基于S7_1200的多目標(biāo)動態(tài)電梯群分區(qū)算法研究

李 凡，袁建華，田禾雨，王鵬飛，王 新

（1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443000；2.國網(wǎng)湖北省電力公司遠(yuǎn)安縣供電公司，湖北宜昌 444200；3.國網(wǎng)江蘇省電力公司射陽供電公司，江蘇鹽城 224300）

引言

目前，綜合型服務(wù)的高層建筑逐漸增多，建筑內(nèi)交通運行的縱向流暢度是衡量人們工作、生活質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)。流暢度的提高不僅體現(xiàn)在建筑內(nèi)電梯臺數(shù)的增多，更重要的是電梯之間的配合即各種電梯群優(yōu)化控制策略。隨著建筑規(guī)模以及電梯科技的提升，研究者不斷把新的電梯群控制算法應(yīng)用電梯群控系統(tǒng)中，以提高電梯群的運行效率，并且控制算法從對呼梯信號的分配算法到靜態(tài)分區(qū)算法再到動態(tài)分區(qū)算法逐漸完善[1]。在響應(yīng)門廳呼梯信號方面，有多目標(biāo)規(guī)劃電梯群控算法[2]、多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法[2]、多目標(biāo)分布式群控算法等[3]。在電梯分區(qū)方面，較為前沿的有高峰模式下的動態(tài)分區(qū)算法[4,5]、電梯上高峰動態(tài)規(guī)劃分區(qū)方法研究[6]等。這些算法幾乎都考慮了乘客的候梯時間、乘梯時間以及節(jié)能。而且在一定程度上促進(jìn)了電梯群系統(tǒng)對呼梯信號的響應(yīng)速度，降低了乘客的急躁心理。然而上述動態(tài)分區(qū)算法是在電梯總臺數(shù)固定的情況下，通過考慮各區(qū)域客流量、乘客平均候梯時間參數(shù)、乘客乘梯時間等來改變各區(qū)域樓層范圍，達(dá)到動態(tài)的區(qū)域變化。

本研究出了一種以電梯仿真系統(tǒng)為平臺，在靜態(tài)分區(qū)的基礎(chǔ)上，電梯群控制系統(tǒng)實時檢測各區(qū)客流量來確定各區(qū)實時的電梯資源需求，再利用多目標(biāo)電梯評價函數(shù)，評價出相對某區(qū)域的較優(yōu)電梯，并將較優(yōu)電梯分配給該區(qū)，達(dá)到電梯群控制系統(tǒng)實時最優(yōu)。

1 多目標(biāo)動態(tài)電梯群分區(qū)算法原理分析

1.1 建筑樓層靜態(tài)分區(qū)模型和電梯群控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1為建筑及電梯群系統(tǒng)運行拓?fù)鋱D。圖1中包含各電梯的上行狀態(tài)Up（↑）、下行狀態(tài)D（↓）、空閑狀態(tài)F（O），已登記的呼梯按鈕（1層上行信號、2層上行信號、2層下行信號等）及轎廂內(nèi)部選層器（乘客的目的層：1樓選層信號、2樓選層信號、3樓選層信號等）響應(yīng)情況以及分區(qū)數(shù)量d和各區(qū)樓層個數(shù)、各電梯編號。以上這些信號，電梯群控制系統(tǒng)均能通過限位開關(guān)、平層傳感器、按鍵輸入（呼梯盒和選層面板）等得到。如圖1所示，靜態(tài)分區(qū)：1區(qū)（1、2、3層）；2區(qū)（4、5、6層）；3區(qū)（7、8、9、10層）；電梯分配情況：1區(qū)（1、2號梯）；2區(qū)（3、4號梯）；3區(qū)（5、6號梯）。呼梯登記情況：1區(qū)（1層上行呼梯按鈕、2層上行呼梯按鈕）；2區(qū)（4層下行呼梯按鈕、6層上行呼梯按鈕）；3區(qū)（8層上行呼梯按鈕、9層下行呼梯按鈕、10層下行呼梯按鈕）。

圖1 t時刻均衡模式下電梯群系統(tǒng)狀態(tài)圖

圖2為電梯群控制系統(tǒng)拓?fù)?，該拓?fù)浒ㄜ浖到y(tǒng)及硬件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)包括主站PLC（S7_1200）和各從站PLC、PLC之間的通信模塊、IO擴(kuò)展模塊、輸入面板、選層器、呼梯按鈕以及紅外感應(yīng)器。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活，并為軟件配置了充足的硬件條件，可根據(jù)項目的大小擴(kuò)大或縮小拓?fù)洹?/p>

