（检测技术与自动化装置专业论文）电梯群的优化控制研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 近年来，随着经济的快速发展和人们生活水平的不断提高，城市中出现了越来越多 的高层建筑和智能化建筑。而电梯做为这些建筑中的最重要的垂直交通运输工具，人们 对其的运输能力、服务质量和工作效率也提出了越来越高的要求，单台电梯已不能满足 人们的需求。为了缩短人们的候梯时间、乘梯时间、减少能量损耗，需要安装多台电梯 并对其进行集中统一的控制。这种对多台电梯优化调度的系统就是电梯群控系统 ( e g c s ) 。因此，搭建电梯群控系统模型并对电梯群控控制算法进行研究有重要的理论 意义。 本文首先简要介绍电梯群控系统的基本概念，分析总结电梯运行的基本规则，并阐 述电梯群控系统的结构设计思想。在完成电梯群控系统结构设计的基础上，运用 m a t l a b s i m u l i n k ，完成4 台1 0 层电梯群控系统仿真模型的搭建。然后，本文在相同的 建筑物参数和电梯配置参数条件下，分别应用三种较为成熟的调度算法对群控系统进行 仿真，得出反映电梯服务质量的仿真结果。通过仿真结果的分析比对，进一步验证了仿 真模型的正确性。 接着，本文基于m a t l a b s i m u l i n k 仿真，完成相应的电梯群控算法的梯形图程序的 编写。编写梯形图时采用模块化的思想，将单台电梯运行时必备功能的程序拆分成多个 模块，模块之间相对独立，运行时可根据需要调用相应模块，便于程序编写调试以及扩 展。针对3 台1 0 层电梯模型运用r o c k w e l l 公司的控制器p l cc o n t r o l l o g i x 5 0 0 0 、r o c k w e l l 三层工业网络、远程i o 模块等相关设备，搭建电梯群控算法硬件研究平台；同时通过 f a c t o r y t a l kv i e ws t u d i o 软件完成监控界面的制作以远程监控平台的运行。最后，本文 以最小二乘法为派梯策略测试电梯硬件实验平台。从得到的电梯运行图来看，平台能够 正确无误的运行。 关键词电梯群控系统；m a t a b s i m u l i n k 仿真；硬件实验平台 西南交通大学硕士研究生学位论文第| i 页 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，埘mt h er a p i d d e v e l o p m e n to fe c o n o m y a n dt h ei m p r o v e m e n to f p e o p l e s l i v i n gs t a n d a r d s ，m o r ea n dm o r eh i g h - r i s eb u i l d i n g sa n di n t e l l i g e n tb u i l d i n g sa p p e a ri nc i t i e s a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tv e r t i c a lt r a n s p o r t a t i o n ，as i n g l ee l e v a t o rc a n n o ts a t i s f yp e o p l e s d e m a n d sa n yl o n g e r t h et r a n s p o r t a t i o nc a p a c i t y , s e r v i c eq u a l i t ya n dt h ee f f i c i e n c yo f e l e v a t o r sa r er e q u i r e dh i g h e ra n dh i g h e r i no r d e rt os h o r t e np e o p l ew a i t i n gt i m e ，e l e v a t o r s r u n n i n gt i m ea n dr e d u c ee l e v a t o r s e n e r g yl o s s e s ，m o r ee l e v a t o r ss h o u l db ei n s t a l l e da n dt h e c o n t r o lo fe l e v a t o r ss h o u l db eu n i f i e d t h i sk i n do fe l e v a t o r so p t i m a lc o n t r o ls y s t e mi s e l e v a t o rg r o u pc o n t r o ls y s t e m ( e g c s ) t h e r e f o r e ，t h ee s t a b l i s h m e n to fe l e v a t o rg r o u pc o n t r o l s y s t e mm o d e la n dt h er e s e a r c ho fde g c ss t r a t e g yh a v ea ni m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r , t h eb a s i cc o n c e p t so fe g c sa r eb r i e f l yi n t r o d u c e d ；t h eb a s i ce l e v a t o r r u n n i n gr u l e sa r es u m m a r i z e d ；a n dt h es t r u c t u r ed e s i g ni d e a so fe g c sa r ed e s c r i b e da tf i r s t b a s e do nt h i s ，af o u rs e t s1o - s t o r ye l e v a t o rc o n t r o ls y s t e ms i m u l a t i o nm o d e la r ee s t a b l i s h e d b ym a t l a b s i m u l i n k t h e n , t h r e ed i f f e r e n td i s p a t c h i n gs t r a t e g i e sa r eu s e di nt h es i m u l a t i o no f e g c su n d e rt h ec o n d i t i o no fs a m eb u i l d i n ga n de l e v a t o rp a r a m e t e r s t h ea n a l y s i so ft h e r e s u l t ss h o w st h ec o r r e c t n e s so ft h es i m u l a t i o nm o d e l b a s e do nt h em a t l a bs i m u l a t i o n , t h el a d d e rd i a g r a mp r o g r a mc o d eo fe g c ss t r a t e g i e si s f i n i s h e d w i t hm o d u l a rt h o u g h t ，an e c e s s a r yc o n t r o lp r o g r a mf o rs i n g l ee l e v a t o ri sd i v i d e d i n t os e v e r a lp r o g r a mm o d u l e s ，a n di ti si n d e p e n d e n tb e t w e e nd i f f e r e n tp r o g r a mm o d u l e s a c e r t a i nm o d u l ec a nb eu s e di ft h e r ei ss u c han e e d , a n di nt h i sw a y , i tm a k e sp r o g r a mt e s t i n g a n dp r o g r a me x t e n s i o ne a s y a ne g c sr e s e a r c hh a r d w a r ep l a t f o r mi sb u i l d 、 ，i t l lf o u rs e t s 10 - s t o r ye l e v a t o rs y s t e mm o d e la n dr o c k w e l lc o m p a n y sp l cc o n t r o ls y s t e mw h i c hc o n t a i n s c o n t r o l l o g i x 5 0 0 0 ，r o c k w e l lt h r e e l e v e li n d u s t r yc o n t r o ln e ta n dr e m o t ei oe t c a ts a m e t i m eak i n do fh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ei sm a d eb yf a c t o r y t a l kv i e ws t u d i o f i n a l l y , t h e d i s p a t c h i n gs t r a t e g yo fm i n i m a lw a i t i n gt i m ei su s e df o rt e s t i n gt h ee g c sr e s e a r c hh a r d w a r e p l a t f o r m a n df r o mt h ee l e v a t o rr u n n i n gc h a r t ，i tc a nb ek n o w nt h a tt h ep l a t f o r mr u n s c o r r e c t l y k e yw o r d s ：e g c s ；m a t a b s i m u l i n ks i m u l a t i o n ；r e s e a r c hp l a t f o r m 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在 年解密后适用本授权书； 2 不保密西使用本授权书。 