紧凑型自动泊车系统的优化设计和规划

作者 Guangmei Wua，Xianhao Xub，Yeming（Yale）Gongc，*，Reneacute;DeKoster d，Bipan Zou

概要：紧凑型自动泊车（CAP）系统是全自动停车系统，可以密集存放汽车。这种系统主要用于世界各地拥挤的城市，提供快速停车通道和安全的车辆停放方式。我们研究了一项突出的新技术，成本相对较低，反应迅速。该系统有一个旋转环，每层都配有平台，用于水平运输，并使用两个在CAP系统中间升降机进行垂直运输。我们设计了专门的电梯运行方式，它使用一个电梯进行存储，另一个用于检索，在一般的运行方式中它使用两个升降机进行存储和检索。我们基于两种不同的电梯操作方式（专用和一般操作）为单层和多层系统提出排队规划。我们用基于实际应用的模拟来验证分析模型。我们也进行灵敏度分析，我们改变升降机的速度和汽车的旋转速度。然后我们使用分析模型通过最小化检索时间来优化系统布局。然后，结合时间效率和系统成本，我们为设计师找到合适的系统布局。其次，我们比较了两台升降机专用和一般的运行方式。再然后，我们通过分析一个一般的紧凑型自动停车系统来找到最佳的升降机数量。最后，我们计算了CAP系统的投资成本不同的系统配置，并将其与替代设计：立方停车系统进行比较。

1. 介绍

传统的停车系统需要很大的空间，并且会导致污染和拥堵，导致这个的原因是司机经常不断流动去找个空旷的停车位。作为应对方法，紧凑自动化停车（CAP）系统已经被引入。 CAP系统是一个自动停车系统，拥有紧凑的存储区域和自动化汽车处理技术。 这种系统结合迅速进出和安全的车辆存储，最小化占地面积的需要。这种系统（具有圆形设计）已被概念化，用于在仓库中的容器和海运集装箱的堆放存储（参见U024,2012）。 在过去的几十年中，已经为这种系统提供了发达的存储和处理技术。它们被用于世界各大城市，特别是在欧洲，亚洲和北美这些停车位有限而且价格昂贵的地区。

本文研究了一种新的汽车停泊技术，该技术具有高效率和快速响应的特点。该系统包括一个内旋转环，每层都配有移动平台，并且有两个升降机在系统中间（见图1（a）和（b））。我们以存储车辆为例。该电梯将汽车从底层传送到存储层。在那里，汽车被转移，旋转环将梭子平台移动到外部的存储位置环（见图1（d））。第一层和其他层不同，位于地面。外环由几个汽车停车装置组成，汽车由此进入和离开系统。旋转装置用于定位汽车，方便驾驶员和车辆进入穿梭平台。内部旋转环由多个梭子平台和从转台到升降机的运输车组成（见图1（c））。可以找到这些系统的一些变体，例如在YouTube上（见阿联酋航空，2016年2014年列支敦士登; Nctv7，2012）。

和传统的停车场相比，由于使用了多个升降机和梭子平台，CAP系统不仅节省了地面的空间，也提高了停车的效率性。升降梯可以是单独的（包括一个平台，见图1（b））或连续的（包含旋转链上的多个平台）。连续升降机操作类似于垂直输送机，汽车只需等待达到要被运输去的空间。然而，这种自动化系统需要更高的投资，并且可能具有其他的缺点，例如

因为对自动化设备的依赖，可能会产生失效的情况。为了确定投资是否合理，因此首先需要对系统的性能影响进行建模和分析。紧凑型自动停车使用不同的技术系统。他们中的许多人在自动穿梭平台上存放汽车（Gue＆Gin，2007; Zaerpour，Yu＆De Koster，2015b）。这意味着每辆车都存放在自己的穿梭平台上，可以转移到电梯上垂直运输。由于这些穿梭平台非常昂贵（30,000-60,000 /穿梭平台，取决于运动能力），像在图1中描绘的那个系统（更少和更简单的穿梭平台）就很便宜。这种基于车辆存储和检索分析的具有自主穿梭平台的系统与我们的分析的不同，它使用了不同的布局和技术。 CAP系统最重要的性能指标就是它响应时间（客户需要多长时间等待他/她的汽车）和吞吐量（每个小时可以处理多少辆汽车）。估算性能以找到具有所需吞吐量容量的，能存储一定量的，成本可接受的系统设计，是决定CAP系统的关键问题。因此，我们旨在回答本文中的以下研究问题：

