停車場泊位設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型

停車場的泊位設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)建模學(xué)號(hào)：1407022046班級(jí)：14數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)2班姓名：劉桃摘要：“停車場的泊位設(shè)計(jì)”數(shù)學(xué)模型是利用數(shù)學(xué)模型的計(jì)算來規(guī)劃出一種使用更合理、利用率高的停車場車位停泊方案。近幾年來，隨著人們生活水平的提高，私家車的數(shù)量越來越多，汽車的停泊就成為一個(gè)越來越重要的問題，如果汽車停泊問題不能合理的解決，將會(huì)影響到汽車的使用。許多大型公司或者是商場門前，都設(shè)有自己的停車場，停車場的面積是有限的，而我們希望的就是在這有限的面積內(nèi)盡可能停放更多的汽車。當(dāng)然，停放盡可能多的汽車只是建造停車場時(shí)一個(gè)需要解決的問題，一個(gè)比較成功的停車場還需要具備的就是良好的汽車疏導(dǎo)能力，這就需要在停車場設(shè)計(jì)時(shí)更合理的安排汽車的停放位置。當(dāng)停車場面積一定的時(shí)候，合理安排空間使得更多的車輛能夠停泊進(jìn)來。此次建立的模型是通過探究車輛停放角度與停車場面積的方程，繼而對(duì)面積函數(shù)進(jìn)行求解，得到車位最佳設(shè)計(jì)角度，解出的停車場最佳泊位情況，進(jìn)而推廣到一般的,同時(shí)對(duì)車型進(jìn)行分類，分別計(jì)算小轎車、小型車、大型車三種停車情況。關(guān)鍵詞：車輛停放角度；層次分析；最優(yōu)方案。正文1、問題重述1.1自20世紀(jì)90年代以來,我國經(jīng)濟(jì)呈現(xiàn)出持續(xù)高速發(fā)展態(tài)勢,家用小汽車更以驚人的發(fā)展速度進(jìn)入普通居民家庭。但人們?cè)谙硎芷囁鶐淼谋憷涂旖莸耐瑫r(shí),又必須面對(duì)由此所引發(fā)的一系列問題,其中停車問題就是越來越突出的問題之一。停車場泊車位規(guī)劃是指在有限的空間區(qū)域內(nèi)，設(shè)計(jì)車位布局，盡可能多地發(fā)揮空間效率與時(shí)間效率。停車泊位設(shè)計(jì)考慮的因素較多，如平均車位占面積，車輛出入泊位難易程度，停車場內(nèi)部道路暢通程度等等。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)完整的指標(biāo)體系對(duì)停車場效度進(jìn)入評(píng)價(jià)。現(xiàn)有如圖1所示的停車場，請(qǐng)你設(shè)計(jì)該停車場的泊車位設(shè)計(jì)方案；如果圖1中的停車場寬度和長度分別為未知量米，請(qǐng)你重新設(shè)計(jì)你的方案。圖1某地面停車場示意圖1.2停車場的整體規(guī)劃。停車場在車庫中出出入入，如果沒有一個(gè)合理的整體規(guī)劃，那么汽車出入的效率將會(huì)很低，這不是一個(gè)合理的停車場應(yīng)出現(xiàn)的。什么樣的規(guī)劃才是比較合適的方案呢？不同的車型停車方案又是什么樣的呢？θθLRW圖74、模型求解4.1小轎車停車位最佳角度的求解每輛車均以角度停放，用表示小轎車停車位寬度，表示小轎車停車位長度（這里的最上方并沒有取到最上端是考慮到車身以外的小三角形區(qū)域可以留給對(duì)面停車位使用），表示停車位末端的距離，易見他們分別是停車角的函數(shù)，且有現(xiàn)在按照?qǐng)D7所示，計(jì)算一下每輛車占據(jù)的停車場面積.考慮最佳排列的極限情況，假設(shè)該排車位是無限長的，可以忽略該排車位兩端停車位浪費(fèi)掉的面積，因?yàn)樗鼈儽黄骄矫總€(gè)車位上去的公攤面積很小，可以不計(jì)。從車輛所占的停車位來看，它占據(jù)的面積為，另外，它所占的通道的面積為?？紤]到通道對(duì)面（也就是圖4的下部）也可以有類似的一排車位可以相互借用此通道，所以可以對(duì)占用的通道面積減半，于是我們得到：（1）我們的目標(biāo)就是求出的最小值。 將米，米，米，米代人（1）式，可得 ，，所以當(dāng)，即時(shí)，達(dá)到最小，且平方米。