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多臺(tái)電梯調(diào)度算法設(shè)計(jì)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(jī)性,不確定性和離散動(dòng)態(tài)性特點(diǎn),采用面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計(jì)方法和基于事件掃描的數(shù)字仿真方法,設(shè)計(jì)一個(gè)多臺(tái)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(guò)對(duì)電梯群的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析,實(shí)現(xiàn)高層建筑電梯群調(diào)度和載客的活動(dòng)仿真情況,評(píng)價(jià)電梯群的效勞質(zhì)量和運(yùn)行效能。關(guān)鍵詞:電梯群控制系統(tǒng),多臺(tái)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(jìn)和革新。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái),電梯技術(shù)已經(jīng)從原始模型升降機(jī)開展到高級(jí)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(jì)中,同常將多臺(tái)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(gè)實(shí)時(shí)性非常強(qiáng)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(hào),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(gè)成功的電梯群控系統(tǒng)在應(yīng)用到實(shí)際控制系統(tǒng)之前,往往都在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上進(jìn)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(yàn)塔做實(shí)驗(yàn),檢驗(yàn)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(guò)對(duì)電梯群運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析,再根據(jù)不同的實(shí)際情況對(duì)電梯進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度和合理分配,進(jìn)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(jì)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(gè)設(shè)計(jì)良好的電梯群控系統(tǒng)必須具備在客流頂峰時(shí)確保乘客在較短的侯梯時(shí)間和乘梯時(shí)間內(nèi)到達(dá)目的地,在空閑時(shí)使電梯群運(yùn)行消耗能量最低。我國(guó)電梯配置和電梯系統(tǒng)特征的研究與國(guó)外相比還處于落后的狀態(tài),雖然國(guó)內(nèi)與1990年對(duì)電梯系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究,但在電梯群控方面,仍有許多理論及技術(shù)問(wèn)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(shí)際意義,這對(duì)電梯群控系統(tǒng)性能〔平安性,舒適性等〕是十分必要的,同時(shí)也可以改變我國(guó)目前電梯技術(shù)主要依賴于進(jìn)口的不利局面【3】。用計(jì)算機(jī)仿真研究電梯群的效勞質(zhì)量和運(yùn)行效能,大樓的層高不要超過(guò)25層,電梯的總臺(tái)數(shù)不要超過(guò)八臺(tái)。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(shí)〕。利用VisualC++技術(shù)編程和OpenGL可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)高層建筑電梯群調(diào)度和載客的活動(dòng)仿真情況。2.設(shè)計(jì)方案2.1設(shè)計(jì)規(guī)那么:為了實(shí)現(xiàn)電梯群調(diào)度和載客的活動(dòng)仿真情況,采用兩種方式對(duì)其仿真:〔1〕人工控制方式;〔2〕自動(dòng)控制方式。人工控制方式:這種方式是完全仿真真實(shí)電梯群情況,乘客自己決定到達(dá)電梯時(shí)候和選擇需要到達(dá)的樓層以及電梯的開關(guān)門。這種方式通過(guò)可視化技術(shù)可以直觀的觀察乘客發(fā)送電梯請(qǐng)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(yùn)行趨勢(shì),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(yùn)行規(guī)那么:電梯的運(yùn)行規(guī)那么:電梯1-電梯5五部電梯可以相應(yīng)到達(dá)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(shí),各電梯隨即處于符合運(yùn)行規(guī)那么的任意一層。初始容量:初始所有電梯無(wú)人乘坐,為空梯。運(yùn)行方向:電梯運(yùn)行的方向由先發(fā)出請(qǐng)求者決定,不允許后發(fā)出請(qǐng)求者改變電梯的當(dāng)前運(yùn)行方向,除非是未被請(qǐng)求的空梯。