段素丙，陳偉華，，強(qiáng) 雄，周瑋杰

（1.上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2.上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海 200063）

引 言

隨著各大城市高層建筑日益增多，電梯的使用也日益廣泛，且往往是多部電梯同時運行，特別是對于40層以上的超高層建筑，4部甚至6部電梯同時運行的情況極為常見，所以對電梯的運行速度、控制性能、運行效率等有了更高的要求。如果能夠合理高效地控制多部電梯的運行狀態(tài)，減少用戶待梯時間，使電梯更人性化［1］，對機(jī)械工業(yè)節(jié)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展有較大推進(jìn)作用。

作為世界最大的電梯制造國和使用國，中國電梯保有量和新增量世界第一，已超過100萬臺，按電梯日用電量20～50kWh統(tǒng)計，2008年內(nèi)地電梯耗電總量為83.93～209.88億kWh，占全社會總用電量的0.24%～0.61%。但總體而言，國內(nèi)電梯數(shù)量多，使用頻率高，如果電梯企業(yè)繼續(xù)能夠加強(qiáng)電機(jī)本體及能量反饋裝置等高效節(jié)能產(chǎn)品的技術(shù)水平，以及在電梯使用上加強(qiáng)節(jié)能管理，中國電梯將有較大的節(jié)能空間。

近年來國外梯群控制系統(tǒng)也取得了飛速發(fā)展，各國對電梯在提高梯群數(shù)量的同時，也對質(zhì)量有著更高的要求，且整體水平優(yōu)于國內(nèi)。如西屋公司裝于芝加哥希爾斯大樓采用MARK－V群控系統(tǒng)的9m／s電梯，三菱公司裝于東芝陽光大廈的OS－75控制系統(tǒng)的10m／s電梯。

1 控制策略分析

評價電梯系統(tǒng)的性能優(yōu)劣主要是從乘客的角度考慮，即乘客平均候梯時間［2］要求最短，平均乘梯時間最短。在滿足以上兩個要求的情況下，使系統(tǒng)能耗降至最低。

文中所述群控系統(tǒng)控制策略是每部電梯處理各自的隨機(jī)指令，而對于隨機(jī)召喚信號則由一個調(diào)度算法進(jìn)行分配。調(diào)度算法實際上是一個最優(yōu)函數(shù)。最優(yōu)函數(shù)中需要考慮3個因素：轎廂當(dāng)前位置信息，轎廂內(nèi)的請求信息，以及除當(dāng)前召喚層之外的外召集。

當(dāng)某層的召喚按鈕被按下后，梯群控制系統(tǒng)記錄該層站召喚信號，同時，從各轎廂控制器獲得各臺轎廂的即時運行狀態(tài)及內(nèi)召信息，同時根據(jù)當(dāng)前交通模式選擇響應(yīng)電梯。正常運行時，梯群控制遵循轎內(nèi)指令優(yōu)先、順向截車、時間優(yōu)先［3］三項原則。

（1）轎內(nèi)指令優(yōu)先：當(dāng)轎廂門與廳門均已關(guān)閉，轎內(nèi)按鈕與樓層召喚按鈕同時按下，則優(yōu)先執(zhí)行轎內(nèi)指令，同時保留樓層召喚請求，等待控制系統(tǒng)派梯。

（2）順向截車：當(dāng)某部電梯運行方向與樓層召喚信號同向時，即都為向上或向下，且轎廂在向上或向下的過程中會經(jīng)過該層，則由該電梯響應(yīng)該召喚請求。

（3）時間優(yōu)先：不論順向與否，優(yōu)先選擇轎廂從當(dāng)前位置至有召喚請求的樓層的時間最短的電梯響應(yīng)請求。

最佳電梯選擇步驟如下：

（1）通過模糊邏輯識別電梯交通模式；

（2）采用EAT算法來計算各臺電梯響應(yīng)某一廳層呼梯信號的評價函數(shù)；

（3）根據(jù)設(shè)定的規(guī)則集，選擇當(dāng)前交通模式下響應(yīng)召喚最合適的電梯，并指派至目的樓層。

1.1 交通模式識別

1.1.1 輸入量的選擇

交通模式是指某一時間段內(nèi)相對固定的建筑物中人流來往信息，以流出、流入以及層間客流狀況和客流的交通強(qiáng)度為依據(jù)劃分。交通模式取決于進(jìn)入客流百分比u1、離開客流百分比u2、層間客流百分比u3：

