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        電梯群控系統(tǒng)仿真平臺優(yōu)化設(shè)計

        2016-05-14 08:42:28劉小朋李付龍王立鵬
        軟件導刊 2016年7期
        關(guān)鍵詞:交通流電梯乘客

        劉小朋 李付龍 王立鵬

        摘要:針對國內(nèi)現(xiàn)有電梯群控系統(tǒng)仿真平臺信號輸入方式單一,不能產(chǎn)生穩(wěn)定、持續(xù)的交通流;模擬電梯運行僵硬,轎廂不能連續(xù)移動等問題,基于Visual C++6.0面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù),以DB2數(shù)據(jù)庫作為后臺,設(shè)計出一種優(yōu)化電梯群控系統(tǒng)仿真平臺。該平臺既能手動輸入呼梯信號,也能自動生成符合泊松分布的輸入信號。仿真運行輸出候梯時間和乘梯時間,結(jié)果表明,該優(yōu)化平臺轎廂能夠連續(xù)平滑運動,運行速度和方向一目了然,能更真實地模擬電梯的實際運行情況。求出平均候梯時間、平均乘梯時間和平均??看螖?shù),對電梯最小長候梯時間算法進行了驗證。

        關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:電梯;群控系統(tǒng);Visual C++6.0;泊松分布;多線程

        DOIDOI:10.11907/rjdk.161340

        中圖分類號:TP319文獻標識碼:A文章編號文章編號:16727800(2016)007011003

        0引言

        隨著高層建筑的日益增多,電梯成為人們?nèi)粘I畹闹匾煌üぞ摺6嗖侩娞菖渲迷谝黄饦?gòu)成電梯群,由電梯群控系統(tǒng)操作。算法是整個群控系統(tǒng)的核心,優(yōu)越的算法能減少乘客候梯時間、乘梯時間以及能耗等。因此,電梯群控算法仿真平臺的研究意義重大。

        國外電梯仿真軟件主要有Elevate,而且代碼不公開。國內(nèi)電梯設(shè)計較為簡陋,電梯動作較為僵硬,不便于觀察,不能較好還原現(xiàn)實情況,而且不能產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的交通流,仿真平臺不能長時間穩(wěn)定運行。

        Visual C++ 6.0是一個功能強大的可視化軟件開發(fā)工具,能夠制作交互式用戶圖形界面。DB2數(shù)據(jù)庫主要應(yīng)用于大型系統(tǒng),具有較好的可伸縮性,支持從大型機到單用戶環(huán)境。數(shù)據(jù)具可利用性、完整性、安全性、可恢復性及平臺無關(guān)性,以及小規(guī)模到大規(guī)模應(yīng)用程序的執(zhí)行能力。DB2數(shù)據(jù)庫可使用微軟的開放數(shù)據(jù)庫連接(ODBC)接口,任何應(yīng)用程序都可訪問。

        本設(shè)計以Visual C++6.0 為開發(fā)平臺,采用DB2作為電梯仿真平臺數(shù)據(jù)庫,利用多線程技術(shù), 根據(jù)電梯配置和電梯群控算法進行仿真,得到電梯的運行質(zhì)量參數(shù)并保存到DB2 數(shù)據(jù)庫中。 本設(shè)計穩(wěn)定性高,能連續(xù)隨機地產(chǎn)生各種電梯交通流,是高性能電梯群控系統(tǒng)仿真平臺。

        1仿真平臺介紹

        該平臺用Visual C++6.0軟件編寫,有交互式呼梯信號輸入按鈕,可由用戶自行輸入,或由系統(tǒng)自發(fā)產(chǎn)生連續(xù)的交通流信號。由于仿真平臺采用的是基于目的層的呼梯方法(即內(nèi)呼按鈕與外呼按鈕都在電梯外部),所以各乘客的起始層和目的層總是同時確定的。這種呼梯方法消除了由于乘客目的層的不確定性而帶來的困擾,使電梯控制更加快速、準確,同時也大大簡化了群控算法研究的難度。仿真平臺有4種交通模式:上行模式、下行模式、空閑模式和層間隨機模式,可根據(jù)需要選擇其中一種模式來運行。運行過程中能即時顯示各個乘客的序號、呼叫層、目的層以及為其服務(wù)的電梯編號等,較為人性化。

        2仿真平臺構(gòu)成

        電梯模型由4部分組成:交通流產(chǎn)生模塊、信號綜合處理模塊、電梯群控算法模塊和電梯運行模塊,如圖1所示,輸入信號和運行狀態(tài)都存入DB2數(shù)據(jù)庫。

