环境友好型共享单车立体存放系统

肖磊，黄薰好，崔悦琪，钟丽，杨梅*

（1. 华北理工大学 建筑工程学院，河北 唐山 063210；2. 华北理工大学 经济学院，河北 唐山 063210； 3. 华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063210）

0 引言

近年来，随着共享经济和移动互联网的飞速发展，一种新型环保的绿色交通工具——共享单车应运而生[1]。因其符合低碳出行理念，是城市绿色交通系统的组成部分，能在一定程度上缓解城市交通拥挤而备受青睐。

然而，随着各地共享单车投放量的急剧增加，出现了单车摆放混乱无序浪费大面积土地资源、占用人行道及车道堵塞交通、停车设施不健全造成车辆损坏等一系列严重的城市交通问题（如图1，2为实地调研情况）。这不仅造成交通拥堵，存在较大的交通隐患，而且还严重影响了城市形象。因此，设计一种尽可能多的存放共享单车，而最少程度占用土地资源的停车设施是一个现代城市亟待解决的难题。

图1 北京某地铁站附近 Fig. 1 Near a subway station in Beijing

图2 北京某公交地铁接驳站点 Fig. 2 A bus and subway connection site in Beijing

早在50 多年以前[2-3]，国外便采用了立体停车的设计方案来解决停车问题，先后出现了适合家庭使用的双层停车设备、城市中心商业区停车楼等。自20 世纪70 年代后期以来[4]，美国、德国、日本等发达国家在停车领域有了较多研究。但国内外在立体停车方面的研究几乎针对小轿车而言，对单车方面的研究却非常少。若能借鉴国外小轿车立体车库的原理设计一个共享单车的存放系统，那么其应用价值、经济价值和社会价值都是无限宽广的。

在理论研究方面，国外的 Albert Gragera 和 Daniel Albalate[5]通过对34 个车库的数据研究，分析了路边停车管理对车库需求的影响。Han M 等学者认为，立体车库是一个随机离散排队服务系统[6]；Czesław Pypno 和Grzegorz Sierpiński[7]通过排队论，研究了拥有1000 多个车位的自动化大容量多层车库的服务过程。同时，立体车库的发展趋势呈现多元化，涵盖交通、计算机、机械自动化等多个领域。John Keble[8]认为未来立体车库管理应当更加快捷集约，逐步朝着自动化、一体化、整体化的方向发展，最终形成一个无人管理的完备存放系统[9]。

卢正[10]设计出了一种针对自行车的悬挂式立体停车装置，但停放的自行车数量少，土地资源得不到充分利用。老焯源[11]基于单车存放安全性低、停放空间浪费等问题，通过三维建模和模型制作研制了一种简单的单车存放系统。鲁武林[12]通过对PLC 自动化控制的设计，仿真和论证了PLC 系统对于车辆存取的可行性和有效性。张育斌[13]针对现有立体车库的控制系统的自动化程度低问题，开发了一种巷道堆垛式的立体车库管理系统。但这些方案停放的自行车数量少，土地资源得不到充分利用，没有考虑自行车的安全问题，也没有盈利性方案，只是一种公用品性质的设计，没有考虑到政府负担。故而设计一种存储量大，节约土地资源，自动化程度高，存取便捷，安全性高，以及持续盈利的共享单车立体存放系统来改变现状显得尤为重要。

1 方案设计

1.1 设计目标

本文设计了一种运用PLC 控制的环境友好型共享单车立体存放系统来解决共享单车的停放问题，它主要适用于商场、学校、地铁站、公交站等共享单车密集停放区域，旨在为用户提供一个便捷集约的存取中心，在改善城市交通环境的同时减少土地资源的占用，提升城市的品牌形象。该存放系统具有占地空间小，存储量大，自动化程度高，存取快捷等特点，巧妙地将智能系统和传统机械机构进行了更大程度的完美结合。驱动电机在存放系统中的运动由PLC 自动化整体控制，存取共享单车的安全性和便捷性明显提高，存取过程稳定性显著改善，用户存取时间大大减少，如图3 是一个共享单车立体存放系统的整体效果。

图3 共享单车立体存放系统整体效果图 Fig. 3 Shared bicycle stereo storage system overall effect picture

1.2 设计方案

共享单车立体存放系统，总体分为电脑端（PC端）、PLC 控制端和车库系统三大部分。其中车库系统由五部分组成：操作显示系统、检测系统、机械臂及导轨系统、水平移动系统和垂直升降系统，如图4 所示。

