利用OO方法實(shí)現(xiàn)電梯控制系統(tǒng)的模擬

陳紀(jì)龍 孟洪兵

1 電梯模擬系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑物的高層化已成為現(xiàn)代城市的標(biāo)志。電梯作為上下運(yùn)輸工具，承擔(dān)著大量的人流和物流的輸送，其作用在建筑物中至關(guān)重要。近年來，國內(nèi)外的電梯生產(chǎn)技術(shù)得到了迅速發(fā)展。一些電梯生產(chǎn)商也在不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)、修改工藝、更新?lián)Q代，生產(chǎn)新型的電梯［1］。電梯系統(tǒng)主要分為控制系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)兩大部份，隨著自動(dòng)控制理論與微電子技術(shù)的發(fā)展，電梯的控制手段與拖動(dòng)方式均發(fā)生了很大的變化，交流調(diào)速是當(dāng)前電梯拖動(dòng)的主要發(fā)展方向。目前電梯控制系統(tǒng)主要有三種控制方式:微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、繼電器邏輯控制系統(tǒng)。微機(jī)控制系統(tǒng)雖在智能控制方面有較強(qiáng)的功能［2］，但也存在抗干擾性差、系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜、一般維修人員難以掌握其維修技術(shù)等缺陷;PLC控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)簡單，但成本比較高，硬件設(shè)計(jì)也不夠靈活［3］;繼電器控制系統(tǒng)由于故障率高、可靠性差、控制方式不靈活以及消耗功率大等缺點(diǎn)，目前已逐漸被淘汰［4］。綜上所述，本研究采用面向?qū)ο蠓椒▽?shí)現(xiàn)電梯控制系統(tǒng)的模擬，程序簡單，運(yùn)行方便，成本低。通過本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可進(jìn)一步加深對面向?qū)ο蠹夹g(shù)的理解和掌握，對于完善其控制功能具有重要意義。

2 研究目的和意義

本研究的目標(biāo)是模擬電梯控制系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)了電梯調(diào)度算法及調(diào)度策略，利用Java語言作為開發(fā)工具［5］，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的界面、功能模塊設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)主要模擬電梯內(nèi)部的數(shù)字鍵及對應(yīng)的操作，電梯開門、關(guān)門按鈕及其相應(yīng)操作，電梯外部上下行按鈕及其操作，電梯當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的顯示，電梯到達(dá)相應(yīng)樓層后開關(guān)門的提示音等。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，操作簡單，效果良好，建模方法具有一定的通用性［6］。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想與方法對實(shí)際電梯的運(yùn)行具有一定的指導(dǎo)意義［7］。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

一臺電梯對應(yīng)一個(gè)控制系統(tǒng)，一個(gè)轎箱，有N個(gè)樓層。每個(gè)樓層對應(yīng)一個(gè)電梯門，當(dāng)在某樓層接受到閉門、開門信號時(shí)，將執(zhí)行相應(yīng)操作，若電梯門處于打開狀態(tài)，且未收到閉門信號，等待一段時(shí)間后，電梯門仍將自動(dòng)關(guān)閉。(本系統(tǒng)中N=6)

3.1 系統(tǒng)性能需求分析

方向檢測:是通過電梯初始所在樓層和目標(biāo)樓層來確定電梯的運(yùn)動(dòng)方向的檢測。

目標(biāo)樓層:將多用戶同時(shí)所請求的不同樓層按照優(yōu)先級的高低進(jìn)行排序所得到的電梯當(dāng)前要執(zhí)行的樓層。

暫?？刂?當(dāng)電梯接收到超重信號時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號，同時(shí)電梯保持開門，直到超重信號消失才會恢復(fù)正常的這樣一種狀態(tài)。

開門和關(guān)門按鈕:在電梯內(nèi)部有開門和關(guān)門的按鈕，開門按鈕能夠延遲關(guān)門時(shí)間讓乘客進(jìn)入或走出電梯，關(guān)門按鈕可以加速電梯關(guān)門讓電梯進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，節(jié)省時(shí)間。