即當(dāng)電梯在上行過(guò)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(guò)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(yùn)行規(guī)那么:(a)初始位置:每個(gè)人初次所要到的樓梯層由乘客自己決定。(b)請(qǐng)求特征:每次發(fā)出的乘坐請(qǐng)求由乘客自己決定。(c)行為特征:每個(gè)人乘坐的適宜電梯到達(dá)某樓層后,乘客自己決定自己是否出電梯。2.l.2自動(dòng)控制方式;這種運(yùn)行方式是在沒(méi)有人工參與下進(jìn)行的.電梯群運(yùn)行的各個(gè)性能指標(biāo)由用戶事先指定。同時(shí),乘客到達(dá)大樓的時(shí)刻、所選樓層、上下方向以及滯留時(shí)甸均有隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生,即通過(guò)一系列隨機(jī)數(shù)對(duì)電梯群的調(diào)度算法進(jìn)行綜合評(píng)估,包括乘客平均等待時(shí)間、電梯運(yùn)行時(shí)間、電梯空閑時(shí)間、電梯各個(gè)時(shí)刻流量統(tǒng)計(jì),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(yùn)行規(guī)那么和乘客運(yùn)行規(guī)那么:電梯運(yùn)行規(guī)那么:(a)電梯的運(yùn)行規(guī)那么:電梯卜電梯5五部電梯可以響應(yīng)到達(dá)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(wèn)確定)。(c)初始位置:仿真開始時(shí).各電梯處于第一層。(d)初始容量:初始所有電梯無(wú)人乘坐,為空梯。(e)運(yùn)行速度:電梯運(yùn)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(gè)人上下的時(shí)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(yùn)行方向:電梯運(yùn)行的方向由先發(fā)出請(qǐng)求者決定.不允許后發(fā)出請(qǐng)求者改變電梯的當(dāng)前運(yùn)行方向,除非是束被請(qǐng)求的空梯。(g)平安要求:不允許電梯超員。乘客運(yùn)行規(guī)那么:(a)初始位置:每個(gè)人初次所要到的樓梯層是隨機(jī)的,令其在臺(tái)適的電梯處等待電梯的到來(lái)。(b)請(qǐng)求特征:每次發(fā)出的乘坐請(qǐng)求為隨機(jī)樓層。〞(c)行為特征:每個(gè)人乘坐的臺(tái)適電梯到達(dá)指定樓層后,隨機(jī)地停留10—120秒后,再隨機(jī)地去往另一樓層,依次類推,當(dāng)每個(gè)人乘坐過(guò)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(shí),本次仿真結(jié)束。運(yùn)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(jī)地到達(dá)該辦公樓的某一層,并且開始乘梯活動(dòng)。結(jié)束條件:所有N個(gè)人結(jié)束乘梯行為。調(diào)度算法根據(jù)目前電梯的運(yùn)行狀態(tài)和乘客的呼叫請(qǐng)求,采用兩級(jí)調(diào)度方法,其實(shí)施方法為:一級(jí)調(diào)度主要響應(yīng)電梯外乘客呼叫請(qǐng)求,二級(jí)調(diào)度主要響應(yīng)電梯內(nèi)乘客的呼叫請(qǐng)求,同時(shí)必須滿足先請(qǐng)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(duì)多臺(tái)電梯進(jìn)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(yùn)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(shí)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(shí)間盡量短;為了使乘客滿意,應(yīng)使電梯運(yùn)行行程盡量短,且擁擠度不要太高;為表達(dá)節(jié)能,盡量減少起制動(dòng)與開關(guān)門的次數(shù)。〔b〕評(píng)價(jià)指標(biāo):為保證電梯調(diào)度運(yùn)行的平安性和穩(wěn)定性,縮短候梯者和乘梯者時(shí)間,減低電梯運(yùn)行能耗,提高電梯運(yùn)行效率和效勞質(zhì)量等,在相關(guān)文獻(xiàn)的根底上,本仿真系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)基于采用四個(gè)重要指標(biāo):乘客等待時(shí)間,電梯能量耗損,電梯有效運(yùn)行效率,電梯擁擠度。〔c〕電梯派第原那么:針對(duì)隨機(jī)設(shè)定的交通客流和電梯的初始狀態(tài),根據(jù)上述評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)造總的評(píng)價(jià)目標(biāo),對(duì)于電梯i,其響應(yīng)所有呼梯信號(hào)的綜合評(píng)價(jià)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(jì)算各電梯的評(píng)價(jià)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(qǐng)求者決定方向的原那么,調(diào)度相應(yīng)電梯運(yùn)行,從而使乘客最快到達(dá)目標(biāo)層的電梯。