1. 引言
共享电单车凭借绿色、便捷的特性，成为城市15分钟生活圈短途出行的重要载体，却在地铁口等交通接驳节点因无序停放引发公共空间挤占、交通通行效率下降、车辆损耗加剧等城市治理难题[1]。目前国内共享电单车多为平面散停模式，缺乏专用集约化停车设施，不仅增加了运营方的调度与维护成本[2]，还因车辆露天存放影响使用体验，制约了共享慢行交通系统的可持续运营。
立体车库因空间利用率高、管理智能化的优势，成为解决城市停车难题的有效路径[3]。现有慢行交通工具立体车库已形成垂直升降式、巷道堆垛式、平面移动式等多种技术方案[4]-[6]，部分城市也落地了双层钢结构共享驿站、地下智能停车库等实践案例[7]，但此类设施或因结构复杂、成本较高难以适配地铁口的小型化部署需求，或因设计未兼顾共享电单车高频潮汐式的存取特点，针对性与实用性不足。针对地铁口接驳场景的共享电单车专用立体车库设计，仍需结合实际停车需求进行场景化优化。鉴于此，本文以南宁市楞塘村地铁站为研究对象，从结构设计、PLC自动控制、物联网智能化管理三个维度，提出圆柱体升降横移式立体车库方案，为城市交通接驳节点的共享电单车停车设施建设提供技术参考。
2. 研究区域现状与需求分析
为验证立体车库设计方案的可行性，本研究选取南宁市楞塘村地铁站作为典型案例进行调研分析。该站点设有A、B、C、D、E、F六个出入口，其中E口与A口闲置空间充足，且E口毗邻十字路口，人车流量大，接驳需求显著，具备建设立体车库的先天条件。
实地调研发现，工作日晚高峰(18:00~19:30)时段，该站点周边共享电单车总量高达423辆，其中青桔与美团两大品牌占比超过85%。车辆的爆发式聚集引发了四大突出问题：一是公共空间遭严重挤占，大量车辆无序停放在人行道、公交站台甚至盲道，导致人车混流、交通受阻；二是静态停放与动
Table 1. Total quantity of shared electric scooters
表1. 共享电单车数量总表
时间：11:30~12:30 |
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单位：辆 |
地铁口 品牌 |
A |
B |
C |
D |
E |
F |
总和 |
青桔 |
34 |
0 |
3 |
0 |
55 |
52 |
144 |
美团 |
28 |
24 |
2 |
18 |
68 |
35 |
175 |
人民出行 |
3 |
0 |
0 |
0 |
0 |
42 |
45 |
总和 |
65 |
24 |
5 |
18 |
123 |
129 |
364 |
Table 2. Summary of shared electric scooter quantities
表2. 共享电单车数量总表
时间：18:00~19:30 |
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单位：辆 |
地铁口 品牌 |
A |
B |
C |
D |
E |
F |
总和 |
青桔 |
28 |
0 |
2 |
18 |
39 |
47 |
134 |
美团 |
35 |
27 |
1 |
31 |
52 |
95 |
241 |
人民出行 |
2 |
0 |
0 |
2 |
0 |
44 |
48 |
总和 |
65 |
27 |
3 |
51 |
91 |
186 |
423 |
态交通矛盾突出，公交车因站台被占无法正常停靠，加剧了高峰期的拥堵隐患；三是空间利用效率极低，平面停放模式无法满足高峰时段超过360辆的停放需求，导致车辆大量“溢出”；四是车辆运维成本高企，长期露天停放加速了车辆损耗。这些问题共同凸显了在该区域建设集约化、智能化停车设施的紧迫性。
