（控制理论与控制工程专业论文）电梯群控系统研究.pdf

摘要 随着人民生活水平的提高和城市建筑的高速发展，楼宇需要配置多台电梯以提高交 通服务质量和可靠性。然而，仅仅增加电梯数量不仅不能完全满足现代楼宇的多种要求， 还会带来诸如环境污染、能源损耗、运营效率低下等问题。 电梯群控系统所要解决的是一个复杂的、具有非线性和不确定性的多目标随机决策 问题。因此，现代建筑多采用电梯群控技术来调度电梯群的运行，在提高系统服务质量 和运营效率的同时降低能耗。本文在深入研究国内外电梯群控相关技术及研究成果的基 础上，介绍了电梯群控技术的基本概念和发展历程，分析了电梯群控技术的研究现状， 并对湘潭某大型医院住院大楼电梯群控系统进行了研究分析和改进，使该大楼的电梯服 务质量和营运效率得以提高。 电梯的客流交通模式决定了电梯群控系统的调度策略。本文首先对该大楼的电梯交 通模式的类别、特点进行了分析，提出一种基于电梯客流统计特性的客流交通模式识别 方法针对原有系统效率低下、候梯时间过长以及能耗较大等问题。为了实现群控系统总 体运行状态的优化目标，在分析群控系统的多目标要求和研究多目标优化数学模型的基 础上，给出了群控系统的呼叫派梯算法，并设计了电梯群控基本的规则和不同交通模式 下的调度策略。 论文分析了电梯群控系统中客流仿真过程和电梯运行仿真过程。通过建立客流仿真 模型和电梯运行仿真模型，模拟实际电梯系统的交通情况，验证了群控算法的有效性和 实用性。 关键词：群控系统；群控算法；交通模式；调度规则 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r d sa n dt h er a p i d d e v e l o p m e n to fu r b a n c o n s t r u c t i o n ，b u i l d i n g sn e e dt oe q u i pm u l t i p l ee l e v a t o r st oi m p r o v et h eq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t y o ft r a n s p o r ts e r v i c e s o nt h eo n eh a n d ，t h ei n c r e a s i n go fe l e v a t o r sc o u l d n tm e e tt h em u l t i p l e d e m a n d so fm o d e mb u i l d i n g s ，o nt h eo t h e rh a n di tc a u s e ss e r i o u sp r o b l e m so ft h e e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，t h ee n e r g yc o s ta n dt h el o wo p e r a t i n ge f f i c i e n c y t h em a i np r o b l e mo fe l e v a t o rg r o u pc o n t r o li st h a tt h es y s t e mi sc o m p l e x ，n o n l i n e a r a n du n c e r t a i n t y m o d e ma r c h i t e c t u r eu s e de l e v a t o rg r o u pc o n t r o lt e c h n o l o g yt o o p e r a t e e l e v a t o rg r o u p i tc a l li m p r o v et h eq u a l i t yo fs e r v i c ea n do p e r a t i o n a le f f i c i e n c y ，a tt h es a m e t i m e ，i tc a l lr e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o n t h er e s e a r c h so fe l e v a t o rg r o u pc o n t r o ls y s t e m h a v el o n gh i s t o r yi no u rc o u n t r yt h er e l a t e dr e s e a r c h sa r el e s sa n di n f o r m a t i o ni sa l s ol a c k t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h eb a s i cc o n c e p ta n dd e v e l o p m e n tp r o c e s so fe l e v a t o rg r o u pc o n t r o l t e c h n o l o g y t h e nt h ep a p e ra n a l y