物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)相結(jié)合的電梯調(diào)度系統(tǒng)優(yōu)化方案

李達(dá)銘，樊 銳，史海鷗，高 姍，田紅麗

(1.河北工業(yè)大學(xué)國(guó)際教育學(xué)院，天津 300401；2.河北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與軟件學(xué)院)

0 引言

在目前已有的電梯調(diào)度系統(tǒng)相關(guān)研究文獻(xiàn)中，較多的是對(duì)上下班高峰這一突出情形下的電梯調(diào)度系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題。如果將乘客乘坐電梯的整個(gè)過(guò)程用乘客進(jìn)入樓宇范圍的時(shí)刻、召喚電梯的時(shí)刻、乘客在電梯內(nèi)選擇樓層的時(shí)刻這三個(gè)時(shí)刻分開(kāi)，現(xiàn)有的研究大多數(shù)都集中在后兩個(gè)時(shí)刻。許多文獻(xiàn)提出了將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[1]、粒子群算法[2]、遺傳算法[3]或其他機(jī)器學(xué)習(xí)算法[4-5]，其應(yīng)用于客流預(yù)測(cè)、路徑調(diào)整和節(jié)能優(yōu)化的智能電梯調(diào)度方案。雖然收效顯著，但是均屬于末端應(yīng)對(duì)機(jī)制，即乘客已經(jīng)到達(dá)電梯門前并發(fā)出乘梯請(qǐng)求后再作反應(yīng)。短暫的反應(yīng)時(shí)間限制了系統(tǒng)統(tǒng)籌規(guī)劃的余地。除此之外也有基于無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)的智能調(diào)度解決方案[6]。方案在乘客進(jìn)入樓宇范圍的時(shí)刻前就開(kāi)始工作，允許用戶通過(guò)智能終端遠(yuǎn)程發(fā)送乘梯請(qǐng)求，使電梯調(diào)度系統(tǒng)可以提前反應(yīng)，但這些文獻(xiàn)并未詳述調(diào)度系統(tǒng)的工作原理。

本次實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的方案會(huì)在上述三個(gè)時(shí)刻的第一時(shí)刻就開(kāi)始工作，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并得出客流量的大概變化趨勢(shì)，再根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)可以更為精確的規(guī)劃調(diào)度方案，進(jìn)一步提高調(diào)度系統(tǒng)總體效率。此外，我們?cè)谡{(diào)研中還發(fā)現(xiàn)了如圖1所示的問(wèn)題。不難發(fā)現(xiàn)除了可以預(yù)料到的早中晚三次客流高峰外，還分別在上下午出現(xiàn)了一次小高峰，而這個(gè)高峰正是由快遞業(yè)務(wù)導(dǎo)致。

隨著電子商務(wù)以及外賣行業(yè)的發(fā)展，迅猛增長(zhǎng)的快遞量使樓宇內(nèi)垂直交通壓力進(jìn)一步提升。出于安全和管理方面的考慮，大多數(shù)寫(xiě)字樓不允許快遞員或送餐員進(jìn)入樓內(nèi)，于是便出現(xiàn)了大量物流人員在樓前聚集、樓內(nèi)員工扎堆取快遞的情況。這些問(wèn)題造成了寫(xiě)字樓整體形象被破壞，員工工作效率降低，以及電梯擁擠給訪客造成不良體驗(yàn)等問(wèn)題。

圖1 乘梯人數(shù)分布圖

已有文獻(xiàn)中的方案或是普適性的解決方案或是僅僅針對(duì)上下班高峰情形做出了優(yōu)化。雖然此類方案在應(yīng)對(duì)前文所述的快遞問(wèn)題上也能稍好于傳統(tǒng)電梯調(diào)度系統(tǒng)，但是隨著物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，將硬件支持和軟件算法相結(jié)合，可以在保持方案對(duì)問(wèn)題的專一性基礎(chǔ)上，結(jié)合多個(gè)方案建立多系統(tǒng)相互協(xié)作的綜合化解決方案，進(jìn)一步提升整體效率。本文從整體描述了此次研究的優(yōu)化方案，分析了其中的主要算法，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。

1 方案結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)概述

整個(gè)系統(tǒng)可分為乘客請(qǐng)求、調(diào)度系統(tǒng)、學(xué)習(xí)系統(tǒng)和時(shí)刻化電梯廂四個(gè)部分。圖2所示的情形中含有四部電梯（E1～E4）。乘客以不同方式發(fā)出的請(qǐng)求發(fā)送給調(diào)度系統(tǒng)后被轉(zhuǎn)發(fā)到當(dāng)時(shí)正在工作的模式算法中。全體電梯既可以由單一模式控制（實(shí)線箭頭），也可以由多個(gè)模式同時(shí)控制（虛線箭頭）。學(xué)習(xí)系統(tǒng)的主要功能是搜集、處理電梯運(yùn)行和乘客個(gè)人習(xí)慣的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)某一時(shí)段總客流量的大概數(shù)值以及去向，并為調(diào)度系統(tǒng)選擇合適的模式。以下是各部分功能詳述。