表1与表2的调研数据表明，该区域共享电单车总数超过400辆，且主要集中在E口与F口。这为立体车库的选址与容量规划提供了数据支撑。
3. 立体车库总体设计方案
基于上述需求分析，本研究提出一种圆柱体升降横移式立体车库的总体方案。方案旨在同时满足以下核心需求：
1) 停放需求：通过三维空间扩展，大幅提升单位面积的停车容量，缓解地铁口停车压力。
2) 便利性需求：优化存取流程，确保用户能够快速、便捷地完成车辆的存与取。
3) 智能化需求：集成物联网技术，实现用户通过智能手机即可完成全部操作，并支持远程监控与智能调度。
3.1. 立体车库主体结构设计
智能化立体具有很强的适应性，每一层都有放车辆的位置，升降平台装置通过升降，上下横向移动到达地面，然后车辆就可以通过控制装置存放或者取出，用户则可以在外面等待车辆出来，这样就可完成车辆的存取过程。该车库的主体结构由底座、旋转平台、升降平台、主梁、车轮滑槽、支撑梁和顶棚构成，设计成三层，每层之间高度为1.2米，图1为立体车库平面图。可分为两大部分：刚性结构和传动结构。
钢结构主要由底座、主梁等型材构成，具有可靠性高、强度大、自重轻、塑韧性好、制造简便及密闭性佳等特点，能满足车辆停放的力学要求，但需注意其耐锈蚀性较差。
传动结构作为车库执行车辆存取功能的核心，主要由旋转平台与升降平台构成。其横向移动由驱动装置提供动力，升降运动则通过传送带系统实现[5]。车辆存取过程中的所有定位与位移操作，均由中央控制系统统一调度，因此传动系统的可靠性直接关乎车库的整体安全。
3.1.1. 关键零部件结构设计
1) 底座
立体车库的底座主要起到支撑旋转平台和升降平台的作用，如图2所示。底座是采用焊接结构件组成，运用高强度螺栓连接成框架结构，具有很好的强度和刚度，这样才能保证整个车库的运作和安全性。整个车库的运作和安全性。
Figure 1. Plan of the stereo garage
图1. 立体车库平面图
Figure 2. Base
图2. 底座
2) 旋转平台
转运平台是共享立体车库的一个关键的组件，其核心作用是承载车体并将其转移至目标位置，如图3所示。该平台由旋转机构和由若干段方形钢材焊接而成的钢架结构搭建，焊接过程中，采用惰性气体保护焊技术来确保焊缝的强度和耐用性，以符合既定的力学和功能需求。此外，旋转机构的设计旨在与升降平台协同，以维持车辆在进行垂直移动及转向操作时的平衡与稳定。
Figure 3. Rotating platform
图3. 旋转平台
3) 升降平台机构
升降平台机构是共享电单车存取的核心执行机构，由移动车架、载车板、轨道、升降与驱动装置等组成(图4)。其工作流程如下：车辆驶入载车板，通过其定位系统检测到位后锁紧，防止运行中意外跌落；移动车架不仅要承载和，还集成重量监测功能，通过识别重量异常以提升安全；轨道与机构内置的双排车轮配合，在驱动装置作用下实现平稳行进，此种设计也有效降低了轨道磨损；最终，升降装置与驱动系统协同，完成车辆的垂直与水平输送。轴承座则为整个移动结构提供关键支撑。
Figure 4. Lifting platform mechanism (front view and side view)
图4. 升降平台机构(正视图和侧视图)
4) 车轮滑槽
车轮滑槽承载共享电单车总重量，如图5所示。主要由车轮滑槽和牛腿支架构成，起到支撑作用。车轮滑槽里有定位系统，使用时首先定位销打开，车辆进入，直到达到适当位置，锁定定位销，存车动作完成。
Figure 5. Wheel chute
图5. 车轮滑槽
