基于malab的电梯群控系统仿真平台的研究

基于malab的电梯群控系统仿真平台的研究

1在电梯群控系统上的应用在建筑设计中，通常由多辆电梯配置，形成一个电梯组，集中为建筑物提供服务，这是电梯组管理系统（ecgs）。电梯群控系统是一个实时性非常强的系统,需要不断收集梯群的状态信息和厅外的召唤信号,采取一定的派梯策略,选择最适合的电梯去应答厅外召唤。为了节约开发成本,一个成功的电梯群控系统在应用到实际控制系统之前,往往都在计算机系统上进行仿真研究,调试参数,在仿真研究完成以后,再应用到电梯试验塔做试验,检验控制策略的有效性和有关的性能指标。国际上介绍电梯群控系统仿真技术的文献很少,国内的文献也不多。文献提出了在电梯控制系统中应用面向对象分析与设计的思想,有利于更加客观描述电梯系统,简化设计,提高程序的可移植性。但是没有深入研究电梯系统的行为,难以做到合理的控制;而且其软件实现无法更形象地比较研究电梯的群控算法和性能比较,MATLAB的应用可以弥补这方面的不足。MATLAB是工程领域著名的数值计算和分析软件,具有强大的数值计算能力、丰富的绘图功能、可视化的编程风格,具有很强的开放性。MATLAB6.1更是吸收了全新的数据类型和面向对象的编程技术,采用了新的控制流和函数结构,丰富了数值计算功能,扩充了多种交互式操作工具,极大地方便了仿真平台的开发。利用MATLAB的面向对象编程技术,可以方便地描述电梯系统的行为,对电梯系统进行仿真;利用其丰富的数值计算函数,可以方便快捷地对电梯性能指标进行计算和统计,节约了开发成本。2厅外呼唤信号的分配电梯轿厢内指令信号由电梯轿厢内的乘客按下控制面板上的按钮发出;厅外召唤信号由厅外候梯乘客按下厅外按钮给出。电梯系统在每个停靠层站都设有一对召唤按钮,分别用于上行召唤和下行召唤。一旦有厅外召唤按钮按下,那么电梯系统登记该召唤,并且高亮显示乘客的召唤,然后选择或者分派电梯前往应答。在电梯响应该厅外召唤时,消显该楼层的召唤显示,乘客进入电梯轿厢,然后按下轿厢内控制面板上的按钮选择目的楼层,然后电梯搭载乘客前往目的楼层。当所有的召唤信号服务完毕,电梯将处于空闲状态,直到有新的任务发生。当一个新的厅外召唤产生以后,需要根据群控算法来判断最优派梯,并决定由哪台电梯来服务。一般说来,新的厅外召唤信号分配给某台电梯时,不应该对过去已经分配的厅外召唤产生太大的影响,否则,厅外乘客的候梯烦躁度会呈指数级增长。因此一台性能良好、服务高效的电梯系统的群控算法的选择至关重要。3电梯运行模块电梯群控系统仿真平台包括下列模块:交通流产生模块(TrafficFlowModule),数据管理模块(DataManagementModule),数据通信模块(DataCommunicationModule),厅外召唤分配模块(HallCallAssignmentModule),电梯运行模块(ElevatorModule)。交通流产生模块用来产生电梯交通流仿真数据;数据管理模块用来统计电梯的历史数据和评估电梯系统的性能指标;数据通信模块用来收集电梯系统的状态,记录电梯的轿厢内指令和厅外召唤信号,向电梯发出派梯指令等;厅外召唤分配模块用来完成派梯选择,选择最合适的电梯去应答厅外新近产生的召唤;电梯运行模块按照一定的运行逻辑和运行规律,完成群控系统分派的应答任务,将乘客从起始楼层运送到目的楼层。各个独立的模块承担不同的任务,协同工作,完成整个电梯系统的仿真运行。3.1到达概率的计算和确定乘客到达服从泊松过程,指的是乘客到达时间间隔服从泊松分布其中,λ是乘客的到达率(人/秒),t是乘客到达时间间隔最大值(秒),τi和τi+1分别为第i个乘客和第i+1个乘客的到达时刻。如果已知乘客的乘客的到达率λ和某一乘客的到达概率P,那么由公式(1)可以求得该乘客的最大到达时间间隔。乘客的到达分两个步骤进行,先产生(0-1)之间的伪随机数,利用公式(2)可以计算出乘客到达时间间隔最大值t。然后将时间t作为该乘客与前面乘客的时间间隔,并通过公式(3)与前面乘客的到达时间累加,可以确定该乘客的到达时间。乘客的到达时间生成以后,还需要确定乘客到达的起始楼层和目的楼层。