電梯交通配置自動(dòng)優(yōu)化方法

摘要： 隨著高層及超高層建筑的不斷增多，電梯交通配置越來(lái)越受到人們的重視，與此同時(shí)，由于建筑物復(fù)雜程度的增加，需要更加嚴(yán)格和準(zhǔn)確的電梯交通配置方法，本文在傳統(tǒng)的配置方法基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，并提出一系列明確的規(guī)則束，結(jié)合現(xiàn)代高層建筑的特點(diǎn)，增加了約束條件，使電梯交通配置能夠迅速準(zhǔn)確地得到最優(yōu)結(jié)果。該方法與類(lèi)似的方法以及傳統(tǒng)的解析方法進(jìn)行了比較，結(jié)果表明該方法有效.

關(guān)鍵字：電梯交通配置；行程時(shí)間；間隔時(shí)間；數(shù)量；容量；速度

一、傳統(tǒng)性能參數(shù)

傳統(tǒng)交通配置方法中，選擇電梯系統(tǒng)最常用的參數(shù)就是電梯相繼到達(dá)大廳的間隔時(shí)間，該值作為最重要的性能參數(shù)長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)被廣泛應(yīng)用。

間隔時(shí)間INT是指載有任意荷載的電梯相機(jī)到達(dá)門(mén)廳的平均間隔時(shí)間[1]， 隨著電梯技術(shù)的發(fā)展，將間隔時(shí)間作為配置結(jié)果的評(píng)價(jià)參數(shù)已經(jīng)逐漸顯現(xiàn)其不足：

1）間隔時(shí)間作為評(píng)價(jià)參數(shù)通常用于常規(guī)的控制系統(tǒng)，此時(shí)乘客可以登上下一個(gè)到達(dá)大廳的電梯，但是當(dāng)群控系統(tǒng)為大廳目的地控制系統(tǒng)時(shí)，乘客的行為受限，他只適合登上指定的轎廂，該轎廂可能并不是下一個(gè)到達(dá)大廳，間隔時(shí)間就此乘客而言可能并沒(méi)有意義。

2）用于雙層轎廂系統(tǒng)時(shí)，如果某乘客去往偶數(shù)樓層，必須先通過(guò)樓梯或者自動(dòng)扶梯到達(dá)指定的登梯大廳[2]，這個(gè)過(guò)程所消耗的時(shí)間不能直接加到間隔時(shí)間上去。類(lèi)似的，在空中走廊系統(tǒng)中，去往高層的乘客需要經(jīng)歷兩段行程，乘客的行程無(wú)法用間隔時(shí)間來(lái)衡量，也不能簡(jiǎn)單的當(dāng)作兩個(gè)獨(dú)立行程的獨(dú)立間隔時(shí)間來(lái)看待。

3）間隔時(shí)間作為性能指標(biāo)是建立在轎廂系統(tǒng)的角度上而不是從乘客的角度出發(fā)的。盲目使用間隔時(shí)間作為衡量系統(tǒng)的指標(biāo)而忽略了控制系統(tǒng)的類(lèi)型、交通模式和系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)以及乘客的實(shí)際行程，這是導(dǎo)致出現(xiàn)前兩個(gè)缺點(diǎn)的直接原因。

綜上，傳統(tǒng)性能參數(shù)間隔時(shí)間INT的這些缺點(diǎn)是因?yàn)樵搮?shù)主要集中在電梯相繼到達(dá)大廳的時(shí)間，而忽略了乘客因素，因此，需要重新建立新的以乘客為中心的性能參數(shù)。

二、新的性能指標(biāo)

最具有代表性的從乘客角度出發(fā)的參數(shù)就是等待時(shí)間。由于乘客的到達(dá)時(shí)間是隨機(jī)的，因此等待時(shí)間也是隨機(jī)的，就某名乘客而言，最少的等待時(shí)間為0，最長(zhǎng)的等待時(shí)間可能要超過(guò)間隔時(shí)間INT[3]，該值一般通過(guò)仿真模擬得到，與乘客數(shù)量以及間隔時(shí)間相關(guān)。

分析傳統(tǒng)性能參數(shù)的不足，綜合考慮乘客平均等待時(shí)間和在電梯中的運(yùn)行時(shí)間是比較妥當(dāng)?shù)模虼吮疚膶⒊丝涂偟男谐虝r(shí)間JT作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)時(shí)間代表了乘客從等待電梯到在目的層走出電梯之間所花費(fèi)的總時(shí)間，可作為衡量與比較現(xiàn)代高層與超高層建中電梯系統(tǒng)各配置方案優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。

雖然現(xiàn)在還沒(méi)有一個(gè)能被廣泛接受的乘客為中心的理論，但是隨著高層建筑的越來(lái)越普遍，改進(jìn)系統(tǒng)性能指標(biāo)將是大勢(shì)所趨，最典型的嘗試就是“30/60/90規(guī)則”。

