陳玉仙,羅三定
(1.長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 長沙 410124;2.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長沙 410083)
電梯調(diào)度問題是一類典型的NP 完全問題。由于電梯運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性和各部電梯相互之間運(yùn)行規(guī)則的耦合性,使得獲取最優(yōu)的調(diào)度方案變得非常困難[1,2.。一般而言,電梯調(diào)度算法所遵循的方案中包括了“先到先服務(wù)”和“不達(dá)最終目的層不換向”等主要原則。這些原則的制定在一定意義上簡化了電梯調(diào)度的算法。然而,隨著高層建筑數(shù)量的增加,人們的出行對(duì)電梯的依賴性也逐漸增大,常規(guī)的電梯調(diào)度算法開始變得不適應(yīng)突增的客流需求。同時(shí),隨著樓宇自動(dòng)化技術(shù)的不斷完善,各種信號(hào)檢測技術(shù)為發(fā)展電梯調(diào)度算法提供了技術(shù)保障。在這個(gè)意義上,新的電梯調(diào)度規(guī)則更注重于從全局意義上去協(xié)調(diào)電梯運(yùn)行決策,盡可能充分利用電梯運(yùn)載能力來滿足乘客出行的整體要求[3~5]。
一般而言,由于缺乏良好的信息融合技術(shù),傳統(tǒng)的電梯調(diào)度中存在如下問題:
(1)調(diào)度系統(tǒng)未能敏捷地反映客流信息的變化。電梯可能出現(xiàn)滿載情況,在這種情況下當(dāng)電梯經(jīng)過某一外呼樓層時(shí),若不存在對(duì)應(yīng)于該樓層的內(nèi)呼信號(hào),電梯不應(yīng)停留。但是,在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中,電梯常常開門候客,從而降低了乘梯效率。
(2)多部電梯之間未能準(zhǔn)確配合。當(dāng)某一樓層存在外呼信號(hào)時(shí),可能出現(xiàn)多部電梯同時(shí)響應(yīng)的情況,這時(shí)先到的電梯已將乘客運(yùn)輸完畢。由于外呼信號(hào)有時(shí)并沒能及時(shí)解除,可能另一部電梯也會(huì)在此樓層停留,出現(xiàn)了不必要的啟停情況。
(3)電梯運(yùn)行未能顧及客流整體趨勢的變化。由于乘客達(dá)到電梯服務(wù)區(qū)時(shí)間的隨機(jī)性,可能導(dǎo)致在一個(gè)時(shí)刻進(jìn)入轎廂的人數(shù)較小,而當(dāng)電梯啟動(dòng)時(shí),客流量又出現(xiàn)猛增。這時(shí)電梯如果仍按原計(jì)劃運(yùn)行將導(dǎo)致平均候梯時(shí)間的急劇上升,電梯服務(wù)效率下降。
我們注意到,上述諸種情況出現(xiàn)的原因大多是因?yàn)檎{(diào)度算法無法敏捷地反映客流情況的變化。隨著乘梯信息采集技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,為電梯決策系統(tǒng)提供了較為準(zhǔn)確的客流形勢判斷。同時(shí),硬件技術(shù)的進(jìn)步為本文所提出的算法提供了良好的技術(shù)保障[6~9]。
為了詳細(xì)闡述文中所提出的算法,本節(jié)對(duì)單部電梯的控制規(guī)則進(jìn)行舉例說明,由此可以推廣到多部電梯。本文將平均候梯時(shí)間(AWT)和平均乘梯時(shí)間(ART)兩個(gè)性能指標(biāo)作為主要優(yōu)化的指標(biāo),將它們的加權(quán)平均函數(shù)作為代價(jià)函數(shù),建立數(shù)學(xué)模型,并根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來計(jì)算代價(jià)函數(shù)的變化量,進(jìn)而根據(jù)計(jì)算結(jié)果,判斷電梯的運(yùn)行情況。從以下的分析可以看出:本文所提出的調(diào)度算法有效地顧及了客流信息的全局變化。例如,對(duì)第1節(jié)所提出的第三種問題,可以通過適度地延長電梯停留時(shí)間,改變電梯的調(diào)度策略就能夠改進(jìn)服務(wù)質(zhì)量。
