（系统工程专业论文）模糊控制在电梯群控系统中的应用研究.pdf

i 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘摘 要要 随着当今大型建筑物的不断发展，其内部的交通状况越来越复杂，独立的电梯 已经不能胜任大楼内的交通任务。于是人们开始研究电梯群控技术，这种技术将几 部电梯组成电梯群进行统一调度。目前，国内外对电梯群控系统的研究越来越广泛。 电梯群控系统中存在着大量的非线性、不确定性等，在其发展初期一般的控制 方法还能适用。但现今，电梯的应用不断增多，人们对电梯的服务提出的要求也越 来越高，传统的控制方法已经不能起到很好的效果。于是，人们将近些年发展很快 的人工智能技术应用到电梯群控系统中。如模糊控制，它能够解决那些对被控对象 无法建立精确模型甚至无法建模的控制问题。另外，模糊控制依赖于知识库，非常 接近人的思维，能使问题得到更有效的控制。 本文在分析电梯群控发展过程的基础上讨论了人工智能技术在电梯群控系统中 的应用前景，并结合电梯群控系统的一些特点指出了其中影响系统整体性能的一些 因素，这些因素都是在系统进行调度时重点优化的目标。为了研究和建模的需要， 本文对一般大楼内的交通客流情况进行了分析并将其分成了几种模式，然后讨论了 利用模糊逻辑对交通模式进行辨识的过程，在此基础上探讨了模糊控制在群控调度 中的应用。最后进行的仿真表明，将模糊控制应用在群控系统中能改善系统的性能， 提高系统的服务质量。 关键词关键词：电梯群控系统 交通模式识别 模糊控制 群控策略 ii 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 abstract with the development of the large-scale construction nowadays, the traffic in a large building has become more and more complex and the single elevator has been not competent for the transport missions. so, the research of elevator group control is been started. this technique combines several single elevators into elevator group and dispatches them all together. the research of elevator group control system has been widely carried out at home and abroad at present. a large number of nonlinearities and uncertainties exist in the elevator group control system. the traditional control methods can be used at the early stage of its development. with more and more applications of elevator and the higher and higher requirement of people when they take lift, the traditional control methods have been not able to achieve the goal very well. so, the technique of artificial intelligence which is developing at a high speed in recent years is applied to the elevator group control system. for example, the technique of fuzzy control can solve many problems in which we cant build the model or the accurate model of the controlled objects. otherwise，the technique of fuzzy control depends on repository and it is close to the thoughts of human .we can deal with problems more efficaciously by this technique. based on the analysis of the development of the elevator group control system, this thesis has discussed the prospect of the application of artificial intelligence to the elevator group control system. according to some characteristics