群控電梯目的層調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計

蔡曉霞，俞立峰

(1.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機學(xué)院，浙江 紹興 312000)

群控電梯目的層調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計

蔡曉霞1，俞立峰2

(1.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機學(xué)院，浙江 紹興 312000)

摘要：針對現(xiàn)有群控系統(tǒng)在呼梯和調(diào)度上存在的候乘梯時間不明確、客流量分配不合理等弊端，提出了一種基于多目標調(diào)度算法和RS485多主從模式通訊技術(shù)的新型群控電梯目的層調(diào)度系統(tǒng).該系統(tǒng)以德國奔克公司的bp304主板為電梯主控制系統(tǒng)，以群控模塊為數(shù)據(jù)處理核心，以迪文公司的觸摸屏為目的層呼梯裝置，以轎廂通訊板為電梯運行狀態(tài)收集器搭建而成.實驗證明，新型群控系統(tǒng)能夠明顯改善系統(tǒng)的呼梯和調(diào)度性能.

關(guān)鍵詞：群控電梯系統(tǒng)；RS485總線；同步；群控算法；目的層調(diào)度

中圖分類號：T273

文獻標志碼：A

文章編號：1006-4303(2015)01-0052-06

Elevator group control destination scheduling system

CAI Xiaoxia1, YU Lifeng2

(1.School of Mechatronics Engineering, Shaoxing Vocational & Technical College, Shaoxing 312000, China;

2.Computer Department of Zhejiang Industry Polytechnic College, Shaoxing 312000, China)

Abstract:Aiming at some disadvantages which refer to the uncertain riding time and the unreasonable passenger flow distribution on the calling and the scheduling of the existing group control system, this paper proposes a new elevator group control system based on the multi-objective scheduling algorithm and the RS485 multiple master-slave mode communication technology. The system uses the Germany bp304 board as the elevator master control system, the designed control module as the data processing core, the touch-screen as the calling device of the destination and the car communication board as the collector of the elevator operation state. The experiment proves that the new group control system can improve the performance of the calling and the scheduling significantly.

Keywords:the elevator group control system; RS485 bus; synchronization; group algorithm; destination scheduling

電梯作為一種重要的交通工具，在人們生活中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，為了提升電梯執(zhí)行效率，建筑物往往需要使用多臺電梯來完成群控調(diào)度.群控是指用微機對集中排列的、共用層站召喚信號的多臺電梯所進行的集中控制[1].群控電梯調(diào)度的實現(xiàn)要根據(jù)各臺電梯的運行方向、轎廂當前位置、呼梯信號等因素來分析計算得出結(jié)果的[2].傳統(tǒng)目的層呼梯方式是通過外召板和轎廂通訊板二次輸入信號來得到的，這種方式存在著呼梯不簡便、乘客候梯和乘梯時間不明確、客流量分配不合理等弊端[3]，因此目的層群控調(diào)度的優(yōu)化越來越成為人們討論和研究的重點.

與外召板呼梯方式不同，目的層呼梯是指乘客在層站候梯時，通過觸摸屏預(yù)約目的層，群控模塊根據(jù)電梯群的運行狀態(tài)和群控調(diào)度原則得出響應(yīng)梯編號，并將結(jié)果信號告知主板，與此同時，觸摸屏會顯示信息提示乘客乘坐響應(yīng)梯.這種控制方式成功地實現(xiàn)了觸摸屏操作人性化、目的層預(yù)約明確化、群控調(diào)度合理化等目標.

1系統(tǒng)設(shè)計和分析

1.1硬件平臺簡介

本系統(tǒng)采用德國進口的奔克bp304主板作為主控制系統(tǒng)，bp304控制系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)輸入輸出I/O模塊、驅(qū)動功率接觸器、門控制接觸器、井道信號系統(tǒng)、轎廂內(nèi)應(yīng)急照明單元、安全開關(guān)模塊、提前開門及開門再平層模塊等部分組成[4]，采用了3個32位工業(yè)級微處理器，增強了運行速度和性能，能最大限度支持64層8臺電梯群控.

1.2群控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

典型的群控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有星型和環(huán)型兩種.電梯星型群控系統(tǒng)如圖1所示，典型的群控系統(tǒng)有三菱群控系統(tǒng)和日立群控系統(tǒng).

圖1　星型群控電梯技術(shù)框圖Fig.1　The diagram of the star group control elevator

電梯環(huán)型群控系統(tǒng)如圖2所示，典型的群控系統(tǒng)有奧的斯群控系統(tǒng)和德國奔克群控系統(tǒng).

