（控制理论与控制工程专业论文）基于人工免疫算法的电梯群控系统的研究与设计.pdf

at h e s i si nc o n t r o lt h o e r ya n dc o n t r o l e n g i n e e r i n g r e s e a r c ha n d d e s i g no fe l e v a t o rg r o u pc o n t r o ls y s t e m b a s e do na r t i f i c i a li m m u n e a l g o r i t h m b yw a n gh o n g h a i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl i uj i a n c h a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 哪5 0川川川-jjjj-4舢8 iiii_哪y ；p， ；彳。、i 独创性l 声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名： 川气廖 日 期：扣吻勿7 件移l 童 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一面一一年半口两年口 学位论文作者签名：粥l 饧 签字日期：耵矿办7 同绷 导师签名： 签字日期： 一 rl、 0 ， ? f i l 东北大学硕士学位论文摘要 基于人工免疫算法的电梯群控系统的研究与设计 摘要 在现代化的智能大厦中，由于交通流量特别大，不确定因素多，因而往往在大厦中 配置多台电梯，电梯群控系统采用优化的控制策略来协调多台电梯的运行，以提高电梯 的运行效率和服务质量。随着人工智能控制技术的发展，电梯群控系统的目标不仅限于 缩短乘客乘梯时间，而是对乘客乘梯时间以及系统能耗等多个不同目标进行优化。本文 针对电梯客流高峰期的特点及存在的问题，设计了基于人工免疫算法的电梯群控系统。 人工免疫系统是人工智能中的一种新兴的方法，它具有数据特征提取的作用。本文 采用人工免疫算法对两组模拟电梯客流特点的数据进行了特征提取，得到很好的效果。 另外，在对人工免疫算法的深入研究中，本文发现基于克隆选择学的人工免疫算法在解 决优化问题时存在一定的不足，主要是在保持最大亲和力方面并不总能得到令人满意的 曲线。本文针对此问题进行了仔细的分析，找出原因并对基于克隆选择学的人工免疫算 法进行了改进，通过仿真验证得到了满意的效果。 在高峰客流期间，分区是解决电梯群调度问题的一种很好方法。但是，现存的分区 控制模式是固定的或按时间预先确定的，它们不能适应实际的交通模式，这也使得一些 人对电梯的分区研究持有反对的态度。动态分区具有很大的灵活性，它在增大载客量， 降低高峰期乘客的候梯时间、乘梯时间，降低能耗等方面都有很大的优越性。然而，如 何快速地确定各台电梯的最优的动态分区方式，是问题的难点。经过本文的研究，人工 免疫算法恰好可以很好地解决此问题。本文将人工免疫算法应用于电梯动态分区过程， 并进行了仿真实验，验证了其可行性与有效性，使得电梯动态分区的思想得以很好地实 现。 7 关键词：电梯群控系统；人工免疫系统；克隆选择学；高峰客流；动态分区 k j 0 3 y i i 岭如 i i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ha n dd e s i g no fe l e v a t o rg r o u pc o n t r o ls y s t e mb a s e do n a r t i f i c i a li m m u n e a l g o r i t h m a b s t r a c t i nm o d e mi n t e l l i g e n tb u i l d i n g s ，p e o p l ea l w a y se q u i pf o rab u i l d i n gs e v e r a le l e v a t o r s b e c a u s eo fb i gf l u xo fp a s s e n g e r sa n dv a r i t i e so ff a c t o r su n c e r t i a n e l e v a t o rg r o u pc o n t r o l s y s t e mm a n a g e st h eo p e r a t i o no ft h ee l e v a t o r sb yo p