1.我们如何建立准确有效的分析模型估计CAP的响应时间和吞吐量？

2.哪种升降机运行方式可以最大化的CAP系统的性能？

3.对于给定了一定存车量的系统而言，为了达到最短的检索时间，采用什么布局（系统高度，每层的存车位数量）是最好的？ 此外，考虑到时间效率和投资成本，哪些设计适合布局？

4.对于一般的CAP系统，升降机数量如何会影响系统性能吗？

5.与立方停车系统相比，投资CAP系统的成本是更高还是更低？

为了回答这些问题，我们首先需要推导出封闭模型，并用排队网络对单层和多层CAP系统进行建模。我们应用近似方法来推导出反应时间，升降机和穿梭平台的使用以及等待升降机和穿梭平台的时间。两个单独的升降机（带一个平台）和连续升降机（有多个平台）。我们考虑离散升降机的两项运行方式：其中专用的运行方式使用一个电梯进行存储而另一个用于检索，以及使用两部电梯进行储存和使用的一般运行方式。对于连续升降梯，仅考虑专用运行方式，因为这种升降梯不能同时处理存储和检索转换。我们建立了仿真模型并使用了从电梯和电梯的分析模型评估中获得的数据穿梭运动的服务时间。其次，这些模型用于比较分离式和连续式升降机的性能，以及专用和一般的运行方式。

1. 我们使用分析模型优化系统布局通过最小化检索时间。此外，结合时间效率和投资成本，我们考虑为系统提供合适的系统布局。第四，我们也研究了一个旋转升降机和一个带多个升降机的普通停车系统。我们找到了具有多个升降机的普通停车系统的最佳升降机数量。最后，我们比较了立方体停车系统和我们设计的CAP系统的成本。

然后给出了本文的回答：

1.我们为制定准确的绩效评估了CAP系统采用两种升降机和升降机运行方式的模型。此外，我们通过设计CAP系统的最小化检索时间，我们证明了系统性能对系统结构和事务处理率的敏感性。我们找到了关键的检索速率的存在：当速率超过此值时，就检索事务和吞吐量而言，升降机连续升降梯的形式更好。

否则的话，优先选则离散型升降机。

2.我们考虑一个合适的系统布局，结合时间，不同系统配置下的效率和投资成本。结果表明，设计不应该去争取具有最小检索时间的配置，有着更高的检索时间的系统可能会大大降低成本。

3.我们通过这种方式研究：假设CAP系统电梯的数量从1到n，并发现在层数超过5时，升降机的最佳数量总是两个。结果显示这两台电梯的服务能力足够保证CAP系统在最佳系统配置下的效率。

4.我们进行灵敏度分析并改变升降机的速度和速度基于真实CAP的汽车轮换（Nctv7,2012）。我们的研究表明结果对升降机的速度不敏感班车。

5.我们将CAP系统与活动立方停车系统进行比较（Zaerpour，2015b）。结果表明当层数超过4时，CAP系统的投资成本低于立方停车系统。

1. CAP系统描述和建模准备

在本节中，我们首先描述本研究中的CAP系统的操作。然后，我们指定组件

存储和检索事务周期时间，然后是假设和计算。

2.1系统描述

每个停车系统都配备了一个旋转台，可以旋转车辆，方便乘客和司机穿梭。带有多个穿梭平台的旋转环传送升降机和汽车转台之间的汽车。在高层存储汽车（图1（d））。外环用作存储区域，内圈是一个配有多个穿梭平台的旋转环。穿梭平台从升降机中取出汽车并移动它们进入存储位置，反之亦然。旋转环将汽车转移到升降机和存储位置之间的穿梭平台上。

系统中间的两个升降机在第一层和最高层之间运输负载。升降机可以是离散的（即一个升降机平台）或连续的（即具有多个平台）。连续升降机的操作类似于垂直转盘（类似于圆形转向器），不同之处在于输入和输出处于不同层次。当层上的汽车请求平台时，电梯将最近的空平台转移到目标层。在带有连续升降机的CAPS，升降机中的平台数量是如此之大，以至于要存储或检索的汽车无需等待即可获得平台。穿梭平台需要一段时间来装载或者卸下汽车。连续升降机将停止一个常数时间一旦它移动一个单位距离（一层的高度），因为需要等待一个在此平台的底部的平台从第一层移出。我们考虑了两部电梯运行方式：专用运行方式和一般运行方式。在专门的运行方式下，一部电梯存放汽车，而另一部电梯则控制它们更换。根据一般运行方式，两部升降机都可以存放和更换汽车。连续升降机无法处理存储和检索同时进行交易（它们向相反方向移动）。因此，我们只考虑持续的专用运行方式。