為了盡量減小派梯的滯后性對(duì)綜合性能指標(biāo)的影響,本算法采用時(shí)變的采樣周期,即本采樣周期與電梯所處的位置相關(guān),當(dāng)電梯位于兩樓層的中間(即中間層)時(shí)系統(tǒng)要判斷電梯運(yùn)行到下一整數(shù)層是否停,如果停,則電梯要在適當(dāng)位置開始減速;否則,電梯繼續(xù)勻速運(yùn)行。當(dāng)電梯到達(dá)整數(shù)層停下來時(shí),系統(tǒng)會(huì)根據(jù)此刻的所有信息判斷電梯的運(yùn)動(dòng)方向。由此思想建立的電梯停止代價(jià)函數(shù)計(jì)算式如式(1)所示。設(shè)電梯當(dāng)前所處樓層為f 層,大樓總共高N 層。
各變量說明如下:
C0:電梯停時(shí)的代價(jià)函數(shù)(0表示電梯靜止);λi:權(quán)系數(shù)。λ1:乘客候梯時(shí)間的權(quán)系數(shù);λ2:乘客乘梯時(shí)間的權(quán)系數(shù);T(r):電梯運(yùn)行時(shí)第r個(gè)采樣周期;spi,j:從i層到j(luò) 層的呼梯請(qǐng)求人數(shù);p(i):轎廂中到i層的乘客數(shù)。
一部電梯靜止時(shí)的代價(jià)函數(shù)綜合考慮了候梯時(shí)間和乘梯時(shí)間兩個(gè)性能指標(biāo),根據(jù)實(shí)際物理意義知:C0≥0,當(dāng)C0=0時(shí),說明此時(shí)既沒有轎廂外的呼梯請(qǐng)求,轎廂中也沒有乘客。據(jù)此,電梯上行及下行時(shí)的代價(jià)函數(shù)如式(2)~式(3)所示:
其中,C1為電梯上行時(shí)的代價(jià)函數(shù)(1表示電梯向上運(yùn)行);C-1為電梯下行時(shí)的代價(jià)函數(shù)(-1表示電梯向下運(yùn)行);tfup為電梯??吭趂層時(shí),f層向上的乘客進(jìn)入轎廂所需時(shí)間。其計(jì)算公式如式(4)所示:
其中,T3為每個(gè)乘客進(jìn)、出轎廂所需時(shí)間。
tfdown為電梯??吭趂 層時(shí),f 層向下的乘客進(jìn)入轎廂所需的時(shí)間。其計(jì)算公式如式(5)所示。
T1為電梯從n層上行到(n+1)層?;驈膎層下行至(n-1)層停所需的時(shí)間;T2為轎廂的開關(guān)門時(shí)間總和,即開門時(shí)間為T2/2,關(guān)門時(shí)間為T2/2。
ω(ω>1)表示乘客未到達(dá)目的層,而電梯返向時(shí)轎廂中乘客的心理影響因子。
當(dāng)有乘客在轎廂中已被返向一次后,如果即將發(fā)生第二次被返向時(shí),ω→∞。即:每個(gè)乘客在一次乘梯過程中最多只發(fā)生一次返向現(xiàn)象。
單部電梯調(diào)度算法的程序流程圖如圖1所示。當(dāng)電梯位于中間層時(shí),根據(jù)采樣得到的相關(guān)信息,進(jìn)行下一個(gè)整數(shù)層電梯是否??康呐袛啵划?dāng)電梯停于整數(shù)層時(shí),再一次進(jìn)行采樣,對(duì)電梯的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(上行、下行或停止)做出判斷。當(dāng)所有請(qǐng)求均響應(yīng)完畢后,電梯??吭趯?duì)應(yīng)樓層,等待后續(xù)的呼梯請(qǐng)求。
Figure 1 Flowchart of scheduling algorithm for one elevator圖1 單部電梯調(diào)度算法流程圖
電梯位于中間層時(shí)的判斷過程對(duì)應(yīng)的程序流程圖如圖2 所示。在圖2 中,當(dāng)電梯位于中間層時(shí),首先判斷轎廂中是否有乘客到達(dá)下一整數(shù)層,如果有,則電梯在下一整數(shù)層停靠(在適當(dāng)位置電梯將開始減速,直至到下一整數(shù)層時(shí)速度減為0);如果沒有,那么電梯將檢測轎廂是否滿載,如果滿載,則不停;如果未滿載,則將此時(shí)的所有信息代入電梯上、下行的代價(jià)函數(shù)表達(dá)式中進(jìn)行計(jì)算,如果計(jì)算結(jié)果中,代價(jià)函數(shù)變化量較小的值對(duì)應(yīng)的運(yùn)行方向與電梯當(dāng)前運(yùn)行方向一致,則電梯在下一整數(shù)層不停靠;否則,電梯將??吭谙乱徽麛?shù)層。這樣,電梯位于中間層的判斷過程結(jié)束。
