環境友好型共享單車立體存放系統

肖磊，黃薰好，崔悅琪，鐘麗，楊梅*

（1. 華北理工大學 建筑工程學院，河北 唐山 063210；2. 華北理工大學 經濟學院，河北 唐山 063210； 3. 華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210）

0 引言

近年來，隨著共享經濟和移動互聯網的飛速發展，一種新型環保的綠色交通工具——共享單車應運而生[1]。因其符合低碳出行理念，是城市綠色交通系統的組成部分，能在一定程度上緩解城市交通擁擠而備受青睞。

然而，隨著各地共享單車投放量的急劇增加，出現了單車擺放混亂無序浪費大面積土地資源、占用人行道及車道堵塞交通、停車設施不健全造成車輛損壞等一系列嚴重的城市交通問題（如圖1，2為實地調研情況）。這不僅造成交通擁堵，存在較大的交通隱患，而且還嚴重影響了城市形象。因此，設計一種盡可能多的存放共享單車，而最少程度占用土地資源的停車設施是一個現代城市亟待解決的難題。

圖1 北京某地鐵站附近 Fig. 1 Near a subway station in Beijing

圖2 北京某公交地鐵接駁站點 Fig. 2 A bus and subway connection site in Beijing

早在50 多年以前[2-3]，國外便采用了立體停車的設計方案來解決停車問題，先后出現了適合家庭使用的雙層停車設備、城市中心商業區停車樓等。自20 世紀70 年代后期以來[4]，美國、德國、日本等發達國家在停車領域有了較多研究。但國內外在立體停車方面的研究幾乎針對小轎車而言，對單車方面的研究卻非常少。若能借鑒國外小轎車立體車庫的原理設計一個共享單車的存放系統，那么其應用價值、經濟價值和社會價值都是無限寬廣的。

在理論研究方面，國外的 Albert Gragera 和 Daniel Albalate[5]通過對34 個車庫的數據研究，分析了路邊停車管理對車庫需求的影響。Han M 等學者認為，立體車庫是一個隨機離散排隊服務系統[6]；Czes?aw Pypno 和Grzegorz Sierpiński[7]通過排隊論，研究了擁有1000 多個車位的自動化大容量多層車庫的服務過程。同時，立體車庫的發展趨勢呈現多元化，涵蓋交通、計算機、機械自動化等多個領域。John Keble[8]認為未來立體車庫管理應當更加快捷集約，逐步朝著自動化、一體化、整體化的方向發展，最終形成一個無人管理的完備存放系統[9]。

盧正[10]設計出了一種針對自行車的懸掛式立體停車裝置，但停放的自行車數量少，土地資源得不到充分利用。老焯源[11]基于單車存放安全性低、停放空間浪費等問題，通過三維建模和模型制作研制了一種簡單的單車存放系統。魯武林[12]通過對PLC 自動化控制的設計，仿真和論證了PLC 系統對于車輛存取的可行性和有效性。張育斌[13]針對現有立體車庫的控制系統的自動化程度低問題，開發了一種巷道堆垛式的立體車庫管理系統。但這些方案停放的自行車數量少，土地資源得不到充分利用，沒有考慮自行車的安全問題，也沒有盈利性方案，只是一種公用品性質的設計，沒有考慮到政府負擔。故而設計一種存儲量大，節約土地資源，自動化程度高，存取便捷，安全性高，以及持續盈利的共享單車立體存放系統來改變現狀顯得尤為重要。

1 方案設計

1.1 設計目標

本文設計了一種運用PLC 控制的環境友好型共享單車立體存放系統來解決共享單車的停放問題，它主要適用于商場、學校、地鐵站、公交站等共享單車密集停放區域，旨在為用戶提供一個便捷集約的存取中心，在改善城市交通環境的同時減少土地資源的占用，提升城市的品牌形象。該存放系統具有占地空間小，存儲量大，自動化程度高，存取快捷等特點，巧妙地將智能系統和傳統機械機構進行了更大程度的完美結合。驅動電機在存放系統中的運動由PLC 自動化整體控制，存取共享單車的安全性和便捷性明顯提高，存取過程穩定性顯著改善，用戶存取時間大大減少，如圖3 是一個共享單車立體存放系統的整體效果。

圖3 共享單車立體存放系統整體效果圖 Fig. 3 Shared bicycle stereo storage system overall effect picture

1.2 設計方案

共享單車立體存放系統，總體分為電腦端（PC端）、PLC 控制端和車庫系統三大部分。其中車庫系統由五部分組成：操作顯示系統、檢測系統、機械臂及導軌系統、水平移動系統和垂直升降系統，如圖4 所示。