向上按鈕和向下按鈕:除最低層和最頂層只有一個(gè)按鈕外，每個(gè)樓層都有兩個(gè)按鈕，分別指示上樓請求和下樓請求。

樓層按鈕:每個(gè)電梯里面都有一些按鈕，每個(gè)按鈕對應(yīng)一個(gè)樓層。

優(yōu)先處理:在遇到有沖突請求的情況下，如果兩樓層同時(shí)發(fā)出請求，可以讓電梯正常運(yùn)行，按照優(yōu)先級的高低進(jìn)行排序，從而按照排序執(zhí)行相應(yīng)的請求。

3.2 系統(tǒng)邏輯需求分析

3.2.1 電梯的初始狀態(tài)是位于第一層，所有按鈕都沒有被按下，電梯門處于關(guān)閉狀態(tài)。

3.2.2 乘客可以在任意時(shí)刻按任何一個(gè)目標(biāo)樓層按鈕和呼叫按鈕。假設(shè)乘客在某一時(shí)刻按下某按鈕，則此時(shí)將存在以下情況:

3.2.2.1 呼叫和目標(biāo)對應(yīng)的樓層可能是電梯當(dāng)前運(yùn)行方向可達(dá)到的樓層，則按電梯調(diào)度算法的相關(guān)策略處理。

3.2.2.2 呼叫和目標(biāo)對應(yīng)的樓層可能不是電梯當(dāng)前運(yùn)行方向可達(dá)到的樓層，也按電梯調(diào)度算法的相關(guān)策略處理。

3.2.2.3 如果電梯正好經(jīng)過第n層，且第n層不是最上層或最下層，則出于安全考慮，不再響應(yīng)此時(shí)所發(fā)出第n層的呼叫和目標(biāo)請求。

3.2.2.4 乘客按下錯(cuò)誤按鈕:電梯在運(yùn)行時(shí)，乘客按下開門或閉門按鈕，不響應(yīng)該請求。

3.3 算法設(shè)計(jì)

電梯模擬系統(tǒng)的核心是電梯調(diào)度算法。該算法的基本思想是:本研究設(shè)計(jì)了一部電梯，通過往返尋找路徑的方法，即先查詢電梯運(yùn)行方向的樓層是否有其他按鍵被按下，有就將該請求加入到電梯請求的隊(duì)列中并按距離最短進(jìn)行排序，并一一到達(dá)相應(yīng)請求樓層。如果沒有就查詢電梯運(yùn)行反方向的樓層是否有按鍵被按下，如果有電梯就改變方向，反向運(yùn)行。如果沒有電梯就停止在該樓層。同時(shí)，電梯乘客所去的樓層方向與電梯當(dāng)前方向一致的話，則電梯優(yōu)先搭載該乘客，等響應(yīng)當(dāng)前方向的請求后，再搭載去反方向的乘客，實(shí)現(xiàn)電梯的升降操作。

本研究運(yùn)用以下兩個(gè)策略，配合電梯調(diào)度算法使用:

3.3.1 確定新目標(biāo)樓層的策略:

如果電梯向上(下)運(yùn)行，當(dāng)它到達(dá)某個(gè)目標(biāo)樓層后，則依照以下順序確定下一個(gè)目標(biāo)樓層:

3.3.1.1 如果比當(dāng)前層高(低)的樓層有向上(下)呼叫或者目標(biāo)，那么以最低(高)的高(低)于當(dāng)前樓層的，有向上(下)呼叫或者目標(biāo)的樓層為目標(biāo)樓層。

3.3.1.2 如果無法確定目標(biāo)樓層，那么以最高(低)的向下(上)呼叫所在樓層為電梯當(dāng)前目標(biāo)樓層。

3.3.1.3 如果仍然不能確定目標(biāo)樓層(此時(shí)實(shí)際上沒有任何呼叫和目標(biāo))，那么電梯無目標(biāo)運(yùn)行暫停。

