PDF《巷道堆垛式自动化立体车库库位布局方案的优化》

第5 8卷第3期 厦门大学学报( 自然科学版) V o l .

5 8 N o .

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0 1 9年5月JournalofX i a m e nU n i v e r s i t y( N a t u r a lS c i e n c e ) M a y2

0 1

9 h t t p: ∥ j x m u . x m u . e d u . c n d o i :

1 0.

6 0

4 3 / j . i s s n .

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6 巷道堆垛式自动化立体车库库位布局方案的优化 张海飞, 李建国* , 王小农 ( 兰州交通大学自动化与电气工程学院, 甘肃 兰州

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0 0

7 0 ) 摘要:为了提高立体车库的服务效率, 以排队论研究了巷道堆垛式自动化立体车库. 在顾客的平均等待时间和平均等 待队长的参考标准下, 分析了单服务台系统的车库在随机分配和就近分配两种库位分配情况下的布局方案. 结果表明:

1 )M/ M/ 1排队模型时, 4层6列的库位布局的效果最佳, 而且就近库位分配策略下顾客平均等待时间和平均等待队长 比随机库位分配策略分别减少了约0.

3 3m i n和0.

0 7辆;

2)M/ M/

1 / N /∞排队模型时, 排队系统容量分别为5,

1 0,

2 5,

5 0辆时, 7层1 0列的库位布局的效果最佳, 而且就近库位分配策略下顾客平均等待时间、 平均等待队长和堆垛机空闲概 率比随机库位分配策略分别缩短了约0. 2~0. 4m i n 、 0.

0 0 6~0.

1 4 9辆和0.

5 3 4~0.

5 8 7个百分点. 关键词: 智能交通;

库位布局;

排队论;

立体车库;

平均等待时间;

平均等待队长 中图分类号: U4

9 1. 7;

T P2

7 文献标志码: A 文章编号:

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7 9 (

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1 9 )

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0 6 收稿日期:

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0 5 录用日期:

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1 1 -

2 6 基金项目: 甘肃省自然科学基金(

1 5

0 6 R J Z A

0 7

3 ) ;

甘肃省建设科技攻关项目( J K

2 0

1 6 -

1 0 ) *通信作者:

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0 4

6 7 6@q q . c o m 引文格式: 张海飞, 李建国, 王小农. 巷道堆垛式自动化立体车库库位布局方案的优化[ J ] . 厦门大学学报( 自然科学版) ,

2 0

1 9,

5 8 (

3 ) :

4 3

6 -

4 4 1. C i t a t i o n : Z HAN G H F, L I JG, WAN GXN. O p t i m i z a t i o no n l a y o u t p l a no f a u t o m a t e ds t e r e o s c o p i cg a r a g e s p a c e f o r s t a c k i n g [ J ] . JX i a m e nU n i vN a tS c i ,

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1 9,

5 8 (

3 ) :

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6 -

4 4 1. ( i nC h i n e s e ) 随着社会的发展、 城市人口日益增多, 停车问题 逐渐成为城市的一大难题. 由于停车位需求的不断增 加, 而立体车库具有存储量大、 自动化程度高等优点, 使得立体车库的需求逐渐提高. 为保证立体车库具有 较高的运行效率, 提高顾客满意度, 在对立体车库进 行设计时需考虑整体库位布局情况. 张伟中等[ 1] 应用排队论的思想, 构造了立体车库 设计方案的优化数学模型, 主要从建造成本计算、 不 同库容量下存取车次数与作业总时间之间的关系进 行分析. 刘日等[

2 - 3] 以排队论为理论依据, 给出了立体 车库运行效率评估的指标, 并分析了单车厅平面移动 式立体车 库的运行效率;

后续又以多色集为理论依据, 针对立体车库存取能耗高的问题, 对立体车库进 行库位分区, 与就近库位分配方式下顾客等待时间和 等待能耗进行了对比, 并用支持向量机( S VM) 对车辆 停留时间范围进行了预测. 徐格宁等[ 4] 以排队论为理 论基础, 分析了立体车库排队模型下不同调度原则对 平均存取时间等指标的影响, 并在一段时间内对比得 到了最优的调度原则. 王丽杰等[ 5] 针对巷道堆垛式立 体车库的传送策略和智能测控方法进行了研究. 李建 国等[ 6] 针对巷道堆垛式自动化立体车库, 提出了一种 基于 遗传算法的堆垛机路径优化方案. C a r l o等[

7 ] 、 E k r e n 等[

8 ] 对自动存取系统(automatedstorage/retrievalsystem, A S / R S ) 进行了分析研究, 分析了多 搬运器与升降机下的动态存储, 并就不同数量堆垛机 和搬运器组合情况下的平均周转时间和搬运器的平 均效率进行了分析. 目前, 针对车库的研究主要停留在对路 径优化、 运行效率、 运行参数优化等方面, 而对车库整体库位 布局的研究较少. 在不同排队系统模型下, 不同层列 布局的立体车库运行效率存在较大差异, 且大多数研 究未考虑不同层列布局对整体运行效率的影响. 本研 究根据前人思想, 采用排队论原理, 以顾客的平均等 待时间以及平均等待队长为标准, 考虑不同层列配置 对顾客平均等待时间和平均等待队长的影响, 给出合 理化的层列构造方案.