t i m i z i n gc o n t r o ls t r a t e g yi no r d e rt o e n h a n c er u n n i n ge f f i c i e n c yo fe l e v a t o ra n di m p r o v es e r v i c eq u a l i t y w i t ht h ed e v e l o p m e n to f a r t i f i c i a li n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n o l o g y , t h eo b j e c t i v eo fe l e v a t o rg r o u pc o n t r o ls y s t e mh a sn o t l i m i t e dt or e d u c i n gw a i t i n gt i m e ，s o m eo t h e ro b j e c t i v e ss u c ha sr e d u c i n gr i d i n gt i m ea n d r e d u c i n gt h ep o w e rc o n s u m p t i o na r ea l s ot a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n t h et h e s i sd e s i g n sa e l e v a t o rg r o u pc o n t r o ls y s t e mb a s e do na r t i f i c i a li m m u n e a l g o f i t h r n ，i no r d e rt o s u i tf o rt h e f e a t u r eo fp e a kp a s s e n g e rf l o wt i m ea n ds o l v et h ep r o b l e mr e m a i n i n gd u r i n gt h i st i m e a r t i f i c i a li m m u n es y s t e mi san e w l ye m e r g i n gm e t h o d i na r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e i th a s d a t af e a t u r ee x t r a c t i o nf u n c t i o n t h et h e s i sd o e sas i m u l a t i o ne x p e r i m e n to ff e a t u r ee x t r a c t i o n t ot w og r o u p st h ed a t aw h i c hs i m u l a t et h ee l e v a t o rp a s s e n g e rf l o wu s i n gt h ea r t i f i c i a li m m u n e a l g o r i t h m ，w h o s ee f f e c ti sw e l l i nt h ed e e p l yr e s e a r c ho fa r t i f i c i a li m m u n ea l g o r i t h m ， h o w e v e r ，t h et h e s i sf o u n dt h a t ，t h e r ei ss o m ei n s u f f i c i e n c yw h e nt h e t h e s i s s o l u t e s o p t i m i z a t i o nq u e s t i o nw i t ha r t i f i c i a li m m u n ea l g o r i t h mb a s e do nc l o n a ls e l e c t i v et h e o r y m a i n l y , t h ei n s u f f i c i e n c yi st h a tt h et h e s i sc o u l d n ta l w a y sg e tas a t i s f y i n gc u r v ea b o u tt h e a s p e c to fk e e p i n gt h em a x m