z e de l e v a t o rg r o u pc o n t r o lt e c h n o l o g yr e s e a r c hs t a t u s a t l a s t t h i sp a p e re x p l a i n e dt h ep u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h es t u d yo ft h i si s s u e t h ee l e v a t o rt r a f f i cd e t e r m i n e st h ed i s p a t c h i n gs t r a t e g yo ft h ee l e v a t o rg r o u pc o n t r o l s y s t e m t h ep a p e ra n a l y z e dt h ec h a r a c t e r so fe l e v a t o rt r a f f i cs y s t e mf i r s t l y ，f u r t h e rp o i n to u t t h ei d e n t i f y i n go ft r a f f i cp a t t e mb yt h es t a t i s t i c sa b o u tt h ee l e v a t o rt r a f f i c t h ep a p e rp r o p o s e d ad i s p a t c h i n gm o d e lo ft h ee l e v a t o rg r o u pc o n t r o ls y s t e mw i t hm u l t i - o b je c to p t i m i z a t i o n t h ep a p e ra n a l y z e dt h em u l t i - o b je c tn e e do ft h eg r o u pc o n t r o ls y s t e mf i r s t l y ，t h e ni t i n t r o d u c e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fm u l t i - o b j e c to p t i m i z a t i o n ，a n dp r o v i d e dt h es o l u t i o no f t h ee l e v a t o rd i s p a t c h i n g d u e st ot h es t o c h a s t i ca n du n c e r t a i n t yo fe l e v a t o rg r o u ps y s t e m ，t h e e x p e r i e n c eo fc o n t r o la r ev e r yi m p o r t a n t t h ep a p e rs t u d i e dt h ec h a r a c t e r so ft h es y s t e m ， d e s i g n e dt h eb a s i cg r o u pc o n t r o lr e g u l a t i o n sa n dt h ed i s p a t c h i n gs t r a t e g y t h ep a p e ra n a l y z et h ep r o c e s s e so fp a s s e n g e rf l o wa n de l e v a t o ro p e r a t i o ni ne l e v a t o r g r o u pc o n t r 0 1 b ym o d e l i n gb o t ho ft w op r o c e s s e s ，t h ep a p e rs i m u l a t i o nt r a f f i cc o n d i t i o n so f e l e v a t o rs y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv a l i d a t et h ep r o p o s e da l g r i t h m k e yw o r d s ：e l e v a t o rg r o u pc o n t r o l ；g r o u pc o n t r o lr e g u l a t i o n s ；t r a f f i cm o d e ；m u l t i o b j e c t o p t i m i z a t i o n i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 彩眨 l 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。