Figure 2 Flowchart of decision program for elevator in middle floor圖2 電梯位于中間層時(shí)的判斷過程程序流程圖
電梯??坑谡麛?shù)層后,系統(tǒng)根據(jù)此時(shí)的采樣數(shù)據(jù)判斷電梯下一時(shí)刻的運(yùn)行狀態(tài),其判斷過程的程序流程圖如圖3所示。在圖3中,電梯在整數(shù)層??亢螅绻蓸拥酱藭r(shí)所有響應(yīng)均已響應(yīng)完畢,則電梯停止在當(dāng)前層;如果采樣到仍有請(qǐng)求未完成響應(yīng),則需計(jì)算上、下行代價(jià)函數(shù),如果上行代價(jià)函數(shù)小于下行代價(jià)函數(shù),則電梯向上運(yùn)行;否則,電梯向下運(yùn)行。
Figure 3 Flowchart of decision program for elevator in integer floor圖3 電梯位于整數(shù)層時(shí)下一時(shí)刻運(yùn)行狀態(tài)判斷過程的程序流程圖
“先到先服務(wù)”是調(diào)度算法中一種最常用的規(guī)則。它通過對(duì)對(duì)象到達(dá)目的地的先后次序進(jìn)行排隊(duì),根據(jù)排隊(duì)結(jié)果對(duì)處于隊(duì)列位置靠前的對(duì)象進(jìn)行優(yōu)先服務(wù)。一般而言,除非有特定的情形出現(xiàn),對(duì)象到達(dá)服務(wù)點(diǎn)的時(shí)間越早,所享受服務(wù)的優(yōu)先權(quán)也就越高。對(duì)于電梯調(diào)度而言,“先到先服務(wù)”是指對(duì)所產(chǎn)生呼梯請(qǐng)求的先后時(shí)刻進(jìn)行排序,系統(tǒng)將優(yōu)化響應(yīng)那些產(chǎn)生時(shí)刻較早的呼梯請(qǐng)求。這種調(diào)度規(guī)則相對(duì)而言較為簡明、實(shí)施方便,但缺乏對(duì)系統(tǒng)所有信息的綜合考慮。該規(guī)則對(duì)局部范圍的系統(tǒng)優(yōu)化有一定作用,但當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模較大時(shí)其優(yōu)化性能將顯著降低[10~12]。
本課題在程序流程圖1~圖3的基礎(chǔ)上,以電梯停止、上行、下行的代價(jià)函數(shù)為判斷依據(jù),以平均候梯時(shí)間(AWT)、平均乘梯時(shí)間(ART)、電梯啟停次數(shù)(RNC)和長時(shí)間候梯率(LWP)作為性能指標(biāo),編寫計(jì)算機(jī)程序?qū)Ρ疚奶岢龅乃惴ㄟM(jìn)行仿真驗(yàn)證。其中,電梯樓層設(shè)為10層,隨機(jī)產(chǎn)生各樓層進(jìn)出電梯人數(shù)及呼叫信號(hào)。相關(guān)仿真參數(shù)如下:
電梯的額定速度v為1.5m/s,電梯的加、減速度a 為0.7m/s2,電梯的開、關(guān)門時(shí)間T2為4s,(每個(gè))乘客出、入轎廂的時(shí)間T3為1.2s,標(biāo)準(zhǔn)樓層層距L 為3.30m,轎廂核定載客人數(shù)P核為15人。
為了較為客觀地研究本文所提算法的性能,避免個(gè)別參數(shù)數(shù)值大小對(duì)電梯性能產(chǎn)生干擾,課題組通過多次仿真研究,分析電梯性能改善的統(tǒng)計(jì)特性。
下面以一個(gè)實(shí)例說明本文所提算法的優(yōu)勢。
設(shè)當(dāng)電梯??坑? 樓時(shí),9 樓出現(xiàn)了10 人下到1樓的請(qǐng)求,0.5 秒后10 樓出現(xiàn)了2 人下到1樓的請(qǐng)求,此后5分鐘內(nèi)沒有其它的請(qǐng)求。
所以,轎廂從n 層上行到n+1層(或從n+1層下行到n 層)停時(shí)所需時(shí)間為:T1=t1+t2+t3=15/7+4/75+15/7=4.34 s。
設(shè)電梯從n層上行到n+m 層(或從n+m 層下行到n 層)停,中間沒有停站時(shí)所需時(shí)間為:t4=4.34+([(n+m)-n-1]l)/v=4.34+(m-1)×3.30/1.5s。
