本文是一篇物流管理论文，本文着眼于 SCAP 系统运行策略与优化问题，对该类系统从理论上进行研究，考虑非预约的 SCAP 系统和预约模式下的 SCAP 系统。主要研究总结如下： （1）首先介绍了 SCAP 系统的主要构成和实际案例，并对其作业过程进行分析。接着总结了紧致化智能停车系统的建模方法，对排队理论基础进行介绍，分析了排队网络模型和优先级排队系统的研究。最后重点分析了评估 SCAP 系统性能和顾客满意度的评价指标，并从系统设计和系统运营层面分析了其影响因素。
第 1 章 绪论
1.1研究背景及意义
1.1.1研究背景
2019 年 7 月 30 日召开的中共中央政治局会议指出，将城市停车场建设列入“基础设施短板”范畴，同年《政府工作报告》中也提出“健全停车场等便民服务设施”。过去一年间，国家发改委在部署稳投资等任务时，也曾多次强调要抓紧建设城市停车场。据公安部统计，2019 年全国机动车保有量达 3.48 亿辆，全国 66 个城市的汽车保有量超过了百万辆。另根据国家发改委数据，我国大城市汽车与停车位的平均比例约为 1：0.5，中小城市约为 1：0.8。显然，停车位短缺已成为当前城市发展急需解决的难题。同时，停车场建设还面临其他问题，包括土地面积利用率过低，顾客取车花费时间过长等。
虽然近几年来出现的自动化立体停车系统在一定程度上缓解了城市的停车状况，但是在实际应用中，常常发生顾客等待队列过长、系统运行策略不合理和土地面积利用率过低的情况，这导致顾客满意度差而不愿选择自动化立体停车系统停放车辆。顾客在选择停车系统存取车辆时，希望的是提升存取车速度、减少等待时间以及增加便利程度，这就对自动化立体停车系统的设计与运行策略提出了更高的要求。因此，开发和研究顾客满意度高的智能停车系统，对于缓解停车困难问题、提升城市土地面积利用率和改进城市交通状况都有极其重大的意义。
本文以提高顾客满意度和土地面积利用率为出发点，研究一种紧致化智能停车系统（Smart compact automated parking system，简称 SCAP 系统）的运行策略与优化问题。SCAP 系统是一种多层的无巷道的紧致化仓储系统，电梯负责货物在不同层与出入口之间的运输，跨运车负责货物在不同存储位置与电梯之间的运输。通过与智能应用的结合（如手机 APP），SCAP 系统不仅接受传统线下到达的顾客，还提供线上预约服务，为顾客提供高效且个性化的存取车体验。虽然 SCAP 系统目前被应用在很多城市中，但是在实际应用当中，SCAP 系统的性能和顾客的满意程度仍然受到许多因素的影响，比如系统的结构、电梯的运行策略、系统的顾客服务策略和存储策略等。这些运行策略的研究对于提高顾客使用体验、优化系统的吞吐能力及其投入成本具有重要的应用价值，并且目前还没有该类系统的研究文献，所以对于 SCAP 系统的运行策略与优化的研究很有必要。
1.2国内外研究现状
本节基于 SCAP 系统的系统特征，将分为下面三个部分分别进行文献综述，并对研究现状进行分析与总结。第一部分介绍自动化立体停车系统的研究现状，第二部分介绍基于自动小车技术的仓储存取系统（Automated vehicle storage and retrieval system，简称为 AVS/RS）的研究现状。第三部分分析紧致化仓储存取系统的研究现状，SCAP 系统采用紧致化的存储单元存储货物，同样具有紧致化特点的仓储系统还有三维存取系统（Three-dimensional automated storage and retrieval system，简称为 3DAS/RS）、魔方块存取系统（Puzzle-based storage system，简称为 PBSS）和分平台存取系统（Split-platform storage and retrieval system，简称为 SPS/RS）。
1.2.1自动化立体停车系统研究
本小节回顾关于自动化立体停车系统的理论研究，有关自动化立体停车系统的实际应用在本文第 2.1 节做分类介绍。Zaerpour 等[1]研究一类立方形自动停车系统（live-cubic parking systems），他们推导出系统取货作业时间的闭合表达式，建立并求解非线性混合整数规划模型，最小化系统取货时间，求解较优的系统结构。最后，他们将该类自动停车系统的投资成本与传统的停车系统进行比较与分析。Wu 等[2]研究了多层圆柱形停车系统，该系统每层装有旋转环，以运输货物到安装在系统中间的电梯。他们通过构建开环排队网络模型，研究了系统多个电梯的存取任务策略，并求得系统最优的层数和电梯数量。杨晓芬和肖华[3]研究了自动化停车系统的出入策略，构建了停车系统的结构和时间模型，并提出了该系统的三种出入策略，即汽车入库优先，原地待命和交叉入库策略。吕双[4]研究了巷道堆垛式立体停车系统，对停车系统的车辆的到达过程进行了研究，然后总结了构成停车系统存储容量的要素。汪敏靑[5]提出了转盘式立体停车系统的设计方案，从该种停车系统的电梯配置和调度策略两个方面进行研究，并分析了该种停车系统主要机械单元的选型和存取车作业流程。
