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物流管理视角下密集停车库的调度策略研究

论文编号:lw202007211458439388 所属栏目:物流管理论文 发布日期:2020年08月01日 论文作者:无忧论文网

本文是一篇物流管理论文,本文针对城市“停车难”的现状以及国内立体车库使用率较低的情况,提出一款空间利用率和安全性能得到很大提升的密集停车库的概念设想,在对其工作原理和存取流程进行说明的基础上,主要研究此款车库的调度策略。构建了密集停车库基于能耗优化和顾客等待时间优化的多目标优化数学模型,运用遗传算法和贪心算法进行模型求解,对比分析三种不同调度策略在车库高峰期和平峰期的表现,进而得出特定情境下的最优调度策略。


第一章 绪论


第一节 研究背景及意义

一、研究背景

近些年,我国的经济发展日新月异,人民收入水平的日益提高,随之而来的是生活质量的迅速提升,从而导致我国机动车保有量不断增长。通过查询公安部最新的统计数据可以看到,2019 年我国新注册登记的机动车有 3214 万辆,其中新注册登记汽车 2578 万辆,汽车保有量达 2.6 亿辆,与 2018 年底相比,增加 2122 万辆,增长 8.83%。私家车近五年的年均增长为 1966 万辆,全国多个城市的汽车保有量数以百万计,其中,包括北京、成都、重庆在内的 11 个城市的汽车保有量已经超过 300 万辆。汽车数量的持续增长不仅造成了越来越严重的交通拥堵问题,同时也给城市停车出了一大难题。国家发改委公布的数据显示,目前我国大部分城市的汽车与停车位的比例过低,城市停车位需求缺口超过5000 万个。停车资源紧缺和汽车数量的不断增长,使“停车难”问题已经成为了城市发展过程中的通病。这一问题不仅导致车主停车不便,还造成了乱停车的社会现象,不仅影响市风市容,还会导致一系列交通问题,如交通堵塞和交通事故等,非常不利于城市的文明建设,并且给人们的日常生活造成很多不便。
立体车库的出现在一定程度上提升了停车用地的空间利用率,理论上来讲,是一个解决停车难问题的有效方法。日本相对我国而言,其国土面积偏小,汽车数量也非常庞大,但是在日本的停车系统中,立体停车设备的占比已经高达70%。而国内立体车库的使用率非常不理想,到 2018 年为止,全国已建成的立体车库停车位仅 3 万余个(陈新,2018)。究其原因,一方面是现有立体车库的建造成本较高、投资回报率低,维护费用高,另一方面是现有各种结构立体车库复杂的传动系统、控制系统、执行系统难以保证绝对安全,发生意外的风险较高。据新闻报道,2013 年 9 月和 2015 年 4 月,在武汉和上海分别的发生了由于使用立体车库导致的车辆意外滑落事件,致使车辆损坏严重甚至直接报废。由此可见立体车库在我国的发展无论是从市场使用率来看还是从其设计优化方面都有很大潜力。
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第二节 文献综述

一、立体车库设计发展现状

随着城市人口和车辆规模的不断扩大,城市中心、写字楼办公区、居民小区、学校、医院,“停车难”问题已经存在于城市的角角落落,成为制约城市进步的一大难题。为了节省土地资源,提高单位面积上的空间利用率,停车向立体化发展是一个必然的趋势,立体车库便应运而生。

立体车库的发展历史和汽车工业的繁荣发展是密不可分的,在第二次汽车工业革命之后,欧洲的汽车工业逐渐壮大,汽车数量迅速攀升,随之而来的便是停车问题,为了更好的利用有限的空间,第一个立体车库出现了。因此,欧洲最早开始了对立体车库的研究,距今已有 70 多年的历史(彭家瑶 等,2016)。日本紧随其后,伴随着汽车工业的蓬勃发展,也开始了对立体车库的研究设计,但由于日本土地狭小,发展到塔式立体车库时才得以广泛应用;之后,韩国也开始了对立体车库的研究。自 20 世纪 70 年代末以来,世界经济高速发展,汽车保有量不断增加,各发达国家加快了对机械式停车技术的研究。其中美国、日本和德国等发达国家在立体停车设备制造上的技术水平领先于其他国家。
我国的汽车工业在改革开放之后才得以发展,因此我国的立体车库发展也同样较晚,距今大约有近 30 年的历史(贺玲芳,2001)。承德京承科工联合机械总厂在 1991 年,自主设计开发了我国第一台垂直循环式立体停车设备。在此之后,随着汽车行业和建筑业的快速发展,我国立体停车设备的相关研究逐渐得到重视和关注,立体停车设备也得到逐步推广,新兴的停车设备行业得以形成,在同一时期第一批获得国家颁发的立体停车设备制造资质的企业就有 22 家(李海英,2006)。经过引进国外的已有技术和一段时间的自主研发之后,随着汽车制造及销售产业的迅速发展,我国的立体停车设备行业开始得到快速发展。

