多臺電梯調(diào)度算法設(shè)計及仿真

多臺電梯調(diào)度算法設(shè)計及仿真〔安慶師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院安徽安慶246011〕摘要：根據(jù)電梯群控系統(tǒng)的非線性，隨機性，不確定性和離散動態(tài)性特點，采用面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計方法和基于事件掃描的數(shù)字仿真方法，設(shè)計一個多臺電梯調(diào)度算法，采用VisualC++技術(shù)編程和OpenGL可視化技術(shù)，并通過對電梯群的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測與分析，實現(xiàn)高層建筑電梯群調(diào)度和載客的活動仿真情況，評價電梯群的效勞質(zhì)量和運行效能。關(guān)鍵詞：電梯群控制系統(tǒng)，多臺電梯調(diào)度算法，面向?qū)ο?，?shù)字仿真1.引言電梯是現(xiàn)代立體交通的重要組成局部，隨著高層建筑在世界范圍內(nèi)得以迅猛開展，極大地促使了電梯技術(shù)的改進和革新。近半個世紀(jì)以來，電梯技術(shù)已經(jīng)從原始模型升降機開展到高級智能化電梯。而智能化要求電梯系統(tǒng)效勞質(zhì)量和效勞效率能盡量提高建筑的有效利用率和性能。在建筑設(shè)計中，同常將多臺電梯配置在一起，構(gòu)成電梯群，集中為大樓提供效勞，這就是電梯群控系統(tǒng)〔EGCS,ElevatorGroupControlystem〕【1】。電梯群控系統(tǒng)是一個實時性非常強的系統(tǒng)，需要不斷收集梯群的狀態(tài)信息和廳外的召喚信號，采取一定的派梯策略，選擇最適宜的電梯去應(yīng)答廳外召喚。為了節(jié)約開發(fā)本錢，一個成功的電梯群控系統(tǒng)在應(yīng)用到實際控制系統(tǒng)之前，往往都在計算機系統(tǒng)上進行仿真研究，調(diào)試參數(shù)，在仿真研究完成以后，在應(yīng)用到電梯試驗塔做實驗，檢驗控制策略的有效性和有關(guān)的性能指標(biāo)。電梯群控系統(tǒng)是通過對電梯群運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測與分析，再根據(jù)不同的實際情況對電梯進行優(yōu)化調(diào)度和合理分配，進而改善和提高電梯系統(tǒng)效勞質(zhì)量和效勞效率【2】。隨著智能控制技術(shù)在電梯群控系統(tǒng)(EGCS)中的廣泛應(yīng)用,電梯交通系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是滿足乘客生理上和心理上的承受力,有效地解決高層建筑復(fù)雜的樓內(nèi)垂直交通。一個設(shè)計良好的電梯群控系統(tǒng)必須具備在客流頂峰時確保乘客在較短的侯梯時間和乘梯時間內(nèi)到達目的地，在空閑時使電梯群運行消耗能量最低。我國電梯配置和電梯系統(tǒng)特征的研究與國外相比還處于落后的狀態(tài)，雖然國內(nèi)與1990年對電梯系統(tǒng)的動態(tài)特性進行了研究，但在電梯群控方面，仍有許多理論及技術(shù)問題亟待解決，因此開展電梯群控算法研究具有重要的理論和實際意義，這對電梯群控系統(tǒng)性能〔平安性，舒適性等〕是十分必要的，同時也可以改變我國目前電梯技術(shù)主要依賴于進口的不利局面【3】。用計算機仿真研究電梯群的效勞質(zhì)量和運行效能，大樓的層高不要超過25層，電梯的總臺數(shù)不要超過八臺。設(shè)某辦公大樓樓層為20層，有載客電梯5部〔用電梯1—電梯5標(biāo)識〕。