徐新仁,李淑蘭,朱恩芳,劉海峰,鄭萍,徐東輝*

(1．南昌師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)系,江西 南昌330046；2．江鈴汽車股份有限公司 江西省多功能乘用車工程研究中心,江西 南昌330052)

電梯作為最常用的縱向運輸工具,在樓宇控制中有著不可替代的重要地位。隨著當(dāng)前社會高速發(fā)展,一棟大樓通常安裝多臺電梯才能滿足乘客需求,然而當(dāng)各部電梯獨立運行時,則容易造成“扎堆”現(xiàn)象,嚴(yán)重影響電梯的使用效率[1]。因此需要電梯群控技術(shù)在保證環(huán)境安全、舒適的前提下,縮短乘客候梯時間,減小能量損耗。目前由PLC組成的電梯運行邏輯群控系統(tǒng)具有維護方便、開發(fā)周期短、可靠性高、適應(yīng)性強、操作靈活等優(yōu)點,現(xiàn)已成為電梯控制的重要發(fā)展方向[2]。

1 群控算法現(xiàn)狀

電梯群控算法大致分兩類：基于調(diào)度原則的群控和智能群控技術(shù)[3]。基于調(diào)度原則的群控主要包括分區(qū)調(diào)度原則、最小候梯時間調(diào)度原則和最短距離調(diào)度原則三個研究方向。分區(qū)調(diào)度原則包括動態(tài)分區(qū)和固定分區(qū)兩種方法。動態(tài)分區(qū)外呼信號是隨機的,解決了電梯忙閑不均的問題,但該算法較為復(fù)雜,且無法準(zhǔn)確預(yù)測其響應(yīng)的時間,不能進行合理分配；固定分區(qū)將導(dǎo)致電梯忙閑不均,運行效率較低。最小候梯時間調(diào)度原則是根據(jù)各臺電梯所產(chǎn)生的呼梯信號,預(yù)測各部電梯響應(yīng)呼梯的時間,從中選擇時間最短的電梯響應(yīng)呼梯信號,但該算法把停層時間和每層運行時間過于理想化,忽略手動開門信號對時間的影響。最短距離調(diào)度原則[3－4]主要是根據(jù)當(dāng)前電梯位置與外呼信號位置之間的距離,通過算法選取距離最小的電梯響應(yīng)呼梯信號,該算法可以解決電梯忙閑不均的弊端,有效縮短乘客的候梯時間,使電梯能量損耗降到最低。

智能群控技術(shù)主要包括遺傳算法、模糊控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能算法。遺傳算法[5]主要是將候梯滿意度、乘客滿意度、能量損耗等因素作為評價函數(shù)協(xié)調(diào)多部電梯的運行,但在候梯時間方面考慮得較少；模糊控制算法[6－7]主要是建立在用隸屬函數(shù)關(guān)系來表示數(shù)據(jù)差異狀況基礎(chǔ)理論之上所形成的,通過對電梯諸如貨運、運輸人力等交通方式進行分門別類劃分,并依據(jù)不同的類比對電梯的控制策略予以優(yōu)化,但存在模糊邏輯結(jié)果不夠精確的缺陷；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[8－9]具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),非線性問題的處理能力上較強,能對儲存的信息進行合理分配,但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法精確度受樣本訓(xùn)練數(shù)據(jù)空間大小及其精確度的影響,不能有效確保較高反應(yīng)速度。

因此本文選擇最短距離調(diào)度原則的電梯群控技術(shù),對傳統(tǒng)的最短距離調(diào)度原則群控技術(shù)進行有效的改進,經(jīng)仿真驗證表明本算法具有以下優(yōu)點：(1)充分考慮電梯的指示與靜止兩種情況,克服了傳統(tǒng)群控算法僅考慮指示情況的不足；(2)根據(jù)目標(biāo)樓層與呼梯信號的距離最短原則判斷電梯響應(yīng),有效縮短乘客的候梯時間,克服了傳統(tǒng)算法在未有電梯滿足條件時,通常采用等待措施的弊端；(3)本文的群控算法具有較好的普適性,梯形圖清晰明了易于理解。