圖1和圖2中，每臺電梯配有一個主控板，n臺(n≥3)電梯配有k組外召板(1≤k≤n)，即每臺電梯可以配有1組外召板，也可以多臺電梯共用一組外召板；一組外召板的個數(shù)m等于樓層數(shù).星型群控系統(tǒng)只有一個群控器，屬于集中式控制，但是當群控器發(fā)生故障時，星型群控系統(tǒng)容易癱瘓.環(huán)型群控系統(tǒng)改變了集中控制模式，減小了群控系統(tǒng)整體癱瘓的概率，但是環(huán)型系統(tǒng)在電梯數(shù)量較多時，信息傳遞將嚴重滯后.

圖2　環(huán)型群控電梯技術(shù)框圖Fig.2　The diagram of the ring group control elevator

星型和環(huán)型系統(tǒng)在可靠性、實時性、合理性方面均沒有達到很好的效果.為了進一步優(yōu)化群控系統(tǒng)，將一種基于目的層調(diào)度的新型群控技術(shù)運用于系統(tǒng).新型群控系統(tǒng)框圖如圖3所示.

圖3　新型群控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3　The diagram of new control system

新型群控系統(tǒng)的每臺電梯配有一個主控板，每個主控板配有一個群控模塊，群控模塊不僅是所有功能模塊的連接中心，還是所有功能模塊的控制核心.n臺(n≥3)電梯配有k組觸摸屏(1≤k≤n).

新型群控系統(tǒng)主要采用TTL和RS485兩類通訊接口.群控模塊通過TTL方式連接于主板的SP2接線端口，接收主板發(fā)送的數(shù)據(jù)幀并回復(fù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀.RS485總線一般默認為主從模式，在一主多從通訊中，主機發(fā)起請求，從機回應(yīng)[5].但是在群控系統(tǒng)中，采用一主多從模式且當主機出現(xiàn)故障時，容易出現(xiàn)無主狀態(tài)，導(dǎo)致通訊失敗.因此，筆者把用于群控通訊的RS485“一主多從?！鞭D(zhuǎn)換為“多主從”，即每個群控模塊在各自規(guī)定的時間范圍內(nèi)成為主機，而其余群控模塊便成為從機，群控模塊的多主從模式如圖4所示.其中：t1,t3,…,t(2n-1)為每個群控模塊開始中斷發(fā)送數(shù)據(jù)幀的規(guī)定時間點；t2,t4,…,t2n為每個群控模塊中斷發(fā)送數(shù)據(jù)幀的結(jié)束點；ts為一個群控模塊發(fā)送一幀數(shù)據(jù)所需的時間；tf為一個模塊發(fā)送結(jié)束至下個模塊發(fā)送開始的時間間隔.

圖4　群控模塊的多主從模式Fig.4　The multi master-slave control module

1.3群控系統(tǒng)的通訊時序同步分析

群控通訊需要解決的是群控模塊間的同步性問題.由于每個主芯片的時鐘存在一定的差別，即使同時開啟時鐘計數(shù)，群控模塊間的計數(shù)值也會不同，而且差值越來越大，此時，就需要通過同步來減小差值，在圖4的t1時刻，1號群控模塊開始發(fā)送，其余群控模塊接收1號發(fā)送的數(shù)據(jù)；在t2時刻，1號群控模塊發(fā)送完畢，與此同時，其余群控模塊也幾乎接收完成1號發(fā)送的數(shù)據(jù).本系統(tǒng)設(shè)定同步時間點為群控模塊接收完成后的時間，即為圖4的t2，t4，t6，t2n.例如，當1號模塊數(shù)據(jù)發(fā)送完成，即2-n號模塊接收完成時，將時鐘調(diào)整為t2，其余以此類推.這樣能夠有效防止總線信息的堵塞.群控模塊間的同步可分為啟動時同步和正常工作時同步兩個階段.

啟動時同步：上電啟動時，每個群控模塊需使能主芯片的串口接收中斷，并檢測RS485總線上是否有數(shù)據(jù).如果在規(guī)定的時間內(nèi)接收到總線數(shù)據(jù)，則表明電梯處于群控環(huán)境中，因此當其接收完成數(shù)據(jù)后進行通訊時序的同步；沒有，則說明電梯處于非群控狀態(tài)中，屬單梯控制.