        利用C++語言面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù),用類的封裝編寫了整個群控電梯系統(tǒng),構(gòu)造了電梯類(ElevatorA,ElevatorB和ElevatorC)、輸入信號類(Signal)以及轎廂類(Car)。其中電梯類是由VC++軟件中的滾動條控件制作而成。電梯轎廂由滾動條中的滑塊來代替,通過設(shè)置滑塊的位置來使“轎廂”運動起來。本設(shè)計中的電梯可連續(xù)平滑運動,便于觀察研究。運用多線程技術(shù)構(gòu)造了4個線程:交通流產(chǎn)生線程、電梯A運動線程、電梯B運動線程和電梯C運動線程。它們能夠同時、迅速地響應(yīng)用戶的多個請求,使整個程序協(xié)調(diào)運行,程序流程如圖2所示。

        交通流參數(shù)模塊用于隨機產(chǎn)生各種交通流數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)庫作為后臺,存取更加穩(wěn)定,從而有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。乘客到達過程可由泊松分布模擬[5]。群控服務(wù)區(qū)域是指前來乘坐電梯的乘客(包括上行和下行)的候梯區(qū)域。

        在時間t內(nèi)乘客到達服務(wù)區(qū)人數(shù)為n的概率為Pn(t)=(λt)nn!e-λt,n=0,1,2…(1)則在時間t內(nèi),沒有任何乘客到達的概率為P0,所以時間t內(nèi)所有乘客到達的概率為1-P0(t)=1-e-λt(2)假設(shè)兩個相鄰乘客到達的時間間隔為T,則P{T≤t}=1-e-λtt≥0

        0t<0(3)時間間隔T服從參數(shù)為λ的指數(shù)分布。假設(shè)乘客平均到達率為λ,第i個乘客到達的時間為X(i),第i+1個乘客到達時間為X(i+1),ti為相應(yīng)到達間隔時間的最大值,Pd為第i個乘客到達率,則Pd=P{ti=t}=1-e-λtt≥0

        0t<0(4)所以當t>0時,最大時間間隔為ti=-In(1-Pd)λ(5)于是得到第i個乘客到達時間的遞推公式為X(i+1)=X(i)-ln(1-Pd)λ(6)在這里,由于Pd是0~1之間的任一常數(shù),所以可以用0~1上的均勻分布來產(chǎn)生N個數(shù)作為Pd的值,從而產(chǎn)生N個到達時間模擬值。

        MATLAB具有強大的數(shù)據(jù)處理能力,可完成數(shù)據(jù)流的計算。由此模擬出符合泊松分布的乘客流,以30分鐘內(nèi)200個乘客的到達過程為例,如圖3所示,橫坐標代表各個乘客的到達時間,縱坐標代表當前乘客到達量。其中直線之間的距離間隔代表兩乘客到達的時間間隔。間隔越小,說明人流密度越?。婚g隔越大,說明人流密度越大。

        最終模擬出符合泊松分布的乘客到達時間,將乘客到達時間以及各相鄰乘客之間的時間間隔存入DB2數(shù)據(jù)庫,以供VC++調(diào)用。

        將時間間隔存入數(shù)據(jù)庫后,VC++仿真平臺從數(shù)據(jù)庫逐個讀取乘客到達時間,并延時相鄰乘客到達時間的間隔。延時結(jié)束后,通過蒙特卡洛法產(chǎn)生呼梯信號,然后繼續(xù)讀取下一個數(shù)據(jù),如此連續(xù)不斷執(zhí)行,產(chǎn)生離散的符合泊松分布的乘客流,直到讀完DB2數(shù)據(jù)庫中的交通流數(shù)據(jù)為止。

        2.2算法模塊

        算法是電梯群控系統(tǒng)核心,一個算法的優(yōu)劣直接決定著電梯的運行效率。本設(shè)計的目的就是對群控算法的優(yōu)劣進行驗證和調(diào)試,最終證明某算法的實用性。常用的算法有最小候梯時間算法、最小乘梯時間算法、模糊控制算法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。本系統(tǒng)采用C++面向?qū)ο笳Z言,用類來封裝各種控制算法,當系統(tǒng)需要用到某種算法時,只需要調(diào)用相應(yīng)的算法即可。

        2.3信號綜合處理模塊

        信號處理模塊需要進行復雜的計算,它結(jié)合新加入的呼梯信號、已登記的呼梯信號以及電梯當前的運行狀態(tài)這3個因素,利用當前的群控算法,計算出各個電梯對新加入信號的符合程度。如圖2所示,信號處理模塊在接受新增加的呼梯信號后,經(jīng)信號處理模塊計算,選擇符合度最大的電梯,并將派梯結(jié)果發(fā)送至電梯運行模塊。