v ( 请在以上方框内打t ”) 学位论文作者签名：飘体裼 指导老师签名： 日期： 7 【，口矸多p 7 口 愿d 毫之 日期：沙l 。5 f 箩恼多11 9 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： l 、运用m a t l a b s i m u l i n k ，完成四台1 0 层电梯群控系统仿真模型的搭建。然后，在 相同的建筑物参数和电梯配置参数条件下，分别应用三种较为成熟的调度算法对群控系 统进行仿真，得出反映电梯服务质量的仿真结果。通过仿真结果的分析比对，进一步验 证了仿真模型的正确性。 2 、基于r o c k w e l l 实验室3 台电梯模型、控制器p l cc o n t r o l l o g i x 5 0 0 0 、r o c k w e l l 三层工业网络、远程i o 模块等相关设备，搭建了电梯群控算法硬件研究平台，并通过 f a c t o r y t a l kv i e ws t u d i o 软件完成监控界面的制作。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。本人完全 了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：j 依弘 嗍 歹沪多县1 眵 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 学术背景 第1 章绪论 随着城市建设事业的飞速发展，高层建筑的出现和建筑面积的不断扩大，电梯的 使用变得尤为重要，人们对电梯服务质量提出越来越高的要求。单台电梯往往不能满 足建筑内的交通需求，许多摩天大楼需要几台，甚至几十台、几百台电梯来服务。然 而，多台电梯仅仅是并列的各自独立操作，不仅会造成很多空载和不必要的停站，使 得乘客候梯时间过长，还会带来诸如环境污染、能源损耗、运营效率低下等问题。因 此为了完成大楼内的垂直运输任务、缩短人们的候梯时间、减少能量的损耗，合理的 调度多台电梯的运行，实现多台电梯群控，是非常必要的，因此出现了电梯群控系统 ( e l e v a t o rg r o u pc o n t r o ls y s t e m ，e g c s ) 。所谓电梯群控系统是指：是指综合考虑大楼 的交通模式、各时刻的交通流量、各楼层的乘客轿外呼梯信号等各种因素，对一栋楼 宇里布置在一起的多台电梯进行统一调度，每个楼层的召唤信号集中由群控主机来控 制，采用某种电梯群控算法调度电梯运行。 电梯群控系统能够有效地改善客流调度及运输效果，一直受到人们的高度重视。 而我国在电梯群控方面的起步比较晚，现阶段对于电梯群控的关键技术尚未能完全掌 握，拥有自主版权的群控方法和技术在实际中的应用还比较少，且与国外相比还有较 大的差距。因此，很有必要在电梯群控方面展开研究。 1 2 国际国内研究情况和进展 电梯群控系统的发展过程可分为三个阶段，如图1 1 所示： 第l 阶段：1 9 4 9 年 - - 1 9 7 1 年，采用继电器顺序控制【2 】，控制方式是时间间隔控制 方式和分区控制方式。时间间隔控制，即电梯群控系统根据不同的交通模式以适当的 时间间隔从端站发出轿厢，就像公共汽车一样运行，而不依赖于层站的呼梯信号而工 作。这种方式可适当解决高峰期间梯群中的各个轿厢沿井道均布的问题。缺点是：轿 厢花费太多的时间在端站候梯等待分配间隔周期，轿厢在端站等候也常常是无用的， 且轿厢频繁地在端站楼层无目的地运行也不利于节能。分区控制方式是将电梯群进行 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 分区，使其服务于不同的楼层区域，以达到减少电梯停层和电梯运行时间的目的。由 于动态分区的算法比较复杂，主要还是以静态分区为主。这种群控系统存在线路复杂、 可靠性低、故障率高等缺点。 i目黼计? 阿l 刷，a 1 一 电 梯 i 整体评价系统l 群 i 控 最短候梯时间控制 系应用集成电路 统 自动模式选择系统 ( 继电器程序控制) 笠1 9 7 l1 9 7 51 9 8 21 9 8 8 配置系统分区配置系统呼梯呼梯系统 控制系统 区间控制形梯时间预测控制 带有学习功能睦望坠 的预测控制 告知系统预期轿厢到达一即告知轿朋到达 图1 - 1 电梯交通系统的发展过程l j l 第2 阶段：1 9 7 1 年 - 1 9 7 5 年，采用硬件为集成电路、调度方式为候梯时间的控制方 式。当有呼叫信号时，群控系统可以根据交通情况以及各轿厢的状态进行一些逻辑计 算，选择合适的电梯响应服务。使用集成电路，简化了硬件的复杂性，提高了系统的 可靠性，是电梯群智能控制的重要基础。但是这一系统对于预测候梯时间所必须的较 复杂的数值计算还不完善。 第3 阶段：1 9 7 5 年至今，计算机应用于电梯群控系统，标志着现代电梯群控阶段 的开始。开始时，电梯群控系统利用计算机将原来常用的控制算法用计算机软件程序 实现进行控制。由于必然受到算法固有的逻辑程序的限制，不是最优的方法。呼梯分 配系统中增加了综合评价系统，采用了包括候梯时间、乘梯时间、长候梯率及预测误 差率等多因素作为评价指标，并加入了对交通系统需求的学习功能，克服了系统对于 时变的交通量适应性差等缺点。