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算法电梯调度.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：4.19M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    1.1课题背景
    1.2电梯群控的发展
    1.3国内外电梯群控算法的研究现状
    1.3.1国外研究现状
    1.3.2国内研究现状
    2.1电梯控制系统特性分析
    2.2电梯系统的复杂性
    2.3电梯系统的目标性
    3.1传统电梯调度算法
    3.1.1先来先服务算法(FCFS)
    3.1.2最短寻找楼层时间优先算法(SSTF)
    3.1.3扫描算法(SCAN)
    3.1.4 LOOK 算法
    3.1.5 SAFT 算法
    3.1.6先到先服务算法
    附件1（代码）：
    目 录 1.1 课题背景..................................................................................................................................... 1 1.2 电梯群控的发展......................................................................................................................... 1 1.3 国内外电梯群控算法的研究现状............................................................................................. 2 1.3.1 国外研究现状 ................................................................................................................. 2 1.3.2 国内研究现状 ................................................................................................................. 4 2.1 电梯控制系统特性分析............................................................................................................. 4 2.2 电梯系统的复杂性..................................................................................................................... 4 2.3 电梯系统的目标性..................................................................................................................... 4 3.1 传统电梯调度算法..................................................................................................................... 5 3.1.1 先来先服务算法(FCFS)................................................................................................. 5 3.1.2 最短寻找楼层时间优先算法(SSTF).............................................................................6 3.1.3 扫描算法(SCAN)............................................................................................................. 