        2.4電梯運行模塊

        電梯運行模塊用于實現(xiàn)電梯的模擬運行,它由電梯A、B和C組成。電梯運行特征分為7個狀態(tài),分別是:空閑狀態(tài)、開門狀態(tài)、關(guān)門狀態(tài)、上行狀態(tài)、下行狀態(tài)、進客狀態(tài)和下客狀態(tài)。當電梯為空閑狀態(tài)時,電梯等待外呼信號,直到有外呼信號為止。當電梯向上運行時(下行情況一樣),必定先加速,而后勻速運行。 如果未到達指定層,電梯繼續(xù)向上勻速,每經(jīng)過一層,樓層數(shù)自動加一。將要到站時,電梯開始減速,然后停車開門。上下客完畢后,關(guān)門重新啟動。如此往復,不斷運行。每個狀態(tài)所持續(xù)的時間基本上是固定不變的,因此本設(shè)計假設(shè)電梯的上下行狀態(tài)都是勻速的。將變速運動引起的時間差歸于勻速運行階段,同時將開關(guān)門時間和上下乘客時間都歸于電梯停站時間中。本設(shè)計實際上只考慮3種狀態(tài):上行狀態(tài)、下行狀態(tài)和等待狀態(tài)。雖然簡化了平臺設(shè)計,卻更加有利于電梯群控算法的研究。

        采用多線程的軟件實現(xiàn)方法,設(shè)計電梯A、B和C三個電梯線程 ,使得3部模擬電梯同時獨立運行,系統(tǒng)的穩(wěn)定性高。如圖2所示,在接收到配梯信號后,經(jīng)過算法計算,新增信號會登記到3部電梯中的一部。該部電梯會綜合新增信號和已有信號決定電梯的運行狀態(tài)。

        3仿真結(jié)果

        基于最小長候梯時間算法對仿真平臺進行測試。仿真參數(shù)設(shè)置為:仿真時間30min,樓層為15層,樓層高2.5m,電梯3部,電梯經(jīng)過每層時間2.4s,停站時間10s,仿真人數(shù)200人。采用層間隨機交通模式,系統(tǒng)自動生成泊松輸入流。仿真結(jié)果用MATLAB繪制。其中單次仿真結(jié)果如圖4和 實驗結(jié)果表明,乘客的平均候梯時間僅為25.6 s,體現(xiàn)了最小長候梯算法在減少乘客候梯時間方面的顯著作用。但平均乘梯時間為35.8秒,平均??看螖?shù)178次,能耗較大,說明經(jīng)典的群控算法—最小長候梯算法存在一些不足。

        (s)平均乘梯時間

        (s)平均??看螖?shù)

        (次)最小長候梯時間算法25.635.81784結(jié)語

        基于Visual C++6.0面向?qū)ο蟮木幊谭椒?,設(shè)計了一種優(yōu)化群控電梯仿真平臺。實驗結(jié)果驗證了仿真平臺的有效性。與以往仿真平臺相比,本仿真平臺既能接受用戶的手動輸入信號,也能自發(fā)產(chǎn)生泊松分布乘客流,并逐個處理各種輸入信號,輸出乘客候梯時間和乘梯時間。電梯轎廂能夠連續(xù)平滑運動,轎廂運動速度和方向一目了然,便于觀察研究,較為真實地模擬了實際情況,簡化了電梯群控算法。

        本設(shè)計采用MATLAB產(chǎn)生泊松分布交通流,以DB2數(shù)據(jù)庫為樞紐,給仿真平臺提供連續(xù)穩(wěn)定的輸入信號,使得仿真平臺能夠長時間穩(wěn)定運行,具有一定的實際意義。

        參考文獻:

        畢曉亮,張亞剛,朱昌明,等.電梯群控研究及仿真實驗臺開發(fā)[J].系統(tǒng)仿真學報,2003,15(9):12451246.

        閻光偉,彭文,徐琳茜.基于案例的Visual C++程序設(shè)計教程.北京:清華大學出版社,2012:154158.

        劉宇明.基于DB2的大型數(shù)據(jù)庫性能優(yōu)化方法研究[J].科學技術(shù)與工程,2007,7(1):7071.

        潘志鋒,羅飛,許玉格.高性能的電梯群控系統(tǒng)仿真平臺的設(shè)計[J].計算機工程與應(yīng)用,2006,35(3):181183.

        曹雷,饒真珍.面向?qū)ο蟮碾娞菹到y(tǒng)計算機仿真[J].計算機應(yīng)用,2007,24(9):289191.

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