需要說明的是，當(dāng)時(shí)車位與車道平行，此時(shí)每輛車都得采用平行泊車的方式進(jìn)入車位，這是現(xiàn)實(shí)生活中馬路邊的停車位常見的情況，在一般的停車場中幾乎很少看到。平行泊車對(duì)駕駛員的技術(shù)要求較高，所以我們不考慮這樣的情況。上述對(duì)車位的局部分析表明，當(dāng)停車位與通道夾角時(shí)，可以使每單位車輛占據(jù)停車場的面積達(dá)到最小。4.2一般車型停車位最佳角度的求解表2一般車型車輛停車角度車長車寬ClCwC1C2面積小轎車3.02.03.32.8640.218.20小型車4.81.85.12.67.860.43622.99大型車12.02.512.33.312.5100.53655.59通過4.1的結(jié)果類推可得，當(dāng)停車位與通道夾角時(shí)，可以使每單位小型車占據(jù)停車場的面積達(dá)到最小，且最小值為22.99平方米；當(dāng)停車位與通道夾角時(shí)，可以使每單位大型車占據(jù)停車場的面積達(dá)到最小，且最小值為55.59平方米。4.3小轎車停車場地的分配由于停車場是一個(gè)的長方形區(qū)域，由以上分析可知，如果保持一排車位方向一致，且與單向通道的夾角為，可使單位車輛占據(jù)的面積最小，此時(shí)寬度為的單向通道分別提供給其兩邊的停車位使用。在通道兩邊都各安排一排小轎車車位時(shí)，考慮到路線的單行性質(zhì)，通道兩邊的停車位角度應(yīng)該相對(duì)，如圖8所示。θθLRW圖7圖8汽車場規(guī)劃圖對(duì)每一排停車位，其一邊為通道，另一邊則可以是另一排停車位或者是停車場的邊緣。所以停車排數(shù)最多只能是通道數(shù)的兩倍，即：（2）如果按照一排停車位，一條通道，一排停車位這樣三排一組的形式加以組合，依次排列，確實(shí)也可以達(dá)到。即（2）式中的等號(hào)是可以成立的。此時(shí)，車位數(shù)可以達(dá)到停車位位置的最大值，排列情況同樣可以見圖7。100米寬的停車場的一邊可以當(dāng)作足夠長的邊來看待，將300米為一排來設(shè)計(jì)小轎車的車位，即每排車位與矩形的短邊平行。在理想情況下，根據(jù)4.1討論可知，最佳設(shè)計(jì)下的車位長度為：停車場通道寬度為：所以，理想情況下的一組（即兩排車位中間加一條行通車道）的寬度X約為：則100米寬的停車場能夠考慮設(shè)計(jì)9組這樣的車位，現(xiàn)在在考慮從出入口到最里面靠墻這一段與橫向垂直通道的情況，即有一組里面有一排車位數(shù)是完整的，也就是說其余的8組以及剩下一組的兩排車位數(shù)是一樣缺少出入口通道所占的數(shù)目。顯然，橫向通道=6.1米較合理，而理想條件下相鄰車尾末端的距離是。但是由于靠近兩邊墻時(shí)會(huì)有一部分空間無法利用，設(shè)其邊長為a，則所以，其余的8組以及靠墻剩下一組的兩排車位的車位數(shù)應(yīng)有個(gè)，而最后靠墻一排的車位數(shù)應(yīng)有個(gè)，而有門一排的車位數(shù)是個(gè)，即總共的車位數(shù)個(gè)。規(guī)格規(guī)格車型表3一般車型車位數(shù)車位長L車位寬W通道寬R組數(shù)無出口的一行車位數(shù)中間的每行車位數(shù)有一個(gè)出口的一行車位數(shù)小型車5.156492.89095.1840.06450.3459規(guī)格規(guī)格車型11.268483.90897.140.03370.2558小轎車3.514442.85625.20.08180.3501總共的車位數(shù)小型車大型車小轎車通過4.3的結(jié)果類推可得，此時(shí)的停車場能夠考慮設(shè)計(jì)小型車車位數(shù)為個(gè)；的停車場能夠考慮設(shè)計(jì)大型車車位數(shù)為個(gè)。5、模型檢驗(yàn)5.1效度評(píng)價(jià)模型對(duì)停車場車位的效度評(píng)價(jià)利用基于模糊合成的層次分析法的數(shù)學(xué)模型：其中效度評(píng)估的總體評(píng)估，準(zhǔn)則層成對(duì)比較矩陣的特征向量，準(zhǔn)則層第個(gè)因素的模糊綜合評(píng)價(jià)向量。