申輝陽(yáng)，楊向宇

（1.廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，廣東 廣州510515；2.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州510640）

高層建筑離不開群控電梯系統(tǒng)。由于電梯群控系統(tǒng)的多目標(biāo)性、不確定性、非線性、擾動(dòng)性、信息的不完備性等特點(diǎn)，使得控制難度大［1］。目前，對(duì)電梯群控方面引入了專家系統(tǒng)、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法控制、目的層預(yù)約控制等智能控制理論［2－4］，但這些理論實(shí)現(xiàn)起來復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度大。

本文提出了一種建立在以層為基礎(chǔ)的電梯運(yùn)行的動(dòng)態(tài)二進(jìn)制數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，通過呼叫識(shí)別與屏蔽，實(shí)現(xiàn)各類特殊要求的電梯群控，本文首次提出了利用呼叫識(shí)別及呼叫屏蔽來實(shí)現(xiàn)電梯群控系統(tǒng)的直接響應(yīng)模式、滿員響應(yīng)模式、短程快速響應(yīng)模式、高峰快線調(diào)度模式等控制方法，且很容易綜合到一個(gè)系統(tǒng)中。采用呼叫識(shí)別與屏蔽的控制策略易于實(shí)現(xiàn)高性能的電梯群控，且通用性非常好，編程簡(jiǎn)單，對(duì)硬件的要求不高，實(shí)用性強(qiáng)。

1 數(shù)學(xué)模型

電梯所處的層和所有的呼叫是動(dòng)態(tài)的和隨機(jī)的，分別將所有的呼叫和各電梯所處的層按照樓層順序分別組成二進(jìn)制數(shù)，有信號(hào)的層為“1”，無信號(hào)的層為“0”，這樣就把呼叫和樓層的狀態(tài)以數(shù)據(jù)的形式保存起來，且數(shù)據(jù)自動(dòng)跟隨呼叫和樓層狀態(tài)的改變而改變。以8層3電梯群為例，假如電梯某時(shí)刻的狀態(tài)如表1所示，1號(hào)電梯處在6樓，則1號(hào)電梯所處樓層組成8位二進(jìn)制數(shù)“00100000”；1號(hào)電梯的第4，5，7層有內(nèi)呼叫，則1號(hào)電梯內(nèi)呼叫組成8位二進(jìn)制數(shù)“01011000”；第1，4，6，7層有外上呼叫，則外上呼叫8位二進(jìn)制數(shù)“01101001”。其余以此類推［5］。

表1 電梯群控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型Tab.1 Elevator group control system mathematical model

如果樓層高于8層而不超過16層，可以采用16位模式，各狀態(tài)組成16位二進(jìn)制數(shù)。

如果樓層太高，則按照樓層順序組成一個(gè)二進(jìn)制數(shù)位數(shù)太高不便于計(jì)算與處理，為此對(duì)高層電梯采用位與字相結(jié)合的處理方式，如果用16位模式采用位字結(jié)合方式建?？梢蕴幚砀哌_(dá)256層系統(tǒng)［6］。這樣就可以得到高層電梯群控系統(tǒng)的二進(jìn)制數(shù)學(xué)模型。

2 呼叫識(shí)別

內(nèi)呼叫、外上呼叫和外下呼叫的區(qū)分是靠呼叫按鈕區(qū)分，通過呼叫的登記與消除將不同的呼叫類型保存在不同的數(shù)據(jù)寄存器里，如表1所示。為了便于控制，需進(jìn)一步將電梯的各種呼叫區(qū)分是本層呼叫、上層呼叫還是下層呼叫，共9種呼叫狀態(tài)，電梯的各種呼叫狀態(tài)歸類如表2所示。

表2 電梯的各種呼叫狀態(tài)Tab.2 The different calling states of elevators

電梯群中每臺(tái)電梯的呼叫狀態(tài)都需要區(qū)分。利用前面的數(shù)學(xué)模型，將電梯的各種呼叫狀態(tài)與電梯當(dāng)前所處的樓層進(jìn)行比較運(yùn)算，可識(shí)別出電梯的各種呼叫狀態(tài)。如要識(shí)別1號(hào)電梯是否有本層內(nèi)呼叫，只要將1號(hào)電梯所處的樓層組成的二進(jìn)制數(shù)與1號(hào)電梯內(nèi)呼叫組成的二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行邏輯“與”運(yùn)算，再判斷結(jié)果是否為“0”，如果結(jié)果為“0”表示無本層內(nèi)呼叫，結(jié)果不為“0”表示有本層內(nèi)呼叫。各類呼叫的具體識(shí)別方法參考文獻(xiàn)［5］，對(duì)于高層電梯，采用字位結(jié)合方式，呼叫的具體識(shí)別方法參考文獻(xiàn)［6］。