按照先到先服務(wù)的調(diào)度算法,電梯的調(diào)度過程如圖4~圖6所示。在圖4 中,左側(cè)為電梯轎廂,中間分別用上行和下行兩列數(shù)字來表示各樓層候梯乘客呼梯請(qǐng)求方向,某一層無呼梯請(qǐng)求時(shí),將顯示0;有呼梯請(qǐng)求時(shí)將顯示發(fā)出請(qǐng)求的乘客數(shù),候梯乘客數(shù)旁的圓圈的半徑與候梯乘客數(shù)成正比。右側(cè)為各樓層乘客的目的樓層按鍵,乘客每按下一次按鍵,系統(tǒng)將記錄一個(gè)呼梯乘客。當(dāng)呼梯乘客進(jìn)入轎廂后,對(duì)應(yīng)的呼梯請(qǐng)求將被清零。圖4中顯示電梯位于8樓,轎廂內(nèi)無乘客,9樓有10人請(qǐng)求向下到1樓,10樓有2人請(qǐng)求下到1樓。
Figure 4 Sketch map for elevator in the 8th floor圖4 電梯位于8樓時(shí)示意圖
圖5顯示電梯到達(dá)9 樓后停下,10個(gè)乘客進(jìn)入轎廂。
Figure 5 Sketch map for elevator in the 9th floor圖5 電梯位于9樓時(shí)的示意圖
圖6顯示電梯載著9樓要下行的10個(gè)乘客向1樓運(yùn)行。
Figure 6 Sketch map for elevator running from the 9th floor to the 1st floor圖6 電梯從9樓向1樓運(yùn)行時(shí)的示意圖
從圖4~圖6可以看出,電梯響應(yīng)這些請(qǐng)求的運(yùn)行路徑為:
這個(gè)調(diào)度過程中的相關(guān)性能指標(biāo)計(jì)算如下。9樓10個(gè)乘客的總的候梯時(shí)間為:
9樓10個(gè)乘客的總的乘梯時(shí)間為:
10樓2個(gè)乘客的總的候梯時(shí)間為:
10樓2個(gè)乘客的總的乘梯時(shí)間為:
由此,可得到此次調(diào)度的平均候梯時(shí)間和平均乘梯時(shí)間分別為:
此次調(diào)度過程中電梯的啟停次數(shù)為4次。
因?yàn)?0樓2個(gè)乘客的候梯時(shí)間為83.92s,故此次調(diào)度過程的長候梯率為:
綜上,此次基于先到先服務(wù)規(guī)則的調(diào)度過程的性能指標(biāo)如下所示:平均候梯時(shí)間(AWT):30.94s,平均乘梯時(shí)間(ART):27.94s,啟停次數(shù)(RNC):4次,長時(shí)間候梯率(LWP):17%。
依據(jù)本文算法,電梯的調(diào)度過程如圖7和圖8所示。圖7顯示電梯經(jīng)過9樓直接到達(dá)10樓??亢螅?0樓向下的2個(gè)乘客進(jìn)入轎廂;圖8 顯示,電梯從10樓向下運(yùn)行到9樓??亢螅?樓向下的10個(gè)乘客全部進(jìn)入轎廂。此后,電梯將向1樓運(yùn)行。
Figure 7 Sketch map for elevator running from the 9th floor to the 10th floor圖7 電梯經(jīng)過9樓直接到達(dá)10樓的運(yùn)行示意圖
Figure 8 Sketch map for elevator running from the 10th floor to the 9th floor圖8 電梯從10樓下到9樓的運(yùn)行示意圖
由于該算法對(duì)電梯運(yùn)行過程實(shí)行分步優(yōu)化,能夠綜合考慮不同樓層之間的呼叫關(guān)聯(lián)。故此時(shí)的電梯的運(yùn)行路徑修正為:8樓-10樓-9樓-1樓。
計(jì)算此次調(diào)度過程中的性能指標(biāo)(此次計(jì)算過程同先到先服務(wù)算法中性能指標(biāo)的計(jì)算過程相同,這里不再贅述),結(jié)果如下:平均候梯時(shí)間(AWT):29.53s,平均乘梯時(shí)間(ART):29.93s,啟停次數(shù)(RNC):3次,長時(shí)間候梯率(LWP):0%。
針對(duì)此次呼梯請(qǐng)求,兩種不同的調(diào)度過程對(duì)應(yīng)的性能指標(biāo)如表1所示。
Table 1 Performance comparison between step-by-step scheduling algorithm and first-in,first-serving scheduling algorithm表1 分步調(diào)度算法與先到先服務(wù)調(diào)度算法的性能指標(biāo)對(duì)比