三、最優(yōu)配置的條件

近些年，由于高層建筑發(fā)展使其內(nèi)部電梯系統(tǒng)復(fù)雜程度的增加，導(dǎo)致電梯運(yùn)行周期的各組成部分大小發(fā)生了很大改變，例如相同處理量時(shí)，目的層控制系統(tǒng)的等待時(shí)間會(huì)比傳統(tǒng)轎廂等待時(shí)間要長(zhǎng)，但是其行程時(shí)間卻遠(yuǎn)小于后者，所以在考慮配置結(jié)果是否最優(yōu)時(shí)，若以乘客在轎廂中的平均行程時(shí)間ATT也作為一個(gè)約束條件，將會(huì)更加符合電梯交通的狀態(tài)，使配置結(jié)果更具有說(shuō)服力。

有數(shù)據(jù)顯示，由于高層建筑的迅速發(fā)展，60s的平均行程時(shí)間限制是很難達(dá)到的，這是與建筑物高度的增加密切相關(guān)的，經(jīng)過(guò)查閱多方案例，本文提出可將此限制提高至90s，若超過(guò)90s將會(huì)導(dǎo)致乘客在轎箱內(nèi)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而出現(xiàn)煩躁等不良情緒，從而影響乘客對(duì)電梯服務(wù)的滿意度，此時(shí)，可考慮分區(qū)或提高電梯速度等手段來(lái)減小平均行程時(shí)間ATT。

綜上所述，最優(yōu)配置的結(jié)果應(yīng)該滿足以下條件：

（1） 實(shí)際間隔INT應(yīng)小于等于目標(biāo)間隔INTtar，但由于電梯數(shù)量必須為整數(shù)，所以等號(hào)不一定成立，故滿足小于即可；

（2） 實(shí)際的5分鐘乘客處理量HC%應(yīng)等于期望到達(dá)率AR%，但并不要求精確相等，經(jīng)四舍五入達(dá)約等即可。

（3） 乘客在電梯中的平均行程時(shí)間ATT應(yīng)小于90s的時(shí)間限制。

四、自動(dòng)優(yōu)化配置方法設(shè)計(jì)

電梯交通配置包括選擇合適的電梯數(shù)量、轎廂容量以及速度來(lái)滿足建筑物的需求，需要注意的是，最優(yōu)的配置結(jié)果應(yīng)該要考慮到成本的最小化，而電梯系統(tǒng)中，成本被下列幾個(gè)參數(shù)直接影響，故應(yīng)保證以下幾個(gè)值取最小，其按重要性先后順序來(lái)排列為：電梯數(shù)量、電梯速度、電梯容量。即當(dāng)兩個(gè)配置結(jié)果比較，應(yīng)選取電梯數(shù)量較小的配置結(jié)果；電梯數(shù)量一樣時(shí)要選擇速最小的結(jié)果；當(dāng)前兩者都一樣時(shí)，必須要選擇電梯容量較小的結(jié)果。

4.1 電梯數(shù)量的優(yōu)化

電梯配置方法基于計(jì)算單臺(tái)電梯在上行高峰交通狀況下往返一次的運(yùn)行周期RTT： （1）

1）由建筑內(nèi)總?cè)藬?shù)及期望到達(dá)率可得每秒到達(dá)率： （2）

2）目標(biāo)間隔為INTtar，則實(shí)際的五分鐘到達(dá)人數(shù)： （3）

3）此時(shí)的P0為轎箱內(nèi)乘客的初次估計(jì)量，根據(jù)此值及建筑物參數(shù)，代入到公式（1）中，可得一個(gè)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行周期RTT0。間隔區(qū)間是用電梯數(shù)量來(lái)均分RTT之后得到的，反之，此時(shí)已知目標(biāo)間隔INTtar，可以得到一個(gè)電梯數(shù)量的大概值，將此值向右取整之后所得結(jié)果即為初次估計(jì)的電梯數(shù)量： （4）

4）由于L經(jīng)過(guò)（4）式后取大，使得實(shí)際的間隔時(shí)間INT要小于目標(biāo)間隔INTtar，此時(shí)需要重新估計(jì)間隔時(shí)間，得新的間隔： （5）

5）而改變了間隔時(shí)間之后，實(shí)際的五分鐘達(dá)到人數(shù)也隨之發(fā)生改變，由此可得新的轎箱內(nèi)乘客數(shù)量值： （6）

6）P1為估算運(yùn)行周期RTT的一個(gè)新值，再代入公式（1）可得到RTT1。

7）此次計(jì)算使用的是經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的電梯數(shù)量L，新的RTT1必將產(chǎn)生一個(gè)更加確切的到達(dá)間隔INT1，根據(jù)間隔時(shí)間INT1和到達(dá)人數(shù)P1可估計(jì)乘客的平均等待時(shí)間： （7）