6 3.1.4 LOOK 算法 ...................................................................................................................... 6 3.1.5 SAFT 算法 ...................................................................................................................... 6 3.1.6 先到先服务算法............................................................................................................. 6 附件 1（代码）： ............................................................................................................................. 10 附件 2（视频）： .............................................................................................错误！未定义书签。 附件 3（完成人）：.........................................................................................错误！未定义书签。
    1.1 课题背景 随着智能化建筑越来越多，人们对时间的观念变得越来越强，对电梯的运送乘客的效率 越来越看重，电梯作为高层建筑内部一种非常重要，甚至是唯一的交通工具，其应用的规模 日益扩大、复杂化，人们对电梯系统的调度和服务质量的要求也是越来越高。单台电梯似乎 已经不能满足建筑物内的交通需求。因此，通过电梯群控系统(EGCS)对多台电梯的调度运 行来解决单台电梯遇到的问题，从而为乘客提供了方便。 电梯群控系统（EGCS）是指将建筑物中的多台电梯根据大楼的功能及楼层人口分布情 况组成梯群，由微机控制系统统一管理电梯群的召唤信号，根据系统设定的优化目标和建筑 物中的实际交通状况，产生最优派梯决策的控制系统。运用电梯群控系统可以提高整个电梯 系统的性能，如减少平均侯梯时间、减少平均乘梯时间、降低系统能量损耗等。而电梯群控 系统设计的关键是满足乘客的生理承受能力和心理承受能力，有效的提高建筑物内电梯的利 用率，从而提高服务质量。因此，对电梯群控系统控制方法的研究，对减少侯梯时间、降低 能耗、改善服务质量、适应现代社会的工作需要有着十分重要的意义。 其中的电梯的调度算法是电梯群控的根本，本课题研究的就是传统的几种电梯调度算 法。 1.2 电梯群控的发展 电梯群控系统从 20 世纪 40 年代发展到今天主要经历了 4 个发展阶段。在硬件上，最开 始使用的是继电器，后来使用集成电路，从 1975 年开始在群控系统中应用计算机，进入现 代电梯群控阶段。1988 年至今，主要研究方向是把人工智能技术应用到群控系统中。 1971 年前，是电梯群控技术的最初阶段，采用的是继电器顺序控制。这种系统需要单 一的厅层召唤系统，每个厅层设有一个上行和一个下行按钮。控制系统有效地把建筑物内的 电梯分开，以提供均匀服务并在指定的停梯层停靠一台或者多台电梯。使用继电器控制可以 实现电梯的无司机运行，但是其控制的主要目标是实现系统的顺序运行，运行效率较低，维 护也较复杂。 第二阶段（1971～1975 年）电梯群控系统在硬件上采用了集成电路，使系统结构简化， 大大提高了系统的可靠性，并能进行较为复杂的逻辑运算。这一时期电梯群控系统采用的调 度方式是针对每一个具体的呼梯信号指派电梯，当一个呼梯信号注册后，系统根据交通情况 和各轿厢的状态，选择合适的电梯为这个层站呼叫提供服务，这就把群控系统和单台电梯控 制器简单地联系在一起，提高了整个系统的可靠性和服务质量。这种系统使用了集成电路， 可以进行一些更加复杂的逻辑运算，但对候梯时间预测的计算却无法精确进行。 