任學(xué)平，武鵬飛

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

0 引言

隨著現(xiàn)代化城市的發(fā)展越來越快，建筑的規(guī)模也越來越大，電梯已成為必不可少的交通工具；而電梯是一個(gè)具有非線性、隨機(jī)性的復(fù)雜系統(tǒng)，對(duì)電梯群的合理調(diào)度不但可以減少成本、節(jié)約能源，而且還為乘客節(jié)約了時(shí)間，乘客的安全也得到了保障[1]。目前，電梯的控制方法有繼電器控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)及微機(jī)控制系統(tǒng)。繼電器控制系統(tǒng)的可靠性較差并且控制繁瑣等，逐漸被淘汰。微機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且抗干擾能力普遍較差。因此在電梯控制方面常常采用PLC控制系統(tǒng)，其編程簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單靈活，被廣泛應(yīng)用于對(duì)電梯的控制。常見的PLC電梯控制系統(tǒng)有2種：1）并列電梯。這種方式為每一部電梯都配置了一個(gè)控制器，各電梯獨(dú)立運(yùn)行互不相關(guān)。該方法增加了設(shè)備成本，并且效率十分低下。2）群控電梯。即使用一個(gè)或極少數(shù)幾個(gè)控制器通過各種算法調(diào)度多部電梯，使各電梯的載客量、運(yùn)行時(shí)間、能耗等達(dá)到最優(yōu)[2-4]。目前，用于這種群控電梯的算法主要有蟻群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊控制等智能算法，但這些智能算法實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)復(fù)雜[5-8]。本文通過對(duì)電梯系統(tǒng)請(qǐng)求信號(hào)不確定性的分析，提出了數(shù)組記憶循環(huán)預(yù)分配的方法，該方法不僅思路簡(jiǎn)單、易于開發(fā)，而且各方面的性能指標(biāo)都有所提升，此外還可以擴(kuò)展到多部多層電梯，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用具有一定的推廣價(jià)值。

1 電梯調(diào)度分析

本文的調(diào)度算法是基于時(shí)間最優(yōu)，即在最短的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)乘客的呼梯請(qǐng)求。時(shí)間最短，也就等價(jià)于電梯持續(xù)高速運(yùn)行到請(qǐng)求信號(hào)的距離是最短的，而電梯的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)又可分為空閑狀態(tài)、加減速狀態(tài)、開關(guān)門狀態(tài)和上下行狀態(tài)，不可能一直處于高速運(yùn)行狀態(tài)，所以要想用距離作為研究對(duì)象，我們必須將這些狀態(tài)等效轉(zhuǎn)化為高速運(yùn)行狀態(tài)無中斷走過的距離。由于轎廂從減速到平層抱閘開門，再到轎廂關(guān)門、加速到高速運(yùn)行狀態(tài)所耗費(fèi)的時(shí)間約等于電梯持續(xù)高速運(yùn)行經(jīng)過2層樓距離的時(shí)間，根據(jù)這個(gè)規(guī)律，我們就可以將不同的運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)化為高速運(yùn)行狀態(tài)無中斷行駛的距離[9-10]，但是乘客出入轎廂所耗費(fèi)的時(shí)間是個(gè)不確定值，永遠(yuǎn)無法估量，而且轎廂由空閑開始運(yùn)行只有加速，所以這里的誤差是在所難免的；但如果不考慮乘客出入耗時(shí)，只記入開關(guān)門和加減速的時(shí)間，我們可以運(yùn)用該規(guī)律計(jì)算出近似距離，然后再逐步消除這些誤差，就可算出準(zhǔn)確的距離；本文把運(yùn)用這個(gè)規(guī)律進(jìn)行的調(diào)度稱為預(yù)分配法。

