基于Petri網(wǎng)的電梯控制系統(tǒng)建模與分析

段瑞　方歡

摘 要：使用Petri網(wǎng)模型工具建立一種電梯單控系統(tǒng)模型，分析電梯運行中的循環(huán)和滿載開門問題，給出優(yōu)化設(shè)計方案.結(jié)果表明，優(yōu)化方案可以實現(xiàn)，模型有效.

關(guān)鍵詞：Petri網(wǎng)；電梯控制系統(tǒng)；建模；性質(zhì)分析

[中圖分類號]TP399 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

Abstract：Use Petri net modeling tools to create a model of the elevator control system，analysis the circulation and full-load open in elevator operation，gives the related optimization designs scheme.Verification results show that the model is effective and the optimal designs are achievable.

Key words：Petri nets； single control elevator ；modeling；property analysis

Petri網(wǎng)是分布式系統(tǒng)的建模和分析工具，它不僅便于描述系統(tǒng)中進(jìn)程或部件的順序并發(fā)、沖突、同步，使系統(tǒng)直觀化，而且可以確切地分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)及動態(tài)性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于業(yè)務(wù)流程管理.隨著電梯的普及，人們對電梯性能和功能的要求也不斷提高，其對應(yīng)的運行原則、交通模式和控制方式等也在變化.在實際應(yīng)用中，電梯仍存在一些缺陷.宗群[1＼]等提出一種交通模式多模式的預(yù)測方法.唐海燕和趙小翠[2-3]等認(rèn)為，一些算法只能在特定的交通模式下才能體現(xiàn)其優(yōu)越性.楊博欽[4＼]等給出了電梯群控系統(tǒng)的整體設(shè)計.宗群[5＼]等給出了基于面向?qū)ο驪etri網(wǎng)的電梯群控系統(tǒng)建模.本文從電梯單控系統(tǒng)入手，利用Petri網(wǎng)對電梯單控系統(tǒng)建模，分析循環(huán)和滿載開門問題，給出優(yōu)化建議和方案.

2 電梯單控系統(tǒng)建模與分析

2.1 電梯運行原則及交通模式

電梯運行原則 將乘客及其需求抽象成任務(wù)，分為內(nèi)部任務(wù)（電梯內(nèi)乘客需求）和外部任務(wù)（電梯外乘客需求）.同向任務(wù)是和電梯移動方向一致的任務(wù)，電梯向下移動時，向下的任務(wù)即為同向任務(wù)；反向任務(wù)是和電梯移動方向相反的任務(wù).電梯運行原則為：

（1）優(yōu)先執(zhí)行電梯內(nèi)部任務(wù)：電梯內(nèi)部任務(wù)為首要必須完成的任務(wù)，在這個基礎(chǔ)上接受外部任務(wù)；

（2）優(yōu)先執(zhí)行同向任務(wù)：電梯應(yīng)先完成同向執(zhí)行，然后再反向完成反向任務(wù)；

（3）順路執(zhí)行任務(wù)：電梯在執(zhí)行內(nèi)部任務(wù)時，若有同向的外部任務(wù)，則順便執(zhí)行；

（4）外部任務(wù)主電梯惟一：一個外部任務(wù)只分配一部電梯，可以變換但惟一；

（5）滿載不停：電梯在滿載時不接受外部任務(wù)，以減少不必要的?？看螖?shù)，節(jié)時和節(jié)能；

（6）兩級變速：電梯執(zhí)行任務(wù)時慢速，無任務(wù)時快速以節(jié)約時間；

（7）特定電梯優(yōu)先執(zhí)行特定任務(wù)：某一部或者幾部電梯必須優(yōu)先執(zhí)行特定任務(wù)，在以特定任務(wù)為優(yōu)先執(zhí)行任務(wù)的基礎(chǔ)上執(zhí)行順路任務(wù).