式（1）中，λintλoutλbet分別表示一段時間流入、流出及層間客流量與總客流量之比，取時5min；u4表示相對交通強(qiáng)度；HC表示最大5min客流量。

λoutλbet依次類推，分別為5min內(nèi)流出及層間乘客數(shù)與總乘客數(shù)百分比。

1.1.2 輸入量模糊化

用high、medium、low分別表示交通邏輯變量，則交通構(gòu)成百分比的隸屬函數(shù)表達(dá)式如下：

U4→［0，100］whereu4∈U4：

式中ai＜bi＜ci＜di，其大小分別表示當(dāng)前交通模式的交通強(qiáng)度隸屬于模糊邏輯“輕”、“一般”、“強(qiáng)”的臨界值。對于不同交通構(gòu)成類型，乘客量峰值也不同，因而辨識不同類型的交通強(qiáng)度模糊值時，4個參數(shù)應(yīng)分別定義。

根據(jù)不同的的交通強(qiáng)度，通過模糊推理可以得出27條規(guī)則，簡化后可得到5種規(guī)則，定義如下：

表1 簡化后的規(guī)則表Tab.1 Simplified rule table

綜上所述，判斷客流模式的基本步驟是：

（1）根據(jù)流入、流出、層間客流量求得相對交通強(qiáng)度。

（2）根據(jù)相對交通強(qiáng)度，識別具體的交通模式。

1.2 基于ETA的派梯算法

在電梯群控系統(tǒng)中，共有3類召喚：（1）響應(yīng)召喚無需改變方向，即電梯運行方向指向召喚層，且目的樓層與電梯當(dāng)前位置在召喚層異側(cè)；（2）響應(yīng)召喚電梯需要改變一次方向，即電梯運行方向指向召喚層，且電梯與目的樓層在召喚層同側(cè)；（3）響應(yīng)召喚需要改變二次方向，即電梯運行方向背向召喚層，且目的樓層與電梯在召喚層同側(cè)。

ETA（estimate time arrive）算法是以使乘客平均等待時間最短為目標(biāo)，它把每個召喚當(dāng)作平等的，并且同時考慮新召喚廳層的等待響應(yīng)時間和響應(yīng)其它廳層帶來的時間延遲，同時考慮最遠(yuǎn)樓層和額外停層的影響。

1.2.1 最遠(yuǎn)樓層及額外停層的預(yù)測

假設(shè)登上電梯k的乘客在即將運行的各樓層上或下的概率是相等的，則有

因此，則有

現(xiàn)在必須?？繕菍蛹邦~外停層就可以通過下列公式確定：

式（14）中，M表示系統(tǒng)中電梯總數(shù)是基于電梯三類召喚關(guān)系及電梯額外停層的預(yù)測。額外停層包括當(dāng)前在已登記樓層的必須停層和在可能反向的樓層的停層以及除此之外可能的停層。

如果是一類召喚，則有

新外召給乘客帶來的時間延遲取決于k層外召登記后的外召集，因此

軟件流程圖如圖1所示，用戶每按一次樓層召喚按鈕，程序被執(zhí)行一次。

圖1 軟件流程圖Fig.1 Software flow chart

2 硬件實現(xiàn)

2.1 控制核心

考慮到系統(tǒng)需要很高的數(shù)據(jù)處理速度，采用Philips2138ARM芯片作為控制核心，LPCZ138是一個基于支持實時仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI－SMTCPU，并帶有32kB的片內(nèi)靜態(tài)RAM和51kB嵌入的高速Flash存儲器，128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使程序代碼能夠在最大時鐘速率下運行，可實現(xiàn)高達(dá)60MHz工作頻率。該芯片對代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用，可使用16位Thmub模式將代碼規(guī)模降低超過30%［4］，而性能的損失卻很小，LPC2138接線圖如圖2所示。

圖2 控制核心接線圖Fig.2 Cybernetics core wiring diagram

Ai、Bi表示從電梯傳來的485信號，Rx、Tx表示模擬串口的232引腳。由于LPC2138只有兩個異步串行通信接口Uart，所以采用了74HC257作為二選一電路實現(xiàn)接口擴(kuò)展，對信號進(jìn)行分時選擇傳送。所有控制板采集到的信息都經(jīng)過485總線傳至群控主機(jī)，總線控制采用主從方式，由群控主機(jī)控制通訊。另外，由于PC系列微機(jī)串行口為RS－232C標(biāo)準(zhǔn)接口，與LPCZ138在接口規(guī)范上不一致，因此TTL電平到RS－232接口電平的轉(zhuǎn)換采用MAX232標(biāo)準(zhǔn)RS－232接口芯片。該芯片可以用單電壓實現(xiàn)RS232接口邏輯“l(fā)”（－3～15V）和邏輯“0”（3～15V）的電平轉(zhuǎn)換。P0.15、P0.16分別是模擬信號發(fā)送接收端和發(fā)送端。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