of the elevator group control system, this thesis points out the factors that influence the population performance of the system. these factors are the mainly optimized factors in the course of group control. for the need of research and modeling, this thesis analyses traffic circumstance in a building and divides it into several kinds of pattern and mainly discusses the application of fuzzy control to the traffic pattern recognition. base on this, this thesis discusses t the application iii 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 of the fuzzy control to the group control and dispatch .the results of simulation indicate that the application of fuzzy control to elevator group control system can improve the whole performance and the quality of its services evidently. keywords: elevator group control system, traffic pattern recognition, fuzzy control, group control strategy 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集 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 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 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，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电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技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。 保密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密. （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪论绪论 1.1 课题背景、研究目的及意义课题背景、研究目的及意义 本课题来源于与广东省佛山市默勒米高电梯技术有限公司合作的关于电梯群控 调度系统的研究课题。 在建筑业的发展过程中，钢架结构技术的出现让建筑物的高度大幅增加成为现 实。现代化的大型建筑物内部的设备日渐多样化，其包括各式各样的系统，最初人 们只能靠仪器集中监控和管理这些设备1。 为了让这些设备和系统高效运行以满足人 们的各种需求，同时又能降低运营成本，人们设计出了智能化的建筑物。由于大型 智能化建筑中的客流量和交通情况变化较复杂，产生的呼梯信号的分布又具有随机 性，独立控制的电梯根本无法在所有乘客要求的时间极限内应答，因而无法胜任如 此复杂的任务，于是人们提出了一种将几台电梯联合起来控制的技术，这就是电梯 群控技术。 电梯群控系统 (elevator group control system)是指对大楼内三部或三部以上的 电梯使用群控技术进行统一调度和管理的控制系统，其根据大楼内交通情况的不断 变化，利用计算机技术指挥和控制多台电梯，减少系统运营成本如能源的消耗等， 实现高质量的服务2-3。 这种控制系统不仅能减少电梯独立运行时产生的不载人运行、 无目的停靠等现象，而且能有效减少乘客的等待时间，将乘客在等候电梯时产生的 不耐烦尽可能减小到最低程度。与没有使用群控技术的系统相比，电梯的运行时间 和错误分配电梯的次数大大减少，从而系统的性能得到提升4。 电梯群控系统的最重要的部分是调度策略即群控算法5， 在智能化建筑和电梯发 展越来越快的背景下，传统的电梯群控方法已不能满足人们越来越高的乘梯需求， 于是基于人工智能技术的群控算法相继被提出。本文旨在结合人工智能技术，就电 梯群控中的关键问题如交通模式的辨识、呼梯信号出现时电梯如何调度等问题展开 研究，实现电梯系统对乘客的服务质量的改善和提高。 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 对人工智能技术在电梯这个领域内的应用的研究是有积极意义的。