gòu)與功能需求為基礎(chǔ)，對車庫總體控制架構(gòu)、車輛存取策略、載車板優(yōu)化調(diào)度算法進(jìn)行了研究，為改善立體車庫的操控性、適應(yīng)性與實(shí)用性提供了有效的解決方案。

1 總體方案設(shè)計(jì)

車庫底層與頂層載車板分別僅能夠作橫移、升降運(yùn)動(dòng)，中間層則皆可。常用的2～3 層升降橫移式立體車庫通過鏈條傳動(dòng)方式牽引載車板沿車庫主體升降，通過橫移電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行驅(qū)動(dòng)載車板沿導(dǎo)軌橫移。

系統(tǒng)以PLC 為控制核心，在正常運(yùn)行狀態(tài)下，由上位計(jì)算機(jī)直接向PLC 發(fā)送控制指令，調(diào)動(dòng)載車板移動(dòng)至預(yù)定車位，同時(shí)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)；操作人員也可以在面板上輸入目標(biāo)車位號，由PLC 執(zhí)行載車板移動(dòng)程序，完成車輛存取操作。

在車輛存取過程中，以射頻IC 卡實(shí)現(xiàn)車輛身份信息識別、停車計(jì)時(shí)與費(fèi)用收繳等功能。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由配置有Profibus-DP 卡CP5611 的上位計(jì)算機(jī)和帶EM277 智能通信擴(kuò)展模塊的西門子S7-200 PLC 為核心的兩級控制系統(tǒng)組成。現(xiàn)場控制級設(shè)備主要包括一個(gè)S7-200 型PLC與三個(gè)分布式I/O ET200 模塊，主從之間利用Profibus 協(xié)議建立一種一主多從通信網(wǎng)絡(luò)。其它現(xiàn)場檢測及驅(qū)動(dòng)設(shè)備均與鄰近ET200 的Profibus 接口相連接。主站通過輪詢方式實(shí)現(xiàn)與從站的數(shù)據(jù)交換。

2.1 信號檢測系統(tǒng)

車庫單元進(jìn)口處的光電開關(guān)，用來檢測車輛長度、高度，以防止超限造成車輛損壞；靠近進(jìn)（出）口處的光電開關(guān)，用來判斷載車板是否到位，以及對出、入庫車輛進(jìn)行加、減計(jì)數(shù)；載車板對角線、底層兩側(cè)上的光電開關(guān)，用于判斷空載、停車到位狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)人員誤入等意外，光線遮擋光電開關(guān)，發(fā)送一個(gè)電平突變信號至PLC，所有電機(jī)停止運(yùn)行并報(bào)警。四只稱重傳感器實(shí)現(xiàn)汽車重量檢測。信息經(jīng)PLC 處理計(jì)算后，由上位機(jī)進(jìn)行后續(xù)分析處理。

2.2 傳送控制系統(tǒng)

傳送控制系統(tǒng)的目標(biāo)對象為車庫驅(qū)動(dòng)設(shè)備。上層載車板的升降與下層的橫移運(yùn)動(dòng)互鎖，且每次只執(zhí)行一個(gè)單元的升降運(yùn)動(dòng)。行程開關(guān)用于載車板在定位控制時(shí)的電機(jī)制動(dòng)或者在故障時(shí)緊急斷電觸發(fā)防墜掛鉤：任一載車板觸碰上、下行程裝置或按下急停開關(guān)，則斷開所有電機(jī)電源；頂、底層載車板未在原位時(shí)，則中間層載車板無法運(yùn)行；中間層未在原位時(shí)，則頂、底層載車板無法運(yùn)行；防墜掛鉤閉合時(shí)，則無下行運(yùn)動(dòng)。

圖1 傳送控制系統(tǒng)控制原理圖

以3x4 型立體車庫的實(shí)際需求分析，控制系統(tǒng)輸入、輸出信號分別有54、36 個(gè)。S7-200-CPU226 本機(jī)帶24 輸入/16 輸出，選用輸入輸出模塊EM223CN 擴(kuò)展（32 輸入/輸出）。