存车时：用户将共享单车放入平台的导轨槽，通过手机端选择存车方式。经系统检测识别后，车库内部伸出机械臂，夹住共享单车前车轮，然后缩回手臂，单车便顺着机械臂缩回的方向水平进入车库。当单车前进到垂直升降系统中心轴的时候，开始进入上升阶段。通过PC 端监控计算，将结果实时反馈至PLC 控制系统，水平移动系统使单车绕着中心轴转动一定的角度后指向目标“停车位”所在方向，同时垂直升降系统使之上升相应的距离到达“停车位”所在高度。最后，机械臂将单车沿导轨槽推送至指定位置。至此，整个工作流程结束，全程设计时间约10～15s 左右。取车时：系统反向运行，运行原理不变。

1.2.1 操作显示系统

操作显示系统与共享单车公司（如ofo、mobike等）进行数据实时对接，用户通过微信、支付宝或APP 方式扫描二维码，即可进行存取操作。为实现更友好的用户交互，采用触屏作为操作界面，既可触摸屏幕选择，又可使用手机直接进行数据同步选择，方式灵活，满足不同用户喜好。当用户进行存车操作时，操作显示系统会将车辆检测系统给出的当前车辆运行状态的返回值，显示在该面板上，如图5 所示。

1.2.2 检测系统

通过使用传感器等设备来执行检测，此部分检测信息包括：车辆是否固定于机械臂、是否进入运行轨道、当前运行轨道上是否有障碍物、垂直升降系统是否能够和横移系统实现无缝结合等，并且当存取共享单车时识别单车的类型（如：ofo、mobike等）。存放系统按照不同类型的共享单车进行分类存放，并将其放置于不同的导轨位置。存车到车库里面就相当于把共享单车锁上，即结束行程。整个 存取过程速度极快，较大程度降低了用户存取共享单车所消耗的时间。如图6 是一个存车过程中检测系统的状态显示。

图4 共享单车立体存放系统架构图 Fig. 4 Shared bicycle stereo storage system structure diagram

图5 存取方式选择界面 Fig. 5 Access mode selection interface

图6 存车过程检测界面 Fig. 6 Storage process detection interface

1.2.3 机械臂及导轨系统

运载共享单车过程采用机械臂来实现，作为优选，设计采用电动式驱动机械臂，它具有反应快捷、工作灵活等优势。存入共享单车时，用户先将其放在平台导轨槽上，机械臂夹住共享单车前轮，共享单车支架转动到合适的位置，使其平稳地进入车库内。如果底层的共享单车存放导轨槽已放满，通过传感器感应传送信号到机械臂，机械臂会将其运送至高层的空闲存放导轨槽上（如图7 所示）。

导轨系统是存放系统的运行设备，共享单车的存取通过导轨槽进行运输。导轨槽分为两部分，一是外部车库口前的导轨槽（如图8 所示），用于存入共享单车前的定位，便于检测后与机械臂上的导轨槽对接；二是车库内部用于存放共享单车的大量导轨槽及机械臂上的导轨，如图7 所示，存放单车时机械臂通过推送单车使其沿着对接的导轨槽进入指定存放点。

图7 机械臂 Fig. 7 Manipulator

图8 车库口前的导轨槽 Fig. 8 Guide slot in front of the garage door

1.2.4 水平移动系统

水平移动系统用于实现共享单车水平方向的全方位移动，与机械臂及导轨系统、垂直升降系统等相辅相成，共同进行工作。存车时，用户首先将单车放入导轨槽，传感装置检测到车辆放入后，机械臂便固定单车，然后将单车沿着轨道拖到垂直升降系统中心轴。作为优选，水平移动系统采用滚子链传动，这样不会出现弹性滑动以及打滑现象。水平移动系统如图9 所示。

图9 水平移动系统 Fig. 9 Horizontal movement system

1.2.5 垂直升降系统

垂直升降系统用于实现单车竖直方向上的升降传送，并配合水平移动系统一起工作。工作时，由PC 端计算共享单车“停车位”的具体位置，然后将计算结果通过PLC 控制系统调控，实时反馈给共享单车系统，使单车绕着中心轴转动一定的角度后指向“停车位”所在的方向，然后上升或者下降相应的距离到达“停车位”所在的高度。然后，横移系统的机械臂将单车沿卡槽推送至指定位置。为了提高存取效率，采用两个中轴作为传输轨道，这两个垂直升降系统可以单独运行，互不影响。作为优选，本设计采用齿轮齿条升降形式，其承载能力大，传动的精确度高，同步性好，工作平稳。垂直升降系统如图10 所示。

图10 垂直升降系统 Fig. 10 Vertical lifting system

1.2.6 PLC 控制系统

可编程逻辑控制器（PLC）[14]，是专为工业环境下运用所设计的一种数字运算操作电子装置。作为优选，本作品采用三菱FX3U-48MR 基本模块PLC，此PLC 通过CC-Link 网络的扩展可以实现最多达384 点的控制，大幅增加了内部软元件的数量。FX3U 系列[15]内部的编程口能够实现115.2kbps 的高速通信，拥有更加良好的通信功能。