本人授权湖南大学可以将本学位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、缩印或扫描等复制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 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：耐年r 月髟日 日期：2 伊够年，月石日 、 h i ，小 贰 n 杉 一芗勃 名 名 签 签 彰 耀 怍 导 硕十学位论文 第1 章绪论 电梯是一种安装在建筑物内的交通工具，用于满足人们对楼内垂直运输的需要。作 为公共交通工具的电梯系统，最重要的是安全运行，只有安全运行才能使乘客对乘坐电 梯产生一种信任感。除了安全行驶外，则应该高效的满足乘客的要求。 乘客的要求可以分为两种生理上的和心理上的，即身体的承受能力和心理的承 受能力。要满足乘客的要求，就应提供高质量和高容量的服务。高质量的服务是指要使 乘客等候电梯以及乘坐电梯的时间短，高容量的服务是指电梯系统运载容量大。自电梯 问世以来，从单梯运行到双梯并联运行，再到电梯群控系统运行，已逐步形成了电梯交 通配置理论。随着高层建筑和智能化建筑的不断出现，人们对电梯系统的性能也提出了 越来越高的要求。从研究电梯交通系统的统计特性到研究电梯交通系统的动态特性，人 们在电梯控制系统中利用了各种人工智能控制技术来提高系统的运行效率【l j 。 电梯群控技术始于1 9 4 9 年，经过几十年不懈的努力，一些新的技术( 如信息论、控 制论、计算机和人工智能等) 不断地被引入到该领域，使电梯群控技术不断地丰富与完 善。本章综述了电梯群控技术的发展和现状，介绍了课题的来源和意义。 1 1 电梯群控系统的发展过程 最早的电梯群控系统使用继电接触控制，称为“自动方式选择系统”，它通过在上行、 下行高峰以及平峰时双向选择运行命令来工作。这是群控的最简单形式，称为方向预选 控制，它适用于两台或三台电梯组成的梯群，每台电梯靠方向预选控制来操作。这种系 统需要单一的厅层召唤系统，每个厅层设有一个上行和一个下行按钮。控制系统有效地 把建筑物内的电梯分开，以提供均匀服务并在指定的停梯层停靠一台或多台电梯【z j 。使 用继电接触控制可以实现电梯的无司机运行，但其控制的主要目标是实现系统的顺序运 行，运行效率较低，维护也较复杂。 后来出现了分区控制法。分区控制法即是将几台电梯组成的简单梯群分组，分别服 务于交替的楼层。分区法又分为静态和动态两种方法。静态分区时，一定数目的厅层组 合在一起构成一个区域，也可将相邻的上行厅层召唤安排到若干向上需求区域，相邻的 下行厅层召唤安排到若干独立的向下需求区域，由此定义方向区域。动态分区时，区域 的数目和每个区域的位置和范围，取决于各个轿厢运行的瞬间状态、位置和方向。动态 区域是在正常的电梯运行期间定义的，按事先定义好的规则产生新的分区，并且是不断 连续变化的。分区控制缩短了电梯的单台运行周期，运行效率有所提高。动态分区的算 法比较复杂，因此主要以静态分区法为主。近年来，动态分区法的研究受到了重视。 随着集成电路的发展和应用，1 9 7 0 年以后，厅层呼叫分配系统开始发展起来。当一 电梯群控系统研究 个新的厅层呼叫产生时，选择一部合适的电梯来响应呼叫，该呼叫就分配给电梯了。这 就把群控系统和单台电梯控制器简单地联系在一起，提高了整个系统的可靠性和服务质 量。这种系统使用了集成电路，可以进行一些更加复杂的逻辑运算，但对候梯时间预测 的计算却无法精确进行。它在后来的十几年里非常流行，目前国内的部分群控电梯使用 这种系统。 接着群控系统开始使用计算机技术。计算机的应用使人们可以利用各种人工智能技 术研究电梯交通系统的动态特性，提高高层建筑物内交通系统的垂直运输效率，充分发 挥智能化大楼的综合功能。应用计算机技术的群控系统在高层建筑中发挥了明显的优 势，使高层建筑的电梯系统在提供更高质量和更高容量的服务上得到很大的改善。 1 2 国内外发展现状 早在1 9 4 9 年，纽约联合国大厦首次使用继电器逻辑组成的电梯群控系统，经历了由 当初的预选控制到后来的分区控制：随着计算机技术的迅速发展，计算机群控代替了传统 的继电器群控。同时国际上各大电梯公司相继推出了与自己群控系统相适应的控制算 法，o n ：日立公司的时间最d , 最大群控法，迅达公司的综合服务成本群控方法，奥的斯 公司的相对时间因子群控方法，三菱公司的综合分散度群控方法等等【7 1 。 在我国，电梯群控的研究最早见于1 9 9 0 年，主要研究电梯群控系统及其人工智能控 制技术。近几年我国在这方面的工作主要表现在引进国外先进技术和产品上，在此基础 上力争推出自己的产品。例如1 9 9 6 年，迅达电梯公司公布最新电梯技术，其中包括将 “m i c o n i c v x a t m ”用于电梯的人工智能技术，使电梯群控系统能改变运行参 数，具有学习功能瞒j 。虽然我国电梯业吸收了大量国外先进技术，但是很多停留在产品 引进上，对关键电梯群控制技术仍未能消化或根本未能引进。因此国内这方面的研究仍 落后于国外，有待进一步赶上。 现今随着人工智能的不断发展，国内外很多的研究人员将专家系统、模糊控制、人 工神经网络以及计算机视觉等应用到电梯群控系统【3 4 1 ，使系统的性能进一步提高。 基于专家系统的群控系统由知识库、数据库、推理机、解释部分及知识获取部分组 成。