呼叫狀態(tài)是動(dòng)態(tài)隨機(jī)的，如電梯處在2樓時(shí)，3樓的呼叫是上呼叫，當(dāng)電梯運(yùn)行到3樓后，3樓的呼叫就變成了本層呼叫，呼叫識(shí)別不需考慮動(dòng)態(tài)過程，而識(shí)別結(jié)果卻能動(dòng)態(tài)反應(yīng)其變化。

3 直接響應(yīng)模式

3.1 定向控制

運(yùn)行方向狀態(tài)的確定就是運(yùn)行定向。將定向分為3種狀態(tài)：上行、下行、暫停。任何時(shí)刻，定向的3種狀態(tài)只能處于其中的一種。

電梯有上層呼叫就置上行狀態(tài)，一旦進(jìn)入上行狀態(tài)后，電梯一直處于上行狀態(tài)，直到?jīng)]有上層呼叫為止；電梯有下層呼叫就置下行狀態(tài)，一旦進(jìn)入下行狀態(tài)后，電梯一直處于下行狀態(tài)，直到?jīng)]有下層呼叫為止。

上行的條件是有本層上呼或上層呼叫，具體為：有本層內(nèi)呼、本層外上呼、上層內(nèi)呼、上層外上呼、上層外下呼5種呼叫中的任意一種即可。下行的條件是有本層下呼或下層呼叫，具體為：有本層內(nèi)呼、本層外下呼、下層內(nèi)呼、下層外下呼、下層外上呼5種呼叫中的任意一種即可。根據(jù)前面的呼叫識(shí)別，各種呼叫狀態(tài)容易得出，利用呼叫識(shí)別的結(jié)果，電梯的定向控制易于實(shí)現(xiàn)。定向控制流程圖如圖1所示。

圖1 定向控制流程圖Fig.1 Orientation control flow diagram

3.2 升降與停層控制

電梯響應(yīng)呼叫后轎車停層（平層）讓人進(jìn)出，當(dāng)關(guān)好門后再次上升與下降去響應(yīng)其他呼叫的過程就是電梯升降，將升降分為3種狀態(tài)：上升、下降、停層。任何時(shí)刻，升降的3種狀態(tài)只能處于其中的一種。

電梯在上行狀態(tài)中，只要關(guān)好門后就上升，上升過程中，只要有本層內(nèi)呼叫或本層外上呼叫就停層，然后開關(guān)門處理，并消除本層內(nèi)呼叫和本層外上呼叫，關(guān)好門后，如果還是上行狀態(tài)就繼續(xù)上升。

電梯在下行狀態(tài)中，只要關(guān)好門后就下降，下降過程中，只要有本層內(nèi)呼叫或本層外下呼叫就停層，然后開關(guān)門處理，并消除本層的內(nèi)呼叫和本層外下呼叫，關(guān)好門后，如果還是下行狀態(tài)就繼續(xù)下降。

通過定向控制已經(jīng)判斷出電梯是上行、下行還是停層狀態(tài)。根據(jù)前面的呼叫識(shí)別能得出是否有本層上呼叫（本層內(nèi)呼叫和本層外上呼叫）以及是否有本層下呼叫（本層的內(nèi)呼叫和本層外下呼叫），這樣很容易控制電梯的升降與停層。升降與停層控制流程圖如圖2所示。注意停層時(shí)，只有轎車真正平層后才能停下來。

圖2 升降與停層控制流程圖Fig.2 Lift and stop layer control flow diagram

3.3 直接響應(yīng)模式控制策略

將電梯群控系統(tǒng)中的各臺(tái)電梯當(dāng)作獨(dú)立的單臺(tái)電梯控制系統(tǒng)采用上述的方法進(jìn)行定向控制、停層與升降控制，就能實(shí)現(xiàn)直接響應(yīng)模式的電梯群控策略。