2.2設(shè)計(jì)目標(biāo)各電梯相互獨(dú)立,各自在自己的線路中運(yùn)行,動(dòng)態(tài)顯示各電梯的載客和運(yùn)行情況。動(dòng)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(guò)程中,如果電梯內(nèi)外請(qǐng)求樓層與所在運(yùn)行電梯一致且請(qǐng)求樓層在上,必須予以響應(yīng)。電梯下行過(guò)程中,如果電梯內(nèi)外請(qǐng)求樓層與所在運(yùn)行電梯一致且請(qǐng)求樓層在下,必須予以響應(yīng)。動(dòng)態(tài)顯示從仿真開始到目前的時(shí)間。顯示時(shí)要求表示出每個(gè)乘客當(dāng)前要求去往的樓層。統(tǒng)計(jì)各梯的運(yùn)行與空閑時(shí)間;統(tǒng)計(jì)每個(gè)人發(fā)出乘梯要求后的等待時(shí)間。沒(méi)部電梯的最大成員量K,參與仿真人數(shù)N,到齊時(shí)間M,每人要乘坐L次,電梯運(yùn)行速度S,每人上下時(shí)間T可變動(dòng)輸入〔主要用于自動(dòng)控制方式〕。界面友好易于理解。2.3設(shè)計(jì)模型為了簡(jiǎn)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(dá)某請(qǐng)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(qǐng)求之后,才滿足相反方向上的請(qǐng)求。乘客發(fā)出請(qǐng)求方向的同時(shí),發(fā)出其要到達(dá)的樓層。乘客發(fā)出的請(qǐng)求為合法請(qǐng)求,即不發(fā)出和當(dāng)前樓層的相同的請(qǐng)求樓層。乘客所發(fā)出的請(qǐng)求為完整請(qǐng)求,即乘梯請(qǐng)求中包含目標(biāo)樓層。模型框圖:圖1模型圖設(shè)計(jì)思想與模型實(shí)現(xiàn)3.1設(shè)計(jì)思想該程序采用可視化的面向?qū)ο笳Z(yǔ)言XisualC++采用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)并采用OpenGL可視化編程技術(shù)一方面模擬電梯群的運(yùn)行情況,讓人們對(duì)電梯的調(diào)度方式具有感性認(rèn)識(shí);另一方面,將電梯群效勞質(zhì)量和運(yùn)行性能進(jìn)行可視化輸出,讓人們對(duì)電梯群控系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)具有定量分析,從而獲得較優(yōu)運(yùn)行的電梯群控制系統(tǒng)。3.2模型實(shí)現(xiàn)1〕重要對(duì)象的組織結(jié)構(gòu)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的根本思路是提出關(guān)于問(wèn)題的面向?qū)ο蟮挠?jì)算模型,將計(jì)算看做是一個(gè)系統(tǒng)的演變過(guò)程,系統(tǒng)由假設(shè)干個(gè)對(duì)象組成,經(jīng)歷一連串的狀態(tài)變化來(lái)完成計(jì)算任務(wù),所以模型設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)十多個(gè)對(duì)象的一種網(wǎng)狀組織結(jié)構(gòu)和多個(gè)對(duì)象之間協(xié)同計(jì)算,而不是層次化的過(guò)程調(diào)用。根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路,在仿真模型中,主要有五種對(duì)象在協(xié)同工作,分別是監(jiān)控對(duì)象,乘客對(duì)象,電梯對(duì)象,消息和樓層對(duì)象。a〕監(jiān)控對(duì)象在仿真模型中,只有一個(gè)監(jiān)控對(duì)象,CMonitor的對(duì)象通過(guò)指針的方式包含了20個(gè)樓層對(duì)象,5個(gè)電梯對(duì)象和一個(gè)乘客鏈表對(duì)象,并對(duì)這些對(duì)象進(jìn)行管理,如下所示:CFloor*m_pFloors[20];CElevator*m_pElevators[5];CPassengerList*m_pltPassengers;b)乘客對(duì)象具有多個(gè)乘客對(duì)象,具體由仿真參數(shù)界面進(jìn)行設(shè)定,由CpassengerList進(jìn)行管理。Cpassenger的包括乘客ID號(hào),當(dāng)期所在樓層,目的所在樓層已經(jīng)等待時(shí)間等等。intm_iPID;intm_iFloor;intm_iObjFloor;intm_lWaitTimer;C)電梯對(duì)象CElevator對(duì)象包含了指向監(jiān)控對(duì)象,樓層對(duì)象的指針,以及一個(gè)乘客鏈表和消息列隊(duì):CMonitor*m_pMonitor;CFloor*m_pFloor;CPassengerList*m_pltPassenger;CMsgList*m_ltMessages;CMsgList*m_ltWaitMsg;d)樓層對(duì)象CFloor對(duì)象包含了一個(gè)乘客鏈表,用來(lái)管理在樓層中的乘客。CPssengerList*m_pltFPassengers;e〕消息消息由乘客標(biāo)識(shí),所在樓層,目的樓層和請(qǐng)求方向四個(gè)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(dòng)控制方式下的仿真步驟啟動(dòng)仿真程序,直接進(jìn)入手動(dòng)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(shuō)明:紅色方塊表示電梯。