群控主機(jī)在群控系統(tǒng)中負(fù)責(zé)對整個群控系統(tǒng)的控制，要能夠?qū)﹄娞菪畔⑦M(jìn)行采集，對收到的信息進(jìn)行分析，作出派梯選擇，將群控指令信息發(fā)送給電梯，同時能夠與電梯監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行信息交互。每臺電梯的每個廳層處有一個外召面板，即上行及下行按鈕，實現(xiàn)對群控主機(jī)的召喚請求；轎箱內(nèi)也有內(nèi)召信號面板，用來采集內(nèi)召信號；在電梯控制柜內(nèi)裝設(shè)電梯測重傳感器，用于采集電梯運行時的載重信息。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 System architecture

CPU的群控主機(jī)，通過485總線與內(nèi)外召控制板通訊。每層各個電梯門廳處各安裝LED燈和揚聲器，用作燈光及音效提示。由于群控系統(tǒng)采用的LPC2138不具備顯示功能，所以配置監(jiān)控主機(jī)實現(xiàn)參數(shù)配置、狀態(tài)監(jiān)控、硬件測試及派梯提示等功能，派梯確定后，由監(jiān)控主機(jī)在該樓層的指派電梯處發(fā)布燈光及音效提示，即時提示用戶作乘梯準(zhǔn)備。在監(jiān)控界面上顯示電梯運行狀態(tài)有電梯的轎廂運行樓層位置、運行方向、以及各開關(guān)量等。監(jiān)控主機(jī)與群控主機(jī)通過RS232總線進(jìn)行通訊［5］。

某一層是否停層主要是根據(jù)該層有無召及外召請求［6］，在有內(nèi)召的情況下，不論該層有無外召請求，該層必定指派最佳電梯停層，但在無內(nèi)召，而只有外召的情況下，如果通過紅外探測指示出該層候梯處無人存在，則該層不指派電梯停層。

該系統(tǒng)采用被動式紅外探測器，即探測器本身不發(fā)射任何能量而只被動接收、探測來自環(huán)境的紅外輻射。每個樓層在候梯區(qū)域安裝一個紅外探測器，只要該區(qū)域有人存在，且有外召請求的情況下，該層則指派電梯。探測器主要由光學(xué)系統(tǒng)、熱傳感器（或稱為紅外傳感器）及控制器組成。紅外傳感器的探測波長范圍是8～14μm，人體輻射的紅外峰值波長約為10μm，一旦有人體紅外線輻射進(jìn)來，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦就使熱釋電器件產(chǎn)生突變電信號，從而向控制系統(tǒng)處理器發(fā)出派梯請求。

該系統(tǒng)采用被動紅外復(fù)合式吸頂多鑒探測器RK200DT。該探測器為可尋址和編程的紅外微波多鑒探測器，具有反遮掩專利技術(shù)，安裝高度最高從2.7～8.6m，探測角度360°，探測范圍可達(dá)直徑為18m，3個可獨立調(diào)節(jié)的被動紅外通道，適應(yīng)不同用探測范圍需求。3個三色指示燈分別指示各方向的探測情況，可根據(jù)環(huán)境因素自動調(diào)節(jié)和判定門限［7］。完全可以滿足一般高層商業(yè)及住宅樓的安裝要求。

3 結(jié) 論

文中通過梯群控制系統(tǒng)控制策略的分析，提出一種在ARM平臺上實現(xiàn)，并基于模糊控制理論的多部電梯同時運行的群控策略，控制模式較傳統(tǒng)控制系統(tǒng)有了很大改進(jìn)。通過對梯群進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和交通模式的識別，利用ETA算法作出最佳派梯選擇，同時較傳統(tǒng)系統(tǒng)有了更為人性化智能化的紅外探測功能，可以根據(jù)紅外探測信號減少不必要的停層，以保證電梯的高效運行，縮短用戶待梯時間，提升電梯服務(wù)質(zhì)量，滿足系統(tǒng)要求，特別適用于如今日益增加的高層及超高建筑梯群控制系統(tǒng)。對于已安裝完成的可編程梯群控制系統(tǒng)，可以直接將控制策略用于原系統(tǒng)，以減少工程改造規(guī)模。

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