滑槽的尺寸是根据共享电单车的标准外形设计，以确保停车时的适应性和安全性，考虑到电动车的一般尺寸大约是1800 mm × 700 mm × 1100 mm，车轮滑槽的尺寸通常与电动车停车位的规格相一致，为2000 mm × 900 mm。
3.1.2. 钢结构系统设计
本车库钢结构系统为三层圆柱体升降横移式承力框架，核心由底座、主梁、支撑梁、车轮滑槽、载车板骨架等刚性构件组成，整体选用Q235碳素结构钢，焊接成型后辅以高强度螺栓连接，兼顾结构强度、刚度与工程经济性。钢结构设计遵循《钢结构设计标准》(GB 50017-2017)，针对地铁口户外工况，重点强化承载能力、抗变形能力、抗倾覆稳定性，同时做轻量化设计以降低传动系统负载。通过对核心承力构件进行简化力学校核计算，该系统钢结构的强度与刚度均符合要求，具体计算结果见表3。
Table 3. Result data of standard test system
表3. 标准试验系统结果数据
构件名称 |
校核类型 |
核心计算指标 |
计算结果 |
校核标准 |
校核结论 |
载车板 |
弯曲强度 |
最大弯曲正应力σ |
65.9 MPa |
σ < [σ] = 156.7 MPa |
满足 |
刚度 |
最大挠度fmax |
0.75 mm |
fmax = [f] = 3 mm ([f] = L/400) |
满足 |
主梁 |
稳定性 |
长细比λ |
30.1 |
λ < [λ] = 156 (Q235钢许用值) |
满足 |
抗压强度 |
轴向压应力σ |
8.5 MPa |
σ < [σ] = 156.7 MPa |
满足 |
车轮滑槽 |
弯曲强度 |
最大弯曲正应力σ |
84.8 MPa |
σ < [σ] = 156.7 MPa |
满足 |
基础参数：单个载车板额定负载按200 kg，其中载车板约15 kg，共享电单车按主流款55 kg，动载/偏载冗余130 kg。重力F = 200 × 9.8 = 1960 N，考虑动载系数1.2与偏载系数1.1，综合计算载荷F计 = 1960 × 1.2 × 1.1 = 2587.2 N。Q235钢屈服强度235 MPa，取1.5倍安全系数，许用应力[σ] = 156.7 MPa。弹性模量M = 2.06 × 105 MPa。核心结构尺寸：载车板(花纹钢板δ = 3 mm，方管骨架40 × 40 × 2 mm；有效尺寸1800 × 700 mm)；主梁(80 × 80 × 3 mm矩形方管；单跨跨度1.2 m)；车轮滑槽(60 × 60 × 2.5 mm矩形方管；有效长度2000 mm)。 |
计算说明：载车板按简支梁受均布载荷计算，含自身重量；主梁按轴心受压 + 受弯复合受力计算，单根承担3车位载荷；车轮滑槽按简支梁受集中载荷计算，集中载荷取车辆单轮压(双轮承载)。结论：所有构件计算结果均低于校核标准，预留充足安全冗余，满足户外长期运行要求。
在本方案里，以上性能均基于理论设计与简化计算，后续可通过SolidWorks等专业软件进行动力学仿真与疲劳寿命预测，进一步优化细节设计。
3.2. 立体车库控制系统设计
为优化能源利用与存取效率，共享电动车优先存放于轨道系统底层，利用重力辅助实现便捷取车。系统具备车型自动识别功能，可根据车辆类型智能选择最优存取策略。控制系统由集中控制中心统一协调，整合五大功能模块：视频监控系统、出入口管理设施、系统故障检测模块、自动化存取车机制及费用处理系统。各模块协同运作，依据不同使用场景动态调整运行模式与能耗策略，以适应多样化的存取需求。
3.2.1. 控制系统模块设计
1) PLC控制系统
