電梯群控系統(tǒng)仿真平臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉小朋 李付龍 王立鵬

摘要：針對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有電梯群控系統(tǒng)仿真平臺(tái)信號(hào)輸入方式單一，不能產(chǎn)生穩(wěn)定、持續(xù)的交通流；模擬電梯運(yùn)行僵硬，轎廂不能連續(xù)移動(dòng)等問題，基于Visual C++6.0面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，以DB2數(shù)據(jù)庫(kù)作為后臺(tái)，設(shè)計(jì)出一種優(yōu)化電梯群控系統(tǒng)仿真平臺(tái)。該平臺(tái)既能手動(dòng)輸入呼梯信號(hào)，也能自動(dòng)生成符合泊松分布的輸入信號(hào)。仿真運(yùn)行輸出候梯時(shí)間和乘梯時(shí)間，結(jié)果表明，該優(yōu)化平臺(tái)轎廂能夠連續(xù)平滑運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行速度和方向一目了然，能更真實(shí)地模擬電梯的實(shí)際運(yùn)行情況。求出平均候梯時(shí)間、平均乘梯時(shí)間和平均?？看螖?shù)，對(duì)電梯最小長(zhǎng)候梯時(shí)間算法進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：電梯；群控系統(tǒng)；Visual C++6.0；泊松分布；多線程

DOIDOI：10.11907/rjdk.161340

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2016）007011003

0引言

隨著高層建筑的日益增多，電梯成為人們?nèi)粘Ｉ畹闹匾煌üぞ?。多部電梯配置在一起?gòu)成電梯群，由電梯群控系統(tǒng)操作。算法是整個(gè)群控系統(tǒng)的核心，優(yōu)越的算法能減少乘客候梯時(shí)間、乘梯時(shí)間以及能耗等。因此，電梯群控算法仿真平臺(tái)的研究意義重大。

國(guó)外電梯仿真軟件主要有Elevate，而且代碼不公開。國(guó)內(nèi)電梯設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)陋，電梯動(dòng)作較為僵硬，不便于觀察，不能較好還原現(xiàn)實(shí)情況，而且不能產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的交通流，仿真平臺(tái)不能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

Visual C++ 6.0是一個(gè)功能強(qiáng)大的可視化軟件開發(fā)工具，能夠制作交互式用戶圖形界面。DB2數(shù)據(jù)庫(kù)主要應(yīng)用于大型系統(tǒng)，具有較好的可伸縮性，支持從大型機(jī)到單用戶環(huán)境。數(shù)據(jù)具可利用性、完整性、安全性、可恢復(fù)性及平臺(tái)無關(guān)性，以及小規(guī)模到大規(guī)模應(yīng)用程序的執(zhí)行能力。DB2數(shù)據(jù)庫(kù)可使用微軟的開放數(shù)據(jù)庫(kù)連接（ODBC）接口，任何應(yīng)用程序都可訪問。

本設(shè)計(jì)以Visual C++6.0 為開發(fā)平臺(tái)，采用DB2作為電梯仿真平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，利用多線程技術(shù)， 根據(jù)電梯配置和電梯群控算法進(jìn)行仿真，得到電梯的運(yùn)行質(zhì)量參數(shù)并保存到DB2 數(shù)據(jù)庫(kù)中。 本設(shè)計(jì)穩(wěn)定性高，能連續(xù)隨機(jī)地產(chǎn)生各種電梯交通流，是高性能電梯群控系統(tǒng)仿真平臺(tái)。

1仿真平臺(tái)介紹

該平臺(tái)用Visual C++6.0軟件編寫，有交互式呼梯信號(hào)輸入按鈕，可由用戶自行輸入，或由系統(tǒng)自發(fā)產(chǎn)生連續(xù)的交通流信號(hào)。由于仿真平臺(tái)采用的是基于目的層的呼梯方法（即內(nèi)呼按鈕與外呼按鈕都在電梯外部），所以各乘客的起始層和目的層總是同時(shí)確定的。這種呼梯方法消除了由于乘客目的層的不確定性而帶來的困擾，使電梯控制更加快速、準(zhǔn)確，同時(shí)也大大簡(jiǎn)化了群控算法研究的難度。仿真平臺(tái)有4種交通模式：上行模式、下行模式、空閑模式和層間隨機(jī)模式，可根據(jù)需要選擇其中一種模式來運(yùn)行。運(yùn)行過程中能即時(shí)顯示各個(gè)乘客的序號(hào)、呼叫層、目的層以及為其服務(wù)的電梯編號(hào)等，較為人性化。

2仿真平臺(tái)構(gòu)成

電梯模型由4部分組成：交通流產(chǎn)生模塊、信號(hào)綜合處理模塊、電梯群控算法模塊和電梯運(yùn)行模塊，如圖1所示，輸入信號(hào)和運(yùn)行狀態(tài)都存入DB2數(shù)據(jù)庫(kù)。