1 立体车库的实体模型 巷道堆垛式自动化立体车库的设计框架为多巷 道、 多层列布设, 每个巷道均为双排多层结构, 堆垛机 通过计算机指令, 对车辆进行调度存取[ 9] . 采用多巷 第3期 张海飞等: 巷道堆垛式自动化立体车库库位布局方案的优化 h t t p : ∥ j x m u . x m u . e d u . c n 道多层列存放结构及方式, 最大限度地节约了用地面 积. 巷道堆垛式立体车库立体示意图如图1所示. 图1 巷道堆垛式车库示意图 F i g .

1 R o a d w a ys t a c k i n gg a r a g es c h e m a t i c 在巷道内所进 行的一次存取车操作可分解为3个分方向上的运动[

1 0] : 横向存取运动 X, 实现存取操 作;

巷道方向上的水平运动Y, 即存取车位点所在的列 i ;

垂直升降运动Z, 即存取车位点所在的层j. 对于不 同的车位而言, X 方向上的操作相同, 因此可将模型 简化为单巷道内的二维运动( Y, Z) , 即寻找存取车位 点( i , j) .

2 立体车库仿真模型 本文以北京市某自动化立体车库实际运行数据 为基础数据, 截取一天2 4h即14

4 0m i n内车辆到达 时间, 进行车辆到达时间间隔统计, 如图2所示. 图2 车辆到达时间间隔统计 F i g .

2 V e h i c l ea r r i v a l t i m e i n t e r v a l s t a t i s t i c s 根据图2所示的不同时间间隔内车辆到达数量 进行概率统计, 并采用 MAT L A B进行数据拟合, 得出 该立体车库车辆到达率服从参数为1 8. 2辆/ h, 即0.

3 辆/ m i n的泊松分布. 再对立体车库实际运行系统进行 分析, 顾客排队等待系统服从单服务台服务模型, 因此, 本研究考虑在单服务排队模型下对立体车库不同 排队系统进行库位布局分析. 2.

1 立体车库排队模型 将存取的 车辆作为顾客, 整体车库作为服务机构, 则车辆的到达时间和服务时间都是随机的[

1 1] . 根 据排队论的思想可知, 立体车库对车辆的存取过程可 以看作一个排队系统, 如图3所示. 图3 立体车库车辆排队系统 F i g .

3 S t e r e o s c o p i cg a r a g ev e h i c l eq u e u i n gs y s t e m 排队系统的输入过程服从参数为λ 的泊松分布, 服务时间服从参数为μ 的负指数分布, 且相互独立, 则系统的服务强度为ρ=λ / μ.顾客服从先到先服务 ( f i r s t c o m e f i r s t s e r v e d , F C F S ) 的服务规则. 本研究考虑单服务台下不同排队模型对库位布 局的影响, 故根据不同排队模型对立体车库的库位布 局进行分析, 给出合理化的层列构造方案. 2.

2 立体车库运行指标 根据《 车库建筑设计规范(

2 0

1 5) 》 ( 简称规范) [

1 2] 规定, 1个I / O 口对应约5 0个停车位, I / O 口处应设 置不少于2个的候车位, 当I / O 口分开设置时, 候车 位不应少于1个. 考虑立体车库整体的造价, 立体车 库建造 的最低层数为3层. 堆垛机水平速度v1=80m / m i n , 垂直速度v

2 =2

0 m / m i n . 车库车位的长L0=5m, 宽W0=2m, 高H0=1. 8m. 但是规范中明 显缺少对车位如何进行布局的规定. 针对单服务台系统下不同的排队模型[

1 3 -

1 5] , 顾客 的到达率服从参数为λ 的泊松分布, 顾客的服务时间 服从参数为μ的负指数分布, 并且互相独立, 即λ表示 单位时间内平均到达顾客数( 车辆到达率) , μ 表示单 位时间内服务完成的顾客数( 服务率) , 则系统的服务 强度为ρ=λ / μ,即停车排队系统空闲概率P0 为P0 = ∑ m k=0 ρ k k! -

1 , (

1 ) 其中, k表示停放车辆数, m 表示车库停车位数. 系统内有n个服务窗口, 服务窗口的服务时间服 从负指数分布, 服务率为μ . 如果车库内车辆已满, 新 来的车辆将直接离去, 则系统内必定有 m-n 个可供 车辆排队的位置, 即车库容量为 m- n [

1 6 -

1 7 ] . 为满足车 辆对服务窗口的使用需求, 选取车辆到达率为λ, 则系 ・

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4 ・ 厦门大学学报( 自然科学版)

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1 9年http: ∥ j x m u . x m u . e d u . c n 统的服务强度为ρ=λ / μ,当n 个服务窗口都处于忙 碌状态时, 系统的总服务强度为ρ '

=λ / ( n μ) . 服务窗口排队系统主要指标的计算公式为: Pk = n k ρ k k! P0, ( 0≤k≤n) ;

n n ρ k n! P0, ( n≤k≤ m) . ? ? ? ? ? ? ? (

2 ) 车辆在系统内平均等待时间 W '

q 为: W '

q= n n ρ n +

1 P0[ 1- ( m -n+1 ) ρ M- n + ( m -n) ρ '

] n!( 1-ρ)

2 μ n- ∑ n -

1 k=0 ( n-k) Pk , ( ρ≠1 ) ;

n n ( m -n) ( m -n+1 ) P0

2 n! μ n- ∑ n -

1 k=0 ( n-k) Pk , ( ρ=1 ) . ? ? ? ???? ? ???? (

3 ) 堆垛机空闲概率p s 为: p s = ∑ s -

1 i =0 P i, (

4 ) 其中s为堆垛机的台数.

1 )M/ M/ 1排队模型 M/ M/ 1排队模型是指顾客数无限, 且........