當(dāng)轎廂響應(yīng)一個(gè)內(nèi)選信號(hào)，就會(huì)多出大約2層的距離。由此可知，只要計(jì)算出3個(gè)轎廂當(dāng)前位置到外部呼梯請(qǐng)求層有多少個(gè)未響應(yīng)的按鍵請(qǐng)求就可以計(jì)算出大致的距離。但是，還有一個(gè)不確定因素會(huì)使我們這個(gè)計(jì)算的準(zhǔn)確性嚴(yán)重降低，即呼梯的不確定性，也就是說，即使某些呼梯請(qǐng)求信號(hào)的預(yù)分配是最優(yōu)的，電梯也正準(zhǔn)備去響應(yīng)該請(qǐng)求，突然有n個(gè)外部呼梯信號(hào)分配給這部電梯，而這些信號(hào)又位于該梯的當(dāng)前位置與初始準(zhǔn)備去響應(yīng)的呼梯信號(hào)之間，這就使該梯的距離增加了2n層，顯然首次呼梯信號(hào)已不再是最優(yōu)的分配。此外，電梯有上行、下行、空閑等3種狀態(tài)，而外部呼梯信號(hào)又有上行和下行等2種情況，如果將這些狀態(tài)分為6種情況分別進(jìn)行討論計(jì)算，無疑會(huì)增加程序?qū)崿F(xiàn)的難度，所以我們對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，將電梯的狀態(tài)分為與呼梯請(qǐng)求上、下同向運(yùn)行和空閑等3種情況。當(dāng)呼梯請(qǐng)求與電梯的運(yùn)行方向同向或者電梯處于空閑時(shí)，我們對(duì)每部電梯進(jìn)行總距離計(jì)算，找出最優(yōu)的那部電梯進(jìn)行預(yù)分配；當(dāng)乘客呼梯請(qǐng)求信號(hào)的方向與電梯轎廂的運(yùn)行方向不一致時(shí)，我們把該呼梯請(qǐng)求信號(hào)暫時(shí)保存起來，等到電梯響應(yīng)完該方向的所有請(qǐng)求后，電梯必將處于空閑狀態(tài)，此時(shí)如果該請(qǐng)求沒有被其他電梯響應(yīng)就進(jìn)行調(diào)度計(jì)算；這樣既把所有情況考慮周全，又簡(jiǎn)化了程序。

2 循環(huán)預(yù)分配法的基本思路

綜上可知，只要解決了乘客出入轎廂耗時(shí)不確定性和呼梯的不確定性帶來的誤差，然后運(yùn)用預(yù)分配的規(guī)律，我們就可以實(shí)現(xiàn)電梯調(diào)度分配的時(shí)間最優(yōu)化。為此我們定義了記憶數(shù)組和外部按鍵采集數(shù)組，記憶數(shù)組把已分配的外部呼梯信號(hào)全部存放起來，不停地計(jì)算著3部電梯到外部請(qǐng)求信號(hào)的總距離，判斷當(dāng)前分配是否為最優(yōu)分配，一旦發(fā)現(xiàn)中間有呼梯信號(hào)插入致使當(dāng)前分配不再是最優(yōu)分配，則立馬擦除該分配并進(jìn)行重新分配；直到有電梯響應(yīng)了該請(qǐng)求信號(hào)，自動(dòng)消去記憶數(shù)組中對(duì)這個(gè)信號(hào)的存儲(chǔ)；這就實(shí)現(xiàn)了時(shí)間最優(yōu)化調(diào)度。等效距離計(jì)算公式為

式中：D為等效距離；i為梯號(hào)；Nin和Nout分別為該梯的內(nèi)選請(qǐng)求和外選請(qǐng)求個(gè)數(shù)；LR為請(qǐng)求信號(hào)的位置；LC為電梯所在位置。