5.1.1建立評(píng)價(jià)體系目標(biāo)層準(zhǔn)則層因素層停車場的效度評(píng)價(jià)安全性停車行為對(duì)其他車輛的行駛影響車輛拐彎的難度對(duì)緊急情況的處理靈活性進(jìn)出停車場的順暢程度便捷性停車場中的車主平均步行距離人車分離的程度停車場內(nèi)道路順暢程度效率性泊車位的使用率停車場內(nèi)的空間利用率平均每個(gè)空車位被補(bǔ)缺所需要的時(shí)間泊車位的強(qiáng)烈波動(dòng)的情況次數(shù)基于停車場的安全性主要是指：車輛在停車場行駛過程中，由停車場的特征賦予車輛的避險(xiǎn)性能；以及車輛在停放過程中，避免被其他車輛掛擦以及避免被盜的性能。安全性是駕駛?cè)藛T對(duì)停車場服務(wù)水平的基本要求,也是停車場營運(yùn)者得基本要求，他們都希望停放車輛的安全性高和出現(xiàn)緊急情況時(shí)有良好的出入停車場的環(huán)境，還希望停車行為對(duì)正在行使車輛的安全性的影響最小,不會(huì)形成惡性的循環(huán),以致嚴(yán)重影響動(dòng)態(tài)的停車取車，等等。因此，安全性是對(duì)停車場的效度進(jìn)行評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一?；谕＼噲龅姆奖阈灾饕侵福很囕v進(jìn)入和駛出停車場所需的時(shí)間和行駛的路程最小，乘車的人員和停車場管理人員到達(dá)停車場相應(yīng)位置最快，等等。方便性是對(duì)于人和車兩者的流動(dòng)而言的,停車者都希望從停車場到目的地的步行狀況良好,步行的距離越短越好，都希望停車場內(nèi)部通暢性良好,駕駛員出入停車場都比較容易,則該停車場被使用的可能性就越大。另外，基于停車場的特殊性，追求最高的方便性，很多駕駛員都喜歡在安全性能高的前提下，選則距離停車場出口最近的停車位。停車場營運(yùn)者，也希望，停車場的方便性盡可能高，提高停車場的效度。因此，方便性也是對(duì)停車場的效度進(jìn)行評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一?；谕＼噲龅男市灾饕侵福河行У睦媚茉?、時(shí)間和空間資源的能力,在停車場中,停車集中指數(shù)的增加,均衡的泊位利用,停車時(shí)間的減少,停車時(shí)間的合理這些因素直接影響停車場服務(wù)水平的好壞。并且合理的收費(fèi)-停車時(shí)間的利用可以使短時(shí)的停車和長時(shí)間的停車自動(dòng)地分離開來,對(duì)改善停車場的服務(wù)水平大有幫助。駕駛?cè)藛T希望停車場具有盡可能高的效率性，追求效率最大化，盡可能多的節(jié)省時(shí)間，等等；停車場營運(yùn)者也希望停車場具有最大的效率，來達(dá)到停車場的最佳運(yùn)作狀態(tài)，提高停車場的穩(wěn)定性和適用性等等。停車位的波動(dòng)情況是指在停車場的使用率不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈波動(dòng)。因此，效率性也是對(duì)停車場的效度進(jìn)行評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一。5.1.2成對(duì)比較矩陣和一致性檢驗(yàn)可通過檢驗(yàn)最大特征根是否等于來判斷矩陣的一致性。具體方法如下：（1）計(jì)算一致性指標(biāo)：上式矩陣的最大特征根，為矩陣的階數(shù)。其中①計(jì)算判斷矩陣每行元素的積:②計(jì)算,③對(duì)向量作歸一化處理:這里算得的就是該層第個(gè)指標(biāo)對(duì)于上一層層次單排序權(quán)重的值。由此可以得到矩陣的最大特征根,即其中,表示向量的第個(gè)元素。（2）查找對(duì)應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值階數(shù)=1,2，……，10所對(duì)應(yīng)的值，如表4所示。表41~10階判斷矩陣的RI值12345678910000.580.91.121.241.361.411.451.49對(duì)于更高階數(shù)(即>10)的值的獲得辦法是：隨機(jī)生成1～9及其倒數(shù),從中抽取數(shù)字構(gòu)造500個(gè)或者更多的階樣本矩陣，計(jì)算各個(gè)矩陣的最大特征根的平均值，然后根據(jù)公式來得到的值。