首先通过知识获取部分获得电梯界专家的思维与知识，形成一定的控制规则存入到 知识库中。这种规则一般描述为“如果( 条件) ，那么( 结果) ”，“条件”表示来源于数据库的 事实、证据、假设和目标；“结果”表示控制器的作用或一个估计算法。 数据库存放专家系统当前工作已知的一些情况、用户提供的事实和由推理得到的中 间结果。推理机目的是用于协调整个专家系统的工作，它根据当前的输入数据或信息， 再利用知识库中的知识，按一定的推理策略去控制派梯。解释部分主要是解释系统本身 的推理结果，回答用户的问题。由于专家经验及知识的局限性和知识表达的不完全性， 控制规则并不完善，故这种方法在适应不同大楼的模型要求时有困难。 基于模糊控制的群控系统通常用模糊逼近的方法来确定电梯群控系统呼梯分配法 2 硕一卜学位论文 中的重要参数区域权重，进而得出评价函数的值，实现系统的多目标控制i lo j 。模糊 控制群控系统由专家决定隶属函数和控制规则，用其来确定以后的电梯控制器行为，也 即通过专家知识来实现对每个派梯方案的评价【1 1 1 。这种方式可以更好处理系统中的多样 性、随机性和非线性，但调整、确定隶属函数需要大量的仿真试验，而且其规则一旦输 入要修改也很不方便。 在基于神经网络的群控系统中，神经网络通常由3 层节点输入层、隐层、输出 层组成。每层中有一定数量的神经元，相邻层中神经元单向联接。每个神经元实际上是 多输入单输出信息处理单元，它接受与其相连神经元的输出作为其输入信号，执行一个 预先定义的数据操作，然后产生单个输出值。不同神经元之间连接权的大小可能不同， 权值大小代表了相对应两个神经元的连接强度。对于权值的调整过程就是神经网络的学 习过程【1 2 , 1 3 】。电梯群控系统具有随机性、非线性，难以建立精确的数学模型，而神经网 络可以通过调整网络连接权来得到近似最优输入一一输出映射，故用其来实现电梯群控 是很有前景的。但是神经网络的结构很庞大而且网络学习的时间比较长另外也使控制器 的收敛性能下降，这些是其不利剧1 0 】。 1 3 课题背景、目的和意义 1 3 1 本课题背景 随着社会的发展，高层建筑的出现和建筑面积的扩大，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， 为缩短人们的候梯时间，减少能量的损耗，合理安装多台电梯以完成大楼内的垂直运输 任务是非常必要的，这样就产生了电梯相互联接的问题1 3 j 。 当在建筑物内设置多台并行的独立操作的电梯时，由于人们往往会同时按下几台电 梯的层呼按钮，使得几台电梯的轿箱去响应同一呼梯信号，降低了电梯工作效率。而且 在频繁的需求下会造成轿箱聚集现象。因此，安装在一起的多台电梯要求单台电梯的控 制系统相互联动，且具有监控系统。但仅仅这种方式不能适应客流量的剧烈变化，无法 改善在某段时间内必然出现的长侯梯现象。 由于关键在于对电梯群的协调调度，要根据轿箱内的人数、上下方向的停站次数、 层站及轿箱内的呼梯信号以及轿箱所在位置等因素来分析实时客流的变化情况，自动选 择最适合客流的情况的输送方式。因此，多台电梯的优化调度系统，也即电梯群控系统 应运而生【4 j 。 电梯群控系统即是指由计算机控制，将多台电梯分组，根据楼内交通量的变化，采 用最优输送的运行方式，合理调配电梯，使其具有最佳的服务质量和数量的多台电梯控 制系统。 电梯群控系统研究 1 3 2 本课题的要求 针对湘潭某医院住院大楼及电梯群情况，本课题对该住院大楼电梯群控系统的核心 功能模块群控模块进行改进。改进内容为：电梯群控系统总体结构设计改进；系统 软件结构设计改进及采用新的调度算法；电梯群控系统中监控模块的功能和构造实现。 1 3 3 本课题目的和意义 在研究一种控制系统前首先要明确其控制目标。电梯群控的最主要目的是提高对乘 客的服务质量和降低系统的能耗，故群控的控制目标为多目标【5 l ，主要有： 1 平均等候时间要短：平均等候时间为所有乘客的侯梯时间和乘梯时间的平均量。 它是评价电梯控制系统性能的重要指标。 2 长时等待率要低：长时等待率为在一定时间内等待时间超过1 分钟的乘客占总乘客 的百分比。统计表明，乘客的心理烦躁程度与等待时间的平方成正比。当等待时间超过 1 分钟时，乘客的心理烦躁程度急剧上升，所以应尽量减少长时等待的发生。 3 系统能耗要低：电梯停靠的次数越多，系统能耗就越大。电梯群控系统要节能则 要合理安排和调度电梯群对呼梯信号的响应，尽量减少电梯系统不必要的起停次数。 4 客流输送能力要求高：电梯输送能力很重要，输送能力不足将会造成乘客拥挤、 平均侯梯时间长等不良后果【6 】。 现今国内的多台电梯控制水平还不理想，有待进一步发展，存在不少问题需要进一 步研究： 1 国内使用的先进的电梯群控系统大多数都是国外电梯公司制造的，或由国外电梯 公司提供其控制系统部分，而国内自主版权的控制方法和技术在实际中的应用极少。 2 从控制技术研究的角度看，国外己有的先进控制技术，很多都掌握在各个大电梯 公司手中，其核心技术是不公开的，而国内在这些方面的研究还有相当大的差距。尽快 学习和掌握这些先进的控制技术，对国内电梯工业以及其它行业的发展会有极大的促进 作用。 3 现有的电梯控制技术仍存在缺点和不足。