第 2 章 相关研究理论基础
2.1 自动化立体停车系统种类与特点
根据目前市场的实际应用和相关文献的研究，将自动化立体停车系统按其作业特点划分为以下几个主要种类：垂直循环类、垂直升降类、巷道堆垛类、升降横移类、平面移动类和多层圆柱形停车系统。现对这几种自动化立体停车系统做简要介绍分析。
（1）垂直循环类
如图 2-1 所示，垂直循环类停车系统通过减速电机带动传动机构，在牵引链条上，每隔一定距离安装一个载车板，载车板跟随牵引链一起做循环运动，从而达到存取车辆的目的。该类系统最大的特点就是节省占地面积，但同时存储容量有限，一次取车时，会涉及多辆车的移动，设备损耗较大。
（2）垂直升降类
垂直升降类停车系统存车过程中，电梯将车辆或载车板升降到指定层，然后用安装在电梯上的横移机构将车辆或载车板送入停车位。取车过程中，通过横移机构将车辆或载车板送入电梯，电梯降到车辆出入口处。该类系统对土地面积要求不高，土地资源利用率高。不足是结构较复杂，故障率较高。
2.2 紧致化智能停车系统概况
2.2.1 系统介绍
紧致化智能停车系统（Smart compact automated parking system，简称为 SCAP系统）是一个多层的无巷道的紧致化仓储系统。在 SCAP 系统存取车操作过程中，水平货物运输通过跨运车来完成，垂直货物运输通过电梯来完成，且水平运输与垂直运输过程是相互独立的。在该系统内，车辆存储在存储通道上，电梯将车辆从地面提升到指定的层，然后跨运车在指定层将车辆提升到一定的高度，跨过停放在停车位的车辆，最后跨运车将车辆移动到指定的存储位置（见图 2-7）。通过与智能应用的结合（如手机 APP），SCAP 系统不仅接受传统线下到达的顾客，还提供线上预约服务，为顾客提供高效且个性化的存取车体验（见图 2-8）。
相比于传统的停车系统，SCAP 系统的特点和优势如下：
（1）更高的地面面积利用率。SCAP 系统采用无巷道多层存储模式，而大多数的自动化停车系统和仓储系统的作业巷道占据很大的土地面积。
（2）更高、更灵活的系统吞吐率。SCAP 系统的吞吐率由跨运车与电梯的能力决定。仓储管理者可以通过改变跨运车与电梯的速度来调整 SCAP 系统的吞吐能力。
（3）更好的存储能力扩展性。SCAP 系统中的存储通道，跨运车和电梯数量可以更简单的增加或者减少。同时可根据不同的应用场景，改变自身的层数和列数，不仅能构建成大型停车库，也可以构建成双层单列或多列等小型车库适用于道路两旁，狭窄小区等场景。
第 3 章 非预约的紧致化智能停车系统建模与运行策略研究 ............................... 32
3.1 模型描述 ............................... 32
3.1.1 建模假设与参数设定 ............................. 32
3.1.2 模型构建 ......................................... 33
第 4 章 预约模式下的紧致化智能停车系统建模与运行策略研究 ....................... 42
4.1 模型描述 ............................... 42
4.1.1 建模假设与参数设定 ................................ 42
4.1.2 模型构建 .......................................... 43
第 5 章 仿真验证与数值实验 .......................... 54
5.1 仿真验证 ....................................... 54
5.1.1 仿真介绍 .................................... 54
5.1.2 非预约的系统仿真验证 ........................... 55
第 5 章 仿真验证与数值实验
5.1 仿真验证
5.1.1 仿真介绍
仿真是利用相似性原理，通过模