u n la f f i n i t y t h et h e s i sa n a l y s e st h ep r o b l e mc a r e f u l l ya n df i n do u t t h er e a s o n ，t h e n ，i m p r o v e st h ea r t i f i c i a li m m u n e a l g o r i t h m b a s e do nc l o n a ls e l e c t i v et h e o r y t h r o u g ht h es i m u l a t i o n ，t h et h e s i sg e t sas a t i s f y i n ge f f e c t o np e a kp a s s e n g e rf l o wt i m e ，z o n i n gi sae f f i c t i v em e t h o do ns o l u t i n ge l e v a t o rg r o u p s c h e d u l i n gp r o b l e m h o w e v e r , t h ez o n i n gm e t h o dt h a tw eu s en o wi sf i x e do rd e t e r m i n e d a c c o r d i n gt ot h et i m ei na d v a n c e t h e yc a n n o ta d a p tt h ea c t u a lt r a n s p o r t a t i o np a r e m i ta l s o m a k e ss o m ep e o p l et oh a v et h eo p p o s i t i o nm a n n e rt oz o n i n gr e s e a r c h d y n a m i cz o n i n gh a s t h ev e r yb i gf l e x i b i l i t y , i ta l s oh a st h ev e r yb i gs u p e r i o r i t yo nt h ea s p e c to fi n c r e a s i n gt h e s e a t i n gc a p a c i t y , r e d u c i n gt h ew a i t i n gt i m ea n dr i d i n gt i m e ，r e d u c i n gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o n a n ds oo n w h e r e a s ，h o wt of i xt h ez o n i n gm o d eq u i c k l yi st h ed i f f i c u l t yo ft h ep r o b l e m t h e i i i t h e s i sf o u n dt h a tt h ea r t i f i c i a li m m u n ea l g o r i t h mm a ys o l v ei tw e l le x a c t l y t h et h e s i s1 1 s e s t h ea r t i f i c i a li m m u n ea l g o r i t h mi nt h ee l e v a t o rd y n a m i cz o n i n gp r o c e s s ，a n dc a r r y so na s i m u l a t i o ne x p e r m e n t a tl a s tt h et h e s i sc o n f i r m si t sf e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t y , t h e nm a k e st h e e l e v a t o rd y n a m i ci d e ao tb ea b l et or e a l i z ew e l l k e y w o r d s ：e l e v a t o rg r o u pc o n t r o ls y s t e m ；a r t i f i c i a ls y s t e m ；c l o n a ls e l e c t i v et h e o r y ；p e a k p a s s a g e rf l o w ；d y n a m i cz o n i n g i v 00、ij 鲜。