1 9 8 8 年，人工智能技术开始应用到电梯群控系统中， 发展到现在包括：专家系统技术、模糊逻辑技术、神经网络技术、模糊神经网络技术、 进化算法( 如遗传算法、免疫算法) 等技术，使得电梯群控系统的智能化程度进一步 提高，系统更加完善，但仍在进一步发展之中。 自从人工智能技术被应用于电梯群控系统后，国外各大电梯公司相继推出了自己的 群控系统产品。三菱公司于1 9 8 8 年推出了将模糊控制理论和专家系统应用于电梯群控 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 曼曼曼曼曼曼曼量曼曼吕曼皇曼曼曼曼曼i i ii_ _ i 曼! 曼曼 1 3 课题的研究目的与意义 1 、电梯群控系统是一个复杂的非线性动态离散系统，而其控制目标也是要综合考 虑候梯时间、乘梯时间、能量损耗等各方面因素，控制系统十分庞大。现有的电梯控 制技术仍存在缺点和不足。如何把先进的技术应用于电梯群控中，进一步提高现有电 梯系统的运行效率，满足乘客的需求，仍需要进一步的研究； 2 、城市建设飞速发展，电梯越来越多的走进人们的生活，人们也对电梯的服务性 能提出了越来越高的要求。且早年安装、现在仍在使用中的很多电梯已不能满足人们 对它的需求，急需对其进行现代化改造； 3 、我国电梯群控技术起步的比较晚，主要靠引进国外先进技术上，由国外的电梯 公司直接提供控制系统。而国外拥有这些技术的大公司也都不公开其核心技术，国内 在这方面的研究还是有相当大的差距。 鉴于此，我们非常有必要对电梯的群控算法进行深入的研究。 而在电梯群控系统研究时，如果直接在一个真实的电梯系统中运行不成熟的算法， 会造成许多不必要的损失，而且很难验证这个算法的通用性。需要搭建一个电梯群控 系统的软件仿真平台，使它能够模拟真实的电梯群的运行情况，这样就能够通过设置 不同的电梯参数和客流情况，对算法进行比较验证。另一方面，软件仿真毕竟不能完 全模拟真实的电梯，也需要电梯模型群控实验进行验证。 综上所述，本文将对电梯群控系统电梯运行规则展开分析，采用模块化设计思想， 分别搭建电梯群控系统的软、硬件仿真平台，并通过一系列简单的调度算法，验证软、 硬件平台外围模块的正确性。使得今后研究更为复杂的电梯调度算法时，只需基于以 上外围模块另外编写新的调度控制模块，为深入研究电梯群控系统调度算法打下基础。 1 4 论文研究的主要内容 本文在充分理解电梯群控系统基本理论的基础上，基于m a t l a b s i m u l i n k 软件搭建 电梯群控系统软件仿真模型，并对3 种不同的较为成熟的调度策略进行仿真比较，验 证模型的正确性。同时，完成采用最小候梯时间为派梯策略的电梯群控系统的实物仿 真，并绘制监控界面。结构安排如下： 第1 章绪论。主要介绍电梯群控技术的发展及国内外研究现状，引出本文的研究 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 曼曼! 曼曼曼曼曼曼皇曼量曼曼皇曼曼曼曼曼i i 一| 量曼曼曼曼量曼曼曼曼苎曼! 曼曼曼曼曼曼皇曼量暑曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼皇曼鼍寰曼曼曼量曼量皇曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼皇 背景、目的和意义。 第2 章电梯群控系统的基本理论。简述电梯群控系统的功能，分析电梯群控系统 的特点及其性能要求，并详细介绍电梯群控系统的评价函数。 第3 章电梯群控系统仿真模型软件结构设计。介绍电梯群控系统的总体结构设计、 电梯运行规则以及本文中编程中涉及的几种电梯群控策略。 第4 章基于c m e x 语言的4 台1 0 层电梯群控系统的m a t l a b s i m u l i n k 仿真实现。 模型建立时，将客流仿真模型、电梯模型、电梯控制模型都嵌入到一个系统中，真实 模拟电梯群控系统的运行，实现一个电梯群控调度方法开发和测试的实验平台。在相 同的建筑物参数和电梯配置参数条件下，采用几种不同的调度策略对电梯群进行控制 仿真，通过对仿真结果的分析比较证明实验模型的可用性。 第5 章电梯群控实物仿真实验。利用a b 公司的p l c 控制系统以及实验室现有的 3 台1 0 层电梯模型，搭建电梯群控系统硬件平台；编写电梯外围接口程序以及人机监 控界面并且配置整个系统网络，完成电梯群控系统软件平台并搭建监控界面；最后通 过编写最小候梯时间的派梯策略梯形图控制程序测试整个系统平台的可靠性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 曼曼曼皇曼曼曼量曼量曼曼曼曼曼葛曼曼曼曼量曼曼曼量曼曼曼曼! 曼曼皇曼曼曼曼曼量曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼量曼曼曼鼍曼量量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量i i i ii i i ；i 鼍曼曼曼曼曼曼 第2 章电梯群控系统基本理论 电梯群控系统必须满足乘客各方面的要求，它的实现是一个复杂的调度问题。以 下通过电梯群控系统的功能、特点、性能要求以及性能评价指标等四个方面对电梯群 控系统的基本理论进行分析。 