外呼叫（外上呼叫和外下呼叫）是群控系統(tǒng)中各電梯公用的，各電梯都給予響應(yīng)，但當(dāng)任意一臺(tái)電梯響應(yīng)某外呼叫后，就立即將該呼叫消除，也就是各層外呼叫登記后，任意一臺(tái)電梯響應(yīng)某外呼叫后就消除該外呼叫登記。外呼叫是公用的，任意一臺(tái)電梯響應(yīng)某外呼叫并消除該外呼叫登記后，對(duì)于群控組中其他電梯，就等于沒有該呼叫了，所以就不會(huì)重復(fù)響應(yīng)。這樣電梯群控系統(tǒng)的控制和單臺(tái)電梯系統(tǒng)的控制幾乎沒有區(qū)別。

4 滿員響應(yīng)模式

當(dāng)某電梯滿員后，如果仍然響應(yīng)外呼叫，電梯會(huì)停層，但又不能接人，這樣就嚴(yán)重影響了系統(tǒng)響應(yīng)速度。滿員響應(yīng)模式就是為解決這個(gè)問題的。

電梯滿員時(shí)，上行過程中屏蔽外上呼叫，用屏蔽后虛擬外上呼叫替代實(shí)際外上呼叫進(jìn)行呼叫識(shí)別，下行過程中屏蔽外下呼叫，用屏蔽后虛擬外下呼叫替代實(shí)際外下呼叫進(jìn)行呼叫識(shí)別，屏蔽后，虛擬外上呼叫和虛擬外下呼叫的全用“0”替代，如表3所示。用替代后的呼叫進(jìn)行呼叫識(shí)別，再采用直接響應(yīng)模式控制方法進(jìn)行控制，即可實(shí)現(xiàn)定向控制、升降與停層控制。滿員響應(yīng)模式呼叫識(shí)別流程圖如圖3所示。

表3 滿員響應(yīng)模式某時(shí)刻的狀態(tài)Tab.3 Full load response model at some point

圖3 滿員響應(yīng)模式控制流程框圖Fig.3 Full load response mode control flow block diagram

通過對(duì)外呼叫的屏蔽，保證滿員時(shí)，即使有外呼叫也不會(huì)給予響應(yīng)，但是內(nèi)呼叫沒有屏蔽，還會(huì)響應(yīng)，這樣，滿員后電梯只響應(yīng)內(nèi)呼叫，而忽略外呼叫，也就是只能出不能進(jìn)，當(dāng)有人出電梯后，自動(dòng)解除了滿員，這時(shí)，呼叫識(shí)別時(shí)用實(shí)際的外呼叫信號(hào)，也就解除了滿員響應(yīng)模式。

只有滿員的電梯才進(jìn)入滿員響應(yīng)模式，其他非滿員的電梯仍可以響應(yīng)滿員模式不響應(yīng)的外呼叫。電梯群控系統(tǒng)的滿員響應(yīng)模式的呼叫識(shí)別控制方法、升降與停層的控制方法與直接響應(yīng)模式的電梯群控系統(tǒng)的控制方法完全相同。

5 短程快速響應(yīng)模式

如果電梯群控系統(tǒng)中多臺(tái)電梯處于上升狀態(tài)，采用直接響應(yīng)模式策略時(shí)，所有的外呼叫對(duì)各電梯都是有效的呼叫信號(hào)。如果下層電梯沒有內(nèi)呼，最上層電梯上面還有外呼叫，這些呼叫對(duì)下層還是有效的，所以下層電梯也會(huì)給予響應(yīng)，但這些呼叫可能被上層電梯優(yōu)先響應(yīng)，這樣會(huì)導(dǎo)致下層電梯空跑，浪費(fèi)能源，同時(shí)也會(huì)加長(zhǎng)低層人的等待時(shí)間，從而降低了系統(tǒng)的性能。如果上層的電梯去響應(yīng)上層外呼叫，下層電梯就不去響應(yīng)高層外呼叫，當(dāng)沒有內(nèi)呼叫時(shí)就轉(zhuǎn)換為下行，去響應(yīng)下層呼叫；同樣，在下行狀態(tài)也類似處理，這樣群控系統(tǒng)中就會(huì)有電梯不會(huì)全程響應(yīng)外呼叫，自動(dòng)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)入到短程模式，這就是短程快速響應(yīng)模式。