采用PLC 控制[12]，特别是变频器的增加，能够更加快速、精准地实现一键存取共享单车的功能，以及对运输共享单车速度和限位的控制。采用PLC一体的变频器控制驱动电机，可以实现在车库内部的水平移动和垂直升降运动，极大程度提高了运输共享单车的速度和存取过程稳定性，还大大减少了存取共享单车的时间。

2 可行性分析

2.1 政策可行性

国务院在《“十三五”节能减排综合工作方案》（国发〔2016〕74 号）中指出，加快建设资源节约型、环境友好型社会，促进交通运输节能，推动交通运输智能化，建立“共享型”交通运输模式。本作品设计的环境友好型共享单车立体存放系统不仅减少了土地资源的浪费，而且体现了“智能·共享·综合”的主题。

住房城乡建设部，国家发展改革委和财政部在《关于加强城市步行和自行车交通系统建设的指导意见》（城建〔2012〕133 号）中指出，应当按要求在公共建筑、公园、广场等设置自行车停车设施；必须在轨道交通车站、公共交通换乘枢纽等设置自行车停车设施。而本作品设计的共享单车立体存放系统正好符合了国家政策，因此具备有力的政策支持和良好的发展前景。

2.2 经济可行性

立体存放系统的建立，将极大减少共享单车的自然损耗、人为损毁和“私人化”，从而大程度上降低共享单车公司的维护消耗和生产成本。通过数据分析，如果以ofo 公司一年内投放1000 万辆单车计算，则需要10000 名维修员工，每年需支付薪酬5.04 亿，而一向以质量主打市场的摩拜每年所需维修费用也高达2 亿元。并且，按照ofo 和摩拜平均生产成本计算，封闭式的车库可避免单车“私人化”，这样每年平均可节省7.2 亿元。

与传统大面积存放方式相比，立体存放系统的土地有效利用率能够提升几十倍。通过访问中国地价信息服务平台可知当年地价，现以第一季度的报价为标准，按照传统存车方式占地面积的1/40 计算，以北京为例，平均单位面积可节约成本200 万左右，这些节约的费用足以覆盖建库及其运行成本。而且更为重要的是，在车库建成之后，位于人流密集地段（商场、地铁站、公交站台、学校等）的车库外观墙壁可作为广告墙面使用，从而长效地获得稳定的广告收入。例如，以一个能存放150 辆共享单车，高约7.8 米，直径约7.3 米的圆柱形立体车库为例，外观墙壁广告面积总计约80 平米，投入一个人均GDP 为8.72 万元的中等城市，在核心地段年可获利196 万左右。前期投入的建造资金可以在第三年末收回，从长远来看，这是一个比较稳健盈利的方案。

3 创新特色及应用前景

3.1 创新特色

一是节约土地资源。设计的占地面积很小[16]，但有效面积却很大，是传统存放方式土地利用率的几十倍以上，非常适用于城市中心拥有极为紧张土地资源的地段投入建设。

二是减少资源浪费。解决了共享单车占用人行道，妨碍人行交通；停车位监视不严，容易被盗窃；不良气候和人为因素对共享单车造成损耗等问题，极大减少了社会资源的浪费。

三是方便和高效率。立体存放系统能够自动收集不同共享单车信息，进行分类存放，并且存取处可显示存储的具体情况。用户存取车直接交给系统完成，实现一键存取单车。

四是投资效益可观。当今城市寸土寸金，相同面积下设计的存放系统要比传统的停放点土地利用率提升几十倍，而且稳健的广告收益更能吸引众多的投资商，具有广阔的市场前景。

3.2 应用前景

解决城市静态交通问题的有效措施——建立自动化的立体停车系统，具有绿色环保、存取快捷、安全稳定、集约高效、操作简单等优点，拥有良好的应用前景。相比于传统的地上或地下停车设施[16]，自动化立体存放系统具备极大的潜力和优势，适用于商场、学校、车站等共享单车密集停放区域，本方案对于共享单车公司及政府都具有较强的实际参考意义和推广价值。

4 结语

设计了一种运用PLC 控制的环境友好型共享单车立体存放系统，旨在尽可能多的存放共享单车而最少程度占用土地资源的基础上，解决当今城市交通拥堵问题，为用户提供“智能—共享—绿色”的共享单车存取中心，以此降低能源、资源、经济等损耗。本作品是符合当今社会价值观的智能交通设计，可以促成更多的低碳环保的绿色出行，契合智能共享、环境友好的基本理念，因此具有较强的实际参考意义和推广价值。