當(dāng)有外部呼梯請(qǐng)求信號(hào)時(shí)，控制器會(huì)采集到該信號(hào)并將這個(gè)請(qǐng)求信號(hào)存放在采集記憶數(shù)組中，然后計(jì)算出與該請(qǐng)求信號(hào)同向運(yùn)行的電梯所對(duì)應(yīng)的數(shù)組中分配給該梯的未響應(yīng)請(qǐng)求信號(hào)的個(gè)數(shù)，將這個(gè)數(shù)值乘以2，再加上外部請(qǐng)求信號(hào)到該轎廂當(dāng)前位置的直線層距離，結(jié)果就是這部電梯到乘客呼梯請(qǐng)求層的等效總距離，這個(gè)距離與時(shí)間等效；將3部電梯的總距離進(jìn)行比較，最小值的那部電梯就是最優(yōu)解，將此請(qǐng)求信號(hào)暫時(shí)分配給這部最優(yōu)電梯，即預(yù)分配。

由于這種分配存在誤差，所以采集記憶數(shù)組中一直保存著這個(gè)請(qǐng)求信號(hào)，并且不停地循環(huán)計(jì)算著采集記憶數(shù)組中所有信號(hào)在3部電梯中的總距離并找出最優(yōu)解，如果前一次分配仍為最優(yōu)，則保留分配，如果計(jì)算出前次分配不再是最優(yōu)解，則擦除前次分配，重新分配采集記憶數(shù)組中的這個(gè)請(qǐng)求信號(hào)。最后，總會(huì)有一部電梯率先到達(dá)該請(qǐng)求信號(hào)層，這時(shí)將采集記憶數(shù)組中對(duì)應(yīng)的請(qǐng)求信號(hào)擦除，流程圖如圖1所示。采用這種預(yù)分配的方法，雖然每次運(yùn)算都存在著誤差，但它總是接近最優(yōu)，再加上采集記憶數(shù)組對(duì)所有外部信號(hào)的保留且不斷地對(duì)這些信號(hào)循環(huán)地進(jìn)行著預(yù)分配校正，直到有電梯最先響應(yīng)請(qǐng)求才擦除，這就逐步消除了上述誤差和呼梯的不確定性，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間的最優(yōu)調(diào)度。

圖1 群控分配調(diào)度流程

當(dāng)外部呼梯請(qǐng)求信號(hào)分配給了各部電梯之后，接下來就是單梯控制。以1號(hào)梯為例，若是內(nèi)選請(qǐng)求信號(hào)，我們直接把該信號(hào)存放在電梯所對(duì)應(yīng)的數(shù)組中，即1號(hào)梯數(shù)組；而外選信號(hào)在時(shí)間最優(yōu)調(diào)度計(jì)算時(shí)已經(jīng)分配給了各梯，也就是說，不管是內(nèi)選還是外選信號(hào)，都存放到了各號(hào)梯數(shù)組中，然后電梯對(duì)信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)。由于電梯每次運(yùn)行都是單向的，在沒有響應(yīng)完當(dāng)前運(yùn)行方向上的所有請(qǐng)求時(shí)是不會(huì)改變運(yùn)行方向的，也就是說如果轎廂向上運(yùn)行，它必須上行到最高層的請(qǐng)求信號(hào)，如果是向下運(yùn)行，則必須下行到最底層的請(qǐng)求信號(hào)處，然后改變方向后處于空閑；所以我們只需在1號(hào)梯數(shù)組中找到最大值和非零的最小值即可決定電梯運(yùn)行方向。起始時(shí)刻電梯處于空閑狀態(tài)，如果請(qǐng)求信號(hào)值大于轎廂當(dāng)前位置則轎廂上行，小于轎廂當(dāng)前位置則轎廂下行；上下行狀態(tài)位互鎖，如果沒有響應(yīng)完某一方向的請(qǐng)求信號(hào)，這個(gè)方向的狀態(tài)位是不會(huì)失電的，另一個(gè)方向狀態(tài)位也就不會(huì)得電。當(dāng)轎廂在某一方向運(yùn)行時(shí)，我們可以根據(jù)轎廂的當(dāng)前位置判斷是否到達(dá)請(qǐng)求層，如果轎廂當(dāng)前位置與該梯數(shù)組中存放的內(nèi)選值或者同方向的外選值相同，則開門狀態(tài)位得電，說明到了目的層，開始減速，到了平層時(shí)抱閘停機(jī)響應(yīng)請(qǐng)求。當(dāng)轎廂門打開時(shí)，我們擦除該梯數(shù)組中相應(yīng)的請(qǐng)求信號(hào)，同時(shí)開門狀態(tài)位自動(dòng)失電；響應(yīng)完請(qǐng)求后繼續(xù)運(yùn)行，如此便實(shí)現(xiàn)了單梯控制。