滿員響應(yīng)模式的控制，采用屏蔽外呼叫就可實(shí)現(xiàn)，如果屏蔽部分外呼叫可以實(shí)現(xiàn)短程快速響應(yīng)模式的控制，關(guān)鍵就是如何屏蔽部分呼叫。

在群控系統(tǒng)中，將同時(shí)處于上行狀態(tài)或同時(shí)處于下行狀態(tài)中的電梯可進(jìn)入短程快速響應(yīng)模式。假如在某時(shí)刻，群控系統(tǒng)的各電梯呼叫如表4所示，如果3臺(tái)電梯都處于上行狀態(tài)，根據(jù)電梯所處的樓層來屏蔽部分外上呼叫，得到虛擬外上呼叫信號(hào)，如表4所示，“×”表示被屏蔽的位。同樣，處于下行狀態(tài)的電梯屏蔽部分外下呼叫得到虛擬外下呼叫信號(hào)。用虛擬外呼叫信號(hào)（被屏蔽的位用0處理）替代實(shí)際外呼叫信號(hào)進(jìn)行呼叫識(shí)別，利用呼叫識(shí)別的結(jié)果再進(jìn)行直接響應(yīng)模式的控制方法進(jìn)行控制就可實(shí)現(xiàn)電梯群控系統(tǒng)的短程快速響應(yīng)模式控制。短程快速響應(yīng)模式呼叫識(shí)別流程圖如圖4所示。

表4 短程快速響應(yīng)模式某時(shí)刻的呼叫狀態(tài)Tab.4 The call states of short－range fast response at some point

圖4 短程快速響應(yīng)模式控制流程框圖Fig.4 Short－range fast response mode control flow diagram

將所有處于上行狀態(tài)中的電梯所處的樓層進(jìn)行比較，按照大小排序，分別屏蔽電梯所處的樓層以上的外上呼叫，得到虛擬外上呼叫。最高層電梯的虛擬外上呼叫就是實(shí)際的外上呼叫，次高層電梯的虛擬外上呼叫就是將實(shí)際外上呼叫的最高層電梯所處層以上的呼叫屏蔽，也就是屏蔽最高層電梯所處位的外上呼叫所有高位。遇到不同電梯所處的樓層相等時(shí)，把它們當(dāng)成不相等處理，認(rèn)為一個(gè)大于另一個(gè)，最好把內(nèi)呼數(shù)大的作為大數(shù)。以此類推，最低層電梯的虛擬外上呼叫就是將實(shí)際外上呼叫的次低層電梯所處層以上的呼叫屏蔽，也就是屏蔽次低層電梯所處位的外上呼叫所有高位。類似處理即可得到處于下行狀態(tài)的電梯的虛擬外下呼叫。屏蔽上層的具體計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)［5］。

6 高峰快線調(diào)度模式

酒店賓館等場(chǎng)所的會(huì)議室被使用的時(shí)候，人員集中且流量大，并且時(shí)間也集中，出現(xiàn)高峰，造成電梯輸送能力嚴(yán)重不夠。為了緩解這種情況，當(dāng)遇到人員大量集中時(shí)，在電梯群中抽出1至2臺(tái)電梯專門服務(wù)于集中的人群，當(dāng)處理得差不多時(shí)，重新回到正常情況，這就是高峰快線調(diào)度模式。例如，6樓有會(huì)議室，餐廳在2樓，當(dāng)會(huì)議結(jié)束后到餐廳就餐，會(huì)出現(xiàn)高峰情況。為了緩解高峰壓力，抽出1至2臺(tái)電梯服務(wù)于2樓至6樓之間，這樣可以提高電梯系統(tǒng)的運(yùn)輸能力。

假如在某時(shí)刻，將群控系統(tǒng)的1號(hào)電梯切換到高峰快線調(diào)度模式，1號(hào)電梯的呼叫狀態(tài)見表5，如果高峰快線在2樓和6樓之間，采用邏輯運(yùn)算與處理，用高峰段數(shù)據(jù)（見表5）去屏蔽實(shí)際呼叫得到虛擬呼叫如表5所示，用虛擬呼叫作為呼叫識(shí)別的參數(shù)進(jìn)行呼叫識(shí)別，利用識(shí)別的結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)高峰快線調(diào)度模式的控制。注意：必須等電梯進(jìn)入高峰段之后才能進(jìn)入高峰快線調(diào)度模式。進(jìn)入高峰快線模式的電梯將從群控系統(tǒng)中獨(dú)立出來，高峰快線調(diào)度模式呼叫識(shí)別流程圖如圖5所示。