从 1975 年计算机开始应用于电梯群控系统，就此进入现代电梯群控系统阶段。这一阶 段着重研究电梯群控系统的动态特性，控制方式主要是最小候梯时间控制和综合评价函数控 制。在第三阶段的呼梯分配系统中增加了综合评价系统，采用了包括候梯时间、长候梯率及 预测误差率在内的多种因素作为评价指标，改变了系统对于时变的交通量适应性差的缺 点。 第四阶段（1988～至今）是电梯群控技术的快速发展阶段，人工智能的出现，使人们 在研究方向上做出了一定的转变，从过去研究电梯交通系统的统计特性到如今更多地利用人 工智能技术来研究电梯交通系统的动态特性，目的是更好地提高电梯群控系统的运行效率。 1
    这一阶段，电梯群控技 术的研究人员致力于将专家系统、模糊逻辑、人工神经网络等智能 技术应用到电梯群控系统，使系 统性能进一步提高。 1.3 国内外电梯群控算法的研究现状 1.3.1 国外研究现状 早在 1949 年，纽约联合国大厦首次使用继电器逻辑组成的电梯群控系统，经历了由当 初的预选控制到后来的分区控制；随着计算机技术的迅速发展，计算机群控代替了传统的继 电器群控。同时国际上各大电梯公司相继推出了与自己群控系统相适应的控制算法。 1970 年，日立公司开发出一种运用计算机并能学习的电梯系统。1973 年，日立公司又 根据统计特性推出预测控制系统，以解决乘客在下行时等候电梯时间。与此同时推出的 CIP/IC 系统可提供文字信号，从而应答乘客的呼梯信号。计算机群控系统使用等待时间预 报控制，电梯到达各个楼层的时间预报准确性进一步提高，但其使用的等周期运行方式不能 令人满意，长时间候梯仍是需要解决的问题。 1976 年，三菱公司使用呼叫分配的方法，推出了 OS75 系统，候梯时间和预测误差率等 被作为评价指标。与以前的系统相比，这一代的群控系统极大地降低了平均候梯时间和长候 梯率。 1984 年，日立公司推出了 CIP 一 52000 系统，不仅减少了平均侯梯时间，同时也减少 了系统能量损耗。 90 年代己有几家大的电梯公司将智能控制应用到电梯群控系统，其中 Otis 公司、日本 三菱、东芝、富士达、美国的奥的斯、德国的蒂森、瑞士的迅达、芬兰的通力等电梯公司都 已推出自己的智能电梯群控产品，而 Otis 公司为其中的领先者，在电梯群控领域拥有近 20 项专利。 关于电梯系统调度原则的研究，目前国际上的研究方向主要可分为如下几种： (1)基于客流规律分析的调度方案研究 该调度方案通过分析客流量的实时变化判断此时电梯需求的重点。例如，当检测到向 上呼叫信息密集时，则调用较多的电梯运载向上的客流，而减少对具有 向下需求客流的响 应。这种方案能有效地辨识流量需求的重点，从而可以根据客流特点构造相应的调度原则。 (2)基于楼层呼叫的分区调度方案研究 分区调度是指将一些具有类似呼梯请求的楼层呼叫组合成对应的分区。由一部或几部电 梯来响应完成对应分区内的外呼请求。这种分区又可细分为静态分区和动态分区两种模式。 对于静态分区，一定数目的楼层组合在一起构成一个区域。电梯要求对分区内的上行和下行 呼叫分别进行响应。相邻楼层的呼叫请求被归纳为同一种情况，调配对应的电梯来予以相应。 这种方式精简了所需电梯的数目，可以对电梯运行路径予以通盘考虑。对于动态分区，首先 通过分析各个轿厢 运行时的状态、位置和方向来考虑各台电梯可以被划分为多少个区域， 每一区域 在楼中所处的位置及每一个电梯区所控制的运输范围。动态分区可以随着电梯运 行状态的改变来予以修正，可以按需产生新的区域，也可以合并某几个区域。这 种调度原 则是使各台电梯的服务范围专门化，并避免了电梯在过大范围内的运动 所增加的运行周 期。 (3)基于心理待机时间评价的调度方案研究 2
    心理待机时间就是评价乘客候梯时间对其心理承受能力的影响程度。显然，等候时间越 长，将导致候梯时乘客焦虑感增加，对电梯的主观评价变差。当采用心理待机评价方式时， 通过分析乘梯供需关系的相关信息，可以得出最合理的心理待机时间，据此迅速地调配出当 前情况下满足最适合于该评价值的最佳应召电梯来响应乘客需求。以下对这种利用心理待机 时间作为评价指标的调度方案所对应的几种普遍使用的调度规则进行简单介绍。以候梯时间 为最小的调度规则：它是根据所产生的层站请求，分析计算各电梯应答该请求所需的响应时 间。选择响应时间最短的电梯去响应对应楼层的请求来达到最小化乘客候梯时间的目的。 