如何把更先进的技术应用于电梯群控之 中，以进一步提高现有电梯系统的运行效率，满足乘客的需求，仍需要进一步探索和研 究。 因此，本课题的研究具有较大的实际意义和工程应用价值。 1 4 本文研究的主要内容和论文的组织结构 本文研究的主要内容是针对原有系统效率低下、候梯时间过长以及能耗较大的原 因，提出一种基于电梯客流统计特性的客流交通模式识别方法。在此基础上提出一个基 于多目标优化的群控呼叫响应调度算法。论文中首先分析了群控系统的多目标要求，在 介绍了多目标优化数学模型的基础上，给出了群控系统的呼叫派梯算法，并设计了电梯 4 硕上学位论文 群控基本的规则和不同交通模式下的调度策略。最后对该大楼电梯群控系统的性能进行 了测试。为电梯群控系统的最终实现打下了良好的基础。 设计本系统时，考虑到电梯群控系统是一个多目标控制系统，而各目标之间有时 相互矛盾【l4 1 ，例如追求最小等待时间则可能使乘梯时间过长，追求低能耗则可能使等待 时间过长等，所以电梯群控系统各目标间的相互平衡协调就很重要。具体的目标决策应 根据电梯运行的实际要求来确定，不同要求下各控制规则的重要性程度也不同，可以给 不同的规则不同的权重来得到最终的控制规则。 文章结构为： 第l 章绪论。对电梯群控系统的相关文献进行了综述，介绍了本文研究的主要内 容和目的意义。 第2 章电梯群控系统。探讨了电梯群控系统的功能需求，系统结构特点及其工作 原理。 第3 章监控模块设计。分析了电梯群控系统中的监控模块的功能需求、结构设计 和几种常见的通信网络及其特点。 第4 章群控调度算法的研究与设计。分析了电梯运行群控的基础规则，研究了呼 叫响应调度算法的原理与策略，并针对用户的具体需求，提出了一种基于多目标优化的 调度算法。 第5 章群控系统中的仿真模型研究与设计。研究并建立了一个客流仿真模型，来 模拟该医院大楼的交通情况，构建了一个电梯运行仿真模型，用于模拟系统中各电梯的 调度策略及实时运行状态。 电梯群控系统研究 第2 章电梯群控系统的需求分析与体系结构 近年来，随着传统测量控制仪表的数字化和微机化、现场总线技术、网络通信及计 算机技术的飞跃发展，监控技术得到了很大的发展，在此基础上，电梯群控技术也发展 迅速，国内外已经涌现出了一批电梯群控系统。 电梯群控系统是通过对电梯群的运行状态进行实时监测与分析，再根据不同的实际 情况需要对各电梯进行优化调度和合理分配，进而实现电梯系统对乘客的服务质量和服 务效率的改善和提高的目的。 本章分析了电梯群控系统的功能和特点，根据系统性能要求提出了群控系统的设计 思想。然后分析了群控系统结构特点，设计了系统总体结构，并阐述了系统各部分构成 的设计和系统工作原理。 2 1 电梯群控系统的功能 电梯群控系统是当大厦中存在多台电梯时对电梯群的运行进行合理分配和优化调 度的控制系统。该系统可以采集到每个电梯的实时状态信息，并可以对电梯进行统一调 配，使电梯群合理地运行，以达到提高电梯系统的整体服务质量、减少其能量消耗的目 的。 系统主要功能有以下： ( 1 ) 数据采集功能 调度系统应实时检测电梯系统中每一台电梯的运行状态，如每台梯的现行位置、运 行方向、载重、速度、梯内呼叫信号等，并将这些信息传到上层软件，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运行的合理分配和优化调度，就要在上层调度软件和底 层电梯控制器间建立“信息通道”，实现双向通信，进行信息数据和控制命令的传输。 ( 3 ) 控制功能 群控系统中，各台电梯对厅外呼叫信号的响应是由系统统一进行分配的。每个厅外 呼叫信号并不是直接派给乘客所呼叫电梯的控制器，而是先送到群控调度模块。调度模 块根据各梯的现行状态信息，采用一定的调配策略，用算法分析出哪台梯响应此呼叫信 号会使电梯系统得到最优的性能，比如响应时间很短或者系统能耗最小等，再将此厅外 呼叫信号分配给该电梯控制器。 因此，群控系统有控制功能，对电梯控制器进行控制，可以命令某电梯响应去某个 厅外呼信号，也可以使某台梯对某个厅外呼叫不予响应。 6 硕上学位论文 ( 4 ) 预估计算功能 预估计算功能是群控系统的核心部分。群控系统要对大厦中电梯系统所处的交通状 况进行分析，比如客流量以及客流分布、电梯状态以及电梯分布等，通过分析可以对乘 客呼叫、轿厢人数、电梯下一站响应情形等进行预测，然后根据一定的规则和策略对各 梯工作进行协调调度，使电梯系统得到最优的运行。 ( 5 ) 监测显示功能 ， 系统可以对每台梯的现行位置、运行方向、载重、速度、梯内呼叫信号、响应情况 等信息以及对每个乘客厅外呼叫信号的派梯结果进行实时检测，且在主界面上显示。 ( 6 ) 自学习功能 电梯群控问题仅仅依靠数学描述来实现是不够的，还需要采用对经验知识进行学 习、使用和获取的方法，也即是系统的自学习。 虽然电梯交通系统存在大量的不确定性，但是在一段较长时间内仍然有较大的规律 性，对于任何一幢大楼，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，故通过统计电梯运行各时间段的各参数可以实现群控系统的自学习 圈。例如统计每一天各时间段内的客流量，则可以分析出各楼层何时处于高峰请求期， 以便于将电梯优先调度到该楼层，以减少等待时间和缩短长时等待时间。