利用C++語言面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，用類的封裝編寫了整個(gè)群控電梯系統(tǒng)，構(gòu)造了電梯類（ElevatorA，ElevatorB和ElevatorC）、輸入信號(hào)類（Signal）以及轎廂類（Car）。其中電梯類是由VC++軟件中的滾動(dòng)條控件制作而成。電梯轎廂由滾動(dòng)條中的滑塊來代替，通過設(shè)置滑塊的位置來使“轎廂”運(yùn)動(dòng)起來。本設(shè)計(jì)中的電梯可連續(xù)平滑運(yùn)動(dòng)，便于觀察研究。運(yùn)用多線程技術(shù)構(gòu)造了4個(gè)線程：交通流產(chǎn)生線程、電梯A運(yùn)動(dòng)線程、電梯B運(yùn)動(dòng)線程和電梯C運(yùn)動(dòng)線程。它們能夠同時(shí)、迅速地響應(yīng)用戶的多個(gè)請(qǐng)求，使整個(gè)程序協(xié)調(diào)運(yùn)行，程序流程如圖2所示。

交通流參數(shù)模塊用于隨機(jī)產(chǎn)生各種交通流數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)作為后臺(tái)，存取更加穩(wěn)定，從而有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。乘客到達(dá)過程可由泊松分布模擬[5]。群控服務(wù)區(qū)域是指前來乘坐電梯的乘客（包括上行和下行）的候梯區(qū)域。

在時(shí)間t內(nèi)乘客到達(dá)服務(wù)區(qū)人數(shù)為n的概率為Pn（t）=（λt）nn！e-λt，n=0，1，2…（1）則在時(shí)間t內(nèi)，沒有任何乘客到達(dá)的概率為P0，所以時(shí)間t內(nèi)所有乘客到達(dá)的概率為1-P0（t）=1-e-λt（2）假設(shè)兩個(gè)相鄰乘客到達(dá)的時(shí)間間隔為T，則P{T≤t}=1-e-λtt≥0

0t<0（3）時(shí)間間隔T服從參數(shù)為λ的指數(shù)分布。假設(shè)乘客平均到達(dá)率為λ，第i個(gè)乘客到達(dá)的時(shí)間為X（i），第i+1個(gè)乘客到達(dá)時(shí)間為X（i+1），ti為相應(yīng)到達(dá)間隔時(shí)間的最大值，Pd為第i個(gè)乘客到達(dá)率，則Pd=P{ti=t}=1-e-λtt≥0

0t<0（4）所以當(dāng)t>0時(shí)，最大時(shí)間間隔為ti=-In（1-Pd）λ（5）于是得到第i個(gè)乘客到達(dá)時(shí)間的遞推公式為X（i+1）=X（i）-ln（1-Pd）λ（6）在這里，由于Pd是0～1之間的任一常數(shù)，所以可以用0～1上的均勻分布來產(chǎn)生N個(gè)數(shù)作為Pd的值，從而產(chǎn)生N個(gè)到達(dá)時(shí)間模擬值。

MATLAB具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，可完成數(shù)據(jù)流的計(jì)算。由此模擬出符合泊松分布的乘客流，以30分鐘內(nèi)200個(gè)乘客的到達(dá)過程為例，如圖3所示，橫坐標(biāo)代表各個(gè)乘客的到達(dá)時(shí)間，縱坐標(biāo)代表當(dāng)前乘客到達(dá)量。其中直線之間的距離間隔代表兩乘客到達(dá)的時(shí)間間隔。間隔越小，說明人流密度越小；間隔越大，說明人流密度越大。

最終模擬出符合泊松分布的乘客到達(dá)時(shí)間，將乘客到達(dá)時(shí)間以及各相鄰乘客之間的時(shí)間間隔存入DB2數(shù)據(jù)庫(kù)，以供VC++調(diào)用。

將時(shí)間間隔存入數(shù)據(jù)庫(kù)后，VC++仿真平臺(tái)從數(shù)據(jù)庫(kù)逐個(gè)讀取乘客到達(dá)時(shí)間，并延時(shí)相鄰乘客到達(dá)時(shí)間的間隔。延時(shí)結(jié)束后，通過蒙特卡洛法產(chǎn)生呼梯信號(hào)，然后繼續(xù)讀取下一個(gè)數(shù)據(jù)，如此連續(xù)不斷執(zhí)行，產(chǎn)生離散的符合泊松分布的乘客流，直到讀完DB2數(shù)據(jù)庫(kù)中的交通流數(shù)據(jù)為止。

2.2算法模塊

算法是電梯群控系統(tǒng)核心，一個(gè)算法的優(yōu)劣直接決定著電梯的運(yùn)行效率。本設(shè)計(jì)的目的就是對(duì)群控算法的優(yōu)劣進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)試，最終證明某算法的實(shí)用性。常用的算法有最小候梯時(shí)間算法、最小乘梯時(shí)間算法、模糊控制算法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。本系統(tǒng)采用C++面向?qū)ο笳Z言，用類來封裝各種控制算法，當(dāng)系統(tǒng)需要用到某種算法時(shí)，只需要調(diào)用相應(yīng)的算法即可。

