一种基于快速堆栈的多层可转位的智能车库系统

匡姝静 孙 磊 蒋冬梅 张 军 段 誉

盐城工学院 盐城 224000

0 引言

随着当前信息化的和智能化的发展，为解决停车难的问腿，智能立体车库得到应用与普及，针对现有的立体车库车位随机分配，车辆检测时间长、车辆存取控制过程时间长、等待空位时间长等问题，设计了一种基于快速堆栈的多层可转位的智能立体车库系统。基于快速堆栈算法，设计主要从车辆检测和车辆分配着手，存取入口分开，减少了动力单元往返两头滚动所带来的不必要的浪费，利用一个缓冲车位，有效地将动力单元在执行的任务进行优先处理，利用先进先出的原则，优先检测靠近出口的位置的空车位，优先进入的车优先出，后进的车位后出，在很大程度上减少了能源的浪费。其次，采用红外和超声设备对车位信息的进行检测，采用直视化的方法为用户增加安全感。最后，系统通过在出口地方设置旋转区，避免倒车存在的隐患的发生。

我国汽车的保有量的持续增加导致部分区域停车位一位难求、停车慢等问题[1-3]。随着自动化和智能化的发展，立体车库变得多样化，如俯仰双层式、桥式无避让式等[4，6]，但其结构均存在一定的缺点，停取车时间长，占地面积大，成本较高，智能化水平较低，依旧采用半人工的方式，无法满足智能化的需求[7,8]。

堆栈算法是一个动态的存储过程，根据一般停车规律，商场、医院、景区等停车场，先进入的人通常会先离开，因此依据先入先出的原则设计的存取过程，可以有效地提高存取车效率。通过红外设备和压力传感器等设备[9-13]可以有效地探测车位信息，将设备发送给上位机，同时客户可通过云端查看车辆的状态。系统的硬件选取有效融入堆栈算法的实现[14-16]。上位机通过堆栈算法，将获取到的车位信息进行优先级的判定，每次获取一个新的车辆输入，将优先级最高的车位信息发送给控制单元。根据倒车出库存在死角，设置旋转区将车头对准出口的设计，提高安全系数。最后基于机器学习的过程，实现较好的路径规划[17-20]，提高车库的存车效率，更加快捷高效的解决停车难的问题。

1 系统功能设计

多层可转位的智能立体停车库包括硬件系统和软件系统，集升降、平移、旋转于一体，基于核心控制器模块、车辆识别模块、收费系统、车辆运行数据采集模块、PLC控制模块，共同构成了智能立体车库控制系统，如图1所示。在数据处理时基于堆栈算法进行，通过IDT-DSER的PLC通讯智能网关将数据直接传输到数据库，上位机将接收到数据按照堆栈算法在数据库将数据进行处理，按照优先级排序，优先级高则排在前面，每次触发响应的时将优先级最高的数据位的信息发送给控制单元，PLC接收到控制信息后进行控制。

图1 智能立体车库控制系统结构图

用户可通过移动终端进行查看附近智能立体车库的使用情况，用一键停车即可快速便捷的停车。系统首先通过车牌识别模块将车辆入场时间、车牌号等信息发送给控制单元，控制单元与上位机建立通信连接，将信息准确地传到上位机，根据车库运行数据采信息，自动配置车位信息发送给执行机构。本设计中的拖车盘可依据取车方向自动调整车头，通过PLC控制及相关传感器和红外设备可自动旋转至正确方向。取车则可通过一键取车自动实现，将车牌信息发送云端进行费用处理，可在移动终端一键缴费。

2 快速堆栈算法

2.1 堆栈算法引入

传统的立体车库由于存取的车辆较多，车辆离进出入口的距离较远，导致存取车的时间较长。其次载车板及控制单元在交替存取的过程会导致路径重复，一辆车要走2个路程，需要消耗更多的能源，为了更好地实现立体车库的功能，有效缩短存取车的时间，研究一种有效的调度算法，快速堆栈算法。

2.2 快速堆栈定义

堆栈算法是一种先进先出的顺序表，在数据库中将数据节点按照优先级的高低进行排序，优先级越高的数据最先被执行，堆栈算法有PUSH和POP和存储3种操作，在程序同时进行时采用寄存器缓冲，其结构框图如图2所示。

图2 堆栈架构图

快速堆栈方法的最大关键在于中断时间、任务切换和任务响应时间的实时性。缓冲位置可以有效地在存入和取出的过程节省很多时间，而不需要在存入数据后，系统再等下一个数据地址计算过程。

2.3 堆栈算法应用

利用堆栈的算法优化了传统的结构的不足之处。在整个算法的工作过程中，首先是将通过红外设备采集到的停车位图像进行数据预处理，再根据机器学习得到的拟合模型对车位进行预测。将距离出口处的车位信息进行计算，得到具体的车位发送给控制单元。基本流程图如图3所示。