2 1 电梯群控系统的功能 电梯群控系统是当大楼中存在多台电梯时对电梯群进行优化调度的控制系统。该 系统可以采集电梯的实时状态信息，并对电梯群进行统一调度，保证其合理的运行， 以达到提高电梯系统的整体服务质量、减少能量损耗的目的。 电梯群控系统的主要功能如下： l 、数据采集功能 电梯群控系统实时检测电梯系统中每一台电梯的运行状态，如每台电梯的当前位 置、运行方向、载重、速度、轿内呼叫信号等，并将这些信息传到相应的上层控制软 件，由上层软件对这些信号进行相应的调度处理或者显示处理。 2 、数据通信功能 电梯群控系统要实现对电梯群的合理分配和优化调度，就要在上层控制软件和底 层电梯的控制器之间建立通道，进行信息数据和控制命令的传输，实现双向通信。 3 、控制功能 电梯群控系统中，各电梯对轿外呼叫信号的响应是由系统统一分配。轿外呼叫信 号不是直接分配给乘客所呼叫的电梯，而是先传送到电梯群控控制模块。经电梯群控 控制模块根据电梯的状态和当前位置，采用一定的派梯策略，算出由哪台电梯响应此 呼梯信号，再将此信号分配给电梯控制模块。因此，电梯群控系统有控制功能，可对 电梯控制器进行控制，让某台电梯响应某个轿外呼叫信号，也可以使某台电梯对某个 轿外呼叫信号不予响应。 4 、预估计算功能 预估计算功能是电梯群控系统的核心部分。电梯群控系统要对大楼内的电梯交通 系统的交通状态进行分析，如：客流量、客流分布、电梯状态、电梯分布等，通过分 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 析可以对乘客呼梯信号、电梯下一时刻的响应情况进行预测，然后根据一定的派梯策 略进行调度，使电梯得到最优控制。 5 、监测显示功能 电梯群控系统可以对每台梯的当前位置、运行方向、载重、速度、梯内呼叫信号、 响应情况等信号以及每个乘客轿外呼叫信号的派梯结果进行实时监测，且在界面上显 示。 6 、自学习功能 电梯群控的问题仅仅依靠数学模型的描述来实现是不够的，还需要采用学习、使 用和获取经验知识的方法，即系统的自学习。 虽然电梯群控系统存在大量的不确定性，但在较长一段时间内仍然有较大的规律 性。任何一座大楼都有一定的工作周期，在不同周期的同一时间会存在相似的系统状 态和系统输入，所以通过统计各时间段的电梯运行的各参数，就可以实现群控系统的 自学习圈。例如统计一天内各时间段内的客流量，可以通过分析各楼层何时处于高峰 请求期，将电梯优先调度到该楼层，以减少侯梯时间、缩短长候梯率。一般来说，电 梯运行的交通模式可以分为上行高峰交通模式、下行高峰交通模式、随机层间交通模式 和空闲交通模式。电梯群控系统的调度可以根据不同交通模式进行适当的调整，例如 在上行高峰模式下，基站发出的呼梯信号多，应使电梯尽快地到达基层；而在空闲交 通模式下，则可以适当的减少运行电梯的台数，节省能量。 2 2 电梯群控系统的特点 电梯群控系统的目的在于对多台电梯进行调度，给出调度的基本原则。首先要分 析电梯群控系统的特点，然后针对这些特点确定调度原则，采取有效的控制办法对其 进行控制。电梯群控系统的特点包括：多目标性、不确定性、非线性、扰动性和不完 备性【9 1 0 l 。 2 2 1 电梯群控系统的多目标性 电梯群控系统是一个具有多目标因素的系统，共有3 0 多个目标，它们之间的关系 错综复杂，这就使我们在设计电梯群控系统时需要折中和综合的考虑各个目标。主要 包括： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 、平均候梯时间短 候梯时间是指从乘客按下轿外呼叫按钮到电梯到达此层乘客进入电梯所经过的时 间。平均候梯时间是指所有候梯时间的平均值，它是评价电梯群控系统重要的性能能 指标。 2 、长候梯率小 长候梯率是指乘客候梯时间超过1 分钟的发生比率，可以表示为： p ：堕 ( 2 1 ) 力2 其中：，z l 为发生长候梯的指令数； 刀：为所有轿外呼梯指令数。 统计表明，乘客的心理烦躁程度与候梯时间的平方成正比。当乘客的候梯时间超 过1 分钟，其心理烦躁程度会急剧上升，如图2 1 所示，所以应尽量减少长候梯的发 生。 乘客烦躁 图2 - 1 候梯时间与乘客烦躁程度关系曲线 3 、系统能耗少 单台电梯的能耗与其驱动方式和机械性能有关。对于电梯而言，电梯全速运行时 所消耗的电能远远低于加速和减速时所消耗的电能。电梯停靠的次数越多，消耗的电 能就越大。对电梯群控系统而言，电梯的型号一经确认，单台电梯起停时的所消耗的 电能就能确定，所以电梯群控系统要合理的安排和调度电梯群对呼梯信号的响应，尽 量减少电梯群总体的起停次数，提高电梯的总体利用率，减少空载和少载运行。 4 、平均乘梯时间短 平均乘梯时间是指从乘客进入电梯到乘客离开电梯所经过的时间的平均值。统计 表明，乘客的烦躁程度是与乘梯时间成正比的，如果乘客的乘梯时间过长，就会造成 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 乘客的烦躁不安，所以乘客的乘梯时间需要保持在一定的范围内。 5 、客流输送能力强 电梯作为大厦中的垂直交通工具，输送能力是其性能优劣的重要标志之一。输送 能力不足将会造成一系列的不良后果。尤其是在客流密度极大的高峰时期，需要电梯 系统迅速将乘客送往各目的层站。由于电梯的加速度，加加速度受人体生理因素的限 制，仅仅依靠提高电梯速度来提高客流输送能力是不可能的。且大楼内的电梯数目也 不可随意改变。