根据电梯交通流模式和交通流特征值,容易确定上述参数。根据各个楼层作为起始楼层的概率,使用模拟赌盘操作(即0到1之间的随机数)来确定乘客到达的起始楼层;根据各个楼层作为目的楼层的概率,依然使用模拟赌盘操作来确定乘客要去的目的楼层。在乘客的起始楼层和目的楼层确定以后,可以得到乘客的乘梯方向。乘客的起始楼层和目的楼层不可以相同。3.2乘客平均候梯时间和平均乘梯时间和平均服务时间数据管理模块的作用是对电梯的性能指标进行计算,对服务质量进行统计,评估乘客的满意度。在本仿真平台中,主要对乘客的平均候梯时间、平均乘梯时间和平均服务时间进行统计计算。还可以针对具有学习能力的群控算法,提供周期性学习的电梯运行数据,以便群控系统调整群控参数,或者改变群控策略,为乘客提供更加快捷的的服务。乘客的平均候梯时间、平均乘梯时间和平均服务时间的计算,以5分钟为计算单位。群控系统的周期性学习,可以分每天、每周、每月进行。3.3电梯群控算法电梯是载人服务工具,需要实时采集乘客的乘梯要求和电梯系统本身的状态等输入信息,也需要实时发出派梯指令等输出信息,这就是数据通信模块的功能。群控系统不仅需要从梯群内的电梯控制器采集电梯的轿厢内指令和当前状态,如当前运行方向,当前位置,当前轿厢内负荷(人数)以及运行状态;还需要收集厅外的召唤信号。在群控算法做出派梯决策后,向电梯发出厅外召唤任务指令,让其去应答服务。由于在PC机上仿真电梯群控系统,数据通信变得相对简单。数据通信模块的存在,是为了用来更好地模拟实际中的电梯群控系统的运行。实际中的群控系统通常周期性地采集系统信息,周期性地发送任务指令。数据通信的间隔周期取决于电梯系统的硬件通信能力和群控算法的复杂程度。3.4最小长候梯算法和区域控制算法厅外召唤分配模块的实现需要三个步骤:①输入当前的交通信息;②厅外召唤分配性能预测;③做出派梯选择。其中,厅外召唤分配的性能预测是本模块的核心,由群控算法实现,它决定了电梯系统的服务质量和服务效率。一种群控算法往往是无法满足所有交通模式需要的,只能在一定范围内提供最优质的策略。基于此,许多学者从不同角度出发,提出了不同的群控算法。常规的群控派梯算法包括两种:最小长候梯算法和区域控制算法。最小长候梯算法能够控制和最小化每个厅外召唤的候梯时间。当厅外召唤产生时,最小长候梯算法预测每台电梯的每个厅外召唤的候梯时间,将厅外召唤的最大候梯时间作为电梯的长候梯时间,选择长候梯时间最小的电梯去应答新近产生的厅外召唤。区域控制算法是建立在最小长候梯算法基础上的,能够处理各种各样的交通情况的群控算法。它在选择电梯应答厅外召唤时,考虑了厅外召唤的候梯时间和大楼内的交通状况。本仿真平台采用最小长候梯时间算法来说明仿真平台的有效性。尽管它灵活性不是很大,但是在降低乘客候梯时间方面的效果明显。最小长候梯时间算法描述如图1所示,K表示第K台电梯;ix表示已分配给电梯K的一个厅外召唤信号,位于第i层,方向为x;jy表示新近产生的厅外召唤信号,位于第j层,方向为y;S(K,jy)表示电梯K反向从当前位置和产生召唤的层之间的距离。设在t1时刻,ix召唤产生,并分配给电梯K应答,则在t1时刻可以估计出ix的候梯时间TM(t1)(K,ix)。在t2时刻,jy召唤产生,假设分配给电梯K应答,则在t2时刻对ix的候梯时间TM(t2)(K,ix)重新估计。于是ix的总候梯时间为:根据最小长候梯时间算法的原理,有下列公式可以得到最优的派梯结果:TS(t2)(K,ix)是电梯K从t2时刻所处的位置运行到ix所在的楼层i所花费的估计时间,该时间同电梯的运行方向、电梯到楼层i的距离、以及所需的停靠次数等密切相关。3.5电梯总体状态间的转换电梯的服务归根到底要由电梯的往返运行来完成。电梯运行模块的仿真,离不开电梯的运行特点。按照电梯运行过程中的不同特征,将其运行过程分为8个阶段,它们分别是:空闲(IDLE)状态、开门(OPEN)状态、下落客(UNLOAD)状态、上落客(LOAD)状态、关门(CLOSE)状态、启动加速(ACC)状态、运行(MOVE)状态和停车减速(DEC)状态。各个状态之间的转换关系如图2所示。可以看出,各个状态呈现出一定的逻辑关系,如ACC状态总是发生在MOVE之前,而DEC总是发生在MOVE之后。