市誊 ，+ 0 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 电梯群控系统的发展概况1 1 1 1 电梯群控发展阶段1 1 1 2 早期电梯群控技术一2 1 1 3 现代电梯群控技术一3 1 2 电梯群控系统的发展趋势及其存在的问题3 1 2 1 电梯群控系统的发展趋势。3 1 2 2 电梯群控系统中存在的问题一4 1 3 本课题的主要工作及研究意义4 1 4 本章小结一5 第2 章电梯群控系统的理论基础7 2 1 电梯群控系统中的动态特性7 2 1 1 电梯群控系统的多目标性一7 2 1 2 电梯群控系统的不确定性8 2 1 3 电梯群控系统的扰动性9 2 1 4 电梯群控系统的非线性9 2 1 5 电梯群控系统信息的不完备性9 2 2 电梯群控系统的特征值1 0 2 2 1 时间特征值1 0 2 2 2 距离特征值1o 2 2 3 能耗特征值10 2 2 4 停站次数特征值11 2 2 5 梯内空闲量特征值1 1 v 东北大学硕士学位论文 目录 2 3 电梯群控系统的性能评价指标1 1 2 3 1 时间评价指标1 1 2 3 2 载客能力评价指标1 2 2 3 3 乘客的容忍度评价指标1 3 2 3 4 能耗评价指标1 4 2 4 电梯群控系统的交通模式1 4 2 4 1 上行高峰和下行高峰1 4 2 4 2 两路交通模式15 2 4 3 随机交通模式15 2 4 4 空闲交通模式1 6 2 5 电梯群控系统的研究现状1 6 2 6 电梯群控系统的控制目标19 2 7 本章小结2 0 第3 章人工免疫系统的理论基础2 1 3 1 免疫学的发展概况2 l 3 1 1 经验免疫学时期2 1 3 1 2 经典免疫学时期2 1 3 1 3 现代免疫学时期2 2 3 2 生物免疫系统简介2 3 3 2 1 生物免疫系统的功能2 3 3 2 2 生物免疫系统的特点2 3 3 3 人工免疫系统理论2 4 3 3 1 人工免疫系统的定义与发展2 4 3 3 2 人工免疫系统的仿生机理2 5 3 3 3 人工免疫系统的原理2 7 3 3 4 人工免疫系统的应用2 9 3 4 本章小结3 1 第4 章电梯乘客客流的分析与预测3 3 4 1 电梯乘客客流的分析3 3 v i 1 东北大学硕士学位论文目录 4 1 1 电梯乘客客流的特点及研究意义3 3 4 1 2 电梯乘客客流的收集3 4 4 1 3 基于人工免疫系统的特征数据提取3 5 4 1 4 电梯乘客客流数据特征提取的可行性分析3 7 4 1 5 电梯乘客客流的聚类分析4 0 4 2 电梯乘客客流的预测4 3 4 2 1 电梯乘客客流数据的可预测性4 4 4 2 2 基于支持向量机的电梯乘客客流预测4 5 4 3 本章小结5 0 第5 章高峰客流的电梯群控系统设计5 1 5 1 基于克隆选择学的人工免疫算法及改进5 1 5 1 1 基于克隆选择学的人工免疫算法5 1 5 1 2 对克隆选择学的人工免疫算法的改进_ 5 4 5 2 电梯群的群控系统的设计5 8 5 2 1 电梯群动态分区的提出：5 8 5 2 2 电梯群动态分区的特点5 9 5 2 3 电梯群的连续动态分区5 9 5 2 4 电梯群的非连续动态分区6 5 5 2 5 基于人工免疫的电梯群控系统设计6 9 5 3 本章小结7 0 第6 章总结与展望7 1 6 1 本文总结7 1 6 2 工作展望7 2 参考文献7 5 致谢7 9 v i i 碑lljl，0 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 随着当今社会的发展，水平空间的利用率逐渐增加，可用的水平空间越来越紧张， 而且价值也在不断增长，在这种状况下，垂直空间的应用就受到人们很大的关注，随着 建筑物层数的大大增加，“垂直交通 的概念被人们渐渐引用到生活当中，这是相对于 “水平交通 而提出的另一种交通模式。 电梯，无疑是这种交通模式中比较通用的交通工具。“电梯群控技术 作为电梯相 关研究当中一项重要的课题一直引起着学者们的兴趣，并在多年的研究中得到了很大的 发展与改进。 1 1 电梯群控系统的发展概况 1 1 1 电梯群控发展阶段 电梯群控( 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 ) 是指：将多台电梯进行分组，根据 楼内交通量的变化，用计算机控制，实行最优输送的运行方式。电梯群控主要指客梯群 控。