比較可以看出,本文提出的分步調(diào)度算法對(duì)電梯調(diào)度過程中的平均候梯時(shí)間(AWT)、長時(shí)間候梯率(LWP)及能量損耗(對(duì)應(yīng)啟停次數(shù)(RNC))三個(gè)方面的性能指標(biāo)均有所改善。由實(shí)例分析可得:本文算法與先到先服務(wù)算法相比平均候梯時(shí)間減小了4.56%,能量損耗減小了20%,完全避免了長時(shí)間候梯現(xiàn)象的發(fā)生。
電梯基本運(yùn)行參數(shù)與上一節(jié)一致?,F(xiàn)當(dāng)轎廂載有2個(gè)到10樓的乘客運(yùn)行至3.5層時(shí),采集到此時(shí)1樓有10個(gè)乘客向上呼梯至10樓。
根據(jù)不達(dá)最終目的層不換向調(diào)度算法的相關(guān)原理,電梯的調(diào)度過程如圖9~圖10 所示。圖9顯示轎廂中有2個(gè)乘客要上行至10樓,電梯正向上運(yùn)行至4樓,此時(shí)1樓出現(xiàn)了上行至10樓的10個(gè)呼梯請(qǐng)求;圖10顯示轎廂依然載著2個(gè)乘客向上運(yùn)行至10樓。此時(shí)電梯的運(yùn)行路徑為:3樓-10樓-1樓-10樓。
計(jì)算此次調(diào)度過程中的性能指標(biāo)(計(jì)算同先到先服務(wù)算法中性能指標(biāo)的計(jì)算,過程不再贅述),結(jié)果如下:平均候梯時(shí)間(AWT):50.68s,平均乘梯時(shí)間(ART):28.83s,啟停次數(shù)(RNC):3次,長時(shí)間候梯率(LWP):83.3%。
基于本文所提出的分步調(diào)度算法,結(jié)合引言中所提出的相關(guān)策略,電梯的運(yùn)行路徑更正為:3樓-4樓-1樓-10樓(仿真過程同3.1節(jié)中分步調(diào)度算法的仿真,此次不再贅述)。這種運(yùn)行策略通過犧牲少數(shù)人的乘梯時(shí)間換取了乘客整體乘梯效率的改善[13~15]。同理可計(jì)算出此次調(diào)度過程中的性能指標(biāo)數(shù)值如下:平均候梯時(shí)間(AWT):24.23s,平均乘梯時(shí)間(ART):36.59s,啟停次數(shù)(RNC):3次,長時(shí)間候梯率(LWP):0%。
Figure 9 Sketch map for elevator running between 3rdfloor and 4thfloor圖9 電梯運(yùn)行至3.5樓時(shí)的狀態(tài)示意圖
Figure 10 Sketch map for elevator running to the 10th floor圖10 電梯向10樓運(yùn)行的示意圖
針對(duì)此次呼梯請(qǐng)求,兩種不同的調(diào)度過程對(duì)應(yīng)的性能指標(biāo)如表2所示。
Table 2 Performance comparison between step-by-step scheduling algorithm and holding original running direction unless reaching final objective floor scheduling algorithm表2 分步調(diào)度算法與不達(dá)最終目的層不換向調(diào)度算法性能指標(biāo)對(duì)比
由表2可以看出,本文提出的分步調(diào)度算法對(duì)電梯調(diào)度過程中的平均候梯時(shí)間(AWT)、長時(shí)間候梯率(LWP)兩個(gè)方面的性能指標(biāo)有所改善。由實(shí)例分析可得,本文算法與不達(dá)最終目的層不換向的算法相比平均候梯時(shí)間減小了52.19%,并完全避免了長時(shí)間候梯現(xiàn)象的發(fā)生。
本文提出了一種基于數(shù)據(jù)融合的分步調(diào)度派梯方案。建立了電梯運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型并構(gòu)造了對(duì)應(yīng)的調(diào)度算法。分別與傳統(tǒng)的“先到先服務(wù)算法”和“不達(dá)最終目的層不換向算法”進(jìn)行了比較。仿真結(jié)果表明,本文所提出的調(diào)度算法的性能指標(biāo)較之傳統(tǒng)算法有了一定的改善,在一定程度上證實(shí)了本算法的優(yōu)越性。
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