图3 基本流程图

堆栈算法的目标之一是查找耗时短且能耗最低的停车位，基本思想为按照先入先出的原则，能耗低耗时短，距离出口近的停车位优先级高，通过数据层来实现优先级排列。在堆栈算法查找过程中，将每一个停车位都看成是一个数据点，在数据库中将得到的空闲车位按优先级排序。

2.3.1 停车位优先级分配原则

停车位优先级的管理方法主要考虑用时少与能源消耗低2点。按设定方法确定优先级。与出入口同层的情况，靠近出口的优先级高于进口的优先级。多层立体车库，以入口建立模型，该车库每层有m列车位，每列有n个车位，共有s层，由下到上，由出口侧到入口侧的原则给出每个车位的优先级别，即第m-1层优先级大于m层，第n+1个优先级大于第n个，第s-1层优先级大于s层。从时间和空间两个角度确定了车位的优先级，确保了存取车用时少且费用低。原理如图4所示。

图4 优先级原理

2.3.2 堆栈算法

基于堆栈算法的存取车过程是一个动态的过程，将车位视为一个数据节点，每次从队头开始检测，其次读取数据看车位是否空闲，若车位有车，则不分配该车位，继续寻找车位中的下一个节点。若车位空闲，进行存取车操作。堆栈算法在智能车库的应用中支持2种操作，即车辆入库和车辆出库，车辆入库会向队列追加一个新的元素，而车辆出库会删除一个元素。车辆出库后如果距离出口近的优先级高的车位，下一次来车时依旧是优先检索。所以需要一个索引来指出智能车库检索起点，方便快捷高效地检索到车位，有效地节省时间。

2.4 堆栈实验

智能立体车库采用走廊结构，包含两排停车位，4层立体，中间为横移和旋转通道。立体车库的平面图如图5所示。

图5 立体车库平面图

传统的车库采用随机停放，不仅会影响车辆存取的频率，而且会影响存取车过程的能源消耗及车库设备的使用寿命。搜索全局最优解，一般采用SAGA、GA、PSO等，本文提出的快速堆栈法可有效提高立体车库的效率。

2.4.1 模型构建

设智能立体车库有m排，每一层有n个车位，共有s层，车库车位坐标（Xn，Yn，Zn），Xn=1,2,3…m，Yn=1,2,3…n，Zn=1,2,3…s。基于智能立体车库模型，建立存取车辆路径的数学模型，参数设定如表1所示。

表1 参数设定

智能立体车库在存取车过程中，最主要的是在保证安全的情况下尽量提高存车的效率。将待存取车辆在X方向移动路径的时间记为tX，在Y方向移动路径的时间记为tY，在Z方向移动路径的时间记为tZ，在运行过程中，横移车在X方向的运行时间为

升降机在Z方向上的运行时间为

梳齿搬运器在Y方向的运行时间为

车库当初存取车辆最短移动距离为

采用快速堆栈方法建立目标函数

2.4.2 计算分析

智能车库中的车辆存取可视为三维合成运动：动力单元在X、Y方向的水平运动，升降装置在Z方向的升降运动。存取车辆时间为

当升降装置初始状态位于出入口层，则存取时间为

考察立体车库存取车的效率重要指标，即平均时间，记为。假设一段时间内系统存取n次车，则

2.4.3 优化结果对比

堆栈算法，结合全局搜索载车板的位置和出口处的存车情况进行快速识别车位，结合重心最低原则，其主要原理是出入口分别在两侧，存车的时候尽可能把车存放在靠近出口的地方，因为存取车正常是先停的先走，所以结合先入先出的原则，在很大程度上节省了存取车时间以及存车能源消耗。

车辆的存取的时候，车库的空闲率为

当k≥n时，平均排队队长记为L1

车辆排队等候的时间为

通过实验验证可知，一个4层10列1行的智能立体车库，该车库配置1个入口、1个出口、1台升降装置和2个空单元，规模为36个车位。该车库停车位宽度l=2.40、长度d=5.40、高度hi=2.50；横移车移动速度vX=35 m/min，梳齿搬运器速度vY=70 m/min，升降装置纵向速度vZ=30 m/min。存取车平均时间是评价智能立体车库的性能指标的一个重要的因素，对比传统停车库和基于快速堆栈算法的停车数据，如表2所示。

表2 传统算法与堆栈算法对比

通过计算可知：传统停车与基于快速堆栈算法相比，连续存车、交叉存取、连续取车平均时间分别减少40.58%、39.25%、36.86%，有效缩短存取车的时间，提高智能立体车库的存取车效率。

3 结语

传统智能车库的研究多以存取车机械结构为基础，车位采用随机分配原则，本文更加注重效率及能源消耗的结合，创新点在于提出快速堆栈的方法。本文所研究的智能立体车库主要考虑车库的分配，使用快速堆栈的算法，根据立体车库的特点进行优化。最后通过实验验证了快速堆栈算法的可行性。基于快速堆栈的可转位智能立体能够有效提高存取车的效率，很大程度上降低能源消耗，大大地缩短顾客的等待时间。