根據(jù)專家評(píng)定得到準(zhǔn)則層的成對(duì)比較矩陣，設(shè)兩兩判斷矩陣為：顯然滿足且,，。我們把滿足以上兩個(gè)條件的矩陣稱為正互反矩陣。當(dāng)且僅當(dāng),,,時(shí)，正互反矩陣稱為一致判斷矩陣。由準(zhǔn)則層各指標(biāo)之間的重要程度進(jìn)行兩兩比較判斷，得到其正互反矩陣：尺度的含義尺度含義1與影響相同3比的影響稍強(qiáng)5比的影響強(qiáng)7比的影響明顯強(qiáng)9比的影響絕對(duì)強(qiáng)2、4、6、8與的影響之比在上述兩個(gè)相鄰等級(jí)之間用和法來計(jì)算最大特征值和特征向量，以下為步驟：通過計(jì)算得到其權(quán)向量為，最大特征值3.0183<0.1,通過一致性檢驗(yàn)。根據(jù)層次分析法原理，要確定每個(gè)層次全部要素的相對(duì)權(quán)重，首先必須對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，若不滿足一致性條件，則修改判斷矩陣，直到滿足為止。如果根據(jù)定義來檢驗(yàn)矩陣的一致性，將非常麻煩?，F(xiàn)有研究表明，對(duì)于正互反矩陣為一致性的充分必要條件是：其最大的特征根等于其階數(shù)。而當(dāng)正互反矩陣非一致時(shí)，必有最大的特征根大于。（3）計(jì)算一致性比例:當(dāng)時(shí),認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可接受的,否則應(yīng)對(duì)判斷矩陣作適當(dāng)調(diào)整,再進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。（4）確定各準(zhǔn)則層第層下的各因素的評(píng)判矩陣由專家評(píng)判法可得到各評(píng)判矩陣：安全性的評(píng)判矩陣便捷性的評(píng)判矩陣效率性的評(píng)判矩陣4.2.3確定各因素的權(quán)向量安全性的成對(duì)比較矩陣：應(yīng)用MATLAB計(jì)算得到它的權(quán)向量為，最大特征值:4.0511，便捷性的成對(duì)比較矩陣：應(yīng)用MATLAB計(jì)算得到它的權(quán)向量為最大特征值:3.0858，效率性的成對(duì)比較矩陣：應(yīng)用MATLAB計(jì)算得到它的權(quán)向量為最大特征值:4.0561，4.2.4模糊合成安全性（）的模糊綜合評(píng)價(jià)向量為：便捷性（）的模糊綜合評(píng)價(jià)向量為：效率性（）的模糊綜合評(píng)價(jià)向量為：模糊合成：=根據(jù)專家組的意見，該停車場效度評(píng)估為“規(guī)劃較好”的程度為0.3590，評(píng)估為“一般”的程度為0.3533，評(píng)估為“較差”的程度為0.3688。根據(jù)最大隸屬度原則可知大多數(shù)專家認(rèn)為該停車場效度評(píng)估較差。6、模型應(yīng)用6.1模型應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)（1）巧妙地對(duì)泊車位進(jìn)行了抽象處理，提出了車輛、、間距、車位一體化的概念，為構(gòu)建模型提供了極大的便捷。（2）在對(duì)停車場進(jìn)行效度評(píng)價(jià)時(shí)把模糊綜合評(píng)價(jià)法與層次分析法結(jié)合在一起，很巧妙地處理了復(fù)雜系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，而且提高了評(píng)價(jià)的可靠性。（3）在度量不確定指標(biāo)時(shí)采用了穩(wěn)健性原則，對(duì)于不確定的指標(biāo)給予較低的評(píng)價(jià)，以最大程度保證穩(wěn)定性。（4）本文提出的模糊綜合模型對(duì)停車場的效度進(jìn)行評(píng)估可以將難以量化的因素進(jìn)行量化，且將各個(gè)指標(biāo)的不確定性通過模糊數(shù)學(xué)的方法使其變?yōu)榇_定性指標(biāo)。6.2模型應(yīng)用的缺點(diǎn)（1）在評(píng)價(jià)停車場效度時(shí)用的主要是主觀評(píng)價(jià)法，難免可