系统共控制5台电机，其中3台负责第二层三个载车板的升降运动(通过电机正反转实现)，2台负责第一层2个载车板的横向移动。为预防载车板间发生碰撞，各运动终端均设有限位开关。另外，系统配置漫反射光电传感器、重量传感器、磁性接近传感器等感知设备，其检测信号全部接入PLC输入侧，与电机控制、限位开关、执行单元形成闭环控制，传感器触发的异常信号可优先中断PLC常规控制程序，启动安全防护动作，保障系统运行的安全性与自动化水平[8]。PLC外部接线如图6所示。为实现运动互锁，系统设计确保同一时间仅有一个载车板的电机可启动，从根本上避免运动冲突与碰撞风险。
Figure 6. External wiring diagram of PLC
图6. PLC外部接线图
PLC的输入信号主要包括启动/急停按钮、载车板操作按钮及各限位开关状态及各类传感器检测信号；输出信号则用于控制电机转向、电磁铁及报警装置等执行单元，传感器信号均采用开关量输入，与PLC输入端口直接对接。
2) 关键部件选型
PLC的选型由I/O点数和程序内存需求共同决定。经统计，系统需38个输入点与17个输出点，对应启动/急停按钮、载车板操作按钮、限位开关、传感器等设备。根据“内存(字节) ≈ I/O总数 × 10”的经验公式，初步估算内存需求为550字节。为保障控制余量(根据I/O点数冗余设计原则，预留20%以上余量)、传感器信号的实时处理能力及后期扩展性，最终选定三菱FX5U-80MT/ES-A作为主控制器，为了保证冗余余量，增加一个扩展模块FX5-16EX/ES (16点输入)，两者共提供80点I/O资源(40入/40出)、64 K步程序内存，远高于核算需求，其0.03 μs/步的高速指令处理能力可保障传感器信号的实时响应，兼容工业级传感器的开关量信号输入，标配以太网/RS485/USB通信接口，兼容MODBUS TCP/IP协议，可适配智能化管理需求，且适合长期24小时户外运行，满足本立体车库自动化系统的设计需求并兼具一定拓展性[9]。
电机选型：系统需满足载车板和电单车的日常升降横移运行，其中，最大升降运动为本系统的最大动力需求工况，根据单块载车板 + 电单车总重 ≈ 200 kg，升降所需最大力矩和功率分别约为3.8 N∙m和305 W，同时考虑1.2~1.5倍的过载率，因此选用功率额定功率750 W、扭矩 ≥ 5N∙m的三相异步电机，即可满足升降与横移的动力需求。
传感器选型：本系统的传感器主要围绕车库自动化存取、全流程安全防护、设备精准定位三大核心需求，覆盖车辆检测、位置定位、安全防护、状态监测四大类场景，所有传感器均选用工业级型号，适配地铁口户外环境，兼顾通用性和可维护性。
3) 传感器与PLC的闭环控制逻辑设计
所有传感器均为工业级传感器，检测信号通过NPN型三线制硬接线传输至PLC输入端口，采用DC24V供电，与PLC输入侧电源匹配，传感器信号为高电平有效。传感器信号与PLC的控制逻辑联动遵循“感知–判断–执行–反馈”闭环原则，核心联动逻辑如下：
漫反射光电传感器：X32检测到车辆驶入载车板到位后，PLC锁定载车板横向移动指令，禁止设备误动作；X33检测到人员/异物侵入存取口时，PLC立即发送中断指令，暂停所有电机升降/横移动作，直至异常信号消除；X34检测到车辆到达车轮滑槽定位点后，PLC触发定位销锁紧指令。
重量传感器：X35检测到载车板上有负载(共享电单车)时，PLC允许后续升降/横移动作；X36检测到过载/异常重量(>300 kg)时，PLC立即触发Y27报警灯，并锁定所有执行单元动作，直至负载移除。
磁性接近传感器：X37检测到定位销完全锁紧后，PLC向物联网云平台发送“存车完成”状态反馈，允许载车板升降；X40检测到定位销完全打开后，PLC允许载车板下降至地面，触发取车指令。
所有传感器的异常信号均设置PLC内部优先级，高于载车板操作、电机运行等常规指令，确保安全防护动作的优先执行。