所以只有通过改进电梯群控系统的派梯策略才能达到提高客流输送能 力的目的。 6 、轿厢内拥挤度 轿厢内拥挤度给乘客所带来的不便是显而易见的。一般以轿厢内乘客数占轿厢额 定载重量的百分比来衡量。 上述的几个目标对电梯群控系统提出了不同的要求。电梯群控系统应根据客流需 求状况，自动对这些指标进行调整。当客流量比较轻时，应以降低轿厢内拥挤度和能 量损耗为主要目标；当客流量比较重时，应以减少平均候梯时间、平均乘梯时间、长 时间候梯率为主要目标。但各个目标之间会产生相互矛盾，例如：如果要使轿厢拥挤 度较小，电梯轿厢的总体利用率就会降低，造成乘客的平均候梯时间加长、电梯能耗 增加；如果要求乘客的平均乘梯时间短，则会造成乘客长时间候梯率的增加。所以各 个控制目标之间的相互平衡协调成为电梯群控系统的难点。 2 2 2 电梯交通系统的不确定性 由于电梯的客流量会随时间的变化而发生变化。所以，电梯交通系统存在着很大 的不确定性，主要表现为： 1 、每一层站的乘客数的不确定性； 2 、乘客的目的层的不确定性； 3 、呼梯信号的产生楼层的不确定性； 4 、建筑物内存在的与环境因素有关的交通状况的变化的不确定性。 2 2 3 电梯交通系统的非线性 电梯交通系统中有很多非线性的因素，必须用智能控制技术来控制它们。例如： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 i l 1 、对于同一组呼叫信号，在不同的时间坐标下，轿厢的分配结果不同。轿厢分配 的变化是不连续的； 2 、电梯群控系统受到轿厢数目的限制，所能分配的轿厢数目有限； 3 、当轿厢容量达到饱和时，对于轿外呼梯信号轿厢不会停车； 4 、轿厢在运行时会频繁地改变方向。 2 2 4 电梯交通系统的扰动性 电梯交通系统中具有扰动性，这种扰动性是随机的。例如： l 、乘客登记了错误的呼梯信号，造成不必要的停站； 2 、乘客的呼梯时间具有随机性； 3 、乘客的呼梯时间和地点可能因为某种因素而改变； 4 、乘客可能较长时间的保持开门状态，从而妨碍了电梯的正常运行。 2 2 5 电梯交通系统的不完备性 电梯交通系统中存在着大量的不准确信息： 1 、电梯轿厢中的乘客人数不能准确获得； 2 、乘客进出轿厢的时间不同； 3 、乘客进入轿厢前，其目的楼层是不确定的。 2 3 电梯群控系统的性能要求 2 3 1 电梯群控系统的整体性能要求 电梯群控系统是对电梯群的控制和调度，电梯作为大楼内的垂直交通工具，必须 保障其安全性和可靠性。因此，群控的整体性能包括以下要求【l l j ： 1 、能对电梯群进行调度 电梯群控系统需要完成的最核心的任务就是对电梯群的调度控制。电梯群控系统 必须要能与电梯群进行通信，获取各电梯的状态信息和呼叫信息，实现对电梯群的调 度，这是电梯群控系统的基础。同时，电梯群也需要接收调度电梯群控系统运算出的 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 反馈调度指令来控制电梯。因此，电梯群控系统必须要能与电梯群进行通信。 2 、能对电梯群进行集中统一合理调度 电梯群控系统对电梯群调度的目的就是要提高整个电梯群对乘客的服务质量。要 提高电梯群的服务质量，首先必须对乘客的呼叫信号进行集中的管理和统一的分配。 这是提高电梯群服务质量的前提。要最大程度的提高电梯群的服务质量，只对乘客呼 叫信号进行统一分配电梯是不够的，还必须结合电梯本身的运行规则进行合理地分配。 只有对电梯群进行集中统一合理的分配，才能更好地提高电梯群的服务效率。 3 、能对电梯群调度状况进行监测 电梯群控系统的主要功能是实现对电梯群的合理调度。但由于电梯群中的电梯可 能分布在不同的位置上，而电梯又是封闭在大楼里面，用户很难进行观测到电梯的运 行调度情况。因此，电梯群控系统必须提供显示界面，对电梯群的运行调度状况进行 监测。这样不仅可以给用户提供个良好的观测窗口，还可以为群控调度算法的调试 提供一个有力的工具。 4 、能实时显示电梯运行状态 用户有的时候需要了解各电梯的运行状态和一些硬件参数指标。由于电梯的运行 状态是在不停变化的，仅仅通过人为的观测要想同时观测所有电梯的状态，几乎是不 可能的。而对于电梯的硬件参数指标，虽然可以通过操作单台电梯来获得，但操作较 为烦琐，且一次只能读取一部电梯的数据，很不方便。因此，电梯群控系统必须要能 满足用户的这些需求，实时显示电梯的运行状态和一些硬件参数指标。 5 、对电梯故障报警和记录 电梯的安全问题一直被人们视为电梯运行最为重要的问题，而电梯故障是影响电 梯安全运行最关键的因素，所以显示电梯的故障信息、对电梯故障进行报警和记录， 对于用户和维修人员来说都是至关重要的，而且电梯的历史故障记录对于日后电梯故 障的诊断和电梯各部件性能的评价都有十分重要的意义。所以，为了保证电梯群控系 统能够更加安全的运行，必须对电梯故障进行报警、对电梯故障进行处理后记录下来。 这也是群控系统要有的一项重要功能。 2 3 2 电梯群控系统的硬件设计要求 电梯群控系统的硬件部分的功能除了要保证电梯群的正常运行外，还包括将单台 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 曼曼曼曼曼曼量皇曼曼曼曼量曼i i i i 曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼皇曼曼曼舅曼曼曼曼曼曼皇曼 电梯的状态与呼梯信号传送到群控计算机中，也将群控计算机的查询与控制命令直接 转发给单台电梯，实现系统对电梯群的优化控制。