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

表1是虛擬電梯仿真系統(tǒng)測(cè)試表，表中將單次分配算法和數(shù)組循環(huán)分配算法及文獻(xiàn)[11]的蟻群算法做了對(duì)比。文獻(xiàn)[11]中所使用的測(cè)試軟件及版本與本文的完全相同，可以將其作為對(duì)比使用。

表1 虛擬電梯系統(tǒng)評(píng)分表

通過表1可以看出：與單次分配法相比，使用循環(huán)預(yù)分配調(diào)度算法的群控電梯的乘客平均候梯時(shí)間、乘客長(zhǎng)時(shí)間候梯率及乘客平均乘梯時(shí)間都有一定幅度的下降。在單次獨(dú)立分配算法中乘客的平均乘梯時(shí)間是84.82，平均候梯時(shí)間為142.72，乘客長(zhǎng)時(shí)間候梯率為0.52，而在運(yùn)用了循環(huán)預(yù)分配調(diào)度算法中平均候梯時(shí)間則下降為90.17，乘客長(zhǎng)時(shí)間候梯率下降為0.32，乘客平均乘梯時(shí)間由84.42下降為60.92，總的載客量也由172上升到195，這是十分理想的。隨著總的載客量的增加，系統(tǒng)的啟停次數(shù)和運(yùn)行總距離會(huì)相應(yīng)地增加，這是無法避免的客觀事實(shí)，所以本文提出的方法在這兩個(gè)指標(biāo)上比其他兩種方法差。

在乘客平均乘梯時(shí)間方面，循環(huán)預(yù)分配法稍大于蟻群算法。在乘客長(zhǎng)時(shí)間候梯率和乘客平均候梯時(shí)間這2項(xiàng)指標(biāo)中，本文提出的方法不及蟻群算法，而運(yùn)輸乘客數(shù)量卻多于蟻群算法。在這3種方法中，基本安全階段都無故障發(fā)生，減去蟻群算法中的安全故障得分，循環(huán)預(yù)分配法的系統(tǒng)評(píng)分最高，是蟻群算法所不及?？傮w來看，本文提出的方法與文獻(xiàn)[11]中提出的蟻群算法各有優(yōu)缺點(diǎn)，差距不大。因此本文提出的循環(huán)預(yù)分配法在時(shí)間最優(yōu)化方面達(dá)到了良好的效果。

4 結(jié)語

本文提出的數(shù)組記憶循環(huán)預(yù)分配的方法，成功解決了對(duì)某外選呼梯信號(hào)分配后其他呼梯信號(hào)不確定性和乘客出入轎廂耗時(shí)的不確定性所導(dǎo)致的調(diào)度分配的不精確問題。通過數(shù)組對(duì)外選呼梯信號(hào)的記憶和循環(huán)預(yù)分配對(duì)誤分配的校正，最終實(shí)現(xiàn)了候梯時(shí)間的最優(yōu)化。最后，通過3部10層虛擬電梯仿真軟件測(cè)試表可知，加入外選按鍵記憶數(shù)組循環(huán)預(yù)分配的方法，乘客的候梯時(shí)間和乘梯時(shí)間相對(duì)于直接分配來說都有大幅度下降，運(yùn)輸乘客數(shù)量顯著提升，相對(duì)于智能算法來說，該方法易于實(shí)現(xiàn)，便于開發(fā)，效率也相對(duì)較高，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。