8）而乘客從進(jìn)入門(mén)廳到到達(dá)目的地之后走出電梯所用的總的時(shí)間JT可用如下公式估算[4]： （8）

到此為止完成一次配置結(jié)果，將INT1重新賦值給INT0，然后方程（4）至（8）進(jìn)行多次循環(huán)，直到配置結(jié)果JT達(dá)到收斂條件，一般可取0.001s。

9）判斷是否滿足最優(yōu)配置約束條件。

4.2 最優(yōu)轎廂容量的選擇

經(jīng)過(guò)上述的優(yōu)化過(guò)程得到轎箱內(nèi)實(shí)際乘客數(shù)量P1，但是不能直接根據(jù)該值來(lái)選取轎廂容量，因?yàn)樵趯?shí)際運(yùn)行中當(dāng)電梯的平均載重量大于額定載重量的80%時(shí)，可能會(huì)由于引起等候時(shí)間加長(zhǎng)出現(xiàn)排隊(duì)現(xiàn)象而導(dǎo)致的電梯系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量下降，實(shí)際乘客數(shù)量為轎廂容量的80%時(shí)最好，則可得到最優(yōu)的轎廂容量： （9）

轎廂容量有幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值，一般取值8、10、13、16、21和26，因此由（9）得到的結(jié)果還應(yīng)就近選擇一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)容量，當(dāng)然，所選擇的額定荷載必須是要大于實(shí)際的乘客數(shù)量。

4.3 電梯速度的優(yōu)化

電梯的額定速度一般有以下幾個(gè)選擇：1.6m/s；2.0m/s；2.5m/s；3.15m/s；4.0m/s等，上述的配置過(guò)程是在已知電梯速度的前提下進(jìn)行的，當(dāng)自由選擇電梯速度時(shí)，一般要求從最低層運(yùn)行到最高層時(shí)間不超過(guò)20秒，用大樓總高度除以20s可得一個(gè)速度，然后就近選擇一個(gè)額定的電梯速度[5]。由于高層建筑的不斷增加，可適當(dāng)放寬時(shí)間限制至25s或30s，但是不建議再繼續(xù)增加，因?yàn)殡娞輰?shí)際運(yùn)行中并不是一直以額定速度運(yùn)行，加速過(guò)程和減速過(guò)程使運(yùn)行時(shí)間將遠(yuǎn)大于30s，此時(shí)要提高電梯系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量，可采取分區(qū)等手段。

五、案例分析

某辦公大樓，各層人數(shù)相等且總?cè)藬?shù)為550人，大廳上共10層，層高均為4.5m，取電梯的間隔時(shí)間為30s，乘客到達(dá)率為12%。

電梯參數(shù)如下：

電梯額定速度：v=1.6m/s；電梯加速度：a =1m/s；電梯加速度變化率：j=1m/s；電梯開(kāi)門(mén)時(shí)間：tdo=2s；電梯關(guān)門(mén)時(shí)間：tdc=3s；延遲啟動(dòng)時(shí)間：tsd=1s；提前開(kāi)門(mén)時(shí)間：tao=0.5s；乘客進(jìn)出電梯時(shí)間：tpi=tpo=1.2s

將以上數(shù)據(jù)作為程序的輸入，經(jīng)過(guò)上述自動(dòng)配置過(guò)程，得到的配置與文獻(xiàn)[5]的配置結(jié)果比較如下：

表1 配置結(jié)果比較

經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的配置方法顯示電梯運(yùn)行周期、乘客平均行程時(shí)間以及乘客的等待時(shí)間都有所減少，說(shuō)明改進(jìn)后的方法是可行的。

六、總結(jié)

相對(duì)于傳統(tǒng)配置方法中以電梯系統(tǒng)為中心的性能指標(biāo)，本文提出以乘客的總行程時(shí)間作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，這種新的視角是從乘客的切身感受出發(fā)的，同時(shí)也更能反映在現(xiàn)代高層建筑中電梯系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。提出最優(yōu)的電梯配置需要滿足的條件及實(shí)現(xiàn)步驟，通過(guò)清晰的定義配置的相關(guān)規(guī)則，編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算，不斷修正所得結(jié)果，找出其中的最優(yōu)配置，設(shè)計(jì)者只需要輸入相關(guān)參數(shù)，即可得到一組最好的配置結(jié)果，案例分析顯示該方法可行。

參考文獻(xiàn)

[1] G.C.Barney. Elevator Traffic Analysis Design and Control[M]. 1993.

[2] W.H.Wuhrman；Paliath Mohandas.Planning double deck elevator systems[J].Consluting engineer.1970.12.70-73.

[3] 朱德文.電梯交通系統(tǒng)的智能控制與應(yīng)用[M].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)出版社.2002.

[4]Siikonen M.L.Planning and control models for elevators in high-rise building[D].Helsinki University of Technology.1997.

[5]Al-Sharif，lutfi.Automated optimal design methodology of elevator systems using rules and graphical methods（the HARint plane[J].Building services engineering research and technology.2011.7（17）：11-34.