利用VisualC++技術(shù)編程和OpenGL可視化技術(shù)實現(xiàn)高層建筑電梯群調(diào)度和載客的活動仿真情況。2.設(shè)計方案2.1設(shè)計規(guī)那么：為了實現(xiàn)電梯群調(diào)度和載客的活動仿真情況，采用兩種方式對其仿真：〔1〕人工控制方式；〔2〕自動控制方式。人工控制方式：這種方式是完全仿真真實電梯群情況，乘客自己決定到達電梯時候和選擇需要到達的樓層以及電梯的開關(guān)門。這種方式通過可視化技術(shù)可以直觀的觀察乘客發(fā)送電梯請求后，電梯群的調(diào)度情況和各電梯的當(dāng)前狀態(tài)，包括電梯內(nèi)人數(shù)，電梯運行趨勢，電梯開關(guān)門狀態(tài)和電梯所在樓層。這種方式下電梯群調(diào)度遵循的規(guī)那么為：電梯運行規(guī)那么：電梯的運行規(guī)那么：電梯1-電梯5五部電梯可以相應(yīng)到達每一層。容量：每部電梯的最大乘員量均為K人〔K值可以根據(jù)仿真情況在10-20人之間確定〕。初始位置：仿真開始時，各電梯隨即處于符合運行規(guī)那么的任意一層。初始容量：初始所有電梯無人乘坐，為空梯。運行方向：電梯運行的方向由先發(fā)出請求者決定，不允許后發(fā)出請求者改變電梯的當(dāng)前運行方向，除非是未被請求的空梯。即當(dāng)電梯在上行過程中，不響應(yīng)電梯內(nèi)部乘客比當(dāng)前層低的樓層；當(dāng)電梯在下行過程中，不響應(yīng)電梯內(nèi)部乘客比當(dāng)前層高的樓層(f)平安要求：不允許電梯超員。乘客運行規(guī)那么：(a)初始位置：每個人初次所要到的樓梯層由乘客自己決定。(b)請求特征：每次發(fā)出的乘坐請求由乘客自己決定。(c)行為特征：每個人乘坐的適宜電梯到達某樓層后，乘客自己決定自己是否出電梯。2.l.2自動控制方式；這種運行方式是在沒有人工參與下進行的．電梯群運行的各個性能指標(biāo)由用戶事先指定。同時，乘客到達大樓的時刻、所選樓層、上下方向以及滯留時甸均有隨機數(shù)產(chǎn)生，即通過一系列隨機數(shù)對電梯群的調(diào)度算法進行綜合評估，包括乘客平均等待時間、電梯運行時間、電梯空閑時間、電梯各個時刻流量統(tǒng)計，并采用可視化方法繪制出各種曲線圖“’。這種方式下電梯群調(diào)度遵循規(guī)那么與人為控制方式調(diào)度算法一致，區(qū)別在于電梯運行規(guī)那么和乘客運行規(guī)那么：電梯運行規(guī)那么：(a)電梯的運行規(guī)那么：電梯卜電梯5五部電梯可以響應(yīng)到達每一層。(b)容量：每部電梯的最夫乘員量均為K人(K值可以根據(jù)仿真情況在lO一20人z問確定)。(c)初始位置：仿真開始時．各電梯處于第一層。(d)初始容量：初始所有電梯無人乘坐，為空梯。(e)運行速度：電梯運行速度為s秒／層(s值可以根據(jù)仿真情況在l—5之間確定)，每個人上下的時間為T秒(T值可以根據(jù)仿真隋況在2一10之間確定)。(f)運行方向：電梯運行的方向由先發(fā)出請求者決定．不允許后發(fā)出請求者改變電梯的當(dāng)前運行方向，除非是束被請求的空梯。(g)平安要求：不允許電梯超員。乘客運行規(guī)那么：(a)初始位置：每個人初次所要到的樓梯層是隨機的，令其在臺適的電梯處等待電梯的到來。(b)請求特征：每次發(fā)出的乘坐請求為隨機樓層。〞(c)行為特征：每個人乘坐的臺適電梯到達指定樓層后，隨機地停留10—120秒后，再隨機地去往另一樓層，依次類推，當(dāng)每個人乘坐過L次，L值可以根據(jù)仿真情況在3—10次之葡確定)電梯后，第L+1次為下至底層并結(jié)束乘梯行為。到所有人結(jié)束乘梯行為時，本次仿真結(jié)束。運行監(jiān)控規(guī)那么：初始條件：仿真開始后，有N人在M分鐘內(nèi)隨機地到達該辦公樓的某一層，并且開始乘梯活動。