尽量保证电梯调度时效的调度规则：每当检测到发生层站请求后，调度相应的电梯去响应该 楼层呼叫，并将该被调度电梯的方位、运行状态等信息展示给乘客。一般而言，除非特殊情 况一般不再分配其他电梯来重复响应这个呼叫请求。这种调度方案的目的是使乘客对电梯到 达的时间有一个大致的心理准备，降低候梯时的焦虑感。避免候梯时间过长的调度规则：根 据电梯的运行速度快慢、建筑物的楼层数目的多少及其它相关因素定义一个最长候梯时间 T，如果位于某区域内的乘客候梯时间接近或超过时间 T，则认为发生了“长时间候梯"现象。 对于这种情况，所需电梯相应的优先级将大大提高。即无论其它区域的乘客候梯状态如何， 必须优先派梯去响应这个发生了“长候梯时间"区域的呼梯请求。这种方案在一定程度上防 止了电梯密度分布极度不均现象的发生。 (4)考虑综合运输成本的调度方案研究 在兼顾考虑了电梯运行时间、系统调度效率、运输能力等多种因素的情况下对调度方案 进行整体规划。常用的综合成本的计算是将电梯轿厢中乘客的数量乘以该电梯从起始层到目 的层的运行时间，即：人数*时间。这种表达式综合考虑了乘客的输送代价，能较为全面地 反映调度的性能。 从电梯群控技术角度而言，目前，国际上电梯群控的研究方向主要是在采用智能控制技 术的基础上对传统的群控算法予以改善。主要研究工作分布在以下几个方向： (1)基于专家系统的电梯群控系统 将专家系统运用于电梯控制是电梯控制领域的重要突破。专家系统的引入，使得控制经 验能够以调度规则的形式来对电梯运行状态进行规划。通过专家规则，为电梯在各种情形下 的运作方案的构建提供了很好的参考依据。同时，专家系统能够随系统的升级和客户结构的 变化进行相应的改变，这也为其普遍应用打下了良好的基础。 (2)基于模糊控制技术的电梯群控系统 对于电梯控制而言，操作人员习惯上通过“向上’’、“向下"等指令来控制电梯的运行。 而电梯运行的决策控制量则是乘梯人数、候梯时间等数字量。如何将人类的语言变量与电梯 运行的数字量相对应是电梯控制人员亟待解决的一个问题。模糊控制通过为决策控制量定义 对应的隶属度函数来描述乘客候梯时间的长短，楼层客流量的大小，轿厢内乘客人数的多少， 电梯响应请求的快慢等信息，将复杂的模糊语言变量简化为隶属函数值的形式求解。 (3)基于人工神经元网络的电梯群控系统 随着客流量的变化，电梯控制参数应该也随之而变化。由于客流量的不精确性，使电 梯无法对控制参数进行准确的估计。运用人工神经网络可以对控制参数进行训练。基于大量 的训练样本通过识别流量的实时变化来获取控制参数。但需要指出的是当样本数目过多时会 增加训练时间，降低控制的实时性。这一缺点在一定程度上制约了神经网络在电梯群控中的 应用和推广。 (4)基于模糊神经网络的电梯群控系统 近年来，随着模糊控制和人工神经元网络控制技术的融合，模糊神经网络也应用而生。 该技术可以充分集成模糊规则的强大逻辑推理能力和神经网络的在线自学习的功能。将这两 种方法结合在一起，使得模糊规则的自动获取及模糊隶属函数的自动生成成为可能，进而克 3
    服神经网络权值难以准确确定和模糊逻辑规则 缺乏在线自学习功能的相关缺点。 1.3.2 国内研究现状 在我国，电梯群控的研究最早见于 1990 年，国内对于电梯群控的研究起步比较晚，但 发展速度很快，主要研究电梯群控系统和人工智能。 近几年我国在这方面的工作主要表现在引进国外先进技术和产品上，在此基础上力争推 出自己的产品。虽然我国电梯业大量引进国外先进技术，但是很多停留在产品引进上，对关 键电梯群控技术仍未能消化或根本未能引进。与此同时，许多高校和科研设计院也纷纷开展 了电梯控制课题的研究，启动了相关的科研项目，获得了许多有益的理论成果和实践经验。 此间，电梯群控问题正越来越成为相关领域的科技工作者们研究的热点。 2.1 电梯控制系统特性分析 电梯系统是一类具有不确定性的复杂系统，工作特性有显著的特点：有乘客需求才运行，但 不同于公交车每站都停靠，目的性很强。相对硬件系统而言，控制实现上的难度主要表现在 软件系统设计方面。 2.2 电梯系统的复杂性 (1)不确定性 电梯系统中存在着大量的不确定性：建筑物内存在的与环境因素有关的变化 的交通情况、呼梯信号的产生、呼梯者的目的层、层站的乘客数。 （2）扰动性 电梯系统不可避免地存在着不确定的扰动因素：乘客可能错误的登记了厅外 呼叫而产生了不必要的停站；乘客可能错误的登记了目的层而造成了不必要的停站；乘客可 能错误地操作造成了轿厢门的不能关闭而干扰正常的电梯运行。 （3）信息的不完备性 电梯系统中还存在着大量不准确因素；轿厢中的乘客数不能够准确 的获得；乘客进入轿厢前，其目的层是不可知的；下一次呼叫产生的层站也是不知道的等等。 （4）非线性 电梯交通系统存在着非线性对同一组厅呼，在不同的时间标度下，轿厢的分 配是不同的，轿厢分配的变化是不连续的：所能分配的轿厢数目是有限的；受系统所有轿厢 数目限制：轿厢容量是有限的，当轿厢容量达到饱和点时，轿厢会不停而过；轿厢会在运行 中频繁改变方向。 以上所提到的电梯群控系统的不确定性、扰动性和信息的不完备性、非线性，说明电梯是一 个非常复杂的控制系统。 2.3 电梯系统的目标性 （1）平均候梯时间要求最短 候梯时间是指从乘客按下层站梯按钮到电梯系统派出的电梯 4
    到达该层让乘客进入轿厢所经过的时间。而平均候梯时间是指一段时间内，所有乘客的候梯 时间的平均值，这是评价电梯控制系统性能的重要指标。统计表明，乘客的心理烦躁程度与 候梯时间的平方成正比。当候梯时间超过一分钟时，即所谓长时间候梯时，心理烦躁程度急 剧上升。所以，尽量减少长时间候梯率是电梯系统优良性能的重要指标之一。 （2）平均乘梯时间要求短 乘客的乘梯时间是指从乘客进入电梯到乘客到达目的层乘客 离开的这段时间。乘客乘梯时间的增长往往会使乘客感觉不舒服、烦躁。如去建筑物顶层的 乘客在乘梯时间长于 90 秒时，会对停靠变得极不刑烦，所以乘客的乘梯时间应保持在一个 特定的期限之内。 （3）系统能耗要求低 单台电梯的能耗与所选电梯的驱动方式、机械性能等有关。如 最初的电动机——发电机组能耗比较大，效率较低；而现在的 VVVF 驱动电梯的能耗和效 率都比较高。电梯能耗的消耗特征是：电梯全速运行时所消耗的电能远远低于减速和加速时 的电能消耗。电梯停靠的次数越多。所消耗的电能就越大。对电梯群控系统而言，电梯型号 一经确定，单台电梯一次起停的电能消耗就已经确定。所以电梯群控系统节能主要依靠群控 系统合理地安排与调度梯群对呼梯信号的响应，尽量减少起停次数，同时起停次数的减少也 会延长梯群的整体寿命。 （4）客流的输送能力要求高 电梯的输送能力是电梯的重要指标之一。输送能力的不 足往往会造成乘客的捌挤，平均候梯时间长等不良性能。特别是在上行高峰期，客流密度极 大，需要电梯系统迅速将乘客送往各目的层。 （5）长候梯率要求低 长候梯时问一般是指候梯时间超过 1 分钟的候梯时间。长候梯率是 指长候梯时间发生的百分率。统计表明，乘客的心理烦躁程度是与候梯时间的平方成正比的， 当候梯时间超过 60 秒即所谓长候梯时，其心理烦躁程度急剧上升，所以应尽量减少长候梯 的发生。 （6）预测轿厢到达时间准确率要求高 很多电梯系统配有电梯到达时间显示系统，如果预 测时间不准确，则会造成乘客的不安和烦躁，也会降低系统的整体性能。 以上七点是系统的主要性能评价指标，可知电梯系统是一个多目标控制系统，而且各个目标 之削是相互矛盾的。如拥挤度要求小，会使平均候梯时间增长。平均候梯时间短则会使长时 候梯发生率高。所以各个指标之间的相互平衡成为电梯系统的控制难点。 3.1 传统电梯调度算法 传统电梯调度算法有 5 种，分别是先来先服务算法(FCFS)、最短寻找楼层时间优先算法 (SSTF)、扫描算法(SCAN)、LOOK 算法 SAFT 算法。 3.1.1 先来先服务算法(FCFS) 先来先服务(FCFS-First Come First Serve)算法，是一种随即服务算法，它不仅仅 没有对寻找楼层进行优化，也没有实时性的特征，它是一种最简单的电梯调度算法。它根据 乘客请求乘坐电梯的先后次序进行调度。此算法的优点是公平、简单，且每个乘客的请求都 能依次地得到处理，不会出现某一乘客的请求长期得不到满足的情况。这种方法在载荷较轻 松的环境下，性能尚可接受，但是在载荷较大的情况下，这种算法的性能就会严重下降，甚 至恶化。人们之所以研究这种在载荷较大的情况下几乎不可用的算法，有两个原因： 5