首先，人工 智能技术在群控系统中的应用非常有前景，其取得的效果是传统的控制方法所无法 比拟的。其次，电梯等楼宇设备逐渐向智能化方向发展，将人工智能技术应用于群 控策略，可以更好地控制电梯，电梯长时间待机及不载人运行和无目的乱停靠的情 况可以得到减少。最后，人工智能技术的应用不仅在理论上进行了创新，而且实际 中带来了大量的商机。otis、三菱等公司都已研制出相关产品，对产品性能的改善 也在不断进行中。 1.2 电梯群控系统的发展概况电梯群控系统的发展概况 电梯群控系统从最初使到至今，经历了如图 1-1 所示的几个阶段： 表 1-1 群控系统发展概况 年份 群控系统 分配系统 控制系统 预告系统 1941-1971 自动模式选择 区域分配 区间控制 预报 1971-1975 集成电路 呼叫分配 待机时间估计 1975-1982 计 算 机 最短待机时间 1982-1988 多目标衡量 带有学 习功能 的预测 即时通知 1988- 人工智能 专家系统 电梯群控系统最早出现在 20 世纪 40 年代。当时系统是用继电器来控制的，逻 辑较为简单，称作“方向预控制”6。这种控制方式在不同的交通模式下执行不同的 命令。系统以一定的时间间隔就像汽车按时发班一样发出轿厢，而不是根据呼梯信 号来派梯。这种控制系统不需要人来操作，其主要目的是让系统有条不紊地运转。 由于缺少对其它因素的考虑，如无人呼叫时也照样分配电梯运行等，因而这种系统 的可靠性和运行效率都不高。另外，由于其大量用到继电器，所以只能进行简单的 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 一些计算，而且维护成本高。 20 世纪 70 年代，随着集成电路发展和应用，电梯群控系统在结构上开始使用集 成电路，因此结构较之以前变得简单。这个时期系统根据呼叫信号分配电梯，当产 生一个呼梯信号时，系统会根据某个或某些因素分配一部最合适电梯去响应此呼梯 信号。这样，系统的可靠性和运行效率明显得到了提高，这也为后面的历代电梯群 控系统所采用。这个时期的控制系统为待机时间估计控制系统，即哪部电梯对于乘 客来说使其等待的时间最短，就分配哪部电梯进行响应。这种系统的不足之处是对 乘客的待机时间还无法准确地估计。 20 世纪 70 年代中期是电梯群控系统发展的一个标志性时期， 因为计算机技术开 始大展身手。计算机使得人们能够应用各种技术在这个领域内进行研究，进一步改 善电梯系统的服务质量。由于计算机能够进行许多繁琐的推理运算和对信息进行采 集记录，而这些都是系统选择群控策略的过程中所必需的操作。如计算机可以采集 并记录客流信息、电梯状态等数据，根据这些数据进行相关运算后选择最恰当的控 制算法，在最大程度上满足大楼内的交通需求。 20 世纪 70 年代中期到 80 年代初，这个时期的控制系统仍然是待机时间估计控 制，对待机时间进行估计的精度有了一定的提高，但发生使乘客等待太长时间的情 况比较频繁。这是电梯群控发展到现代阶段的第一个时期。 电梯群控发展到现代阶段的第二个时期是 80 年代初到 80 年代末，这一时期加 入了多目标衡量，当一个乘客产生呼叫请求时，系统会对多项指标如待机时间、乘 坐时间和能源消耗等进行综合衡量后再进行分配电梯7。 这个系统不仅有效地控制和 优化了多个目标，而且减少了许多不必要的资源浪费。 从 80 年代末至今，随着时间的推移，智能建筑开始出现，这是电梯群控发展到 现代阶段的第三个时期。人们开始基于人工智能技术如模糊控制8、专家系统9、人 工神经网络10和模糊神经网络等的群控策略，其能够解决许多传统控制技术所不能 解决的复杂问题。由于对这个领域研究的前景非常光明，在今后不断会有新兴的技 术应用到电梯群控中去。 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1.3 电梯群控系统国内外研究现状电梯群控系统国内外研究现状 从 20 世纪年 40 年代出现电梯群控系统开始，国外对电梯群控系统的后续研究 经历了集成电路、计算机技术和人工智能等几个阶段，群控系统的结构和调度算法 得到不断地改善。在对人工智能技术在群控系统中的应用的研究出现后，国外各大 电梯公司相继推出了自己的产品，如三菱的 ai-210011、日立的 cip-52000 系列12 等均采用了专家系统，富士通的 flex-8800 系列13等采用的则是模糊控制技术。 在国内，从 90 年代开始陆续有学者和专家开始研究电梯群控系统，这相对国外 来说起步是比较晚的14。目前，国内一些高校及科研机构也开如加入对群控系统的 研究，取得了一些有理论价值的成果，但仅仅只有理论成果是不够的。当前我国还 不能制造出具有自主知识产权的电梯产品，主要还是靠引进国外的产品，如何消化 吸收国外的相关成果并在此基础上进行创新形成自己的特色是此后一段时间我国对 电梯群控系统研究的主要方向。 1.4 论文的主要研究内容及结构论文的主要研究内容及结构 本文的主要研究内容为模糊控制在交通模式的识别及电梯群控调度中的应用， 主要包括几个方面： (1) 对电梯群控系统的多目标性、不确定性等进行分析，指出电梯群控调度中 需要重点考虑的几个指标。 (2) 将复杂的交通模式进行简单地分类，为进行模式的推理和识别建立基础。 (3) 根据采集到的相关参数进行模糊推理，识别交通模式。 (4) 根据识别出的交通模式选择各指标的权重，根据采集的输入参数值进行模 糊推理，计算各指标的模糊值，得出每部电梯的综合函数值，选择函数值最大的电 梯响应呼梯信号。 本文章节安排如下： 第一章介绍了电梯群控系统的起源和发展历程，国内外对群控系统的研究情况。 第二章对电梯群控系统几个特性、常用的评价函数和调度原则等进行了说明。 5 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 第三章对一般常见大楼内的交通客流情况进行了相关分析，并将其分成了几种 交通模式，并介绍了不同模式下的调度策略。 第四章对交通模式的识别进行了详细讨论，主要介绍了模糊控制技术在交通模 式识别中的应用。 第五章对模糊控制在群控调度中的应用作了一定探讨，并讨论了其可行性。 6 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 电梯群控系统概述电梯群控系统概述 2.1 电梯群控系统的基本结构电梯群控系统的基本结构 电梯群控系统由三到三台以上的电梯组成，其主要由独立的电梯控制装置、梯 群控制装置、楼层呼梯系统、梯群监控调度系统四个部分组成，其中独立的电梯控 制装置是基本组成结构，梯群控制装置是最主要的部分15。独立的电梯控制装置的 作用是对独立的一台电梯进行一对一地控制。梯群控制装置的工作是根据呼梯信号 综合多方面的因素，合理地选择最合适的电梯去响应，使电梯群有条不紊地工作。 楼层呼梯系统记录各层产生的呼梯信号，由安装在每一层电梯门旁边的指示装置显 示电梯正在准备响应信号。梯群监控调度系统则负责采集电梯的综合情况和有关参 数等。高效的群控算法是电梯系统整体性能的关键。群控系统基本结构图如图 2-1 所示： 图 2-1 电梯群控系统基本结构图 梯群监控调度系统 梯群控制装置 楼层呼梯系统 can 通信 独立控制装置 独立控制装置 can 通信 电梯内部 状态 内召控制 装置 电梯内部 状态 内召控制 装置 独立控制装置 电梯内部 状态 内召控制 装置 7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 独立的电梯控制装置对电梯群中对应的一部电梯进行控制，除了指示电梯开门、 关门和运行等外，还要分析此电梯即将响应的呼梯信号以决定电梯是上行或下行和 在哪一层停靠。 梯群控制装置是系统最重要的组成部分，其主要对组成系统的电梯群进行调度。 电梯群中的各部电梯在梯群控制装置的作用下相互之间是互联的关系，就像同在一 个局域网内的几台计算机一样。当呼梯信号产生时，就由群控制装置根据一个或几 个指标和相关的原则选择最合适的电梯去应答。系统中的电梯数量越多，梯群控制 装置将越复杂。如果梯群控制装置能采用最恰当的群控算法来控制各部电梯去响应 呼梯信号，那么整个电梯群控系统的服务性能将发挥到最大。因此，一个电梯群控 系统性能好坏取决于它所采用的群控算法。 楼层呼梯系统是乘客与电梯群控系统之间进行通信的“桥梁” ，它由外召控制装 置、呼叫按钮和信号指示装置等硬件和相关软件组成。外召控制装置即我们平常乘 坐电梯时看到的安装在每一层电梯旁边的呼叫装置，它能显示出当前电梯的位置及 运行方向。一般来说，大楼内基站的外召控制装置只设有一个向上的呼叫按钮，顶 层只设有一个向下的呼叫按钮，中间楼层则分别设有上行呼叫按钮和下行呼叫按钮。 乘客在某楼层按下呼叫按钮后，信号就会通过通讯网络传输到梯群控制装置，梯群 控制装置选择与此时交通模式相对应的策略，根据客流量的情况、各电梯的状态及 呼梯信号的位置等选择出最合适的一部电梯去响应此信号。当电梯到达呼梯乘客所 在楼层时，该呼梯信号被撤消，表示此呼梯叫信号已经得到响应。目前，大多数楼 层呼梯系统都采用 can 总线技术与梯群控制装置之间进行通信。 梯群监控调度系统的作用是通过监控整个系统来采集每部电梯的综合情况和有 关参数为后面系统决策过程提供相关的数据。为了使系统安全无故障地运行，需要 随时了解各电梯的状态，以便在第一时间防止可能出现的故障。另外，不同的建筑 在规格方面的参数和在与电梯相关的参数等方面不可能完全相同，所以要求监控调 度系统配套的软件能够进行参数的改变，在各种环境下能通过修改参数来满足不同 建筑物的需求。 8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2.2 电梯群控系统的特征电梯群控系统的特征 电梯既然是服务于乘客的，其必须满足乘客的多种需求才能使乘客得到高质量 的服务。这里我们主要讨论乘客对于电梯在生理上的需要和心理上的需要16。 乘客对于电梯生理上的需要是指其在上下行的过程中对电梯运行状态的一种期 望。一个人在垂直方向做有加速度的运动时，身体会产生轻微或强烈的不适。人们 对这种状态的反应程度与其本身的年龄、身体状况等有关。虽然到现在为止还没有 研究表明加速度的大小与人体健康之间的关系，但一般来说，不论电梯上升或下降 的速度有多快， 只要电梯的速度变化不超过 2 /5 . 1sm， 加速度的变化不超过 3 /2sm 3， 且两种变化都保持不变，这种情况就可以得到改善。 乘客乘坐电梯时的心理需要既具有随机性，也具有规律性。即便是同一个乘客， 在不同的时刻和场合对电梯的服务质量的需求也不一样。一般来说乘客在乘坐电梯 时对电梯提供什么样的服务无所谓，但如果其在进入电梯前等待太长时间，其会变 得非常不耐烦，这就是所谓的待机时间要求短，待机时间是乘客心理需求的一个主 要部分。