結(jié)束條件：所有N個人結(jié)束乘梯行為。調(diào)度算法根據(jù)目前電梯的運行狀態(tài)和乘客的呼叫請求，采用兩級調(diào)度方法，其實施方法為：一級調(diào)度主要響應(yīng)電梯外乘客呼叫請求，二級調(diào)度主要響應(yīng)電梯內(nèi)乘客的呼叫請求，同時必須滿足先請求者的決定方向。集體調(diào)度算法：調(diào)度目標(biāo)：電梯群控制系統(tǒng)是一種對多臺電梯進行優(yōu)化調(diào)度的系統(tǒng)，群控系統(tǒng)追求的目標(biāo)是:根據(jù)不同的客流交通狀況，選擇合理的調(diào)度方案以協(xié)調(diào)各電梯的運行，使電梯群設(shè)備獲得最大的乘客輸送能力和盡可能短的乘客候梯時間，以及盡可能低的能耗。為了使候梯者滿意，需要的是等待時間盡量短；為了使乘客滿意，應(yīng)使電梯運行行程盡量短，且擁擠度不要太高；為表達節(jié)能，盡量減少起制動與開關(guān)門的次數(shù)?！瞓〕評價指標(biāo)：為保證電梯調(diào)度運行的平安性和穩(wěn)定性，縮短候梯者和乘梯者時間，減低電梯運行能耗，提高電梯運行效率和效勞質(zhì)量等，在相關(guān)文獻的根底上，本仿真系統(tǒng)模型的設(shè)計基于采用四個重要指標(biāo)：乘客等待時間，電梯能量耗損，電梯有效運行效率，電梯擁擠度?！瞔〕電梯派第原那么：針對隨機設(shè)定的交通客流和電梯的初始狀態(tài)，根據(jù)上述評價指標(biāo)構(gòu)造總的評價目標(biāo)，對于電梯i,其響應(yīng)所有呼梯信號的綜合評價目標(biāo)函數(shù)可采用如下形式：本電梯群控仿真系統(tǒng)是在固定某一權(quán)重系數(shù)的情況下，依據(jù)上述原那么計算各電梯的評價目標(biāo)函數(shù)值，根據(jù)目標(biāo)值最小原那么，并且滿足先請求者決定方向的原那么，調(diào)度相應(yīng)電梯運行，從而使乘客最快到達目標(biāo)層的電梯。2.2設(shè)計目標(biāo)各電梯相互獨立，各自在自己的線路中運行，動態(tài)顯示各電梯的載客和運行情況。動態(tài)顯示各樓層的人員停留情況和要求乘梯情況。電梯上行過程中，如果電梯內(nèi)外請求樓層與所在運行電梯一致且請求樓層在上，必須予以響應(yīng)。電梯下行過程中，如果電梯內(nèi)外請求樓層與所在運行電梯一致且請求樓層在下，必須予以響應(yīng)。動態(tài)顯示從仿真開始到目前的時間。顯示時要求表示出每個乘客當(dāng)前要求去往的樓層。統(tǒng)計各梯的運行與空閑時間；統(tǒng)計每個人發(fā)出乘梯要求后的等待時間。沒部電梯的最大成員量K，參與仿真人數(shù)N，到齊時間M，每人要乘坐L次，電梯運行速度S，每人上下時間T可變動輸入〔主要用于自動控制方式〕。界面友好易于理解。2.3設(shè)計模型為了簡化模型和方便處理程序，我們作如下假設(shè):假設(shè)電梯到達某請求層之后，乘客按照先下后上的規(guī)那么乘坐電梯。假設(shè)必須先滿足同方向上的乘客請求之后，才滿足相反方向上的請求。乘客發(fā)出請求方向的同時，發(fā)出其要到達的樓層。乘客發(fā)出的請求為合法請求，即不發(fā)出和當(dāng)前樓層的相同的請求樓層。乘客所發(fā)出的請求為完整請求，即乘梯請求中包含目標(biāo)樓層。模型框圖：圖1模型圖設(shè)計思想與模型實現(xiàn)3.1設(shè)計思想該程序采用可視化的面向?qū)ο笳Z言XisualC++采用多線程技術(shù)實現(xiàn)并采用OpenGL可視化編程技術(shù)一方面模擬電梯群的運行情況，讓人們對電梯的調(diào)度方式具有感性認(rèn)識；另一方面，將電梯群效勞質(zhì)量和運行性能進行可視化輸出，讓人們對電梯群控系統(tǒng)的各項指標(biāo)具有定量分析，從而獲得較優(yōu)運行的電梯群控制系統(tǒng)。