一般来说，电 梯运行的交通模式可以分为上行高峰、下行高峰、空闲和正常工作模式。电梯的调度可 以根据不同模式进行适当的调整，例如在上行高峰模式下，基站等候的乘客多，应使电 梯尽快地到达基层以减少乘客的平均等候时间和长时候梯率，而在空闲模式下，则可以 适当减少运行电梯的台数，以节约能量。 2 2 电梯群控系统特点 ( 1 ) 系统是离散随机系统 群控系统最大的特点就是随机性，客流和服务请求都是随机的【1 2 1 。系统中存在大量 不确定性，如层站的乘客数的不确定性、乘梯者的目的层的不确定性、梯信号的产生层 的不确定性等，故群控系统是一个典型的离散随机系统。因此在设计系统进行预估计算 分析很重要。 ( 2 ) 系统核心是调度算法 群控系统基本软件策略是：每部电梯原有的控制系统处理各自的随机指令，对于层站 召唤信号的应答则由群控模块采用调度算法来进行分配。根据我们确定的控制策略，调 度算法是本群控系统的软件核心，它的优劣直接影响整个系统的运行性能。 群控系统由数据采集模块、通信模块、显示模块以及群控模块等多部分构成。但系 统的核心是群控模块中的调度算法。调度算法对整个电梯系统运行现状进行分析计算， 对各台电梯的响应进行统一协调调度，实现电梯系统的高效率、高性能【l5 1 。 调度算法实际上是一个评价函数，影响我们的评价函数的因素很多，包括平均等待 7 电梯群控系统研究 时间、长时间候梯率、预约精度、乘梯时间、梯内拥挤度等。可以根据实际需要确定系 统调度的主要评价指标，并结合其他性能指标作为多目标的综合评价，进而将呼叫分配 给最优电梯。 ( 3 ) 应预先确定调度规则 系统对电梯的调度控制是需要依照调度规则的，因此系统应预先设计好调度规则。 调度规则又分为一般规则和群控规则。一般规则是电梯正常运行所需要遵循的控制规 则，而群控规则是使电梯群系统运行更合理、更高效的优化调度规则。 ( 4 ) 根据实际需求确定目标函数 群控系统是一个多目标控制系统，而各目标之间有时相互矛盾，例如追求最小等待 时间则可能出现每层停待，使进入电梯的人员乘梯时间过长，能耗过高，追求低能耗则 可能使等待时间过长等，所以电梯群控系统各目标间的相互平衡协调就很重要。具体的 目标决策函数应根据电梯运行的实际要求来确定，不同情况下各控制目标的重要性程度 也不同，可以给不同的目标不同的权重来得到最终的目标函数。 2 3 电梯群控系统设计思想 通过电梯群控系统的功能和特点分析，可知电梯群控系统的性能要求，设计系统时 要充分考虑满足系统性能要求。 2 。3 1 群控系统性能要求 1 系统整体性能要求 群控系统是对电梯系统进行控制和调度，而电梯系统作为公共交通工具，最重要的 是安全性和可靠性。因此，群控系统整体性能应满足以下要求： ( 1 ) 可靠性，系统的运行要安全可靠，能够在恶劣的环境下长期连续工作； ( 2 ) 实时性，群控系统要根据电梯系统实时状态来进行优化调度，要能及时采集系 统信息，并且能及时进行分析处理得出控制结果； ( 3 ) 硬件维护方便、软件操作性强； ( 4 ) 系统的造价要合理，性价比高； ( 5 ) 系统应有一定的容错能力，当群控系统出现问题时，电梯系统不应该瘫痪，而 应该在适当降低系统总体性能的情况下继续工作。 2 硬件设计性能要求 群控系统中硬件部分主要功能是把电梯控制器与群控系统上层结构连接起来，采集 现场电梯系统的信息和数据传送到上层，也将上层的查询和控制命令转发给电梯控制 器，实现系统对电梯系统的优化控制。因此，群控系统的硬件设备应保证以下性能要求： ( 1 ) 硬件设备发生故障的机率要很低。 ( 2 ) 应该具有良好的电磁兼容性。群控系统不管电梯设备处于任何工作状态都能够 r 硕上学位论文 正常工作，同样群控系统对电梯系统进行控制时也不产生电磁干扰影响电梯系统的正常 运行。 ( 3 ) 数据处理效率要高。能满足电梯系统数据的及时采集和传输，实现群控系统功 能。 3 软件设计性能要求 电梯群控系统的上层软件部分是整个系统功能实现的重点，它分析处理电梯系统现 场信息，根据数据进行计算和判断，采取一定控制策略对电梯系统进行控制调度，以达 到电梯系统提高服务质量和服务效率的目标。因此，群控系统的软件部分应具有以下性 能特征： ( 1 ) 可靠性：系统软件要实现对电梯系统的调度和控制，应保证其控制命令的准确 和可靠。 ( 2 ) 高效性：群控系统目标是优化电梯群控系统，因而其软件结构应有较高的效率。 ( 3 ) 灵活性和可扩充性：因为各个厂家的电梯设备有差别，而硬件结构不可能随时、 随意更改，所以只能充分利用软件灵活性，对原有硬件系统进行功能扩充。 2 3 2 系统设计指导思想 由上面的性能分析，系统设计硬件和软件时指导思想如下。 1 硬件设计思想 设计群控系统硬件时从以下几个角度来考虑： ( 1 ) 采用模块结构 电梯群控通信控制器、数据采集监测单元都安装在现场，采用小板结构最为合适。 因为小板结构功能简单，易于维护，发生故障时便于及时发现故障位置，迅速更换，从 而提高系统的利用率。此外，小板结构的电路板面积小，使得电路板本身具有较高的机 械强度，从而提高了系统的抗冲击、抗振动的能力。 ( 2 ) 采用可靠的系统电源 电源本身的波动以及经电源进入系统的干扰对系统的影响特别严重，因此电源必须 十分可靠。另外，电源必须有足够大的电流以保持系统正常运行。 ( 3 ) 系统采用隔离和屏蔽 在实际应用中，各种外部因素对系统的可靠性的影响是不容忽视的。其中，电磁干 扰是影响可靠性的最主要的外部因素，因此群控系统采用光电隔离技术，避免了通信控 制器在与电梯控制设备通信时对电梯控制产生干扰。另外，导线间的相互藕合也是影响 设备正常工作的原因之一，系统的各个部分都可能存在藕合干扰，解决的办法就是屏蔽。 系统采用了抑制干扰源和保护易受干扰的通道的方法。 2 软件设计思想 在设计群控系统软件时，采用组态软件模式的思想： ( 1 ) 采用模块结构 9 电梯群控系统研究 不同功能部分由不同的模块实现。群控系统根据要实现的功能可分为监控模块、通 信模块、群控模块等。系统要进行升级时，只需对相应模块升级，实现了系统的灵活性。 ( 2 ) 采用动态链接库来提高软件系统的灵活性。 采用动态链接库技术能节约了系统资源，减少开发工作量，更重要的是其具有很大 的灵活性，也增加了软件系统的灵活性。 ( 3 ) 采用接口化技术来增强软件系统的健壮性。 软件系统采用一个总控模块和若干功能模块，总控模块为各功能模块提供接口，完 成系统功能的链接和整合：各功能模块则相对独立的执行各自功能任务。这样就将较庞 大软件系统分成多个模块，提高了访问速度，更重要的是使软件系统易维护、易更新， 提高了软件系统的可靠性【1 6 l 。 2 4 电梯群控系统结构 电梯群控系统结构成可分为硬件构成、软件构成以及通信结构。 ( 1 ) 硬件构成主要由数据采集单元组成现场数据采集和监测单元。 数据采集单元直接与电梯控制器相连接，通过电梯控制器采集电梯的实时运行状态 数据，并将采集的数据及时地送到通信结构中的通信控制器。 ( 2 ) 通信结构由通信控制器和通信总线组成。 通信控制器与通信总线构成通信网络，实现上层软件系统和现场对象之间的双向通 信 1 日o ( 3 ) 上层软件部分主要分为监控模块、群控模块以及显示模块。 2 4 1 群控系统硬件结构 1 采用高可靠性结构 电梯群控系统旨在提高电梯系统运行的效率和性能，但作为电梯系统，首先要保证 的是系统的安全性和可靠性【1 7 】。 一般群控系统的结构如图2 1 所示。这种结构中由群控调度机统一接收乘客厅外呼叫信 号并进行分配，但当群控调度机出现故障时，整个电梯系统将无法正常运行，造成“瘫 痪”。 为了防止这种情况的出现，本群控系统采用如图2 2 所示的结构。这种结构中各电 梯控制器相对独立的采集内选信号和外选信号，再通过系统软件将呼叫信息传送给群控 调度机。当群控调度机工作正常时，电梯系统以较高的效率和性能运行，更好的满足乘 客需求；而当群控调度机出现故障时，电梯系统中个电梯可由各自电梯控制器控制正常 运行，虽然降低了效率，但有效地防止了电梯系统“瘫痪”，从而减少为乘客增加额外麻 烦的可能性。这样设计的结构，较好的保证了电梯系统的安全可靠性和高效率、高性能 1 0 硕士学位论文 性。 图2 1 一般群控系统的结构 图2 2 本文设计的群控系统结构 2 模块化结构 在设计的电梯群控系统时，为了使系统具有良好的灵活性、可操作性以及可扩充性， 系统采用模块化的设计思想，即根据实现功能设计各个模块，系统的不同功能由不同的 模块实现。这样的结构设计，使系统在硬件结构发生变化或者系统需求发生变化的情况 下只需要对相应模块做少量改动就可以适应变化，而无需重新设计整个系统【l 引。这样就 节约了大量人力和物力资源。 2 4 2 群控系统软件结构 软件采用分层模块化结构进行设计，如图2 3 所示。整个群控系统分为三个层次，分 别为状态采集层、通讯层和群控层。状态采集层采集电梯系统的状态信息，通信层实现 群控层与数据采集层间数据的双向通信，群控层则负责实现对电梯系统的群控功能。 电梯群控系统研究 图凶图阔 图2 3 群控系统设计的总体结构 结构说明： ( 1 ) d l l 结构 如图2 4 所示，系统采用了大量d l l 结构。d l l i 即是动态连接库( d y n a m i c l i n k l i b r a r y ，d l l ) 技术，它是一些编译过的可执行代码模块，后缀名为d l l ，可以在应用程 序中或其他d l l 中被调用。在w i n d o w s 环境中，d l l 可以实现多个应用程序间共享代码 和资源。d l l 的用途非常广泛，是w i n d o w s 程序设计中的一个非常重要的组成部分。在 使用d l l 的情况下，当建立应用程序的可执行文件时，不必将d l l 链接到程序中，而是 在应用程序运行时动态地装载d l l ，装载时d l l 将被映射到进程的地址空间中。同时， 使用d l l 的动态链接并不是将库代码拷贝，只是在程序中记录了函数的入口点和接口。 不管多少程序使用了d l l ，内存中都只有该d l l 的一个副本，当没有程序使用它时，系 统就将它移出内存，减少了对内存和磁盘的要求。所以，使用d l l 的一个明显的好处就 是可以节省系统资源【j 。 对于电梯群控系统的开发，要是用一个执行文件完成，程序将很庞大，而且可能有 许多重复的功能，如果将程序分成一系列的子程序和d l l 可以减少开发的工作量。而且 由于每个模块减小了，访问的速度也就提高了。另外系统中使用d l l 给程序开发带来了 很多灵活性。