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第二章 密集停车库概述


第一节 密集停车库的总体概念设想

将九宫格的思想延伸到立体车库,设想一款可以做到密集停车的立体车库,在车库结构及调度方式上进行创新,极大的提升了空间利用率和车辆存取效率。密集停车库的结构如图 2.1,将每个停车单元依据车辆的尺寸大小设置为标准的通用尺寸,通过可四向移动的载车板来进行车辆的移动、存取,以实现密集化停车。
图 2.1 密集停车库示意图

所有车位均编号管理,每个停车位给定唯一的固定地址编号,同时也利用其车牌号予以管理,即每辆车均有唯一的性质属性编号(车牌号)。每个车位均利用密集布置的四向移动载车板完成密集停车以及自动存、取车作业。当车位上停有汽车时,车位状态置为“忙”,同时将车位号和当前汽车的车牌号配对,即将车辆信息和车位信息配对。当前车位上没有停车时,车位状态置为“闲”。若当前车位上停的汽车发生移动(如给待出库或入库汽车让路)则计算机系统自动将当前汽车号牌信息和新车位号配对。同时清空上一车位的车辆号牌信息。

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第二节 密集停车库的存取流程

存车时,当客户发出存车请求,计算机收到存车指令后,系统根据当前车库的“忙、闲”状态自动分配一个合适的车位给待停汽车,同时自动规划移车路线。待停汽车被开至进出场车位。系统根据当前规划路线上的“障碍车”分布情况。分别将当前路径上的“障碍车”移动开以给当前入场车让路,即规划当前入场汽车的路径时结合主动避障(根据上一时刻车位的忙闲状态规划移车路径)和“障碍车”主动避车(路径上的“障碍车”主动移开以给进场车让路)正反两种方法。另外,密集停车场的车位均是编号管理,即每个车位均有唯一的地址属性。同时每辆车也有唯一的性质属性(如:车牌号)。每辆车的性质属性和其停放车位的地址属性均一一配对。车辆离开当前车位后系统自动变更这种一一对应关系,
即任一车辆的当前所在位置是明确的。存车流程如图 2.2

图 2.2 密集停车库存车流程

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第三章 相关理论介绍.............................. 24

第一节 多目标优化问题................................... 24

第二节 遗传算法......................... 25

第三节 多目标优化与遗传算法................... 32

第四章 密集停车调度问题数学建模和求解.....................................36

第一节 数学模型的建立............................. 36

第二节 遗传算法的应用实现..................... 40

第三节 贪心策略的应用实现.................................. 42

第五章 结论与展望................................ 57

第一节 结论............................... 57

第二节 展望............................ 57


第四章 密集停车调度问题数学建模和求解


第一节 数学模型的建立

一、三种调度策略

车辆的存取操作会花费一定的时间,在这个过程中,会不断的有新的存取请求出现,不可避免的会出现存取冲突,造成车辆的排队问题。该如何处理排队情况下的车辆存取调度是一个值得研究的问题,将密集立体停车库的调度策略分为存车优先、混合存取、取车优先三种策略来进行研究,通过后续的数值实验研究在不同的外部环境下究竟该选取哪种调度策略是更为合适的。

存车优先策略是指在出现存取冲突的情况下,判断各个车辆的动作请求,优先处理存车动作,在所有发出存车动作的请求中,根据存车时间点的先后顺序进行车辆的存放;取车优先策略则是优先处理取车动作,在所有发出取车动作的请求中,根据取车时间点的先后顺序进行车辆的存放;混合存取策略是指不区分存车或取车动作,判断各车辆发出存取动作请求的时间点,按时间点的先后顺序来进行存取调度。

图 4.1 密集停车库平面布局及编号示意

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第五章 结论与展望


第一节 结论

本文针对城市“停车难”的现状以及国内立体车库使用率较低的情况,提出一款空间利用率和安全性能得到很大提升的密集停车库的概念设想,在对其工作原理和存取流程进行说明的基础上,主要研究此款车库的调度策略。构建了密集停车库基于能耗优化和顾客等待时间优化的多目标优化数学模型,运用遗传算法和贪心算法进行模型求解,对比分析三种不同调度策略在车库高峰期和平峰期的表现,进而得出特定情境下的最优调度策略。

通过第四章的算例实验和数据分析,可以看出,在优先考虑能耗优化的高峰期,采取混合存取策略是最优的,在优化能耗的前提下,不会造成过长的顾客等待时间。而在平峰期,采取取车策略是最优的,此时车库的能耗和顾客总等待时间都是三个策略中最优的;在优先考虑时间优化的高峰期,采取混合策略是最优的,此时的能耗不是最优的,然而顾客总等待时间为最优情况。在平峰期,采取取车优先策略是最优的,此时车库的能耗和顾客总等待时间都是三个策略中最优的。

密集停车库的

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