交通模式 現(xiàn)實生活中，對電梯的需求往往會呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，其交通模式為：

（1）上行高峰交通模式：多數(shù)乘客從一樓乘電梯至其他各層；

（2） 下行高峰交通模式：多數(shù)乘客從各層乘電梯至一樓或地下；

（3） 兩地交通模式：其中一層乘客涌進(jìn)另一層，多路交通模式與之類似；

（4） 空閑交通模式：和上面所述三種交通模式不同，此交通模式乘客流量較少.

2.2 建模

電梯的狀態(tài)可分為等待、裝載和運行，電梯單控系統(tǒng)的目的很簡單，就是完成任務(wù)讓乘客滿意，盡量節(jié)時節(jié)能.圖1是電梯單控系統(tǒng)模型圖，控制流標(biāo)簽的取值及其含義見表1，標(biāo)簽及其含義見表2.控制器在收到任務(wù)請求后首先判斷任務(wù)同層是否有電梯正在執(zhí)行裝載任務(wù)，如果有且不滿載的話可以直接執(zhí)行任務(wù)，這樣可以讓乘客第一時間坐到電梯，節(jié)時節(jié)能.如果本層沒有正在裝載的電梯但有空閑電梯，直接把任務(wù)分配給此空閑電梯，同樣可以快速高效地完成任務(wù).在本層沒有正在裝載和空閑電梯的情況下，控制器會把任務(wù)分配給其他電梯，該任務(wù)可以作為電梯的順路任務(wù)執(zhí)行，也可以作為某一電梯的第一任務(wù)去執(zhí)行.

2.3 模型分析

圖1表明，如果分配給任務(wù)t的電梯在執(zhí)行順路任務(wù)時滿載，再給任務(wù)t分配其他電梯會浪費很多時間，甚至?xí)诟叻迤谠斐梢环N死循環(huán)，如圖2，本文把這個問題稱為循環(huán)問題.圖2表明，如果不能同時滿足Service（e）=0和Full（e）=0，即電梯沒有需要執(zhí)行的順路任務(wù)且未滿載，則任務(wù)t一直不能被執(zhí)行.可以通過加上一些控制條件，通過限制循環(huán)的次數(shù)或者限制等待的時間，找出解決辦法.

滿載開門問題 .在圖1中，t13和t15均表示執(zhí)行任務(wù)，外部任務(wù)t變?yōu)閮?nèi)部任務(wù)，但是它們的前置條件不一樣.通過t13的限制條件，考慮到只有滿足執(zhí)行外部任務(wù)t之后，不滿載的電梯e才能完成任務(wù).因此，當(dāng)電梯e在執(zhí)行任務(wù)t時達(dá)到滿載狀態(tài)，t15不能完全執(zhí)行任務(wù)t，t會變成兩個任務(wù)，外部任務(wù)和內(nèi)部任務(wù).本文把這個問題稱為滿載開門問題.當(dāng)乘客搭乘電梯之后，電梯發(fā)出滿載警告，這時候必然要退出一位乘客.這位乘客出去之后必須等待該電梯完全關(guān)門開始執(zhí)行內(nèi)部任務(wù)，才能繼續(xù)請求電梯，否則由于該電梯未滿載會開門執(zhí)行任務(wù)，而該電梯又不能繼續(xù)承重，見圖3.本文設(shè)計一種方法縮短滿載開門等待的時間，讓電梯在發(fā)出滿載警告的同時反饋給控制器一個任務(wù)未完成的信號，讓控制器再派一部電梯執(zhí)行該任務(wù)，并讓該層電梯按鍵重新打亮以提醒乘客電梯正在路上.這樣就可以避免出現(xiàn)已滿載的電梯不停開門關(guān)門的情況，也可以減掉該電梯從滿載警報到關(guān)門開始執(zhí)行內(nèi)部任務(wù)的時間，最大程度縮短乘客的等待時間，提高乘客的乘坐體驗.解決滿載開門問題的部分優(yōu)化模型見圖3，優(yōu)化后電梯控制系統(tǒng)模型見圖4.