3.2模型實現(xiàn)1〕重要對象的組織結(jié)構(gòu)面向?qū)ο笤O(shè)計的根本思路是提出關(guān)于問題的面向?qū)ο蟮挠嬎隳Ｐ?，將計算看做是一個系統(tǒng)的演變過程，系統(tǒng)由假設(shè)干個對象組成，經(jīng)歷一連串的狀態(tài)變化來完成計算任務(wù)，所以模型設(shè)計和實現(xiàn)的重點十多個對象的一種網(wǎng)狀組織結(jié)構(gòu)和多個對象之間協(xié)同計算，而不是層次化的過程調(diào)用。根據(jù)以上設(shè)計思路，在仿真模型中，主要有五種對象在協(xié)同工作，分別是監(jiān)控對象，乘客對象，電梯對象，消息和樓層對象。a〕監(jiān)控對象在仿真模型中，只有一個監(jiān)控對象，CMonitor的對象通過指針的方式包含了20個樓層對象，5個電梯對象和一個乘客鏈表對象，并對這些對象進行管理，如下所示：CFloor*m_pFloors[20];CElevator*m_pElevators[5];CPassengerList*m_pltPassengers;b)乘客對象具有多個乘客對象，具體由仿真參數(shù)界面進行設(shè)定，由CpassengerList進行管理。Cpassenger的包括乘客ID號，當(dāng)期所在樓層，目的所在樓層已經(jīng)等待時間等等。intm_iPID;intm_iFloor;intm_iObjFloor;intm_lWaitTimer;C)電梯對象CElevator對象包含了指向監(jiān)控對象，樓層對象的指針，以及一個乘客鏈表和消息列隊：CMonitor*m_pMonitor;CFloor*m_pFloor;CPassengerList*m_pltPassenger;CMsgList*m_ltMessages;CMsgList*m_ltWaitMsg;d)樓層對象CFloor對象包含了一個乘客鏈表，用來管理在樓層中的乘客。CPssengerList*m_pltFPassengers；e〕消息消息由乘客標(biāo)識，所在樓層，目的樓層和請求方向四個局部組成。仿真流程圖圖2仿真流程圖仿真步驟和結(jié)果分析4.1手動控制方式下的仿真步驟啟動仿真程序，直接進入手動控制方式。將出現(xiàn)五部電梯的內(nèi)部按鈕布局和外部控制按鈕布局。如圖3所示：圖3五部電梯的內(nèi)部按鈕和外部控制按鈕布局說明：紅色方塊表示電梯。當(dāng)乘客在外請求時，可以在“樓層選擇面板〞中選擇所需要的到達樓層。調(diào)度程序選擇優(yōu)先權(quán)最大的電梯進行響應(yīng)，選擇的電梯運行到乘客所在位置后，電梯“開門〞，“關(guān)門〞按鈕有效，在這個時間段中，可以選擇“進人〞和“出人〞，并且可以進出多人。乘客可以主動選擇“關(guān)門〞按鈕，當(dāng)開門一段時間后電梯門也可自動關(guān)閉，即“關(guān)門〞按鈕變成無效。當(dāng)乘客在內(nèi)有合法請求時，電梯自動運行所在位置后，乘客可以選擇“開門〞，“關(guān)門〞，“進人〞，“出人〞按鈕。在這個過程中，也可以對電梯進行產(chǎn)生故障和恢復(fù)故障檢測。4.2自動控制方式下的仿真步驟啟動仿真程序，點擊菜單上“系統(tǒng)性能評估〞，將彈出系統(tǒng)仿真界面如圖4所示，界面將顯示乘客的請求和電梯的運行狀態(tài)?！皢莹暎巴Ｖ龚暱刂品抡孢^程；“性能分析報告〞，“電梯承載量分析〞。“乘客等待時間分析〞，“電梯運行效能分析〞顯示分析結(jié)果，在“啟動〞之前這些按鈕無效。圖4乘客的請求和電梯的運行狀態(tài)1〕啟動將出現(xiàn)參數(shù)設(shè)置對話框，如圖5所示，這個參數(shù)值請參考設(shè)計目標(biāo)〔8〕。