2 最短距離調(diào)度原則

2．1 以9樓外上呼為例進行分析

記1,2,3,4,5,6梯為A,B,C,D,E,F梯；記A,B,C,D,E,F梯當(dāng)前樓層為x1,x2,x3,x4,x5,x6；

當(dāng)A 梯x1≤9,且滿足靜止或上行指示的條件下,記y1up＝9－x1；

當(dāng)B梯x2≤9,且滿足靜止或上行指示的條件下,記y2up＝9－x2；

當(dāng)C梯x3≤9,且滿足靜止或上行指示的條件下,記y3up＝9－x3；

當(dāng)D 梯x4≤9,且滿足靜止或上行指示的條件下,記y4up＝9－x4；

當(dāng)E梯x5≤9,且滿足靜止或上行指示的條件下,記y5up＝9－x5；

當(dāng)F梯x6≤9,且滿足靜止或上行指示的條件下,記y6up＝9－x6；

用博圖V14min指令,記miny1up,y2up,y3up,y4up,y5up,y6up 結(jié)果為z1。

(1)當(dāng)僅僅只有一個值等于z1時,無須判斷優(yōu)先級,立即鎖定該梯響應(yīng)：

z1＝y(tǒng)1up,1梯響應(yīng)；z1＝y(tǒng)4up,4梯響應(yīng)；

z1＝y(tǒng)2up,2梯響應(yīng)；z1＝y(tǒng)5up,5梯響應(yīng)；

z1＝y(tǒng)3up,3梯響應(yīng)；z1＝y(tǒng)6up,6梯響應(yīng)。

(2)當(dāng)有兩個及兩個以上的值等于z1時(如：z1＝y(tǒng)1up＝y(tǒng)2up,z1＝y(tǒng)4up＝y(tǒng)6up),則必須考慮優(yōu)先級的大小,否則將出現(xiàn)多部電梯響應(yīng)1個信號。在此,記優(yōu)先級大小為A＞B＞C＞D＞E＞F,電梯響應(yīng)記為1,不響應(yīng)為0,易得共有2^6＝64種情況[7],當(dāng)A取1時,共有2^5＝32種情況；當(dāng)B取1時,共有2^4＝16種情況；當(dāng)C取1時,共有2^3＝8種情況；當(dāng)D取1時,共有2^2＝4種情況；當(dāng)E取1時,共有2^1＝2種情況；當(dāng)F取1時,共有2^0＝1種情況；6部均取0,1種情況。32＋16＋8＋4＋2＋1＋1＝64,檢驗正確,如表1所示。

表1 6部電梯優(yōu)先響應(yīng)情況(*為任意值)

(3)當(dāng)6部電梯均不響應(yīng)時,可能6部電梯都處于下行指示狀態(tài),也可能電梯在9層上,導(dǎo)致響應(yīng)電梯的不確定性,記X 梯響應(yīng)。記A,B,C,D,E,F梯的下行目標(biāo)樓層為d1(do),d2(do),d3(do),d4(do),d5(do),d6(do)；記A,B,C,D,E,F梯下行目標(biāo)樓層與9層的距離為L1(do),L2(do),L3(do),L4(do),L5(do),L6(do)。則L1(do)＝9－d1(do)；L2(do)＝9－d2(do)；L3(do)＝9－d3(do)；L4(do)＝9－d4(do)；L5(do)＝9－d5(do)；L6(do)＝9－d6(do)；

記min L1(do),L2(do),L3(do),L4(do),L5(do),L6(do)結(jié)果為L1(min)

當(dāng)L1(min)＝L1(do)時,則X＝A；當(dāng)L1(min)＝L2(do)時,則X＝B；

當(dāng)L1(min)＝L3(do)時,則X＝C；當(dāng)L1(min)＝L4(do)時,則X＝D；

當(dāng)L1(min)＝L5(do)時,則X＝E；當(dāng)L1(min)＝L6(do)時,則X＝F；

當(dāng)有兩個及兩個以上的值等于L1(min)時,則優(yōu)先級大小依然為A＞B＞C＞D＞E＞F,如圖1所示。

2．2 以2樓外下呼為例進行分析

當(dāng)A 梯x1≥2,且滿足靜止或下行指示的條件下,記y1down ＝x1－2；

當(dāng)B梯x2≥2,且滿足靜止或下行指示的條件下,記y2down ＝x2－2；

當(dāng)C梯x3≥2,且滿足靜止或下行指示的條件下,記y3down ＝x3－2；

當(dāng)D 梯x4≥2,且滿足靜止或下行指示的條件下,記y4down ＝x4－2；

當(dāng)E梯x5≥2,且滿足靜止或下行指示的條件下,記y5down ＝x5－2；

當(dāng)F梯x6≥2,且滿足靜止或下行指示的條件下,記y6down ＝x6－2；

博圖V14min指令,記miny1down,y2down,y3down,y4down,y5down,y6down 結(jié)果為z2。

(1)當(dāng)僅僅只有一個值等于z2時,無須判斷優(yōu)先級,立即鎖定該梯響應(yīng)：

z2＝y(tǒng)1down,1梯響應(yīng)；z2＝y(tǒng)4down,4梯響應(yīng)；

z2＝y(tǒng)2down,2梯響應(yīng)；z2＝y(tǒng)5down,5梯響應(yīng)；

z2＝y(tǒng)3down,3梯響應(yīng)；z2＝y(tǒng)6down,6梯響應(yīng)。

(2)當(dāng)有兩個及兩個以上的值等于z2時,則必須考慮優(yōu)先級的大小。同上。

(3)當(dāng)6部電梯均不響應(yīng)時,可能6部電梯都處于上行指示狀態(tài),也可能電梯在2層下,導(dǎo)致響應(yīng)電梯的不確定性,記X 梯響應(yīng)。記A,B,C,D,E,F梯的上行目標(biāo)樓層為d1(up),d2(up),d3(up),d4(up),d5(up),d6(up)；記A,B,C,D,E,F梯下行目標(biāo)樓層與9層的距離為L1(up),L2(up),L3(up),L4(up),L5(up),L6(up)。