    (1)任何调度算法在请求队列长度为 1 时，请求速率极低或相邻请求的间隔为无穷大时 使用先来先服务算法既对调度效率不会产生影响，而且实现这种算法极其简单。 (2)先来先服务算法可以作为衡量其他算法的标准。 3.1.2 最短寻找楼层时间优先算法(SSTF) 最短寻找楼层时间优先(SSTF-Shortest Seek Time First)算法，它注重电梯寻找楼层 的优化。最短寻找楼层时间优先算法选择下一个服务对象的原则是最短寻找楼层的时间。这 样请求队列中距当前能够最先到达的楼层的请求信号就是下一个服务对象。在重载荷的情况 下，最短寻找楼层时间优先算法的平均响应时间较短，但响应时间的方差较大，原因是队列 中的某些请求可能长时间得不到响应，出现所谓的“饿死”现象。 3.1.3 扫描算法(SCAN) 扫描算法(SCAN)是一种按照楼层顺序依次服务请求，它让电梯在最底层和最顶层之间 连续往返运行，在运行过程中响应处在于电梯运行方向相同的各楼层上的请求。它进行寻找 楼层的优化，效率比较高，但它是一个非实时算法。扫描算法较好地解决了电梯移动的问题， 在这个算法中，每个电梯响应乘客请求使乘客获得服务的次序是由其发出请求的乘客的位置 与当前电梯位置之间的距离来决定的，所有的与电梯运行方向相同的乘客的请求在一次电向 上运行或向下运行的过程中完成，免去了电梯频繁的来回移动。 扫描算法的平均响应时间比最短寻找楼层时间优先算法长，但是响应时间方差比最短寻找楼 层时间优先算法小，从统计学角度来讲，扫描算法要比最短寻找楼层时间优先算法稳定。 3.1.4 LOOK 算法 LOOK 算法是扫描算法的一种改进。对 LOOK 算法而言，电梯同样在最底层和最顶层 之间运行。但当 LOOK 算法发现电梯所移动的方向上不再有请求时立即改变运行方向，而 扫描算法则需要移动到最底层或者最顶层时才改变运行方向。 3.1.5 SAFT 算法 SATF(Shortest Access Time First)算法与 SSTF 算法的思想类似，唯一的区别就是 SATF 算法将 SSTF 算法中的寻找楼层时间改成了访问时间。这是因为电梯技术发展到今天，寻找 楼层的时间已经有了很大地改进，但是电梯的运行当中等待乘客上梯时间却不是人为可以控 制。SATF 算法考虑到了电梯运行过程中乘客上梯时间的影响。 3.1.6 先到先服务算法 “先到先服务’’是调度算法中一种最常用的规则。它通过对对象到达目的地 的先后 次序进行排队，根据排队结果对处于队列位置靠前的对象进行优先服务。一般而言，除非有 6
    特定的情形出现，对象到达服务点的时间越早，所享受服务的 优先权也就越高。 对于电梯调度而言，“先到先服务’’是指对所产生呼梯请求的先后时刻进行排序。系统 将优化响应那些产生时刻较早的呼梯请求。这种调度规则相对而言较为简明、实施方便，但 缺乏对系统所有信息的综合考虑。该规则对局部范围的系 统优化有一定作用，但当系统规 模较大时其优化性能将显著降低。 设当电梯停靠于 8 楼时，9 楼出现了 l0 人下到 1 楼的请求，0.5 秒后 10 楼出现了 2 人下 到 1 楼的请求，此后 5 分钟内没有其它的请求。现设定一组仿真数据如下： 电梯的额定速度 1，为 1.5 米／秒，电梯的加、减速度 a 为 0.7 米／秒 2，电梯的开、关 门时间 T2 为 4 秒，(每个)乘客出、入轿厢的时间 T3 为 1.2 秒，大楼层数 N 为 l0 层，标准楼 层层距，为 3.30 米，轿厢核定载客人数 P 核为 15 人。 说明：如果轿厢从 11 层上行到 n+1 层(或从 n+l 层下行到 n 层)停时，轿厢经历了一个加 速、匀速到减速的过程，因此这段时间为加速时间 t1、匀速时间 t2、 减速时间 t3 之和(因电 梯从静止匀加速到额定速度和从额定速度匀减速到静止是 一个相反的过程，故，t1= t3)。 先计算电梯运行的这段时间： 因为 at1=v 所以 t1=15 7 秒 1 电梯在 t1 时间段内运行的距离 s1= 2 at12=1.61 米 则：电梯在 t3，时间段内运行的距离 s3=1.61 米 又 因 为 电 梯 在 t1 时 段 内 运 行 的 距 离 s1 和 电 梯 在 t3 时 间 段 内 运 行 的 距 离 s3 之 和 为 s1+s3=2*1.61=3.22 米，因该值小于标准楼层层距 3.30 米，所以电梯还有一段匀速运行 的时间 t2： t2=（l-s1-s3）/v= 4 75 秒 所以轿厢从 n 层上行到 n+1 层(或从 n+l 层下行到 n 层)停时所需时间为： T1=t1+t2+t3=4.34 秒 如果电梯从 n 层上行到 n+m 层(或从 n+m 层下行到 n 层)停，中间没有停 站时所需时间为： t4=4.34+[(n+m)-n-1]l/v=4.34+(m+1)*3.30 1.5 秒 按照先来先服务的调度算法，电梯调度过程如下： 7
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