1.2 乘客請(qǐng)求

RFID技術(shù)已經(jīng)被大規(guī)模應(yīng)用于辦公樓門禁系統(tǒng)，有一部分門禁系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始轉(zhuǎn)而使用更高效的圖像識(shí)別技術(shù)來(lái)識(shí)別人臉、車牌號(hào)等特征以確定來(lái)訪人員身份。在物聯(lián)網(wǎng)傳感器識(shí)別到身份信息的同時(shí)，也意味著訪客在此時(shí)刻的位置和乘梯目標(biāo)樓層被確定。這種確定乘客位置及身份的方式不依賴乘客自身的設(shè)備（如乘客手機(jī)上的GPS或藍(lán)牙），可控性較高。再結(jié)合多個(gè)傳感器的測(cè)量結(jié)果估計(jì)出乘客到達(dá)電梯門前的時(shí)間。如果成本允許，更多的傳感器數(shù)量或者更先進(jìn)的技術(shù)還可以給系統(tǒng)整體效率帶來(lái)增長(zhǎng)空間。

圖2 優(yōu)化后調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3 調(diào)度系統(tǒng)

得益于集成電路的性能大幅上升和成本下降，給電梯調(diào)度系統(tǒng)提供運(yùn)算和存儲(chǔ)能力更強(qiáng)的硬件設(shè)備成為了可能。這使得調(diào)度系統(tǒng)中可以存放多個(gè)專為不同場(chǎng)景優(yōu)化的調(diào)度模式，并在運(yùn)行時(shí)自由切換，甚至兩個(gè)模式同時(shí)運(yùn)行以滿足不同需要。例如當(dāng)快遞員需要送快遞時(shí)分出一部電梯運(yùn)行快遞模式，由快遞員操控，其他電梯依然由系統(tǒng)控制。

1.4 學(xué)習(xí)系統(tǒng)

根據(jù)前人的研究，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的客流預(yù)測(cè)算法已經(jīng)可以通過(guò)學(xué)習(xí)客流歷史數(shù)據(jù)，較為精確的預(yù)測(cè)出某一固定情景（例如一座寫(xiě)字樓在每個(gè)工作日的同一時(shí)段）的客流變化，但是應(yīng)對(duì)突發(fā)事件能力較差。

在本次研究的方案中，乘客進(jìn)電梯前最后幾分鐘內(nèi)的精確預(yù)測(cè)已經(jīng)由物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)完成了，所以學(xué)習(xí)系統(tǒng)的主要目的是預(yù)測(cè)某一較長(zhǎng)時(shí)間段的客流量和客流方向，從而應(yīng)用到模式選擇上。用大數(shù)據(jù)技術(shù)將乘客乘梯歷史數(shù)據(jù)清洗后再供給機(jī)器學(xué)習(xí)算法，就可以以較低的學(xué)習(xí)成本獲得足夠本系統(tǒng)使用的結(jié)果。

1.5 時(shí)刻化電梯廂

時(shí)刻化電梯廂即某一電梯廂在程序中虛擬的、不同時(shí)刻的狀態(tài)。未到達(dá)時(shí)刻的信息是在乘客到達(dá)電梯門前就通過(guò)傳感器或是智能終端獲取并分配的。在分配時(shí)可以根據(jù)乘客優(yōu)先級(jí)、已等待時(shí)間、目標(biāo)樓層等標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)分配。

2 模式

本次研究主要針對(duì)早晚上下樓高峰和快遞問(wèn)題進(jìn)行了研究，開(kāi)發(fā)了兩個(gè)模式，并分別進(jìn)行了測(cè)試。

2.1 高峰模式

如圖3所示，主循環(huán)中安檢系統(tǒng)對(duì)應(yīng)1.2中所述的由各種傳感器組成的門禁系統(tǒng)。安檢系統(tǒng)將采集到的用戶身份數(shù)據(jù)與檔案系統(tǒng)中的用戶數(shù)據(jù)比對(duì)，如果信息匹配，則把用戶該次驗(yàn)證身份時(shí)的時(shí)間、入口編號(hào)等數(shù)據(jù)記入此用戶的檔案，供學(xué)習(xí)系統(tǒng)分析使用。同時(shí)安檢系統(tǒng)再把從檔案系統(tǒng)中獲取的用戶默認(rèn)目標(biāo)樓層、安檢口編號(hào)、時(shí)間等數(shù)據(jù)存入運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)。