早在1 9 4 6 年就设计了电梯群控系统，1 9 4 9 年建成的联合国大厦中的电梯应用了电 梯群控技术。1 9 7 5 年以后，发展到现代电梯群控系统阶段。 电梯群控系统的应用经历了简易自动控制、集选控制和群控几个发展过程。 在使用电梯的初期，由于电梯由司机来操纵的控制方式不很经济，因此人们采用了 简易自动控制方式。但是它不能同时响应多个呼梯信号，使用起来很不方便，效率低。 后来出现了集选控制，它能记忆所有的呼梯信号，并在前进方向上根据呼梯顺序停 靠。大型的建筑中，特别是大型办公楼，只有单台电梯不能很好应付全部客流，因此需 要设置多台电梯，但如果多台电梯不能相互协助，而是并列的各自独立操作，当乘客同 时按下几台电梯的层站呼梯按钮时，就可能会使几台轿厢去应答同一呼梯信号而造成很 多空载运行和不必要的停站，致使电梯不能有效工作，而且在频繁的需求下会造成轿厢 聚群现象。另一方面，在类似于办公大楼的这种大型建筑物中，上下班的单行客流十分 集中，上班时的上行乘客，下班时的下行乘客，午饭时的上下行乘客非常多，单靠增加 电梯的荷载、速度、台数是不能适应这种客流量的剧烈变化规律的，也难以克服轿厢的 频繁往返运行，更无法改善在某段时间内必然出现的长候梯现象。关键问题在于群控电 梯的协调调度要根据轿厢的人数、上下行方向的停站数、层站及轿厢内呼梯、以及轿厢 所在的位置等因素，来实时分析客流的变化情况，自动选择最适宜于客流情况的输送方 式。因此可以把安装在一起的多台电梯的控制装置相互连接，且需要装有自动监控装置。 在这样的系统中，层站的召唤按钮对所有并联电梯来说是共有的，交通流量监控系统能 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 确定梯群中的哪一台电梯去应答层站召唤信号。 在2 0 世纪4 0 年代，美国的两大电梯制造公司o t i s 电梯公司和西屋电机公司研究出 了电梯群控方式，它能根据客流情况的变化，高效率地对所有楼层进行充分的服务。据 统计，在为办公楼提供的电梯中，群控电梯1 9 5 0 年占1 2 ，而1 9 5 3 年则上升至8 0 ， 1 9 7 5 年使用计算机以后，进入到现代电梯群控系统阶段。实践证明，对于办公楼等大型 高层建筑，采用群控电梯，可以使电梯交通系统质量大为改善，一般可使平均间隙时间 缩短1 5 2 5 ，即输送能力提高1 5 2 5 。由于实现自动高度和各层均等服务，可使 长候梯时间大为减少，一般可减少4 0 6 0 。据研究，乘客的候梯心理烦躁程度是与候 梯时间的平方成正比的。而候梯时间超过9 0 s 即为所谓长候梯时间，其心理烦躁程度会 急剧上升，采用电梯群控将使这种状态大为改善【9 】。 1 1 2 早期电梯群控技术 最早的电梯群控系统使用继电接触控制【1 2 】，称为“自动方式选择系统”，它通过在 上行、下行高峰以及平峰、双向时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层站召唤系统，每个层站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。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。 简单的两台电梯组成的梯群，将其粗略地分区使两台电梯分别服务于交替的楼层。 可用静态和动态两种方法将层站召唤进行分区。静态分区时，一定数目的厅层组合在一 起构成一个区域；也可将相邻的上行层站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。但动态分区的算法比 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【l 引。 随着集成电路的发展和应用，1 9 7 0 年以后，层站呼叫分配系统开始发展起来。当一 个新的层站呼叫产生时，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 一l 、。0印j 。魄ll，一i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 这种系统川。 ：廿， ：- ，+ 啊t 1 1 3 现代电梯群控技术 电梯作为一种广泛使用的垂直交通运输工具，近年来在技术上获得了快速的发展。 电梯产品的性能和使用可靠性的提高，在很大程度上满足了人们对高层建筑中垂直运输 设备的需求。当前电梯的运行速度已达到1 0 m s 以上，驱动控制技术的进步，可以使电 梯能够在高层和超高层建筑中将乘客安全、快速、平稳、舒适地送往任何一个目的层。 