3.2符号和假设

表4中定义了本研究中使用的符号（对于必要的符号进行了翻译）。我们注意到具有专用运行方式的单独（离散）升降梯，如DD，采用一般运行方式的单独升降台为DG，以及作为CD的专用运行方式的连续升降梯。我们对CAP系统做出以下假设：

1.汽车随机存放在系统中，这意味着要检索的汽车可能存储在任何存储位置中。

2.将旋转环中的穿梭平台随机分配给汽车，即可用的穿梭平台将定位在旋转环，在任何位置都是相同的概率。

3.存储和检索事务都遵循a停泊过程（即一个车辆来到一层就需要等待穿梭平台），即任何两个相邻的平台的检索事务都遵循指数分布。

4.电梯和旋转环的服务规则都是First-Come-First-Service（FCFS）（先到先进行处理）。

5.电梯和穿梭平台两个平台在旋转环中的停留点是服务点完成（POSC），也就是他们将停留在最后一次操作的位置。

6.我们确实考虑了升降机和旋转环的加速和减速。

7.穿梭平台从存储位置和升降平台装载/卸下的时间是相同的。

8.每层的穿梭平台数量和每层的存储位置数量是相同的。

2.3存储和检索事务周期时间的组成部分

基于存储和检索的操作过程在事务中，在DD运营政策，DG运营政策和CD运营政策的情况下我们写下存储所需周期时间，写为Eq1。

我们可以将检索事务所需周期时间写为Eq2。

注意，在连续升降梯的情况下，WS1 = 0，并且WR1 = 0。在第3节中，我们计算了运行时间（tS1，tSl，tST，tR1，tRl，tRT）并建立来估计预期的等待时间（WS1，WS1，WST，WR1，WRl，WRT）

1. 性能评估的分析模型

我们构建开放式排队网络以进行性能评估在4.1节中，计算节点中的节点的服务时间在4.2节中排队网络，并给出解决方法第4.3节。

4.1.为CAP系统排队网络模型

CAP系统的操作可以用队列网络建模。我们这样做是为了连续升降梯和离散（单独）升降梯分别以专用和一般运行方式解除。连续升降在图2中，升降机和穿梭平台在移动时在被建模与被服务汽车分别垂直和水平。存储和检索被建模为客户类型。

存储和检索事务可以分为T-1类，基于指定的存储或检索层。在论文的其余部分，存储层t（t = 2，...，T），其中必须执行的存储或检索转换也定义为客户类型。图2显示了CAP系统的排队网络一个连续的升降梯。存储事务到达第一层到达率lambda;s，导致不同层级的到达率lambda;s2，lambda;s3,.....lambda;sT，带如Ti =2lambda;si=lambda;s。存储需要在第一层进行穿梭，然后在要求的穿梭机上进行从其停留点移动到存储位置的行动。我们将此操作建模为服务节点mu;s11，其具有Ns服务器，因为每个服务节点都具有Ns个平台。穿梭车到达储物车后，它装车。 该操作被建模为服务节点upsilon;lu。我们将mu;lu建模为无队列的无限服务器节点。然后存储进入位置中，其中旋转环将梭子旋转到升降机。穿梭平台在到达升降机后卸下汽车，同时建模为服务节点mu;lu。

接下来，事物进入代表该站的站点将存储汽车从第一层垂直运输到其设计指定层 。由于升降梯是连续升降梯式的，事物在有效的在节点处没有等待。 因此，我们模拟服务节点mu;sl作为无限的服务器。 当存储汽车到达指定层，它会请求穿梭平台，然后穿梭平台从它的停留处移动向升降机，其被建模为服务节点mu;st1，其中t = 2,3.... 然后，穿梭平台装载汽车（upsilon;lu）并运输它到存储位置（mu;st2，t = 2,3，... T）。 接下来，穿梭平台重新卸下汽车（uuml;lu）。 最后，汽车存储在其指定层，并且离开排队系统。

检索事务处理过程和存储处理过程是相反的。 我们使用符号位lambda;rt , mu;rt,1, mu;rt,2（t = 2,3，... T）来表示每个服务节点的到达率和服务率，存储过程节点符号的位置lambda;st , mu;st,1, mu;st,2，（t = 2,3，... T）。

使用专用升降机形式的离散升降机

连续和离散升降机之间的区别是可用平台数量。 汽车可能需要等待离散升降机的平台，而连续升降梯不需要等待。 该差异反映在服务节点mu;sl和mu;ll中（图3）。 对于连续升降梯，mu;s和mu;l都是无限的服务器，虽然它们都是用于离散式升降的单独的服务器。 对于DD运营政策，事务到车站sl中电梯来装载汽车，然后从第一层运输汽车到指定层。

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英语原文共 20 页

资料编号：[3334]