表5 高峰快線調(diào)度模式某時(shí)刻的呼叫狀態(tài)Tab.5 The call states of peak express scheduling mode at some point

圖5 高峰快線調(diào)度模式控制流程框圖Fig.5 Peak express scheduling mode control flow diagram

根據(jù)實(shí)際情況，通過改變高峰段數(shù)據(jù)，比如只將2樓和6樓的數(shù)據(jù)位設(shè)為“1”，其余位全為“0”，就可實(shí)現(xiàn)專線直達(dá)模式。

高峰快線模式最好進(jìn)行預(yù)約，根據(jù)服務(wù)臺(tái)提供的客戶信息以及樓層視頻監(jiān)視系統(tǒng)監(jiān)視到的人流情況，在控制中心通過上位監(jiān)控系統(tǒng)，將群控系統(tǒng)中部分電梯設(shè)置為高峰快線模式。為了讓乘客明確電梯處在高峰快線模式，必須在每個(gè)電梯門道處安裝電子顯示屏，提示乘客該電梯只停哪些層，避免乘錯(cuò)電梯。高峰快線調(diào)度模式的取消可以在控制中心人為取消或自動(dòng)檢測(cè)高峰段之間的呼叫情況，發(fā)現(xiàn)呼叫明顯減少就自動(dòng)取消高峰快線模式。

7 結(jié)論

利用電梯以層為基礎(chǔ)的二進(jìn)制數(shù)學(xué)模型，對(duì)于高層系統(tǒng)采用字位結(jié)合形式，只要用簡(jiǎn)單的邏輯運(yùn)算與處理，就能動(dòng)態(tài)識(shí)別出各種呼叫狀態(tài)，在特定情況下，對(duì)部分呼叫進(jìn)行屏蔽，得到虛擬呼叫狀態(tài)，利用這些呼叫狀態(tài)作為電梯定向和升降控制，成功的將動(dòng)態(tài)過程簡(jiǎn)化為靜態(tài)處理，實(shí)現(xiàn)單個(gè)電梯及群控電梯系統(tǒng)的基本控制。

在呼叫識(shí)別前，對(duì)部分呼叫進(jìn)行屏蔽，用虛擬的呼叫作為呼叫識(shí)別的參數(shù)，就能靈活實(shí)現(xiàn)各類特殊要求的電梯群控，本文首次采用這種方式實(shí)現(xiàn)了群控電梯的直接響應(yīng)模式、滿員響應(yīng)模式、短程快速響應(yīng)模式、高峰快線調(diào)度模式及其它特殊控制要求，通過對(duì)虛擬呼叫的進(jìn)一步處理，可以簡(jiǎn)單地將這些特殊的控制模式融合一個(gè)綜合的電梯控制系統(tǒng)中，從而大大提高系統(tǒng)的性能。

采用呼叫識(shí)別與屏蔽的控制策略易于實(shí)現(xiàn)高性能的電梯群控，且通用性非常好，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，有很好的實(shí)用價(jià)值。

［1］Barney G C.Elevator Traffic Handbook：Theory and Practice［M］.New York：Spon Press，2003.

［2］Crites R H，Barto A G.Elevator Group Control Using Multiple Reinforcement Learning Agents［J］.Machine Learning，1998，33（2）：235－262.

［3］Cortes P，Larraneta J，Onieva L.A Genetic Algorithm for Controlling Elevator Group Systems［C］∥Lecture Notes in Computer Science（LNCS 2687）.Berlin：Springer－Verlag，2003：313－320.

［4］Bi Xiaoliang，Zhu Changming，Ye Qingtai.A GA－based Approach to the Multi－objective Optimization Problem in Elevator Group Control System［J］.Elevator World，2004，52（6）：58－59，61－63.

［5］申輝陽(yáng).電梯系統(tǒng)的一種建模與控制策略［J］.應(yīng)用科技，2008，35（7）：20－23.

［6］申輝陽(yáng)，鄧維克.基于呼叫識(shí)別的高層電梯控制策略［J］.電氣傳動(dòng)，2009，39（11）：52－55.