所以，电梯群控系统的硬件应保证 以下性能： l 、硬件发生故障的概率要低。 2 、数据处理效率要高，能满足电梯群控系统实时采集和传输数据，实现电梯群控 系统的调度功能。 3 、硬件维护方便，软件操作性强。 2 3 3 电梯群控系统的软件设计要求 电梯群控系统的软件部分是整个系统功能实现的重点，它可以实时分析处理电梯 系统现场的信息，经过计算和判断，采取一定的控制策略对电梯群进行控制调度，以 达到提高电梯的服务质量和服务效率的目的。因此，电梯群控系统的软件设计要求应 满足以下要求【1 2 】： 1 、可靠性。电梯群控系统软件要实现电梯系统的控制调度，应保证其控制命令的 准确性和可靠性。 。2 、高效性。电梯群控系统的软件应该具有较高的效率，这样才能对呼梯信号实行 实时分配，优化电梯运行。 3 、灵活性和可扩充性。由于各个电梯生产厂家的电梯设备各有差别，且建筑物内 的交通变化、交通类型以及大楼内电梯的数量都有可能发生变化，而电梯的硬件结构 不能随意更改，所以只能充分利用电梯群控系统的软件的灵活性和可扩充性，对不同 状况下的电梯群进行控制。 2 4 电梯群控系统性- 月- 匕i ：；丁a t l 日匕, 标评价函数 在控制系统中，通常用性能指标评价函数来衡量系统采用的控制器的优劣，因此， 选择一个较客观合理的系统性能指标来估计控制器所产生的效果显得尤为重要。电梯 群控系统的主要性能评价指标由时间评价指标、能耗评价指标、乘客状态评价指标和 乘客容忍度评价指标四部分组成【1 31 4 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 4 1 时间评价指标 在电梯群控系统中，时间评价函数越短，其消耗就越少，系统的效率也就越高。 作为电梯群控系统的重要评价指标，一般将时间评价函数分为5 种，定义如下： 1 、平均候梯时间乙 么w t ：軎兰胛 ( 2 2 ) n p 乞 、。 式中：w t ( i ) 为乘客f 的实际候梯时间； p 为电梯系统的总乘客数。 2 、平均乘梯时间 彳尺丁：釜川f ) ( 2 - 3 ) n 。气 一 式中：r t ( i ) 为乘客f 的实际乘梯时间。 3 、平均到达时间以丁 4 彳t = a 丁+ 彳r t ( 2 4 ) 4 、最长候梯时间m w t m w t = m a x ( 形丁( f ) ) ( 2 5 ) 5 、总运行时间豫丁 豫t = e n d t i m e s t a r t t i m e( 2 - 6 ) 式中：e n d t i m e 为系统结束运行的时间； s t a r t t i m e 为系统开始运行的时间。 2 4 2 能耗评价指标 能耗越少，电梯群控系统的服务成本就越低。电梯的运行距离、电梯的起停次数 与能耗有着密切的联系。能耗评价指标可由总运行距离和总能耗两个量来描述： 1 、总运行距离t d ， t d = d ( f ) ( 2 7 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 式中：d ( i ) 为电梯i 运行的总距离； m 为电梯总台数。 2 、总能耗t e 式中：e ( i ) 为电梯i 的总能耗。 2 4 2 乘客状态评价指标 ne t e = e ( f ) ，= 1 ( 2 8 ) 电梯群控系统的载客能力往往表现在其运送乘客的数量上。乘客状态评价函数可由 以下三个量决定： 1 、5 分钟载客率以劬 以曲= 等 沼9 ， 2 、单位楼层下5 分钟的载客率 巩= 而2 5 m i 式中：f d 为楼层高度。 3 、单位能耗下5 分钟的载客率7 7 p 2 4 2 乘客容忍度评价指标 铲篆 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 电梯群控系统中存在很多不确定的因素，例如：乘客f 发出的轿外呼叫信号，电梯 k 被分派去响应该呼叫，但在乘客f 到达目的楼层之前又有乘客发出呼梯信号，这样就 会导致乘客的候梯时间或乘梯时间有所变化，乘客f 的到达时间被延误。对于一个电梯 群控系统，减少响应时间的延迟可以有效地避免不确定因素的影响。相关评价指标定义 如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 1 、平均候梯延迟时间f 胛 1 p 哳2 玄善孵o ) - 吲d ) ( 2 - 1 2 ) 式中：瞩( f ) 为乘客i 最小候梯时间的预测值。 2 、平均乘梯延迟时间r 只r 嘞= 古誊c 一聊劝 协 式中：g r o ( i ) 为乘客i 最小乘梯时间的预测值。 3 、平均到达时间r r f r = f f 盯+ f r r ( 2 1 4 ) 2 5 本章小结 本章对电梯群控系统的功能进行了详细的阐述，并分析了电梯群控系统的五个特 点、电梯群控系统的性能要求以及电梯群控系统的性能指标评价函数。为论文后面几 章对电梯群控系统软、硬件的设计仿真等工作的展开做了充分的准备。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 第3 章电梯群控系统结构设计 无论软件仿真还是实物实验平台，对电梯群控系统进行整体搭建的思路都是一致 的。