各个状态的发生时间往往随电梯本身的特点、当前状态和一些不确定的随机因素所决定。对于标准的电梯来说,每个状态所持续的时间基本上是固定不变的。4电梯系统仿真流程电梯系统是一个典型的离散随机事件系统,召唤信号的发生时间具有随机性,而且电梯的状态也具有不确定性。离散事件系统的仿真就是按照实际的工作流程,在规定事件内顺序地改变实体或者设备的状态。对于离散随机事件系统,其仿真方法有:面向过程的仿真方法和面向对象的仿真方法。面向对象的仿真方法,指的是组成系统的实体以对象来描述。对象具有三个基本的要素:属性、活动和消息。这样,电梯系统可以分成几个独立的对象,如电梯、大楼、乘客等,根据各自的属性,实现各自的操作功能。面向对象的仿真策略更加灵活、方便。由于电梯系统是离散事件系统,厅外召唤信号的产生是一个离散事件,具有随机性和不确定性。如何安排电梯系统仿真的推进时间是重要问题。在离散事件系统中,仿真时间的表示方法主要有两种:周期扫描法和事件扫描法。周期扫描法采用一个预先确定的均匀时间间隔来调整仿真时钟,然后研究系统在该时间间隔内是否有事件发生。如有,则仿真;如无,则仿真时钟推进到下一个时间间隔。但是该方法存在明显的不足,就是容易出现“状态模糊”现象,间隔时间较小的两个事件往往会表现出同时发生,需要认真考虑仿真时间间隔。减少仿真时间间隔无疑会增加计算机的运行时间。而事件扫描法,是按照下一个事件的发生时刻来触发仿真操作的。按照事件所发生的时间推进仿真时钟,可以有效地避免周期扫描法的不足,同时大大改善了计算机运行时间的效率。电梯系统的仿真采用事件扫描法,将厅外乘客的到达作为触发事件,对电梯系统进行仿真,仿真时间直到下一个乘客的到达时刻为止。电梯群控系统的仿真是基于厅外召唤按钮的按下作为触发事件的,而电梯交通流的产生是基于乘客属性的,因此,需要将基于乘客属性的电梯交通流转换成厅外召唤信号。对于每个到达的乘客,根据其到达的起始楼层和要去的目的楼层,确定其乘梯方向。除电梯的两个端站外,每个中间层站都允许乘客上行或者下行,在候梯大厅前可以认为存在两个候梯队列:上行队列和下行队列。队列的一个显著特点就是“先进先出(FIFO)”,先到的乘客,先登陆电梯,这是符合人们的生活习惯的。队列可以为空,表征不存在该方向的候梯乘客;队列非空时,表征存在该方向上的候梯乘客,并且正在等待电梯前来应答。当一个乘客到来时,群控算法首先判断该乘客需要进入的候梯队列是否为空,如果队列非空,乘客直接进入队列,不做派梯计算。如果队列为空,则乘客进队且按下相应的厅外召唤按钮,群控算法将对该召唤信号做派梯计算。在乘客登陆轿厢时,按照乘客要去的目的楼层,进入轿厢的乘梯队列。每个目的楼层对应着一个乘梯队列。如果某个楼层的乘梯队列为空,表示没有乘客在该楼层下落。如果乘客在进入乘梯队列以后成为队首,那么需要按下相应的目的楼层按钮,产生轿内召唤信号。在电梯到达目的楼层,乘客按照队列规则下落。5乘客的平均服务时间和平均乘梯时间仿真平台需要设置的参数如表1。图3、图4和图5给出了基于最小长候梯算法的电梯群控系统的仿真结果。图3是乘客的平均候梯时间。5分钟内乘客的平均候梯时间在13～25秒内波动,仿真时间内的平均候梯时间为18.3秒。图4是乘客的平均乘梯时间。5分钟内乘客的平均乘梯时间在27～37秒间浮动,仿真时间内乘客的平均乘梯时间为30.8秒。图5是乘客的平均服务时间。5分钟内乘客的平均服务时间在40～60秒内波动,仿真时间内乘客的平均服务时间为49.1秒。电梯的上述三个性能指标曲线都是在其平均值附近波动,符合乘客的用梯规律,表明仿真平台的有效性。乘客的平均候梯时间仅为18.3秒,体现了最小长候梯算法在减少乘客候梯时间方面的显著作用。但是5分钟内的三个指标平均值波动在10～20秒之间,波动最大的指标是平均服务时间,其波动范围是约20秒,说明经典的群控算法——最小长候梯算法存在一些不足,这也是其它文献所提到的。针对不同的客流到达率,三个性能指标(平均候梯时间、平均乘梯时间和平均服务时间)的比较如图6所示。除乘客数外,其余的仿真条件设置见表1。随着乘客到达率的增加,平均候梯时间、