另外，如果乘客乘坐电梯的时间过长，电梯中途停靠次数过多，其也将变 得不耐烦，这种不耐烦的程度还与电梯里的其它因素有关，如乘客是否一个人乘梯、 电梯内的环境等。乘客的乘梯时间不应该超过一个既定的值，这个既定的值与当前 大楼内的交通模式和大楼的规模等因素是密切相关的。乘梯时间是乘客乘梯的次要 心理需求。 乘客在乘梯时第三个主要的心理需求是电梯通过乘客当前所在楼层时，不停下 来开门而直接通过的次数是否频繁。正如我们平常乘坐公共汽车时一样，如果乘客 在等待时，电梯经常不停而过，那么乘客也会失去耐心，这种现象应通过对电梯的 协调控制尽量减少。 由上面的分析可知，乘客对电梯群控系统的要求主要集中在“时间”上，下面 对电梯群控系统的特性进行分析，以期找出不利于实现乘客需求的因素，为后面设 计最适当的控制策略打下基础。 在电梯群控系统中，由于需要控制的电梯不止一部，每台电梯的状态又是不确 9 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 定的，变化十分频繁，所以它是一个极其复杂的控制系统，在实际运行中体现在其 具有的以下几个制约其性能提高的特性17。 2.2.1 电梯群控系统的多目标性电梯群控系统的多目标性 电梯群控系统在运行时需要同时对多个目标进行优化，以达到最佳服务性能， 这些目标具体如下18： (1) 平均候梯时间要短 乘客登记呼梯信号到有相应的应答电梯抵达乘客所在的楼层并停靠开门所经历 的时间称为候梯时间。平均候梯时间显然就是一段时间内所有乘客等待时间的平均 值，其是群控算法重点控制的目标之一，也是乘客最主要的需求。 (2) 长候梯率要低 如果乘客在乘坐电梯前的等待时间超过 60 秒钟，那么这个过程就称为长候梯， 长候梯率却长候梯发生次数在大楼内所有呼梯次数中所占的百分比。根据经验我们 知道，随着候梯时间变长，乘客会变得十分不耐烦，尤其是出现长候梯时，其不耐 烦程度会加剧。长候梯率也是群控系统重点控制的目标之一，其显然越低越好19。 (3) 平均乘梯时间要短 乘客从电梯开门进入到其抵达欲前往的楼层所经历的时间称为乘梯时间，正如 坐公交一样，乘坐的时间太长会使人产生急躁感和厌烦感。另外，电梯中途停靠次 数过多，乘客也一样会变得十分烦躁，所以乘客乘坐电梯的时间不应该超过既定的 值。这也是群控系统重点控制的目标之一。 (4) 系统的能耗要低 电梯在运行时所消耗的能量与为电梯提供动力的方式和电梯的规格等相关。早 期技术条件下的电梯只是简单的电动机驱动，消耗较多能量且运行效率不高，虽然 现在的变频调压调速驱动电梯在提高效率的同时也加大了能耗，但是性价比提高了 不少。电梯在匀速运行时所消耗的能量比停止之后再启动或启动之后再停止或变速 运行时所消耗的能量要小得多。所以要使系统能耗较低，群控系统必须采用最合适 的策略来调度各部电梯，降低启动和停止的频率，这样也能使系统的使用时间更长。 10 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 (5) 客流的输送能力要强 电梯作为大楼里的交通工具，当然要保证一定的工作能力。如果无法胜任交通 任务，势必会造成乘客密度加大、乘客的等待时间增大等现象。比如在上行高峰交 通模式下，由于人们都赶时间上楼，所以需要电梯在尽可能短的时间内完成输送任 务。为了提高电梯的工作能力，很多群控系统将电梯群分组调度，分别来往于不同 的区域，这就是所谓的区域分配。 (6) 轿厢内拥挤度要低。 由于乘客的乘梯时间不应该超过一个既定的值，同时为保证一次载客的人数不 致太多，所以电梯应该能在短期内进行多次运载。轿厢内拥挤度降低显然可以增加 乘客乘梯的舒适度。 以上是群控系统主要的几个控制目标，在不同的交通模式下，对这些目标进行 控制的侧重点不同。群控系统应根据当前的客流情况确定占主导地位的控制目标， 如乘客数量较少时，系统的能源消耗为主要控制目标；乘客数量较多时，以平均候 梯时间和长候梯率为主要控制目标。值得注意的是，这些目标之间不是毫无关联的， 相关研究表明它们之间往往是此消彼长的关系20。如当客流量较小时，如果使能耗 尽可能低的话，那么电梯停靠的次数将变少，乘客的候梯时间将变长。一般说来很 难找到一个方法使每个目标都能得到优化。因此，设计一个能够提高系统整体性能 的算法是一个关键的问题，也是一个难题。 2.2.2 电梯群控系统的不确定性电梯群控系统的不确定性 由于大楼内的客流情况是随时间不同而变化的，所以电梯交通系统中有关参数 和相关情况并不明确，其具体表现为： (1) 乘客的呼叫所分布的楼层是随机的。 (2) 同一楼层的有多少乘客在候梯是随机的。 (3) 乘客欲前往的楼层是不明确的。 (4) 楼层内的客流情况是不明确的。 这些不明确的情况使得电梯群系统采取最合适的策略带来了一定的困难。 11 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2.2.3 电梯群控系统的非线性电梯群控系统的非线性 电梯交通系统中的不连续情况表现为以下几个方面： (1) 对于同样的呼梯信号，不同时刻系统的应答方式是不同的。 (2) 系统中电梯的总数是一定的。 (3) 电梯的载客数是一定的，当其满载时，电梯到达乘客呼梯所在楼层时不会停 靠。 (4) 轿厢有时会因某些原因在中途改变方向21。 这些非线性特性用常规的控制策略是无法解决的，必须要用到智能控制方法。 2.2.4 电梯群控系统的扰动性电梯群控系统的扰动性 电梯交通系统中存在许多干扰因素，这种因素是随机出现的，主要表现为： (1) 乘客在电梯外错误地按下了呼梯按钮或者一些人为的捣乱从而增加了电梯 的停靠次数。 (2) 乘客在电梯里面没有正确选择其欲前往的楼层，同样增加电梯不必要的停 靠。 (3) 乘客发出呼梯请求的时间是不确定的。 (4) 电梯可能长时间没有关门，增加了运行时间。 2.2.5 电梯群控系统的信息不完整性电梯群控系统的信息不完整性 电梯交通系统中存在的信息不完整性体现在下面几个方面： (1) 系统无法精确采集当前电梯内的乘客人数， 因而无法精确预测电梯外的乘客 的等待时间。 (2) 电梯在一个楼层停靠时，其开门和关门时间是不确定的，无法精确采集。 (3) 如果乘客进入电梯后如果没有确定其欲前往的楼层， 这也会让系统无法准确 预测电梯外乘客的待机时间和电梯内其它乘客的乘坐时间。 12 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2.3 电梯群控系统性能评价指标电梯群控系统性能评价指标 在控制系统中，性能指标是衡量系统性能好坏的标准。前面也曾提到过，乘客 对电梯群控系统的要求主要集中在“时间”上。在电梯群控系统中，评价其服务性 能的指标主要有时间、能源消耗、电梯工作能力和平均延时等。 时间评价指标是电梯群控系统中最重要的一个指标22，因为时间指标控制得比 较好的话，整个系统的效率自然而然地就提高了。时间评价指标一般有平均待机时 间、平均乘坐时间、平均花费时间、最长等待时间、系统总运转时间等。平均待机 时间和平均乘坐时间前面已经提到过，平均花费时间是前两者之和。最长等待时间 即为所有乘客中等待电梯所用时间的最大值。系统总运转时间即为系统从启动到停 止所经过的时间。 电梯的能耗也是衡量系统性能的一个重要指标，根据常识我们知道电梯运行的 距离越远，时间越长，能源消耗越大。在不同的客流情况下，对能源消耗重视的程 度也有轻重之分。能耗评价指标主要有电梯总共经过的距离和系统总共消耗的能源 等23。 电梯的工作能力越强，其在一定时间内完成的载客任务当然就越多。因此，衡 量电梯工作能力的指标主要有 5 分钟载客率、运行距离为单位楼层时的 5 分钟载客 率和消耗单位能源时的 5 分钟载客率等24。 5 分钟载客率是电梯群控系统中一个重要 的定义，它表示在以 5 分钟为单位时间的前提下，电梯在单位时间内电梯运载的乘 客数。 电梯交通系统中存在着许多不确定性，因此调度是一个十分复杂的过程。一般 来说，乘客的等待时间及乘坐时间都可以预测，但如果中途发生不可抗拒的扰动如 电梯外面乘客的登记时间和地点由于某种原因而有所变更等，那么就增加了电梯的 停靠次数，增加了电梯内乘客的乘坐时间和电梯外乘客的待机时间。乘客乘坐电梯 花费的时间为待机时间与乘坐时间之和，这个时间的不确定性是大量存在的。采用 合适的群控策略可以有效地减少这种不确定性，提高系统的服务效率，减少能源消 耗。平均延时包括平均候梯延时、平均乘梯延时和平均花费时间延时等25，这几个 13 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 延时均表示在预期时间上所增加的时间，它们在一定程度上反映了群控系统的不确 定性。 2.4 电梯群控系统的调度原则电梯群控系统的调度原则 电梯群控系统的调度原则是群控算法的基础，基于不同的控制方法和调度原则 可以设计出不同的控制方法26。常见的有固定程序的调度原则、分区调度原则、心 理待机时间调度原则和性能指标调度原则等。 2.4.1 固定模式的调度原则固定模式的调度原则 这种调度原则根据时间和其它因素等把大楼内的客流交通情况进行分类，这种 类别称之为模式27。常见的几种模式为： (1) 上行高峰交通模式。这种模式一般出现在上午人们上班的时刻，大部分人从 基站上行，下行的人很少。 (2) 下行高峰交通模式。这种模式一般出现在下午人们下班的时刻，大部分人下 行到达基站并离开，上行的人很少。 (3) 层间交通模式。在人们的工作时间内，电梯一般都运行于平衡的层间模式， 这个时间上行的乘客和下行的相当，即上下行客流比较平衡。非平衡层间模式包括 二路交通模式和四路交通模式等。二路交通模式指某一楼层的人特别多，四路则指 包括基站在内的两个楼层人特别多。 (4) 空闲交通模式。这种情况一般出现在晚上或节假日，乘客很少，电梯基本处 于空闲状态。 电梯群控在不同的交通模式下应采取不同的群控策略，显然这几种模式可能是 混合存在的。 2.4.2 分区调度原则分区调度原则 分区调度是指把乘客登记的呼梯信号分组，每一组呼梯信号都由指定的几部电 14 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 梯去响应的方式。这种方式根据群控系统中电梯的数目将楼层分为几个区域，每个 区域都安排几部电梯进行服务，这样既可以优先响应从基站上行的呼梯请求，又可 以每一个楼层提供均等服务。电梯分区运行是一种经常用到的调度原则，可分为静 态分区和动态分区两种。 (1) 静态分区 静态分区是指根据大楼内电梯的数目和楼层数形成若干服务区域，每个服务区 域包括几个楼层和指定的几部电梯。