因此，本章先对电梯群控系统的总体结构设计进行分析，然后对电梯运行规则进 行解释说明，最后分析本文中所用到的几种控制策略，为接下来的电梯群控系统软、 硬件搭建做准备。 3 1 电梯群控系统总体结构设计 电梯群控系统是一个相当复杂的系统，需要对几百个信号进行收发，处理。目前， 电梯群控有多种实现方式，但其控制系统的基本结构大同小异。图3 1 为电梯群控系 统基本结构框图。电梯群控呼叫模块接受轿外呼梯信号，根据派梯策略算法的处理结 果将呼梯信号分配给各单梯控制模块，单梯控制模块根据各电梯状态、分配的轿外呼 梯信号、轿内呼梯信号等对电梯模型进行运行控制。电梯群控控制模块是电梯群控系 统的核心，负责采集轿外呼叫信号并协调的控制各电梯的运行。 图3 1 电梯群控系统基本结构框图 电梯控制模块控制单台电梯，使其能够独立地上下运行、完成电梯的基本功能。 在电梯控制模块中还应设置正确的电梯加速度和减速度。众所周知，由于生理需求， 乘客不能承受过大的加速度和减速度。而且电梯速度和加速度的变化，也会导致乘客 体内器官的相对移动，给人不舒服的感觉。如果这种变化超过人体能够承受的极限， 就会出现呕吐、恶心等不适症状。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 电梯监控系统用于监视电梯群中各电梯系统的状态，特别是有关安全的状态信息， 便于掌握系统的工作状态，及时发现系统隐患，排除故障。同时可以通过该系统对电 梯群控制系统的相关参数进行配置，实现后台管理。为操作方便，电梯群监视与指令 系统的实现可采用标准配置的p c 机【1 5 1 。 电梯群控控制模块是整个电梯群的调度中心。一方面，它可以采集轿外呼梯信号， 根据电梯的当前位置、电梯运行方向、轿厢负荷、客流量等各方面因素对轿外呼梯信 号做出合理的分配，并将轿外呼梯信号发送给各电梯的控制模块。另一方面，电梯群 控控制模块接收用户指令、设置参数并根据需要增减功能，向外部输出电梯的相关信 息，供用户查询与监视。 电梯群控控制模块的核心任务是实现电梯群的协调控制和优化调度。一般情况， 在底层端站设有一个上行轿外呼梯按钮，在顶层端站设有一个下行轿外呼梯按钮，在 中间每个停靠层站都设有一对层站轿外呼梯按钮，分别用于上行轿外呼梯请求和下行 轿外呼梯请求。一旦有层站轿外呼梯按钮被按下，则点亮显示乘客呼梯请求的指示灯， 以示该呼梯请求已被登记，且电梯群控控制模块立即登记该呼梯请求，并根据群控控 制算法来判断最优派梯，决定由哪台电梯来服务。当电梯到达该层站时，消去显示该 层站的呼梯请求，熄灭指示灯，以示该请求已被应答。电梯群控系统派梯策略与乘客 的平均候梯时间、平均乘梯时间、系统能耗等性能评价指标息息相关，直接影响电梯 群控系统的服务数量和服务质量，因此选择一套性能良好的电梯群控系统派梯策略是 至关重要的。 3 2 电梯运行规则 本文中，不论软件平台仿真还是硬件搭建，采用的都是模块化设计，先保证单台 电梯的正确运行，再对电梯群控系统进行仿真。在此，采用集选控制方式对单台电梯 进行控制，即电梯的逻辑控制系统能实现将各楼层厅外的上召唤及下召唤信号与轿箱 内的指令信号综合在一起进行集中控制，从而使电梯能够自动地选择运行方向和目的 层站的控制方式。在此方式中，中间层站设有上、下两个方向的呼梯按钮以供选择， 电梯能够同时记住数个轿内选层和层站呼梯信号。轿厢能够自动应答启动运行。在顺 向运动中，依次应答顺向的呼梯，在呼梯层站停靠。如果运行前方不再有呼梯，轿厢 就自动反向运行，依次回答反相呼梯，最后回到基站。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 在实际使用中，根据建筑物性质和使用要求的不同，集选控制还可分为全集选和 下集选控制两种类型。全集选控制是将各层厅外上召唤和下召唤信号全部收集起来进 行控制，常用于宾馆、办公楼等场合。下集选控制仅仅将各层站的厅外下召唤信号进 行集中控制，因此各个层站的厅外仅设置一个向下召唤按钮，这种控制方式常用于某 些住宅楼。但不论那种集选方式，其逻辑控制原理基本上都是一样的。本文选用的是 上述的全集选控制的方式。 单台电梯的具体运行规则如下： l 、电梯所在楼层数字显示：上升过程中：轿厢在1 、2 层之间显示“2 ”；在2 、3 层之间显示“3 ，依此类推；下降过程中：轿厢在1 、2 层之间显示“1 ”；在2 、3 层 之间显示“2 ”，依此类推。 2 、电梯运行方向由轿厢上、下行指示灯显示。如果某层有呼叫( 包括电梯内呼叫 或各层外呼叫) ，则该层的响应指示灯亮，表示轿厢将去该层，电梯到达该层后，响应 指示灯熄灭。 3 、无论电梯处于何种状态，只要有电梯内呼叫，轿厢运行到该层，即可响应此呼 叫。 4 、当按电梯外呼叫按键时，该按键的指示灯亮，直到该呼叫被响应后熄灭。 5 、只有单一呼叫信号时，电梯运行到呼叫所在楼层等待乘客进入。 6 、当有多个呼叫信号时，电梯每响应一个呼叫，均开门停车，等待乘客进入，再 去响应下个呼叫。其响应次序遵循以下原n - ( 1 ) 如果电梯处于上升的状态，则优先响应上升呼叫和内呼叫信号，再返回响应 下降呼叫信号。 ( 2 ) 如果电梯处于下降的状态，则优先响应下降呼叫和内呼叫信号，再返回响应 上升呼叫信号。 例如：电梯最初停在2 楼，3 楼先有上升呼叫再有下降呼叫，同时4 楼有下降呼叫。 这时轿厢先上升至3 楼，此时下降呼叫依然保持，轿厢开关门继续上升至4 楼，轿厢 开关门后再去响应3 楼下降呼叫。如果3