对于电力驱动的电梯来说，近年来最明显的莫过于驱动和控制技术的发展，即微处 理器控制技术和调速驱动技术。电梯的微处理器控制技术是指采用专门设计的微处理器 系统用于单梯和群梯的控制。由于微处理器的应用，取代了老一代的继电器，大大提高 了电梯系统工作的可靠性和使用寿命。同时由丰富的软件系统实现了电梯的各种控制功 能，运算功能以及信号传输等等，满足电梯的各种控制需求。在一组群梯同时工作的情 况下，微处理器群控系统实现了根据不同的交通流量模式进行切换调度，对每一个呼梯 信号进行计算，以最合理的方式调度每一台电梯，以达到电梯上下往返一周的运行时间 ( r t t ) 最短，保证乘客以最短的时间到达目的层站。微处理器系统可以对群梯的运行进 行监控，对出现的故障进行显示，以保障群梯安全有效地运行。例如电梯的群控- 多 微处理器控制调度系统，用于3 8 台电梯的控制与调度。群控系统收集所有层站的信号 与每台电梯的控制系统的数据进行交换。一般按各种最佳调度原则的算法处理不同的交 通流量模式，存入计算机内，当各种交通流量模式出现时群控系统切换到相应的交通流 量状态，决定群梯的调度与分配，如上行高峰状态、下行高峰状态、双向客流、四向客 流等【1 1 。 1 2 电梯群控系统的发展趋势及其存在的问题 1 2 1 电梯群控系统的发展趋势 电梯群控系统的最优控制是一种基于时间最优、运力最优、能量最优的动态综合最 优化策略。从总体上看，电梯群控技术的发展趋势主要有以下四个方面【1 2 】： 首先，从人性化的角度考虑，电梯群控技术要向使建筑物高度智能化的趋势发展。 当建筑物使用功能变化时，允许业主做必要的参数调整和允许乘客做必要的设定，以满 足使用者的要求。这就要求系统具有性能参数的在线自适应调整功能，通过在线学习， 围绕最优性能指标使系统以最小的扰动工作在最佳状态。 其次，基于工程意义的高层建筑电梯配置与分析是电梯技术与工程应用的必然接 口。电梯群控方法的未来发展需要电梯交通配置软件的辅助。英国p e t e r s 公司的 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 e l e v a t e 群控系统和美国o t i s 公司的o t i s p l a n 群控系统已引起电梯业界和建筑设计 行业的重视。 再次，随着全球能源紧张状况的持续，未来对电梯系统的节能要求会更高。在过去， 从静态的电梯交通配置到动态的群控系统，电梯的能耗指标往往被忽视。统计数据表明， 电梯的能耗约占大楼综合能耗的3 7 ，与电梯群控系统的品质直接相关。因此，节能目 标将是电梯群控系统必须考虑的关键目标。 此外，目的层预约的电梯模式也是未来电梯群控系统的发展方向，建立目的层预约的 电梯群控系统仿真模型，进而研究相应的电梯群控策略，具有较强的社会意义和经济价 值 群控技术产品的市场化也是一个必然的发展方向。未来的电梯群控技术的研究将侧 重于商品系统的开发，即面对需求，面对市场。 1 2 2 电梯群控系统中存在的问题 近年来，大量先进的控制技术应用于电梯群控系统，使电梯群控系统的控制特性得 到很大的改善，但仍有不少问题需要进一步研究。国内使用的先进的电梯群控系统大都 是从国外电梯公司引进的，具有独立知识产权的产品尚不多见，而且大多数集中在群控 理论和算法的研究上，在实际中的应用还比较少，与国外的先进技术相比还有很大的差 距，从控制技术研究的角度看，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。同时，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。 1 3 本课题的主要工作及研究意义 本文学习了电梯群控系统的基础理论，深入研究了人工免疫系统，将该算法应用于 电梯乘客客流模式识别方面，并验证了其可行性。针对人工免疫算法中存在的不足做出 改进，并进行了仿真验证，并将改进的人工免疫算法应用于电梯动态分区研究当中，取 得了满意的效果。 ( 1 ) 针对人工免疫的算法进行深入的研究。人工免疫算法是一种较新的控制方法，利 用免疫系统机制解决工程问题的研究最早见于2 0 世纪9 0 年代，至今不过十几年时间， 而且在1 9 9 8 年以前对于免疫系统的研究并没有引起足够的重视。此外，巴西和波兰等 国家也有专家在研究。i e e e 从1 9 9 8 年开始正式分别在人工智能、进化算法等专题会议 和杂志上征集人工免疫系统的研究成果，i e e e 世界计算智能会议( w o r l dc o n g r e s so n 4 。