正常工作時同步：群控通訊時，每個群控模塊在其接收完成數(shù)據(jù)后進行同步.

2群控系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

2.1群控模塊硬件電路設(shè)計

群控模塊的硬件組成元件主要有基于ARM內(nèi)核的新唐M052LAN主芯片，B0505SDC/DC電平轉(zhuǎn)換模塊，SI8431A磁耦數(shù)字隔離芯片，兩個TJA1050芯片，晶振、貼片電阻、貼片電容、二極管等.群控模塊的正反面如圖5所示.

2.1.1M052LAN主控制芯片

基于ARM內(nèi)核的新唐M052LAN為群控模塊的主芯片，為LQFP48型封裝[6]，它是整個群控模塊的信息處理核心，主芯片電路如圖6所示.

1-DC/DC模塊；2—排阻；3—程序燒入接口；4—SI8431；5—TJA1050；6—發(fā)光二極管;7—RS485總線；8—TTL接口；9—M052；10—12M晶振；11—電阻圖5　模塊正反面實物圖Fig.5　The positive and negative diagram of module

圖6　新唐M052LAN主芯片引腳連接電路Fig.6　The pin connection circuit of Nuvoton M052

2.1.2TJA1050高速收發(fā)器

TJA1050芯片為總線提供差動發(fā)送性能，為M052控制器提供差動接收性能，其原理如圖7所示.

圖7　TJA1050連接電路原理圖Fig.7　The circuit principle diagram of TJA1050

在群控模塊中，TJA1050的RXD和TXD和新唐M052LAN間接相連，CANL和CANH的兩個引腳連接至外部設(shè)備.CANL和CANH的差分原理與RS485總線相差分原理相似，且TJA1050具有良好的電磁兼容性，未上電時，總線呈現(xiàn)無源特性，能較好地避免干擾.除此之外，MAX485等普通芯片的反向耐壓為14 V左右，而TJA1050的反向耐壓遠遠大于MAX485，為40 V，能避免誤插對電路的毀壞.

2.2觸摸屏界面設(shè)計

新型觸摸屏呼梯界面的內(nèi)容包括：電梯編號、待響應(yīng)樓層顯示、1~9按鍵區(qū)、電梯運行方向、電梯當前層、按鍵10+~30+區(qū).此界面除去了一般界面所帶有的LOGO顯示、MP3和動畫播放等對電梯調(diào)度無關(guān)的信息，新增了電梯待響應(yīng)樓層的顯示等功能，界面整潔，內(nèi)容清晰.

觸摸屏界面由Photoshop畫圖軟件設(shè)計而成，如圖8所示，同時樓層按鍵及界面顯示均由DGUS配置工具配置完成.配置時需要給界面上的每個按鍵規(guī)劃按鍵值返回的寄存器地址，也要給界面上的信息顯示規(guī)劃顯示地址.最后編寫OS匯編程序控制觸摸屏工作.OS編寫內(nèi)容包括觸摸屏回應(yīng)群控模塊的OS控制程序、觸摸屏界面顯示的OS控制程序、觸摸屏按鍵值判斷的OS控制程序.

1-電梯編號；2—待響應(yīng)樓層；3—1—9按鍵區(qū)；4—電梯運行方向；5—電梯當前層；6—10+~30+區(qū)圖8　觸摸屏界面Fig.8　The interface of the touch-screen

由于本系統(tǒng)使用觸摸屏呼梯，觸摸屏界面能夠顯示全部電梯的運行狀況和待響應(yīng)樓層的登記情況，因此每個候梯層可只安裝一個觸摸屏呼梯裝置，乘客只需在入口處呼梯，完成呼梯后就可以根據(jù)顯示結(jié)果前往響應(yīng)梯前等候，此方式可在多電梯建筑中減少安裝成本.

2.3群控調(diào)度算法的設(shè)計

2.3.1空閑狀態(tài)的調(diào)度原則

電梯系統(tǒng)具有非線性、不確定性、擾動性、不完備性和多目標性等特點，而群控系統(tǒng)需對多臺電梯進行調(diào)配，更具復(fù)雜性[7].根據(jù)觸摸屏呼梯特點制定了一些規(guī)則，群控電梯都處于空閑狀態(tài)時，新型電梯群控系統(tǒng)的調(diào)度原則有：

1) 群控電梯停在同一樓層且空閑時間相同，則編號最小的電梯優(yōu)先響應(yīng)；群控電梯停在同一樓層但空閑時間不同，則?？繒r間最長的電梯優(yōu)先響應(yīng).