一个区域内的几部电梯可以响应乘客向上的召 唤，也可以响应向下的召唤。系统还可以把乘客所在楼层距离接近的所有向上召唤 统一分配到一个区域，或把把乘客所在楼层距离接近的所有向下召唤统一分配到一 个区域，称之为共用区域或固定区域。共用区域包括向上召唤和向下召唤，固定区 域只包含一种。在静态分区中，由于呼梯信号分布的随机性，每台电梯所在的区域 可以不断变化，一旦出现没有电梯为之服务的区域，则会有相应的电梯进入这个区 域。 (2) 动态分区 动态分区指将每部电梯所在的区域联接在一起组成一个整体不间断的区域，每 个区域的形成跟电梯的状态、运行方向等有关，可以根据情况随时增加或减少。动 态分区减少了电梯运行一圈的时间，提高了其运行效率。 2.4.3 心理待机时间调度原则心理待机时间调度原则 心理待机时间调度原则是一种比较有特点的调度原则，它不采用常规的一些指 标作为原则的标准，而是采取乘客在接受电梯的服务的过程中的对于候梯时间的心 理需要作为评价标准。上面提到过，如果乘客在进入电梯前等待时间过长容易变得 不耐烦，如果这个时间超过一个既定值，乘客不耐烦的程度会急度加剧。系统采用 这种原则可以在乘客登记呼梯信号后进行统计和综合分析，得出一个对于乘客来说 比较合理的待机时间，以便系统及时地派出最合适的电梯去应答呼梯信号。这种调 度原则主要有以下几种： (1) 最小待机时间调度原则28 15 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 这种原则在乘客登记呼梯信号后，估计其对于每部电梯的候梯时间，派出最短 的一部去应答。 (2) 防止预告失败调度原则 现在许多电梯群控系统都配备了预告显示装置，即乘客登记呼梯信号后，楼层 电梯旁安装的指示装置会显示哪一部电梯将应答当前呼梯信号。如果显示的信息不 准的话，乘客的心理会受到一定的影响。为了避免乘客对电梯产生不信任，群控系 统应尽量减少甚至杜绝这种预告不准的现象，已经显示的电梯不得随意调换。 (3) 避免长候梯调度原则 这种原则根据电梯的性能、大楼内的环境因素和交通状况等规定一个时间值， 如果乘客待机时间大于这个值，可以说此次候梯为长候梯，这种情况应尽量减少。 2.4.4性能指标调度原则性能指标调度原则 在不同的情况下，系统重点控制的指标是不一样的。控制指标的侧重点不同， 相应调度原则也将发生变化，所以群控策略也要进行调整，以达到基于某个目标的 最优派梯。 在评价系统性能时经常用到平均待机时间、长候梯率、能源消耗和综合成本等 指标。平均候梯时间、长候梯率和能源消耗上面已经提到。值得提出的是，通常用 电梯启动和停止的次数来表征能耗的大小。综合成本用当前电梯的载客数与电梯上 行或下行一层所用的时间之积来表示。 16 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 电梯群控系统的交通模式电梯群控系统的交通模式 3.1 电梯交通客流分析电梯交通客流分析 电梯的交通客流情况在一定程度上决定了系统要采用哪种群控调度算法，系统 的群控策略会随着它的改变而调整。因此，正确分析建筑物内当前的交通客流情况 有利于系统制定能应对当前交通客流情况的最合适的群控策略，其是非常必要的。 但是，对交通客流的分析是有一定难度的，因为不仅不同类型的大楼内的情况差距 非常大，即便是同一座大楼，由于时间和使用方式的变化，其交通客流情况也会不 一样，这是电梯交通系统不确定性的一种体现。由于篇幅所限，本论文只对一般的 办公大楼里的交通客流情况作一些分析，以下称交通客流情况为“交通模式” 。 对于办公大楼，根据客流特点通常可分为上行高峰交通模式、下行高峰交通模 式、两路交通模式、四路交通模式和层间交通模式等29。 (1) 上行高峰交通模式 当大楼内的乘客大部分或全部都是从基站乘电梯往上行时，这时的交通模式称 之为上行高峰交通模式。这种情况常常发生在早上人们上班的时候，而且相当一部 分乘客都集中在到达上班时刻之前的一小段时间内，这是常人的生活习惯。这种情 况还可能发生在下午上班的时候，只不过这个时刻的客流量要小得多，因为大多数 员工都在公司里午休，所以其早在午休时刻之前已经上到工作所在的楼层。 电梯的工作能力受到的挑战在上班时刻来临前是最大的，这个时段的前一段时 间或后一段时间则较小，这是很明显的，因为人们总是习惯在最后的时刻进到办公 室。研究表明，在一个小时内到达的乘客较少时，少数几部电梯即可胜任交通任务， 但如果到达的乘客较多时，电梯无法满足如此大的交通需求，乘客将等待一定的时 间才能乘坐，候梯时间将视交通需求的程度而定。欲使得乘客的平均候梯时间在一 个合理的范围之内，电梯在上行高峰时的 5 分钟载客率必须要大于 5 分钟乘客到达 率。 17 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 在上行高峰交通模式下，衡量电梯群控系统性能的指标还有平均运行时间和平 均停靠间隔。平均运行时间是指电梯从乘客进入后开始启动到乘客抵达目标楼层所 用的时间的均值，在一定程度上反映了平均乘梯时间。平均停靠间隔是先后两台电 梯到达基站的时间间隔的均值，它在一定程度上反映了平均候梯时间。 (2) 下行高峰交通模式 当大楼内的乘客大部分或全部都乘电梯下行到达基站时，这时的交通模式称之 为下行高峰交通模式。