圖2 電梯群控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

1.2 算法考慮的重要參數(shù)及參數(shù)計算

1.2.1 重要參數(shù)

區(qū)域呼梯信號中心Cak：利用k區(qū)域的各層客流量來確定客流量的幾何中心。第k區(qū)域電梯需求量：各區(qū)電梯需求量跟區(qū)客流量占電梯群總客流量的比例有關(guān)。第k區(qū)域相對j號電梯的候梯時間（WTkj）：j電梯以目前的狀態(tài)到達(dá)目的k區(qū)域所需的時間；j號電梯相對第k區(qū)域的能源損耗（SCkj）：j電梯以目前的狀態(tài)到達(dá)目的k區(qū)域所消耗的能量；j號電梯乘客的乘梯時間（RTkj）：j號電梯完成當(dāng)前轎廂內(nèi)運送任務(wù)所花費的時間。補(bǔ)償參數(shù)Cj：與當(dāng)前時刻各電梯轎廂停止在某樓層時的開關(guān)門狀態(tài)有關(guān)。

1.2.2 參數(shù)計算

（1）區(qū)域呼梯信號中心Cak按式（1）計算：

在2、3區(qū)域，Cak同式（1）類似處理計算方式。

由于電梯仿真系統(tǒng)無法對客流量進(jìn)行監(jiān)測，可假設(shè)當(dāng)上行或下行按鈕亮起，按鈕亮起的樓層門廳內(nèi)客流量相等，以表1為例。

表1 區(qū)域區(qū)域呼梯信號中心情況分析

（2）第k區(qū)域相對j號電梯的候梯時間（WTkj）的計算：

該候梯時間WTkj跟轎廂同區(qū)域呼梯信號中心Cak的相對位置有關(guān)系，位置關(guān)系有3種，已知Ca2=5，電梯狀態(tài)信息見圖3。

圖3 電梯位置相對關(guān)系圖

（3）第k區(qū)域電梯需求量Qak的計算

計算每個區(qū)域所需分配的電梯臺數(shù)Qak，利用了各客流量（樓層客流量、區(qū)域客流量、總客流量），根據(jù)區(qū)域客流量占總客流量的比重與電梯群總臺數(shù)Ne的乘積求取。為保證計算精度，需要一種特殊的處理方法（每區(qū)至少一臺電梯）：

（4）j號電梯相對第k區(qū)域的能源損耗（SCkj）計算

文獻(xiàn)[1]詳細(xì)分析了交流雙速和交流變頻調(diào)速電梯原理，對兩種控制模式進(jìn)行&Pf電能測試，得到交流雙速電梯能耗累積特征。以交流變頻調(diào)速電梯能耗為例，空載上行和重載下行階段處于發(fā)電狀態(tài)；在電梯啟動和制動時能量消耗很小，近似為零?？蛰d下行的能源消耗只跟運行距離有關(guān)系，重載上行跟乘客的總質(zhì)量、運行距離都有關(guān)系[7,8]。電梯仿真系統(tǒng)不能進(jìn)行乘客數(shù)量計算和質(zhì)量測量，為方便算法實現(xiàn)，可考慮電梯穩(wěn)定運行過程中產(chǎn)生能量。

（5）補(bǔ)償參數(shù)的計算

補(bǔ)償參數(shù)Cj跟電梯轎廂門當(dāng)前的狀態(tài)有關(guān)，引入補(bǔ)償參數(shù)Cj可更細(xì)致地量化評價當(dāng)前轎廂門狀態(tài)：

式中：t為轎廂從剛剛靜止或轎廂門即將打開到當(dāng)前轎廂門開合狀態(tài)所花費時間；T_r為轎廂門開合總時間。

根據(jù)以上對各參數(shù)的介紹及詳細(xì)分析，可給出計算公式（3）～（5）：

式中，stop為轎廂運行至目標(biāo)Cak過程中的?？看螖?shù)。

1.3 多目標(biāo)電梯群分區(qū)算法的設(shè)計思想及結(jié)構(gòu)

多目標(biāo)電梯群分區(qū)算法將靜態(tài)分區(qū)與動態(tài)計算各電梯在各區(qū)域評價函數(shù)Ejk相結(jié)合，利用各區(qū)客流量求取各區(qū)電梯需求量，比較評價值，將電梯群實現(xiàn)最優(yōu)分配給各區(qū)。靜態(tài)分區(qū)是將樓層平均或近似平均地連續(xù)分成若干個區(qū)域n。評價函數(shù)主要追求第k區(qū)域相對j號電梯的候梯時間（WTkj）和j號電梯相對第k區(qū)域的能源損耗（Ekj）兩個目標(biāo)。