2) 群控電梯隨機分布于不同樓層時，其響應(yīng)規(guī)則是停在召喚層下方的電梯優(yōu)先響應(yīng)上行召喚，停在召喚層上方的群控電梯優(yōu)先響應(yīng)下行召喚.

2.3.2運行狀態(tài)的調(diào)度原則

電梯群控系統(tǒng)是一個多目標控制系統(tǒng)[8]，在運行時，需綜合考慮乘客候梯時間、乘客乘梯時間、電梯能耗等指標，以達到電梯調(diào)度的最優(yōu)化.

1) 候梯時間函數(shù)

候梯評價函數(shù)AWT(i)以候梯時的運行時間和停站時間來表示.候梯運行時間為轎廂從當前層到召喚層的時間用Tr表示，Tr視轎廂運行狀態(tài)而定：當轎廂從空閑轉(zhuǎn)為運行時，Tr還需考慮轎廂啟動加速時間.候梯停站時間以轎廂在每層的停站時間Ts和電梯到達候梯層所經(jīng)過的停站數(shù)Ns(i)的乘積來表示，即

AWT(i)=Tr+Ts·Ns(i)

(1)

2) 乘梯時間函數(shù)

(2)

3) 系統(tǒng)能耗函數(shù)

電梯能耗來源有：啟動能耗、減速能耗、開關(guān)門能耗等[9].總能秏可用啟停能耗Cst表示，即

ERC(i)=Cst·Ns(i)

(3)

其中Ns(i)為第i臺電梯到達目的層所需要經(jīng)過的停站樓層數(shù).

2.3.3多目標調(diào)度算法的建立

對乘客的平均候梯時間(AWT)、系統(tǒng)能耗(ERC)和平均乘梯時間(ART)等評價因素進行了綜合考慮，并結(jié)合實際情況確定具體的權(quán)重系數(shù)，在此基礎(chǔ)上實行合理派梯，其多目標調(diào)度的評價函數(shù)為

(4)

其中：Wi為權(quán)重系數(shù)，需滿足的約束條件為0≤Wi，W1+ W2+W3=1.權(quán)重系數(shù)組的選擇代表了Wi在不同電梯乘運模式下各個評價指標的重要性.常見的電梯乘運模式有四種：空閑模式、層間模式、上班高峰模式，下班高峰模式.通常用于識別電梯系統(tǒng)處于哪一種乘運模式的方法有兩種：一種是電梯工作時間選擇，即不同的時間段對應(yīng)不同的乘運模式；第二種是客流量選擇，即根據(jù)電梯當前客流量選擇合適的乘運模式.國內(nèi)電梯系統(tǒng)多數(shù)采用的是第一種方法，該方法較為方便.

3群控調(diào)度實驗測試及結(jié)果

3.1實驗平臺

實驗平臺由4個bp304主板，4個群控模塊(每個主板配有1塊)，4個轎廂通訊板構(gòu)成(每個單梯配有1塊)，1塊觸摸屏，24 V電源組成.

實驗開始前，首先需了解新型群控系統(tǒng)的運行參數(shù).其中，電梯運行樓層數(shù)與所能達到的最高速度的關(guān)系如表1所示.由表1可知：電梯從靜止開始運行1個樓層所能達到的最高速度為0.8 m/s；電梯從靜止開始運行2個樓層所能達到的最高速度為1.34 m/s；電梯從靜止開始運行3個或3個以上樓層所能達到的最高速度為2 m/s.在表1的基礎(chǔ)上，對電梯運行n個樓層的運行時間進行測量，得出如表2所示的電梯運行樓層數(shù)與運行時間的關(guān)系，其中：運行時間包括啟動加速時間，勻速運行時間和平層減速時間；當電梯運行樓層數(shù)為3個或3個以上時，每個樓層的勻速運行時間為1.5 s.

表1電梯運行樓層數(shù)與所達最高速度的關(guān)系

Table 1The relationship between the elevator running floor

and the highest speed

初始?？繉覵/樓結(jié)束停靠層E/樓運行層數(shù)之差(E-S)/樓最高速度/(m·s-1)1210.805721.344579342.002.00

表2　電梯運行樓層數(shù)與時間的關(guān)系表

電梯群控系統(tǒng)的其余運行參數(shù)如表3所示.