相对于上行高峰发生在早上上班时刻，下行高峰则发生在下 班时刻，包括上午下班和下午下班。由于人们在上午下班时并不是都赶着离开公司， 所以上午下班的客流量比下午下班的时候的客流量要小得多。据统计表明，下午下 班时的客流量比早上上班的客流量还要大，这时系统应合理分配各部上行电梯的停 靠楼层，使得在各楼层呼梯请求下行的乘客得到均等的服务。 (3) 两路交通模式 当大楼内的乘客大部分都是乘梯前往一个楼层或乘梯从一个楼层离开，而这一 层不是基站时，这时的交通模式称之为两路交通模式。这一种情况一般发生在上班 期间需要在某一层聚集参加会议或参观等活动的时候。在这种模式下，系统应对这 一特殊楼层给予较高的重视，优先派遣拥挤度较小的电梯去为这一楼层的乘客服务。 (4) 四路交通模式 当大楼内的乘客大部分是乘梯前往两个楼层而去或者乘梯从两个楼层离开时， 并且这两个楼层有一个可能是基站时，这时的交通模式称之为四路交通模式。一般 在上午下班时间，乘客主要集中前往基站或食堂；在下午上班时，乘客主要集中从 基站或特定的休息室乘梯上行。四路交通模式常见于这两种情况。 (5) 层间交通模式 根据前面的分析可知，层间模式主要出现在上午上下班之间和下午上下班之间， 这期间的客流量相对较小，乘客主要在一些楼层之间来回活动。这是一种最基本的 在正常工作时间时的一种交通模式，又称为平衡的两路交通模式。两路交通模式和 四路交通模式是层间交通模式的特殊情况。 (6) 空闲交通模式 18 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 空闲交通模式一般发生在工作日的清早、晚上或节假日，这种模式下客流量非 常地小，各部电梯基本处于待机状态。 3.2 不同交通模式下的调度策略不同交通模式下的调度策略 前面提到，在常见的电梯调度原则中，固定模式的调度原则根据大楼内的客流 交通情况，将其为几种固定的模式，各种模式有相对应的调度策略。这是因为虽然 电梯群控系统在运行时需要对多个目标进行优化，但是不同的交通的模式下，要进 行优化的目标的优先级不同，即有的目标在一种模式下可能是重要程度较高的，但 是其在另一种模式下的重要程序可能较低，不同的交通模式在一定种度上决定了系 统的调度策略。 3.2.1 上行高峰交通模式下的调度策略上行高峰交通模式下的调度策略 当大楼内的客流量处于上行高峰时，乘客都集中在基站等待上行，而在一定的 时段内大部分电梯都载客上行，所以基站并没有停靠多少电梯来响应其它乘客的上 行呼梯请求，如果不采取合适的措施，势必会大大增加基站乘客的平均候梯时间。 通常采取的一种调度策略是系统指挥执行完载客上行任务或当前无任务且并未停靠 在基站的电梯自动返回到基站，以缓解当前巨大的交通压力。另外，由于上行的乘 客实在太多，这时通常采取的另一种策略是在不超过下行乘客待梯时间极限的情况 下，优先派梯响应上行呼梯请求，在一定时段内推迟响应下行呼梯请求。 3.2.2 下行高峰模式下的调度策略下行高峰模式下的调度策略 当客流量处于下行高峰时，在各个楼层等待下行的乘客可以看作是均匀的。如 果每部电梯执行完载客下行的任务后都回到基站，那么当有乘客按下呼梯按钮时， 电梯便要从基站上行到达呼梯乘客所在楼层提供服务，这也会大大增加乘客的候梯 时间。这时通常采服的策略是指挥那些执行完任务回到基站的电梯均匀停靠在各个 楼层，这样梯群既可以均等地服务于各楼的乘客，又可以在乘客按下下行呼梯按钮 19 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 时及时响应。 高峰模式下的调度策略30除了以上所提到的最常见的策略外，还有一个非常重 要的策略就是分区策略，这在第二章已经提及，不再赘述。 3.2.3 层间交通模式下的调度策略层间交通模式下的调度策略 层间交通模式下由于客流比较平衡，优化的重点放在乘客的心理需求上，与乘 客心理有关的策略除了上面提到过的最小候梯时间调度原则外，还有最小乘梯时间 调度原则。最小乘梯时间调度原则即对已登记的呼梯信号进行优化选择，尽可能合 理地分配乘梯时间最小的电梯去响应以提高运行效率。另外，层间交通模式下无任 务电梯的停靠也要合理。通常的做法是使之平均地停靠在各楼层以减少响应时间即 乘客的候梯时间以提高服务效率，也可以使一部分电梯停靠在乘客比较多的楼层， 给予这些楼层的乘客以较高优先级的服务。根据客流的变化情况，优化的目标可以 随时变换，如客流量大时可以重点考虑平均待机时间和平均花费时间，客流量小时 可以考虑系统的能源消耗。二路和四路交通模式可以看作是层间交通的特殊情况， 这两种交通模式下的调度策略与层间交通模式下的相同。 3.2.4 空闲交通模式下的调度策略空闲交通模式下的调度策略 空闲交通模式下客流量非常小，因此能源的消耗是系统主要控制的目标。当乘 客登记一个呼梯信号时，系统可以分配多个电梯去响应，这时如果考虑到把能耗降 到最低，可以选择从其当前位置到达登记呼梯请求的乘客所在楼层所经过的距离最 小的一台电梯去响应，这是其中一个调度策略，称之为最短距离策略。优化处理乘 客的登记信号，在保证客流输送能力的情况下让电梯尽量少停靠即减少启动和停止 的次数也是减少能耗的重要调度策略之一。另外，电梯在空闲状态向上运行和坐满 乘客往下运行时，其动力驱动装置会产生电流31，这样可以将能源反馈到整个系统 中。当有乘客按上呼梯按钮时，选择调度处于