開門卻不能執(zhí)行任務(wù)，浪費時間，影響乘客體驗；

T6時：b在到達(dá)地下車庫后發(fā)現(xiàn)車鑰匙沒帶，發(fā)出請求R*（特定任務(wù)），特定電梯（可達(dá)地下車庫的電梯）收到命令，在執(zhí)行完此時的內(nèi)部任務(wù)之后優(yōu)先去執(zhí)行R*.

T0時刻本層有正在裝載電梯且在執(zhí)行任務(wù)之后未滿載.T1，T2，T3以及T3到T4之間是循環(huán)問題，T5是滿載開門問題.優(yōu)化方案為：同學(xué)b退出電梯之后會看到本層電梯按鍵已打亮，則b不會再按下電梯按鍵，節(jié)時節(jié)能，優(yōu)化方案有效.T6是特定電梯優(yōu)先執(zhí)行特定任務(wù).

4 結(jié)論

針對電梯調(diào)度過程中出現(xiàn)的循環(huán)問題和滿載開門問題，通過Petri網(wǎng)開展討論和優(yōu)化，并給出了優(yōu)化模型和解決方案. 由于實際情況的變化性和多樣性，電梯控制系統(tǒng)十分復(fù)雜，本文只是給出了電梯單控系統(tǒng)模型并做了簡單的分析優(yōu)化，為電梯群控系統(tǒng)的建模與分析優(yōu)化打基礎(chǔ).

參考文獻(xiàn)

[1] 宗群，孫志明，童玲.一種電梯交通模式多模式預(yù)測方法的研究[J].信息與控制，2006，35（1）：93-97+102.

[2] 唐海燕，丁寶，齊維貴.電梯群多控制策略的優(yōu)化研究[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報，2012，30（6）：118-121.

[3] 趙小翠，羅飛，許玉格.混合電梯群控系統(tǒng)建模及新型優(yōu)化調(diào)度策略[J].計算機應(yīng)用研究，2010，27（9），3290- 3293.

[4] 楊博欽，宋文，周鑫.基于Petri網(wǎng)的電梯群控系統(tǒng)設(shè)計[D].成都：西華大學(xué)，2015.

[5] 宗群，蔡昱，雷小鋒.基于面向?qū)ο驪etri網(wǎng)的電梯群控系統(tǒng)建模[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2001，23（1），28-31.

[6] 吳哲輝.Petri網(wǎng)理論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.6-22.

[7] W.M.P.van der Aalst，M.Pesic.Decserflow：Towards a Truly Declarative Service flow Language[J].Web Services and Formal Methods，2006，4184：1-23.

[8] Wil.M.P. van der Aalst，Marlon Dumas，et al..Correctness-Preserving Configuration of Business Process Models[J].Fundamental Approaches to Software Engineering，2008，4961：46-61.

[9] Goedertier S， Martens D， Baesens B， et al. A New Approach for Discovering Business Process Models from Event Logs[J]. Ssrn Electronic Journal， 2007：24-28.

[10] Van d A W M P， Reijers H A， Weijters A J M M， et al. Business process mining： An industrial application[J]. Information Systems， 2007， 32（5）：713-732.

[11] Smirnov S， Weidlich M， Mendling J. Business Process Model Abstraction Based on Behavioral Profiles[M]. Service-Oriented Computing. Springer Berlin Heidelberg， 2010.1-16.

[12] 何路路，方歡.基于Petri網(wǎng)的保險工作流系統(tǒng)建模及驗證[J].牡丹江師范學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2017（1）：5-8.

[13] 賈小貝，方歡.基于行為輪廓的網(wǎng)絡(luò)日志行為相似性分析[J].牡丹江師范學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2017（3）：1-5.

編輯：琳莉