點擊“確定〞后開始仿真。這個過程比擬耗時，主要取決于各個參數(shù)的設(shè)置。圖5參數(shù)設(shè)置對話框仿真過程啟動仿真后，調(diào)度算法開始運行，并將各個電梯的狀態(tài)和乘客請求進行顯示，如圖6所示。圖6各個電梯的狀態(tài)和乘客請求的顯示圖2〕停止當(dāng)仿真結(jié)束后〔結(jié)束條件請參考“運行監(jiān)控規(guī)那么〞〕，將會彈去如下對話框，如圖7：圖7對話框顯示用戶也可以手動按“結(jié)束〞按鈕，強行結(jié)束這次仿真，但可能影響分析結(jié)果〔提取結(jié)束可能還有人仍在電梯中或沒有到達〕。性能分析報告仿真結(jié)束后，自動將電梯群各項指標(biāo)保存到文件中，包括仿真參數(shù)，電梯運行，空閑時間，乘客等待時間，各個時刻每部電梯的承載量。點擊“性能分析報告〞按鈕，將翻開這個文件，如圖8所示：圖8性能分析報告4.3運行結(jié)果分析〔效勞質(zhì)量和運行效能評價結(jié)果〕運行結(jié)果數(shù)據(jù)：運行結(jié)果保存到文件result.txt中，具體的實例如下：本次運行時間為680秒運行參數(shù)K=15；N=100；M=10；L=3；S=1；T=1；電梯標(biāo)識運行時間空閑時間1582982587933609714582985511169乘客標(biāo)識等待時間1272273584615134632782856974················································································90233912359233093329943359534596102971699810899172100100乘客平均等待時間=143.000000電梯時刻流量時刻電梯1電梯2電梯3電梯4電梯5100000200000300000400000500000600000700000800000901000100200011030001204000130500014060101507010·············································································6550002065600020657000306580003065900030660000306610003066200030663000306640003066500030666000306670003066800030669000306700003067100030672000306730003067400030675000306760003067700020678000106790000068000000結(jié)論電梯群控系統(tǒng)是通過對電梯群的運行狀態(tài)進行實時檢測與分析，再根據(jù)不同的實際情況對各電梯進行優(yōu)化調(diào)度和合理分配，進而實現(xiàn)電梯系統(tǒng)對乘客的效勞質(zhì)量和效勞效率的改善和提高的目標(biāo)。本文分析了乘客對電梯群控系統(tǒng)的要求和電梯群控系統(tǒng)的特性，總結(jié)出現(xiàn)有電梯群的控制模式。建立交通模式識別模型，根據(jù)一定時間段內(nèi)的交通流的統(tǒng)計信息，對交通流進行預(yù)測。然后根據(jù)預(yù)測的交通模式調(diào)用不同的群控算法分配電梯，該算法是在多目標(biāo)規(guī)劃的根底上建立評價函數(shù)，通過權(quán)值的設(shè)定，突出不同目標(biāo)在不同交通模式下的要求。最后通過對上述模型的仿真，驗證了算法的有效性。針對電梯群控系統(tǒng)的復(fù)雜特性，設(shè)計了不同交通模式下相應(yīng)的調(diào)度算法。在不