4) 电气安全装置
系统集成多重电气安全保护机制，具体包括：
共同构建完整的安全防护体系。传感器防护与原有电气安全装置形成多重冗余防护体系，提升系统安全等级。电气安全设计参考《GB 17907-2010车库门安全要求》《GB/T 50314-2015智能建筑设计标准》，设置防坠挂钩、急停按钮等装置，满足公共场所安全规范。
3.2.2. 物联网云平台智能化设计
本系统采用感知层–网络层–应用层三层物联网架构设计，底层以PLC为数据汇总核心，通过光电传感器、重量传感器、限位开关完成车辆位置、负载重量、设备运行状态等数据的精准采集；中层采用4G + Wi-Fi双模块实现数据无线传输，保障网络冗余与传输稳定性；顶层分为用户端与管理端，分别实现扫码存取车等用户交互功能和远程监控、故障报警等运维管理功能，三层架构形成“采集–传输–应用–指令反馈”的完整闭环，实现车库的自动化与智能化运行。系统架构图如图7所示。
Figure 7. Architecture diagram of iot platform
图7. 物联网平台架构图
系统设置了存取车流程，控制流程始于安全状态自检，确认无故障后启动车位分配逻辑：优先使用第一层空位；若第一层满载，则调度第二层空闲载车板下降至第一层，原第一层空位作为下降缓冲空间。车辆就位后，载车板自动提升至第二层完成存车。
此外，系统具备故障实时诊断与上报功能。当检测到车辆超限、车位障碍或位置异常时，限位开关触发PLC中断控制程序，同步启动故障报警。该控制系统完整支持两层三列式车位的自动化存取操作，运行稳定，可靠性高。PLC存取车程序流程如图8所示。
Figure 8. Flow chart of vehicle storage and retrieval program
图8. 存取车程序流程图
3.3. 性能预估与未来拓展
本方案设计三层结构，占地面积12 m2，总容量60辆，同等占地面积平面停放仅20辆，空间利用率提升200%。经初步仿真，存取车流程单次耗时预计40秒(含升降 + 横移)，高峰时段(按每小时60辆存取需求)平均等待时间不超过5分钟，优于传统平面停放的“找车 + 挪车”平均15分钟耗时。核心结构采用Q235钢结构，根据材料力学简化计算，经前文简化校核可知，关键构件最大工作应力低于许用应力，满足结构稳定性与耐久性要求。后续研究可通过SolidWorks进一步开展力学仿真验证。
在设计过程中已考虑核心适配性与鲁棒性：① 兼容性设计：车轮滑槽尺寸按共享电单车主流规格(1800 mm × 700 mm × 1100 mm)设计，预留10%调整余量，适配青桔、美团等主流品牌；② 故障隔离机制：PLC控制系统支持车位状态实时检测，若某车位故障，系统自动标记为“不可用”，并优先调度其他空闲车位，不影响整体运营；③ 环境适应性：顶棚采用防雨防尘设计，电气部件选用IP54防护等级产品，适配地铁口户外环境。关于生命周期成本与深度容错机制，因需实际部署数据支撑，将作为后续研究重点。
4. 结语
本文针对地铁口共享电单车停放难题，提出了以圆柱体升降横移式立体车库为核心的系统解决方案。该方案通过三层钢结构实现空间集约化利用，基于PLC控制系统确保存取过程的安全与稳定，并借助物联网云平台实现智能化管理。该方案预期能显著提升空间利用率，有效规范停车秩序，并通过自动化存取与智能化管理优化用户体验与运营效率，并为治理共享单车“停车乱、管理难”问题提供了新的技术思路与实现路径，具有明确的工程应用潜力。
基金项目
2025年南宁学院国家级大学生创新训练项目：“泊泊”生机–WiFi指纹定位驱动的智能停车诱导系统(项目编号：202511549003)。
NOTES
*通讯作者。