存車時：用戶將共享單車放入平臺的導軌槽，通過手機端選擇存車方式。經系統檢測識別后，車庫內部伸出機械臂，夾住共享單車前車輪，然后縮回手臂，單車便順著機械臂縮回的方向水平進入車庫。當單車前進到垂直升降系統中心軸的時候，開始進入上升階段。通過PC 端監控計算，將結果實時反饋至PLC 控制系統，水平移動系統使單車繞著中心軸轉動一定的角度后指向目標“停車位”所在方向，同時垂直升降系統使之上升相應的距離到達“停車位”所在高度。最后，機械臂將單車沿導軌槽推送至指定位置。至此，整個工作流程結束，全程設計時間約10～15s 左右。取車時：系統反向運行，運行原理不變。

1.2.1 操作顯示系統

操作顯示系統與共享單車公司（如ofo、mobike等）進行數據實時對接，用戶通過微信、支付寶或APP 方式掃描二維碼，即可進行存取操作。為實現更友好的用戶交互，采用觸屏作為操作界面，既可觸摸屏幕選擇，又可使用手機直接進行數據同步選擇，方式靈活，滿足不同用戶喜好。當用戶進行存車操作時，操作顯示系統會將車輛檢測系統給出的當前車輛運行狀態的返回值，顯示在該面板上，如圖5 所示。

1.2.2 檢測系統

通過使用傳感器等設備來執行檢測，此部分檢測信息包括：車輛是否固定于機械臂、是否進入運行軌道、當前運行軌道上是否有障礙物、垂直升降系統是否能夠和橫移系統實現無縫結合等，并且當存取共享單車時識別單車的類型（如：ofo、mobike等）。存放系統按照不同類型的共享單車進行分類存放，并將其放置于不同的導軌位置。存車到車庫里面就相當于把共享單車鎖上，即結束行程。整個 存取過程速度極快，較大程度降低了用戶存取共享單車所消耗的時間。如圖6 是一個存車過程中檢測系統的狀態顯示。

圖4 共享單車立體存放系統架構圖 Fig. 4 Shared bicycle stereo storage system structure diagram

圖5 存取方式選擇界面 Fig. 5 Access mode selection interface

圖6 存車過程檢測界面 Fig. 6 Storage process detection interface

1.2.3 機械臂及導軌系統

運載共享單車過程采用機械臂來實現，作為優選，設計采用電動式驅動機械臂，它具有反應快捷、工作靈活等優勢。存入共享單車時，用戶先將其放在平臺導軌槽上，機械臂夾住共享單車前輪，共享單車支架轉動到合適的位置，使其平穩地進入車庫內。如果底層的共享單車存放導軌槽已放滿，通過傳感器感應傳送信號到機械臂，機械臂會將其運送至高層的空閑存放導軌槽上（如圖7 所示）。

導軌系統是存放系統的運行設備，共享單車的存取通過導軌槽進行運輸。導軌槽分為兩部分，一是外部車庫口前的導軌槽（如圖8 所示），用于存入共享單車前的定位，便于檢測后與機械臂上的導軌槽對接；二是車庫內部用于存放共享單車的大量導軌槽及機械臂上的導軌，如圖7 所示，存放單車時機械臂通過推送單車使其沿著對接的導軌槽進入指定存放點。

圖7 機械臂 Fig. 7 Manipulator

圖8 車庫口前的導軌槽 Fig. 8 Guide slot in front of the garage door

1.2.4 水平移動系統

水平移動系統用于實現共享單車水平方向的全方位移動，與機械臂及導軌系統、垂直升降系統等相輔相成，共同進行工作。存車時，用戶首先將單車放入導軌槽，傳感裝置檢測到車輛放入后，機械臂便固定單車，然后將單車沿著軌道拖到垂直升降系統中心軸。作為優選，水平移動系統采用滾子鏈傳動，這樣不會出現彈性滑動以及打滑現象。水平移動系統如圖9 所示。

圖9 水平移動系統 Fig. 9 Horizontal movement system

1.2.5 垂直升降系統

垂直升降系統用于實現單車豎直方向上的升降傳送，并配合水平移動系統一起工作。工作時，由PC 端計算共享單車“停車位”的具體位置，然后將計算結果通過PLC 控制系統調控，實時反饋給共享單車系統，使單車繞著中心軸轉動一定的角度后指向“停車位”所在的方向，然后上升或者下降相應的距離到達“停車位”所在的高度。然后，橫移系統的機械臂將單車沿卡槽推送至指定位置。為了提高存取效率，采用兩個中軸作為傳輸軌道，這兩個垂直升降系統可以單獨運行，互不影響。作為優選，本設計采用齒輪齒條升降形式，其承載能力大，傳動的精確度高，同步性好，工作平穩。垂直升降系統如圖10 所示。

圖10 垂直升降系統 Fig. 10 Vertical lifting system

1.2.6 PLC 控制系統

可編程邏輯控制器（PLC）[14]，是專為工業環境下運用所設計的一種數字運算操作電子裝置。作為優選，本作品采用三菱FX3U-48MR 基本模塊PLC，此PLC 通過CC-Link 網絡的擴展可以實現最多達384 點的控制，大幅增加了內部軟元件的數量。FX3U 系列[15]內部的編程口能夠實現115.2kbps 的高速通信，擁有更加良好的通信功能。