表3新型電梯群控系統(tǒng)的運行參數(shù)表

Table 3The running parameter of the elevator group control system

參數(shù)名稱參數(shù)值電梯開門時間To/s2平均每人次進出時間Tt/s1電梯關(guān)門前等候時間Tw/s2樓層高度H/m3.0電梯關(guān)門時間Tc/s2平均每次?？窟M出人數(shù)Np/人2大樓總層數(shù)F/樓32

電梯停站時間Ts由To，Np·Tt，Tc，Tw組成，由表3得Ts=8s，此外還要設(shè)定轎廂啟停能耗為50kJ，勻速能耗30kJ，啟停時間為Ta=3.5s.因此，對于運行著且在第n層無響應(yīng)信號的電梯而言，則電梯從n樓運行至n+m樓的時間(除去第n樓的啟動加速時間)為

Tcm=Tm-Ta

(5)

其中：Tm為電梯運行m樓的時間(包含啟動加速時間和平層減速時間)；表1中Tcm為電梯運行m樓但不包括啟動加速時的時間.

為了得到更加合理的調(diào)度方案，還需要選擇相應(yīng)的交通流模式，為了方便實驗，則設(shè)定權(quán)重系數(shù)W1+W2+W3=0.

3.2實驗論證

初始狀態(tài)：A號梯當前層為6樓，有1個12樓的響應(yīng)信號；B號梯當前層為10樓，有1個5樓的響應(yīng)信號；C號梯當前層為15樓，處于空閑狀態(tài)；D號梯當前層為1樓，處于空閑狀態(tài).電梯響應(yīng)多個目的層信號的初始狀態(tài)如表4所示.觸摸屏呼梯信息：3樓觸摸屏有1個9樓目的層信息；8樓有1個15樓目的層信息；16樓觸摸屏有1個12樓目的層信息.

表4電梯響應(yīng)目的層信號的初始狀態(tài)

Table 4The initial states of response signal for elevator destination layer

電梯號當前層數(shù)/樓響應(yīng)信號運行狀態(tài)W1W2W3目標函數(shù)A612樓上行0.50.50.5S(1)B105樓下行0.50.50.5S(2)C15無空閑0.50.50.5S(3)D1無空閑0.50.50.5S(4)

響應(yīng)分析：首先設(shè)平均候乘、梯時間評價函數(shù)的計算公式為

Trw(i)=ART(i)+AWT(i)

(6)

由表4可總結(jié)出兩種函數(shù)下的比較結(jié)果，如表5所示.

表5　電梯響應(yīng)目的層信號的函數(shù)計算值

表6　S(i)值及比較結(jié)果

由表6中可知:A號梯響應(yīng)8樓觸摸屏的15樓目的層信號；C號梯響應(yīng)16樓觸摸屏的12樓目的層信號；D號梯響應(yīng)3樓觸摸屏的9樓目的層信號.兩種計算結(jié)果均為D號電梯響應(yīng)時間最短(Trw(i)越小，說明候乘梯時間越短；S(i)越小，效果越好).經(jīng)過多次實驗測試，均由D號電梯優(yōu)先響應(yīng)信號.因此表明系統(tǒng)采用的控制方式實時性強，周期短，具有可行性和合理性.

4結(jié)論

研究結(jié)果表明：觸摸屏呼梯裝置能夠為乘客提供目的層呼梯選擇，提醒乘客前往指定的電梯乘坐.其RS485“多主從”群控連接方式克服了原有星型和環(huán)型群控系統(tǒng)中的缺點，使模塊的功能及接口能夠得到合理的利用，提高了系統(tǒng)的實時性；本系統(tǒng)對群控信息的處理方式避免了電梯在運行過程中對樓層信息是否需要響應(yīng)的誤判斷；針對電梯不同運行狀態(tài)的調(diào)度原則在一定程度上增強了群控電梯的調(diào)度效率；系統(tǒng)通過將目的樓層相同或臨近的電梯乘客聚集起來，以降低電梯停站次數(shù)，縮短乘客乘梯時間，減少系統(tǒng)能源消耗；無線技術(shù)能夠減少電梯的安裝費用，提高電梯的使用壽命和可靠性，更好地解決電氣設(shè)備的兼容性[10].

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(責任編輯：劉巖)

作者簡介：蔡曉霞(1978—)，女，浙江天臺人，副教授，碩士，研究方向為設(shè)備遠程智能維護與智能控制，E-mail:caixiaoxia@sxvtc.com.

基金項目：紹興市科技局基金資助項目(2013B70023)

收稿日期：2013-10-13