2.3信號(hào)綜合處理模塊

信號(hào)處理模塊需要進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，它結(jié)合新加入的呼梯信號(hào)、已登記的呼梯信號(hào)以及電梯當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)這3個(gè)因素，利用當(dāng)前的群控算法，計(jì)算出各個(gè)電梯對(duì)新加入信號(hào)的符合程度。如圖2所示，信號(hào)處理模塊在接受新增加的呼梯信號(hào)后，經(jīng)信號(hào)處理模塊計(jì)算，選擇符合度最大的電梯，并將派梯結(jié)果發(fā)送至電梯運(yùn)行模塊。

2.4電梯運(yùn)行模塊

電梯運(yùn)行模塊用于實(shí)現(xiàn)電梯的模擬運(yùn)行，它由電梯A、B和C組成。電梯運(yùn)行特征分為7個(gè)狀態(tài)，分別是：空閑狀態(tài)、開門狀態(tài)、關(guān)門狀態(tài)、上行狀態(tài)、下行狀態(tài)、進(jìn)客狀態(tài)和下客狀態(tài)。當(dāng)電梯為空閑狀態(tài)時(shí)，電梯等待外呼信號(hào)，直到有外呼信號(hào)為止。當(dāng)電梯向上運(yùn)行時(shí)（下行情況一樣），必定先加速，而后勻速運(yùn)行。 如果未到達(dá)指定層，電梯繼續(xù)向上勻速，每經(jīng)過一層，樓層數(shù)自動(dòng)加一。將要到站時(shí)，電梯開始減速，然后停車開門。上下客完畢后，關(guān)門重新啟動(dòng)。如此往復(fù)，不斷運(yùn)行。每個(gè)狀態(tài)所持續(xù)的時(shí)間基本上是固定不變的，因此本設(shè)計(jì)假設(shè)電梯的上下行狀態(tài)都是勻速的。將變速運(yùn)動(dòng)引起的時(shí)間差歸于勻速運(yùn)行階段，同時(shí)將開關(guān)門時(shí)間和上下乘客時(shí)間都?xì)w于電梯停站時(shí)間中。本設(shè)計(jì)實(shí)際上只考慮3種狀態(tài)：上行狀態(tài)、下行狀態(tài)和等待狀態(tài)。雖然簡(jiǎn)化了平臺(tái)設(shè)計(jì)，卻更加有利于電梯群控算法的研究。

采用多線程的軟件實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)電梯A、B和C三個(gè)電梯線程 ，使得3部模擬電梯同時(shí)獨(dú)立運(yùn)行，系統(tǒng)的穩(wěn)定性高。如圖2所示，在接收到配梯信號(hào)后，經(jīng)過算法計(jì)算，新增信號(hào)會(huì)登記到3部電梯中的一部。該部電梯會(huì)綜合新增信號(hào)和已有信號(hào)決定電梯的運(yùn)行狀態(tài)。

3仿真結(jié)果

基于最小長(zhǎng)候梯時(shí)間算法對(duì)仿真平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。仿真參數(shù)設(shè)置為：仿真時(shí)間30min，樓層為15層，樓層高2.5m，電梯3部，電梯經(jīng)過每層時(shí)間2.4s，停站時(shí)間10s，仿真人數(shù)200人。采用層間隨機(jī)交通模式，系統(tǒng)自動(dòng)生成泊松輸入流。仿真結(jié)果用MATLAB繪制。其中單次仿真結(jié)果如圖4和 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，乘客的平均候梯時(shí)間僅為25.6 s，體現(xiàn)了最小長(zhǎng)候梯算法在減少乘客候梯時(shí)間方面的顯著作用。但平均乘梯時(shí)間為35.8秒，平均停靠次數(shù)178次，能耗較大，說明經(jīng)典的群控算法—最小長(zhǎng)候梯算法存在一些不足。

（s）平均乘梯時(shí)間

（s）平均?？看螖?shù)

（次）最小長(zhǎng)候梯時(shí)間算法25.635.81784結(jié)語

基于Visual C++6.0面向?qū)ο蟮木幊谭椒ǎO(shè)計(jì)了一種優(yōu)化群控電梯仿真平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真平臺(tái)的有效性。與以往仿真平臺(tái)相比，本仿真平臺(tái)既能接受用戶的手動(dòng)輸入信號(hào)，也能自發(fā)產(chǎn)生泊松分布乘客流，并逐個(gè)處理各種輸入信號(hào)，輸出乘客候梯時(shí)間和乘梯時(shí)間。電梯轎廂能夠連續(xù)平滑運(yùn)動(dòng)，轎廂運(yùn)動(dòng)速度和方向一目了然，便于觀察研究，較為真實(shí)地模擬了實(shí)際情況，簡(jiǎn)化了電梯群控算法。

本設(shè)計(jì)采用MATLAB產(chǎn)生泊松分布交通流，以DB2數(shù)據(jù)庫(kù)為樞紐，給仿真平臺(tái)提供連續(xù)穩(wěn)定的輸入信號(hào)，使得仿真平臺(tái)能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，具有一定的實(shí)際意義。

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