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)主要用于存儲(chǔ)待分配乘客隊(duì)列和時(shí)刻化電梯廂隊(duì)列，但乘客分配電梯的順序不完全依賴于隊(duì)列中的順序。每一次輪詢會(huì)根據(jù)式⑴計(jì)算出每一個(gè)乘客的優(yōu)先級(jí)Px，其中P初位該乘客初始優(yōu)先級(jí)，預(yù)先設(shè)置在檔案系統(tǒng)中。T為已等待時(shí)間（秒），ω為影響因數(shù)，可以隨實(shí)際情況調(diào)整。y為與該乘客具有同樣目標(biāo)樓層的乘客數(shù)，這樣可以保證總體等待時(shí)間較少。同時(shí)，應(yīng)該滿足所有乘客的重量（wy）小于電梯載重（W總）。

育苗營(yíng)養(yǎng)塊集基質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)、防病、調(diào)酸、容器于一體，產(chǎn)品體積小、重量輕，便于運(yùn)輸儲(chǔ)存，適于各種蔬菜、花卉、煙草、經(jīng)濟(jì)作物的種苗生產(chǎn)，尤其非常適合培育苗齡較短的甜瓜、西瓜秧苗。使用育苗營(yíng)養(yǎng)塊育甜瓜苗，幼苗發(fā)育快、長(zhǎng)勢(shì)整齊一致，秧苗與育苗營(yíng)養(yǎng)塊一起移栽到田間，不傷根、不緩苗，快速進(jìn)入旺盛生長(zhǎng)期，可提早7～10天上市，長(zhǎng)期使用，可疏松土壤，改善土壤的理化性質(zhì)。

調(diào)度系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻化電梯廂隊(duì)列狀態(tài)，將由上式得出的每一組（個(gè)）乘客或是放入新建的電梯廂或是在滿足預(yù)估的乘客到達(dá)時(shí)間的情況下分配給已有的電梯廂。

2.2 快遞模式

快遞模式的核心是將某一部電梯的控制權(quán)交給快遞員控制。快遞員將快遞放入電梯后可以通過(guò)智能終端的應(yīng)用程序設(shè)置電梯需要?？康臉菍右约巴？繒r(shí)間等數(shù)據(jù)。整個(gè)過(guò)程類似機(jī)場(chǎng)的行李轉(zhuǎn)盤(pán)，錯(cuò)過(guò)的快遞可以再循環(huán)一次或放到辦公樓的某個(gè)聚集處。

3 應(yīng)用實(shí)例

本次測(cè)試模擬了一個(gè)20層的辦公樓，樓內(nèi)共有4部電梯，與前期調(diào)研中的某個(gè)辦公樓類似。電梯載重、乘客重量、電梯各個(gè)狀態(tài)所需時(shí)間等常量也均有設(shè)置。學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的乘客歷史數(shù)據(jù)由實(shí)驗(yàn)人員根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康陌腚S機(jī)生成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果中用于比較的實(shí)際數(shù)據(jù)為調(diào)研時(shí)獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算后得到的，與實(shí)際情況相近。

3.1 高峰情景

在高峰情景下使用圖2中藍(lán)色實(shí)線所示系用結(jié)構(gòu)。假設(shè)有2000人要在一小時(shí)之內(nèi)分別從一樓去往不同樓層，模擬早高峰的情況。2000名乘客由乘客產(chǎn)生器按泊松分布⑵產(chǎn)生，并發(fā)送給安檢系統(tǒng)。

由于2000人/1小時(shí)≈0.56人/秒，為了使客流變化更符合真實(shí)情況，乘客生成器會(huì)根據(jù)時(shí)間變化，圍繞0.56改變的值，使大部分乘客集中在第20～40分鐘時(shí)到達(dá)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。由于乘客量明顯超過(guò)電梯運(yùn)送能力，故只統(tǒng)計(jì)在一小時(shí)內(nèi)成功運(yùn)送的乘客數(shù)量和平均等待時(shí)間。

表1 高峰模式測(cè)試結(jié)果

3.2 快遞情景

快遞情景下使用圖2藍(lán)色虛線所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將其中一部電梯設(shè)置為快遞模式，其他三部運(yùn)行普通模式。假設(shè)在半小時(shí)內(nèi)有100人需要取快遞同時(shí)有另外100人正常使用電梯，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 快遞模式測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果可以看出，在兩種情形下優(yōu)化后的調(diào)度系統(tǒng)均表現(xiàn)更好。

4 總結(jié)

隨著技術(shù)和需求的共同提高，電梯調(diào)度系統(tǒng)也勢(shì)必更加智能化。以物聯(lián)網(wǎng)傳感器為前端，算法為后臺(tái)的綜合系統(tǒng)，相比于純算法系統(tǒng)可以做到普適性和對(duì)具體問(wèn)題的專一性并存，解決問(wèn)題更高效。但是整個(gè)方案在實(shí)施時(shí)還需要在細(xì)節(jié)上，尤其是與用戶交互的方式上做更多的研究，才能保證提供給用戶一個(gè)真正有所提升的乘梯體驗(yàn)。

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