當(dāng)乘客在外請(qǐng)求時(shí),可以在“樓層選擇面板〞中選擇所需要的到達(dá)樓層。調(diào)度程序選擇優(yōu)先權(quán)最大的電梯進(jìn)行響應(yīng),選擇的電梯運(yùn)行到乘客所在位置后,電梯“開門〞,“關(guān)門〞按鈕有效,在這個(gè)時(shí)間段中,可以選擇“進(jìn)人〞和“出人〞,并且可以進(jìn)出多人。乘客可以主動(dòng)選擇“關(guān)門〞按鈕,當(dāng)開門一段時(shí)間后電梯門也可自動(dòng)關(guān)閉,即“關(guān)門〞按鈕變成無(wú)效。當(dāng)乘客在內(nèi)有合法請(qǐng)求時(shí),電梯自動(dòng)運(yùn)行所在位置后,乘客可以選擇“開門〞,“關(guān)門〞,“進(jìn)人〞,“出人〞按鈕。在這個(gè)過(guò)程中,也可以對(duì)電梯進(jìn)行產(chǎn)生故障和恢復(fù)故障檢測(cè)。4.2自動(dòng)控制方式下的仿真步驟啟動(dòng)仿真程序,點(diǎn)擊菜單上“系統(tǒng)性能評(píng)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(qǐng)求和電梯的運(yùn)行狀態(tài)?!皢?dòng)〞,“停止〞控制仿真過(guò)程;“性能分析報(bào)告〞,“電梯承載量分析〞?!俺丝偷却龝r(shí)間分析〞,“電梯運(yùn)行效能分析〞顯示分析結(jié)果,在“啟動(dòng)〞之前這些按鈕無(wú)效。圖4乘客的請(qǐng)求和電梯的運(yùn)行狀態(tài)1〕啟動(dòng)將出現(xiàn)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框,如圖5所示,這個(gè)參數(shù)值請(qǐng)參考設(shè)計(jì)目標(biāo)〔8〕。點(diǎn)擊“確定〞后開始仿真。這個(gè)過(guò)程比擬耗時(shí),主要取決于各個(gè)參數(shù)的設(shè)置。圖5參數(shù)設(shè)置對(duì)話框仿真過(guò)程啟動(dòng)仿真后,調(diào)度算法開始運(yùn)行,并將各個(gè)電梯的狀態(tài)和乘客請(qǐng)求進(jìn)行顯示,如圖6所示。圖6各個(gè)電梯的狀態(tài)和乘客請(qǐng)求的顯示圖2〕停止當(dāng)仿真結(jié)束后〔結(jié)束條件請(qǐng)參考“運(yùn)行監(jiān)控規(guī)那么〞〕,將會(huì)彈去如下對(duì)話框,如圖7:圖7對(duì)話框顯示用戶也可以手動(dòng)按“結(jié)束〞按鈕,強(qiáng)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(méi)有到達(dá)〕。性能分析報(bào)告仿真結(jié)束后,自動(dòng)將電梯群各項(xiàng)指標(biāo)保存到文件中,包括仿真參數(shù),電梯運(yùn)行,空閑時(shí)間,乘客等待時(shí)間,各個(gè)時(shí)刻每部電梯的承載量。點(diǎn)擊“性能分析報(bào)告〞按鈕,將翻開這個(gè)文件,如圖8所示:圖8性能分析報(bào)告4.3運(yùn)行結(jié)果分析〔效勞質(zhì)量和運(yùn)行效能評(píng)價(jià)結(jié)果〕運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù):運(yùn)行結(jié)果保存到文件result.txt中,具體的實(shí)例如下:本次運(yùn)行時(shí)間為680秒運(yùn)行參數(shù)K=15;N=100;M=10;L=3;S=1;T=1;電梯標(biāo)識(shí)運(yùn)行時(shí)間空閑時(shí)間1582982587933609714582985511169乘客標(biāo)識(shí)等待時(shí)間1272273584615134632782856974················································································90233912359233093329943359534596102971699810899172100100乘客平均等待時(shí)間=143.000000電梯時(shí)刻流量時(shí)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(guò)對(duì)電梯群的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與分析,再根據(jù)不同的實(shí)際情況對(duì)各電梯進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度和合理分配,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電梯系統(tǒng)對(duì)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(duì)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(shí)別模型,根據(jù)一定時(shí)間段內(nèi)的交通流的統(tǒng)計(jì)信息,對(duì)交通流進(jìn)行預(yù)測(cè)。然后根據(jù)預(yù)測(cè)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(píng)價(jià)函數(shù),通過(guò)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(guò)對(duì)上述模型的仿真,驗(yàn)證了算法的有效性。針對(duì)電梯群控系統(tǒng)的復(fù)雜特性,設(shè)計(jì)了不同交通模式下相應(yīng)的調(diào)度算法。在不
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