則L1(up)＝9－d1(up)；L2(up)＝9－d2(up)；L3(up)＝9－d3(up)；L4(up)＝9－d4(up)；L5(up)＝9－d5(up)；L6(up)＝9－d6(up)；

記min L1(do),L2(do),L3(do),L4(do),L5(do),L6(do)結(jié)果為L2(min)。

當(dāng)L2(min)＝L1(up)時,則X＝A；當(dāng)L2(min)＝L2(up)時,則X＝B；

當(dāng)L2(min)＝L3(up)時,則X＝C；當(dāng)L2(min)＝L4(up)時,則X＝D；

當(dāng)L2(min)＝L5(up)時,則X＝E；當(dāng)L2(min)＝L6(up)時,則X＝F；

當(dāng)有兩個及兩個以上的值等于L2(min)時,則優(yōu)先級大小依然為A＞B＞C＞D＞E＞F,如圖1所示。

3 最短距離調(diào)度原則的邏輯實現(xiàn)

(1)PLC 選擇S7－1200 CPU1214C DC/DC/DC,工作存儲器內(nèi)存為7．5 K。選擇EET 電梯仿真軟件,PLC 與EET 軟件采用通信速度快,穩(wěn)定性好的Ethernet以太網(wǎng)通訊。PLC 的編程軟件采用的是博圖V14,其是西門子公司打造的集成自動化編程軟件,能支持S7－1200、S7－1500、S7－300/400 控制器。

(2)當(dāng)前樓層號即x1,x2,x3,x4,x5,x6的實現(xiàn)。第一步,電梯進行初始化,碰到上端站第二限位傳感器,把11賦給樓層號標(biāo)志；第二步,當(dāng)上行碰到下平層傳感器,則電梯樓層號加(ADD)1,如圖1所示；當(dāng)下行碰到上平層傳感器時,則電梯樓層號減(SUB)1,如圖2所示；第三步,本程序中用了FB塊,當(dāng)“樓層號標(biāo)志＝＝1”時,“樓層號為1標(biāo)志”接通,如圖3所示。

圖1 上行計算當(dāng)前樓層號

圖2 下行計算當(dāng)前樓層號

圖3 當(dāng)前樓層號的傳遞

(3)y1up,y2up,y3up,y4up,y5up,y6up的實現(xiàn)。第一步,只有當(dāng)電梯樓層號小于9時方可計算；第二步,靜止,上行指示為或關(guān)系；第三步,計算環(huán)節(jié)：9－“1號梯樓層號標(biāo)志”＝“梯1距9數(shù)上”。如圖4所示,顯然,y1up即為“梯1距9數(shù)上”,同理可求y2up－y6up。

(4)z1的實現(xiàn)。MIN 指令左邊的輸入端口IN1,IN2,IN3,IN4,IN5,IN6,即為y1up,y2up,y3up,y4up,y5up,y6up。輸出OUT“距9位置差最小上”即為z1的值,如圖5所示。

(5)優(yōu)先級的實現(xiàn)。即A＞B＞C＞D＞E＞F。

當(dāng)A 響應(yīng)時,梯形圖中“用1梯標(biāo)志1”為1；

當(dāng)B響應(yīng)時,梯形圖中“用2梯標(biāo)志1”為1；

當(dāng)C響應(yīng)時,梯形圖中“用3梯標(biāo)志1”為1；

當(dāng)D 響應(yīng)時,梯形圖中“用4梯標(biāo)志1”為1；

當(dāng)E響應(yīng)時,梯形圖中“用5梯標(biāo)志1”為1,如圖6所示。

圖4 計算1號梯距9層距離

圖5 計算6部梯離9最近數(shù)值

圖6 優(yōu)先級的實現(xiàn)

4 結(jié)語

(1)針對電梯群控多目標(biāo)、非線性、不確定性等特點,采用最短距離調(diào)度原則對現(xiàn)有電梯群控算法進行了改進,針對電梯當(dāng)前樓層與呼梯樓層距離問題,充分考慮了電梯靜止的情況,彌補了傳統(tǒng)算法僅考慮指示情況的不足。

(2)通過西門子S7－1200PLC控制,在博圖軟件上編寫程序,實現(xiàn)了最短距離調(diào)度算法。經(jīng)EET 仿真驗證了該算法的平均候梯時間較短,整體效果較好。

(3)調(diào)度算法無須建立精確的模型,具有較強的普適性,對于電梯群控設(shè)計具有一定現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

(4)人工智能已經(jīng)與電梯群控技術(shù)牢牢結(jié)合,使電梯的自動化運行及調(diào)度更加安全、合理、人性化,高度智能化的電梯群控系統(tǒng)研究將是未來電梯研究的主要方向。