比如，一件工作有许多方法可以完成，我们可以将这些方法利用d l l 实现。 当以后新增加了方法后，将新方法也用d l l 实现，然后只要对原来的工程文件做少量的 修改就可以- j - t 2 0 ，2 1 1 。 ( 2 ) 通讯模块 不同电梯厂家的电梯控制器可能不同，因此可能采用不同的总线通讯方式。一般的 总线通讯分三种：通过r s 4 8 5 总线、r s 2 3 2 总线以及c a n b u s 总线方式。 为了实现群控系统的通用性和灵活性，设计时考虑将通信模块设计为动态库的形 1 2 硕上学位论文 式，对三种总线方式分别设计，群控系统根据实际情况调用适当的通信模块，完成电梯 控制器和上一层的通信。 群控呼叫 呼叫信息 群控系统命令帧i 运行状态 总控模块 、状态帧l 监控模块 分配模块 查询命令 业，j 、l 目砖 lj l 呼 叫 信 r 金 r 蓑 息 l 群控状态 询 l 显示模块 命 i 令 总线模块 总线模块 j 呼 叫 信 查 备 查 jll 熏莲帧 r 息 诈 令 询 命 状 令 态 锭 磺 害、r 帧 帧 冬 命状 其他控制器转m i c 0 3 0 0 0 控 鑫 蠢 m i c 0 3 0 0 0 控 其他控制器转 换模块d l l制器转换模块制器数据提取换模块d l l d l l 模块 硬件通信 管理模块 料。 命状 j瀹 状 j 命 令态令态令 帧帧 r帧 帧r帧 4 8 5 通讯模块r s 2 3 2 通讯模 c a n b u s 通讯 d l l块d l l 模块d l l i 电梯控制器 各种型号 图2 4 群控系统软件总体结构 ( 3 ) 硬件通信管理模块 因为不同的总线方式，通信协议不同。比如c a n b u s 协议规定帧内数据长度只能有 8 个字节，就和其余总线方式有分别，因此对于上层软件来讲，要提取下层信息或者传 送命令到下层时就需要采用不同的通信协议。如果将处理工作放在主程序中，将使程序 很混乱。对主程序来说，希望只需根据时间来发出消息或命令，而无需作进一步解释就 可以达到目的，从而使程序简明清晰。为此，结合面向对象的思想，将通讯的解释专门 用一个模块来实现，让其与主程序独立开来，主程序只需面对电梯的相应状态和控制指 令，中间过程则“透明”化了【2 2 】。 ( 4 ) 信息查询和提取管理模块 通讯模块的设计使主程序和不同的电梯控制器间能够实现数据的正确传送，但对 主程序来讲，它收到的只是表示电梯运行状态的一些数据帧，还需要进一步处理。为了 电梯群控系统研究 使系统结构更灵活，主程序更简单，仅包含了一个对状态信息进行查询和提取处理专门 模块。 该模块收到的主程序的查询命令后，根据硬件决定的通信协议将命令封装后送到 底层。另一方面，接收从底层传来的数据，根据相应协议将所需信息提取出来，比如某 台电梯现在楼层、内呼信息等，再将这些信息传送给主程序。因而对主程序而言，就好 像是直接面对电梯对象，可以直接看到电梯状态。这样就实现了程序的面向对象化，使 程序更直观更清晰。 ( 5 ) 群控系统的总控模块 群控系统总控模块是程序的主体部分，它为各个功能模块提供了接口，实现了系 统的链接和整合，使系统完成通讯、监测、控制以及显示等功能。 总控模块主要工作有两个：一是将厅外呼叫信息传给群控呼叫分配模块，确定最 优响应电梯；另外即是实时监控电梯系统运行状态并显示。 ( 6 ) 群控呼叫分配模块 电梯厅外呼叫信息有两种方式：集选呼叫和非集选呼叫。集选呼叫是大厦每一层 只有一个呼叫板，乘客的外呼请求服务信息由该采集板统一采集送到群控系统进行分析 以及派梯。而非集选分配则是大厦每一层各台电梯有自己的呼叫板，乘客可以选定任一 梯请求服务，但系统仍然要将该信号送到群控模块处理，确定究竟由哪台梯响应乘客的 请求。 群控呼叫分配模块是群控系统的核心部分。电梯系统每收到一个呼叫信息，即时 通过通讯模块传到分配模块。分配模块通过群控调度算法确定出响应梯号，传送控制命 令到底层，将呼叫信号分配给响应梯的控制器。在非集选方式下，还要发一个控制命令 给最初得到外呼请求的电梯的控制器取消其受到的服务请求。 群控模块还包括一个显示模块，动态显示呼叫信息和各台电梯的响应状态。 ( 7 ) 群控电梯运行状态监控模块 状态监控模块是对电梯群的运行状态进行检测和实时显示。它的实现是通过循环发 出查询命令，查询到电梯的实时状态信息，解读后在界面上显示。 一个好的软件应具有友好的人机界面，由于监控系统直接对现场的目标进行监测 和控制，因而要求数据显示直观、醒目，能随着被监测对象状态的变化而变化，从而实 现由计算机画面的实时变化来真实地反映动态的运行过程，显示界面主要显示电梯的实 时运行情况，主要状态有：开关门状态，上下行状态，到达楼层高度，每层的呼梯，电 梯锁梯等。 设计电梯状态显示时采用状态时间触发方式，当读取更新数据状态帧，通用状态 解释显示模块更新所表现的状态，如果状态变量是所要反映的电梯实时运行变量，则触 发相应的显示模块。 1 4 硕士学位论文 2 5 电梯群控系统工作原理 群控系统的工作原理为：乘客呼叫信息由通信接口送入到群控模块，群控模块根据 群控规则和电梯群运行状态确定最优响应梯，再分配指令到各电梯控制器，控制电梯去 响应乘客呼叫。 整个工作过程为： 电梯控制器控制电梯的运