；、；j 以雹，一v 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 c o m p u t a t i o n a li n t e l l i g e n c e ，w c c i ) 1 9 9 8 年起开设人工免疫系统专题会议，目前已连续召 t 1 开三届。 目前世界上众多科学家和工程人员对于免疫系统的重视和深入研究是近几年才开 始的。对于多数从事计算智能或人工智能等领域研究的人员来说，这是一个全新的领域， 在人工智能、机器人、计算机科学、信息科学、控制、优化等应用领域和学科中有着广 泛的研究应用前景，也有许多值得探讨的问题，对于国内的研究人员更是如此【4 9 】。 ( 2 ) 对电梯乘客客流的不同状态进行分类并分析。我们可以采用人工统计、反向s p 方法、基于参数的估计法、计算机视觉、红外技术等方法对乘客客流情况进行统计，得 到电梯乘客客流数据。但这些数据往往存在着数据量大的因素，这对于任何一种分类方 法来讲都是一个相当大的挑战。而从数据的初步分析中可以发现很多数据是存在冗余 的，那么我们希望能够有办法来去除冗余数据，并提取特征数据。在对于人工免疫算法 的研究过程中，我们发现该算法为此问题的解决提供了可能。本课题也通过对人工免疫 算法的理论和仿真分析，得出其解决数据冗余并提取特征数据的可行性。并迸一步对电 梯客流数据进行分类和分析。 ( 3 ) 针对人工免疫算法中存在的问题加以改进。在对人工免疫算法深入研究的过程 中，我们发现，运用基于克隆选择学的人工免疫算法在求解优化问题时，并不总能得到 理想的曲线，其中一个很大的问题就是该搜索过程不能一直保持抗体最优亲和力，本文 经过对算法的分析，发现其问题所在，对算法加以改进，得到了令人满意的效果。为解 决优化问题打下了基础。 ( 4 ) 采用人工免疫算法解决了电梯群在高峰客流期间的动态分区问题。分区是解决电 梯群在乘客客流高峰期调度问题的一种很好方法，实际上它被广泛应用于许多商业和居 住大楼中。然而，现存的分区控制模式是固定的或按时间预先确定的，它们不能适应实 际的交通模式 掩】。这个不足使得一些人对电梯的分区研究持有反对的态度。近些年，动 态分区受到了人们的重视，它具有很大的灵活性，它在增大载客量，降低高峰期乘客的 候梯时间、乘梯时间，降低能耗等方面都有很大的优越性。但以往的动态分区算法比较 复杂。如何快速地确定各台电梯的最优的动态分区方式，是问题的难点。将人工免疫算 法应用于电梯动态分区过程，以快速的方式确定最优的分区方式，使得电梯动态分区的 思想得以很好地实现。 因此，本课题的研究具有很大的理论意义和实用价值。 1 4 本章小结 本章主要从早期和近代的角度阐述了电梯群控系统的发展概况，分析了电梯群控系 5 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 统的发展趋势以及其中存在的一些的问题，最后简要说明了本文的主要工作及研究意 义。 6 专 歹 一 、一1l童 东北大学硕士学位论文 第2 章电梯群控系统的理论基础 第2 章电梯群控系统的理论基础 智能建筑是以建筑为平台，兼备建筑设备、办公自动化及通信网络系统，集结构、 系统、服务、管理及它们之间的最优化组合，向人们提供一个安全、高效、舒适、便利 的建筑环境。电梯交通配置技术( 包括电梯群控技术) 是构成智能建筑三大系统之一一 一楼宇自动化系统中的重要内容。电梯群控技术能促进智能建筑业的发展。 本章主要学习电梯群控系统的基础理论，了解电梯群控系统中的一些特性，并明确 系统状态的特征值，通过分析电梯群控系统中的各个性能评价指标，给出电梯群控系统 的控制目标。 2 1 电梯群控系统中的动态特性 电梯群控实际上是对多台电梯的调度问题，其复杂性是由电梯群控系统的系统特性 所决定的。主要表现为电梯群控系统的多目标性、不确定性、非线性、扰动性、信息的 不完备性等几个方面 2 0 , 2 1 】。 2 1 1 电梯群控系统的多目标性 ( 1 ) 平均候梯时间要求短 平均候梯时间，是指从乘客按下层站召唤按钮，到所派电梯到达此层，乘客进入轿 厢所经过的时间的平均值。它是评价电梯群控系统性能的一项重要指标。 ( 2 ) 平均乘梯时间要求短 乘客的乘梯时间，是指从乘客进入电梯直到乘客到达目的层离开电梯的这段时间。 乘梯时间的增长往往也会使乘客的心理烦躁程度增加。例如，当去顶层的乘客乘梯时间 大于9 0 秒时，乘客就会变得极不耐烦，所以应保持乘客的乘梯时间在一定的限制之内。 平均乘梯时间是所有乘梯时间的平均值，也是评价电梯群控系统性能的一项指标。 ( 3 ) 轿厢拥挤度要求低 轿厢内拥挤度的增大，将会使乘客很不舒服，产生烦躁的心情。 ( 4 ) 系统能耗要求低 单台电梯的能耗与所选电梯的驱动方式、机械性能有关。研究表明，电梯全速运行 时所消耗的电能远远低于减速和加速时所消耗的电能。电梯停靠的次数越多，电能的消 耗就越大。因此，对电梯群控系统而言，电梯型号一经确定，单台电梯一次启停的电能 消耗就已经确定。所以电梯群控系统的节能，主要是依靠群控系统合理地安排与调度梯 7 - 东北大学硕士学位论文第2 章电梯群控系统的理论基础 群对召唤信号的响应，尽量减少启停次数，同时启停次数的减少也会延长梯群的整体寿 命。 ( 5 ) 长候梯率要求低 长候梯时间：乘客候梯时间超过6 0 秒的候梯时间。乘客候梯时间超过6 0 秒的事件 被称为长候梯事件。 长候梯率：长候梯事件发生的百分率。长候梯率可表示为 尸：r 6 ( 2 1 ) 他 其中，啊发生长候梯事件的次数，伤总的厅外呼叫次数。 当候梯时间超过6 0 秒时，即出现所谓的长候梯事件时，乘客的心理烦躁程度急剧 上升，如图2 1 所示。所以应尽量减少长候梯事件的发生。 乘客心理 烦躁程度： jj| j 03 06 0 9 0 候梯时同( 秒) 图2 1 候梯时间与乘客心理关系曲线 f i g 2 1r e l a t i o nb e t w e e nw a i t i n gt i m ea n dp a s s e n g e r s p s y c h o l o g y ( 6 ) 客流的输送能力要求高 电梯的输送能力是电梯的重要指标之一。输送能力的不足往往会造成乘客拥挤、平 均候梯时间长等不良后果。特别是在上、下行高峰期时，客流密度极大，需要电梯系统 迅速将乘客送往各自的目的层。 以上几点是系统的主要性能评价指标，由此可知电梯群控系统是一个多目标控制系 统。控制系统的各个目标之间相互矛盾，对电梯交通系统的动态特性的研究表明：改善 一个方面的指标将会使另一指标变坏，而且还经常不能找到一个简单的平衡两个指标的 规则。并且，采用一般的算法难以使整个系统的性能指标得到优化。例如，要求轿内的 拥挤度较小，则会使平均候梯时间加长。所以，各个指标之间的相互平衡协调成为电梯 群控系统控制的难点。 2 1 2 电梯群控系统的不确定性 8 0 毒 v ，；，j 东北大学硕士学位论文第2 章电梯群控系统的理论基础 电梯交通系统存在着大量的不确定性，具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 各层站的乘客数是不确定的： ( 2 ) 乘客的目的层站是事先不能确定的； ( 3 ) 召唤信号即将在哪一层产生也是不能事先确定的； ( 4 ) 建筑物内存在的与环境因素变化有关的交通状况是不确定的。 这些不确定性因素的存在给电梯群控系统确定交通模式、优化调度都带来极大的困 难，使系统不能对某一特定情况给出最优控制。 2 1 3 电梯群控系统的扰动性 电梯群控系统不可避免的具有不确定的随机干扰，如： ( 1 ) 乘客可能登记了错误的厅外召唤而造成不必要的停站； ( 2 ) 乘客可能登记了错误的内召指令而造成不必要的停站； ( 3 ) 乘客或其他非人为的因素可能造成轿厢门不能关闭而干扰系统正常运行； ( 4 ) 一些人为的扰乱因素，如小孩在轿厢内人为地呼上很多内召指令。 2 1 4 电梯群控系统的非线性 ( 1 ) 对于同一组厅外召唤，在不同的时间标度下，轿厢的分配是不同的，轿厢分配的 变化是不连续的： ( 2 ) 所能分配的轿厢数目有限，受系统所有轿厢数目限制； ( 3 ) 轿厢容量是有限的，当轿厢乘客达到满载时，轿厢会不停而过； ( 4 ) 轿厢会在中间层频繁改变方向。 2 1 5 电梯群控系统信息的不完备性 电梯群控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。虽然轿厢的底部装有称重装置，但是由于 人的个体体重差异较大而不能获得轿厢内乘客数的准确数据，这会导致对轿厢内拥挤度 的预测不准确，增加系统控制的难点； ( 2 ) 乘客进出轿厢的时间因个体的差异而不同，同样不能准确获得。 ( 3 ) 乘客进入轿厢前，其目的层是不可知的。这使我们对乘客乘梯时间的预测和对其 他乘客候梯时间和乘梯时间的影响的预测误差较大。 综上所述，电梯群控系统具有多目标性、不确定性、非线性、扰动性等特点。这些 特性使得电梯群控系统的数学模型无法完全精确地建立起来。但电梯的运行状态则可随 时获得，如运行速度、运行方向、所在楼层、轿内指令、厅外呼叫情况等。设计电梯群 9 东北大学硕士学位论文第2 章电梯群控系统的理论基础 控系统的主要目的是用最经济的配置，在保持乘客等待时间在合理极限内的前提下，实 现电梯交通流量的最大化。电梯如何更好地响应呼叫信号