采用PLC 控制[12]，特別是變頻器的增加，能夠更加快速、精準地實現一鍵存取共享單車的功能，以及對運輸共享單車速度和限位的控制。采用PLC一體的變頻器控制驅動電機，可以實現在車庫內部的水平移動和垂直升降運動，極大程度提高了運輸共享單車的速度和存取過程穩定性，還大大減少了存取共享單車的時間。

2 可行性分析

2.1 政策可行性

國務院在《“十三五”節能減排綜合工作方案》（國發〔2016〕74 號）中指出，加快建設資源節約型、環境友好型社會，促進交通運輸節能，推動交通運輸智能化，建立“共享型”交通運輸模式。本作品設計的環境友好型共享單車立體存放系統不僅減少了土地資源的浪費，而且體現了“智能·共享·綜合”的主題。

住房城鄉建設部，國家發展改革委和財政部在《關于加強城市步行和自行車交通系統建設的指導意見》（城建〔2012〕133 號）中指出，應當按要求在公共建筑、公園、廣場等設置自行車停車設施；必須在軌道交通車站、公共交通換乘樞紐等設置自行車停車設施。而本作品設計的共享單車立體存放系統正好符合了國家政策，因此具備有力的政策支持和良好的發展前景。

2.2 經濟可行性

立體存放系統的建立，將極大減少共享單車的自然損耗、人為損毀和“私人化”，從而大程度上降低共享單車公司的維護消耗和生產成本。通過數據分析，如果以ofo 公司一年內投放1000 萬輛單車計算，則需要10000 名維修員工，每年需支付薪酬5.04 億，而一向以質量主打市場的摩拜每年所需維修費用也高達2 億元。并且，按照ofo 和摩拜平均生產成本計算，封閉式的車庫可避免單車“私人化”，這樣每年平均可節省7.2 億元。

與傳統大面積存放方式相比，立體存放系統的土地有效利用率能夠提升幾十倍。通過訪問中國地價信息服務平臺可知當年地價，現以第一季度的報價為標準，按照傳統存車方式占地面積的1/40 計算，以北京為例，平均單位面積可節約成本200 萬左右，這些節約的費用足以覆蓋建庫及其運行成本。而且更為重要的是，在車庫建成之后，位于人流密集地段（商場、地鐵站、公交站臺、學校等）的車庫外觀墻壁可作為廣告墻面使用，從而長效地獲得穩定的廣告收入。例如，以一個能存放150 輛共享單車，高約7.8 米，直徑約7.3 米的圓柱形立體車庫為例，外觀墻壁廣告面積總計約80 平米，投入一個人均GDP 為8.72 萬元的中等城市，在核心地段年可獲利196 萬左右。前期投入的建造資金可以在第三年末收回，從長遠來看，這是一個比較穩健盈利的方案。

3 創新特色及應用前景

3.1 創新特色

一是節約土地資源。設計的占地面積很小[16]，但有效面積卻很大，是傳統存放方式土地利用率的幾十倍以上，非常適用于城市中心擁有極為緊張土地資源的地段投入建設。

二是減少資源浪費。解決了共享單車占用人行道，妨礙人行交通；停車位監視不嚴，容易被盜竊；不良氣候和人為因素對共享單車造成損耗等問題，極大減少了社會資源的浪費。

三是方便和高效率。立體存放系統能夠自動收集不同共享單車信息，進行分類存放，并且存取處可顯示存儲的具體情況。用戶存取車直接交給系統完成，實現一鍵存取單車。

四是投資效益可觀。當今城市寸土寸金，相同面積下設計的存放系統要比傳統的停放點土地利用率提升幾十倍，而且穩健的廣告收益更能吸引眾多的投資商，具有廣闊的市場前景。

3.2 應用前景

解決城市靜態交通問題的有效措施——建立自動化的立體停車系統，具有綠色環保、存取快捷、安全穩定、集約高效、操作簡單等優點，擁有良好的應用前景。相比于傳統的地上或地下停車設施[16]，自動化立體存放系統具備極大的潛力和優勢，適用于商場、學校、車站等共享單車密集停放區域，本方案對于共享單車公司及政府都具有較強的實際參考意義和推廣價值。

4 結語

設計了一種運用PLC 控制的環境友好型共享單車立體存放系統，旨在盡可能多的存放共享單車而最少程度占用土地資源的基礎上，解決當今城市交通擁堵問題，為用戶提供“智能—共享—綠色”的共享單車存取中心，以此降低能源、資源、經濟等損耗。本作品是符合當今社會價值觀的智能交通設計，可以促成更多的低碳環保的綠色出行，契合智能共享、環境友好的基本理念，因此具有較強的實際參考意義和推廣價值。