2.3 上位計(jì)算機(jī)監(jiān)測

上位機(jī)采用組態(tài)王軟件接收與處理PLC 上傳的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并驅(qū)動(dòng)圖形化界面顯示各單元狀態(tài)信息。S7-200 型PLC 利用EM277 通信模塊建立Profibus-DP 通信網(wǎng)絡(luò)，組態(tài)王經(jīng)OPC 通道連接OPC 服務(wù)器以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

3 控制算法與最優(yōu)選擇

3.1 控制方法

單元停車位存在多種狀態(tài)組合，若將調(diào)度程序全部編制，會占用較大量的存儲空間。因此，在設(shè)計(jì)中利用S7-200 的功能指令SBR 編制運(yùn)動(dòng)程序模塊。將所有載車板行列信息及各層空位列信息均存儲于變量寄存器Var 中。假設(shè)3x4 型10 車位立體車庫在初始狀態(tài)下，底層與中間層空位均處于車庫最右側(cè)，分別用P4、P8表示其所在列，賦值P4=P8=4。P1～P3、P5～P7為從左至右第一、二層載車板所處列位置，依次賦值為P1=P5=1，P2=P6=2，P3=P7=3。同理，用P9～P11、P12～P15表示車庫中間層、頂層從左至右載車板升降狀態(tài)，以0 與1 定義原位與底層。頂層載車板、底層載車板勿需運(yùn)動(dòng)，所以不予編號與賦值。在執(zhí)行過程中，上述狀態(tài)變量值不斷刷新，并調(diào)度相關(guān)載車板運(yùn)行以建立下行移動(dòng)通道。

3.2 最優(yōu)選擇算法

載車板需根據(jù)一定的規(guī)則在最短時(shí)間范圍內(nèi)移動(dòng)到車庫底層。人工智能算法在搜索最優(yōu)解時(shí)具有較強(qiáng)的魯棒性，可進(jìn)行最優(yōu)車位選擇。

假設(shè)3x4 型二維矩陣立體車庫10 個(gè)車位均與像素點(diǎn)相對應(yīng)，以數(shù)組X[X1][X2]、Y[Y1][Y2]分別表示各車位單元、載車板所處位置，其中X1、Y1用于表征車庫層數(shù)，取值為1、2 或3；X2、Y2用于表征車庫列值，取值為1、2、3 或4。

在調(diào)度管理算法中，第一步搜索底層空載車板，如果已有車輛數(shù)目小于本層所允許停放車輛的最大值3，則能夠直接停放。否則采用基于領(lǐng)域的搜索策略擇優(yōu)獲取最佳車位：將車庫的當(dāng)前狀態(tài)作為初始節(jié)點(diǎn)，預(yù)設(shè)其遍歷最深深度值為5（V1～V5）。V1、V2、V3表示遍歷底層空閑車位單元的4 鄰域、8 鄰域與其正上方頂層的空閑車位單元、中間層空閑車位單元的4 鄰域，V4、V5分別表示遍歷中間層、頂層余下的車位單元。節(jié)點(diǎn)代價(jià)公式：I（x）=J（x）+K（x），其中J（x）、K（x）與I（x）分別表征由初始節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的橫移、升降與總代價(jià)。依序遍歷V1～V5以得到空閑單元，如若在某一深度下搜索到的該類單元超過一個(gè)時(shí)，進(jìn)行總代價(jià)比較，最小即為最優(yōu)。

4 結(jié)論

基于Profibus 總線技術(shù)的一主多從立體車庫二級調(diào)度管理技術(shù)提出了簡單易行的基于鄰域的有界擇優(yōu)搜索策略，得到了趨近于最佳的車位選擇結(jié)果，對車庫的建設(shè)、改造與管理優(yōu)化具有較好的借鑒價(jià)值，具有較為廣闊的市場前景。