3.3.2 修改目標(biāo)樓層的策略:

3.3.2.1 如果電梯運(yùn)行方向向上，那么如果新到一個(gè)介于當(dāng)前電梯所處樓層和目標(biāo)樓層之間，又可以安全到達(dá)的向上呼叫或者目標(biāo)，將目標(biāo)樓層修改為這個(gè)新的樓層。

3.3.2.2 如果電梯運(yùn)行方向向下，那么如果新到一個(gè)介于當(dāng)前電梯所處樓層和目標(biāo)樓層之間，又可以安全到達(dá)的向下呼叫或者目標(biāo)，將目標(biāo)樓層修改為這個(gè)新的樓層。

3.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)需求分析，電梯默認(rèn)狀態(tài)是?？吭谝粯?，要使電梯運(yùn)行起來，需要用戶按下電梯按鈕，電梯啟動(dòng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電梯啟動(dòng)功能結(jié)構(gòu)圖

3.5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

根據(jù)需求分析，為了表達(dá)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖及狀態(tài)轉(zhuǎn)換，本文給出了電梯模擬系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖，如圖2所示。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施

4.1 功能模塊設(shè)計(jì)

電梯模擬系統(tǒng)主要包含6個(gè)模塊，各模塊及其功能描述如下:

4.1.1 主程序模塊:是整個(gè)系統(tǒng)的入口，通過調(diào)用各個(gè)功能模塊，實(shí)現(xiàn)程序主界面的顯示以及電梯基本功能的實(shí)現(xiàn)。

4.1.2 電梯內(nèi)部控制模塊:負(fù)責(zé)電梯內(nèi)部數(shù)字按鈕及開門關(guān)門按鈕的顯示，以及相應(yīng)按鈕被按下觸發(fā)的事件的處理操作。

4.1.3 電梯外部控制模塊:主要負(fù)責(zé)電梯外部上下行按鈕的顯示，以及按鈕被按下時(shí)觸發(fā)的事件的處理操作。

4.1.4 電梯調(diào)度模塊:負(fù)責(zé)電梯的調(diào)度算法，通過把內(nèi)外按鈕觸發(fā)的相應(yīng)請求進(jìn)行分析，按照調(diào)度算法將請求隊(duì)列重新排序。

4.1.5 等待隊(duì)列模塊:存放將要執(zhí)行的到達(dá)相應(yīng)樓層的請求隊(duì)列。

4.1.6 顯示模塊:主要負(fù)責(zé)程序界面的顯示、到達(dá)相應(yīng)樓層的顯示，動(dòng)畫圖像的顯示等。

圖2 電梯模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

4.2 系統(tǒng)主要類設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包括8個(gè)類，每個(gè)類的功能簡述如表1所示:

表1 類的功能簡述表

4.3 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)考慮到現(xiàn)實(shí)中電梯實(shí)物的普遍色彩是銀灰色的，為了與真實(shí)電梯更相近，于是主要選擇了銀灰色為主要色系，另外搭配按鈕變換時(shí)的黑色與紅色，以及為了區(qū)別電梯開關(guān)狀態(tài)采用的金色圖案，總體界面遵循簡潔美觀的原則。選用銀色、黑色、紅色及金色圖案，撐起整個(gè)窗口界面。

5 本文關(guān)鍵技術(shù)—雙緩沖技術(shù)

5.1 閃爍產(chǎn)生原因

系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先調(diào)用重載后的paint(Graphics g)函數(shù)，在窗口上繪制圖像，繪圖線程啟動(dòng)后，該線程每隔25ms修改一下圖像的位置，然后調(diào)用repaint()函數(shù)。repaint()函數(shù)先調(diào)用 update(Graphics g)函數(shù)，update(Graphics g)再調(diào)用paint(Graphics g)函數(shù)。問題就出在update(Graphics g)函數(shù)，先用背景色覆蓋整個(gè)組件，然后再調(diào)用paint(Graphics g)函數(shù)，重新繪制屏幕圖像。這樣，每次看到的都是一個(gè)在新的位置上繪制的圖像，前面的窗口都被背景色覆蓋掉了，正是這種先用背景色覆蓋組件再重繪圖像的方式導(dǎo)致了閃爍。在兩次看到不同位置圖像的中間時(shí)刻，總是存在一個(gè)在短時(shí)間內(nèi)被繪制出來的空白畫面(顏色取背景色)。