根據(jù)上述兩個目標(biāo)，取j號電梯相對k區(qū)的評價函數(shù)：

式中，k=1、2、3，分別對應(yīng)1，2，3區(qū)。

a1、a2、a3（a1+a2+a3=100）分別為三個目標(biāo)的權(quán)重，不同的權(quán)重代表對三個目標(biāo)側(cè)重不同的分區(qū)模式（空閑客流分區(qū)模式、均衡客流分區(qū)模式、高峰分區(qū)模式），系統(tǒng)智能化地根據(jù)客流量的大小來模糊判斷當(dāng)前系統(tǒng)分區(qū)模式[10,11]。高峰分區(qū)模式：a1=50、a2=50、a3=50；空閑客流分區(qū)模式：a1=20、a2=0、a3=80；均衡客流分區(qū)模式：a1=33、a2=33、a3=34。利用評價函數(shù)得到評價值，例如：6部10層，靜態(tài)分區(qū)為3個區(qū)域的系統(tǒng)是18個評價值。利用評價值梯度分配函數(shù)處理評價值，分配給各區(qū)域最優(yōu)電梯[9]。

評價值梯度分配算法是搜索評價值中的最小值，將最小值對應(yīng)的電梯分配給該值對應(yīng)的區(qū)域。例如：

2 算法的實現(xiàn)算例

將t時刻電梯群狀態(tài)圖1中的相關(guān)信息提取出來，如表2，并計算出和評價值，如表3～4所示。

表2 各電梯運行狀態(tài)

表3 候梯時間和乘梯時間計算結(jié)果

表4 能源消耗和電梯評價值計算結(jié)果

除表2信息之外，還有客流量信息：Pf1=3，Pf2=0，Pf3=2，Pf4=4，Pf5=0，Pf6=1，Pf7=0，Pf8=1，Pf9=2，Pf10=2。

再根據(jù)客流量信息可計算第k區(qū)域電梯需求量Qak得：

表5 各電梯區(qū)域分配結(jié)果

3 算法仿真實現(xiàn)

電梯仿真系統(tǒng)所使用控制器為S7_1200，被控對象為6部10層電梯群。其他參數(shù)為：設(shè)置運行時間：10 min；總?cè)藬?shù)：200；開、關(guān)門時間：14 s；運行一層所花費的時間：4 s；單部轎廂載重：1000 kg；單部轎廂定員：13人。對于呼梯信號分配算法，仿真中統(tǒng)一采用多目標(biāo)規(guī)劃電梯群控算法[1]，仿真了靜態(tài)分區(qū)和所提到的多目標(biāo)動態(tài)電梯群分區(qū)算法。

靜態(tài)、動態(tài)分區(qū)下多目標(biāo)參數(shù)的積累量及運行效果見表6。從表6仿真結(jié)果來看，在加入多目標(biāo)電梯群分區(qū)算法后，在運輸總體效率上有了很大的提升，相同時間運輸?shù)某丝蛿?shù)量有了很大的提高。在具體參數(shù)方面，乘客平均候梯時間從101.09 s優(yōu)化至45.84 s，乘客長時間候梯率從51%優(yōu)化到30%等，各指標(biāo)都有了很好的改善。

表6 靜態(tài)、動態(tài)分區(qū)下多目標(biāo)參數(shù)的積累量及運行效果

4 結(jié)論

本研究提出的考慮客流模式、乘客候梯時間、乘客乘梯時間和能源消耗指標(biāo)的多目標(biāo)電梯群分區(qū)算法，該算法利用客流量計算得到每個區(qū)域?qū)﹄娞菖_數(shù)的需求。電梯群系統(tǒng)智能識別交通模式、各區(qū)客流中心以及各電梯狀態(tài)，進(jìn)而求取乘客候梯時間、乘客乘梯時間和能源消耗，計算評價值，最后比較評價值和各區(qū)電梯臺數(shù)需求，確定電梯群分區(qū)。

本研究將多目標(biāo)算法應(yīng)用于電梯群分區(qū)，考慮因素全面，經(jīng)算法編程實現(xiàn)，并將靜態(tài)分區(qū)和多目標(biāo)動態(tài)電梯群分區(qū)算法在電梯仿真系統(tǒng)運行，效果有了顯著改善，具有工程實際參考意義，起到節(jié)能減排作用。