5.2 雙緩沖技術(shù)解決閃屏問題

本系統(tǒng)中雙緩沖技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是通過改寫paint()方法和update()方法，從而實(shí)現(xiàn)每次窗口刷新的時(shí)候都會重新計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)，以此獲得圖片尺寸，然后再將繪制好的圖片顯示到當(dāng)前窗口。

6 程序測試

主要測試電梯是否能夠正常上下運(yùn)動(dòng)，達(dá)到電梯必須滿足的功能:即系統(tǒng)獲得多用戶的請求后，將指令傳遞到應(yīng)用接口，在系統(tǒng)的規(guī)定等待時(shí)間段里，如果沒有特殊請求(開門、關(guān)門按鈕)，電梯門則自動(dòng)關(guān)閉，然后將獲得的請求經(jīng)過優(yōu)先處理得到當(dāng)前電梯所要去的首目的樓層，結(jié)合電梯當(dāng)前樓層判斷出電梯要做向上還是向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而將指令傳遞給上下運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，從而驅(qū)動(dòng)電梯上下運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)上下樓的目的。部分測試摘要如下。

功能測試1:程序運(yùn)行后的初始界面，電梯默認(rèn)停留在一樓，并且沒有任何請求，電梯處于?？繝顟B(tài)，當(dāng)電梯接受相應(yīng)的請求后，啟動(dòng)，進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。圖3顯示了電梯在第一層接受到達(dá)2、5、6層向上請求時(shí)，相應(yīng)按鈕變亮，進(jìn)入電梯門關(guān)閉狀態(tài)的界面。

功能測試2:電梯到達(dá)2樓后2樓按鈕變暗，圖4為電梯開門狀態(tài)截圖，并將繼續(xù)執(zhí)行下面未完成的請求。

圖3 電梯門關(guān)閉狀態(tài)圖

圖4 電梯到達(dá)2樓狀態(tài)圖

功能測試3:電梯接受不同樓層的向上請求測試。圖5為電梯在1樓轎箱內(nèi)接受到達(dá)3樓和6樓的請求，同時(shí)在3樓、4樓和5樓接受向上的請求，電梯按照調(diào)度算法分別到達(dá)3樓、4樓、5樓和6樓。

功能測試4:此時(shí)電梯停靠在6樓，在轎箱內(nèi)分別接受去2樓和1樓的請求，同時(shí)5樓、4樓也有向下的請求。經(jīng)過測試電梯會按照運(yùn)行方向分別到達(dá)5樓、4樓、2樓和1樓，完成的請求相應(yīng)圖標(biāo)變暗。圖6為電梯到達(dá)2樓開門的狀態(tài)圖。

圖5 功能測試3狀態(tài)圖

圖6 電梯到達(dá)2樓開門的狀態(tài)圖

7 小結(jié)

經(jīng)過測試，電梯運(yùn)行良好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)和要求。同時(shí)，在測試過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，比如，在加載圖片較多時(shí)，程序啟動(dòng)比較慢;鼠標(biāo)事件較多時(shí)，系統(tǒng)不知如何響應(yīng)等。隨著研究的進(jìn)一步深入，對于上述問題將給出相應(yīng)的解決方案。

［1］ 陳光磊.電梯呼顯示系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［D］.中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫，2010，6(02):20－30.

［2］ 陳福蘭，杜虹.淺析電梯并聯(lián)運(yùn)行的幾種調(diào)度方法