基于蟻群算法的電梯群控系統(tǒng)研究

王建榮，陳 斌，陳 柯

(沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142)

0 引言

近年來，高層建筑的增多，更多的學(xué)者開始電梯群控技術(shù)的研究，粒子群算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，模糊控制算法等諸多算法應(yīng)用于電梯群控系統(tǒng)中[1]。模糊控制算法學(xué)習(xí)能力較差，無法及時(shí)的對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，專家系統(tǒng)算法對(duì)復(fù)雜多變的高層電梯控制能力較差，適合于低層建筑的控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在電梯群控中訓(xùn)練時(shí)間比較長(zhǎng)，參數(shù)等較難設(shè)定。該文提出的蟻群算法最大化的提高乘客乘梯舒適度和降低電梯的能耗，系統(tǒng)的建立評(píng)價(jià)函數(shù)，能夠從多個(gè)方面對(duì)電梯群控系統(tǒng)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。

1 電梯群控評(píng)價(jià)函數(shù)

電梯群控系統(tǒng)是一個(gè)多目標(biāo)的復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。在電梯運(yùn)行過程中，數(shù)據(jù)是隨機(jī)的，沒有規(guī)律的，不僅要考慮到乘客的舒適度，電梯的運(yùn)載能力還要考慮到電梯的能耗問題。建立四個(gè)評(píng)價(jià)函數(shù)，分別為乘客的候梯時(shí)間(AWT)、乘客的乘梯時(shí)間(Est)、乘客的舒適度(Com)和電梯的能耗(ERC)。群控算法就是解決電梯的多目標(biāo)優(yōu)化的問題，通過多次迭代找出最優(yōu)解，使評(píng)價(jià)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)，電梯運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到最優(yōu)。

構(gòu)建加權(quán)的電梯群控評(píng)價(jià)函數(shù)[2]如式(1)：

(1)

其中：Wi為權(quán)重系數(shù)，∑Wi=1，反應(yīng)上述四種參數(shù)的相對(duì)大小。根據(jù)實(shí)際情況可以調(diào)整各個(gè)模塊的權(quán)重，如在上下班的高峰期，可以降低乘客的舒適度評(píng)價(jià)參數(shù)，提高電梯的載客人數(shù)和運(yùn)行速度，減少高峰時(shí)期的乘客的等待和滯留時(shí)間，根據(jù)不同的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)的去改變權(quán)重系數(shù)，實(shí)現(xiàn)電梯的多功能運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)電梯群控的智能化，人性化的特點(diǎn)[3]。

1.1 乘客的平均候梯時(shí)間

乘客的候梯時(shí)間是指乘客從按下呼梯按鈕后到電梯接到乘客為止所耗費(fèi)的時(shí)間，它與電梯的運(yùn)行速度，運(yùn)行時(shí)間和開關(guān)門次數(shù)息息相關(guān)，其關(guān)系表達(dá)如式(2)：

WT(i,j)=t停+t運(yùn)行

(2)

其中：t停包括電梯的開門時(shí)間，乘客出入電梯時(shí)間，電梯關(guān)門時(shí)間；t運(yùn)行與電梯距乘客的距離有關(guān)。

候梯時(shí)間的評(píng)價(jià)函數(shù)如式(3)：

(3)

1.2 乘客的平均乘梯時(shí)間

乘客的平均乘梯時(shí)間指的是乘客從進(jìn)入電梯到達(dá)目標(biāo)層所花費(fèi)的時(shí)間，和電梯的?？看螖?shù)、運(yùn)行速度、電梯內(nèi)人數(shù)多少以及待響應(yīng)的呼梯信號(hào)有關(guān)。評(píng)價(jià)函數(shù)為式(4)：

Est(i,j)=e-0.007 7et(i,j)

(4)

1.3 乘客的舒適度

電梯的運(yùn)行速度、運(yùn)行時(shí)間以及電梯轎廂的擁擠程度都會(huì)影響到乘客的舒適度體驗(yàn)，同時(shí)乘梯的人數(shù)是影響乘客舒適度的關(guān)鍵因素，以電梯當(dāng)前載重量為變量建立評(píng)價(jià)函數(shù)如式(5)，其中N(i)為電梯當(dāng)前的載重量。

Com(i,j)=e-0.015N2(i)

(5)

1.4 電梯的能耗

電梯的能耗與電梯的運(yùn)行距離息息相關(guān)，電梯的啟動(dòng)和停止會(huì)產(chǎn)生較大的能量消耗，起停次數(shù)越多，耗能越多，因此應(yīng)適當(dāng)?shù)臏p少電梯的起停次數(shù)，盡量以少量的起停運(yùn)載更多的乘客去減少能耗。第i個(gè)電梯響應(yīng)第j層乘客呼叫的能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)如式(6)所示，其中T(i)為電梯的停站次數(shù)。

ERC(i,j)=e-0.015T2(i)

(6)

2 蟻群算法

2.1 蟻群算法的基本原理

蟻群算法是由意大利著名科學(xué)家M. Dorigo受到自然界中螞蟻的群體行為的啟發(fā)提出的仿生算法。在覓食過程中，螞蟻與螞蟻之間是通過信息素交流的，某一路徑上螞蟻的信息素越多，其他螞蟻選擇這條路的概率就越大。信息素和路徑的長(zhǎng)短成反比，路徑越短，螞蟻往返次數(shù)越多，該條路徑上的信息素就會(huì)越多，其他路徑上的信息素逐漸揮發(fā)，最終蟻群就會(huì)逐漸歸攏到最短路徑前往覓食點(diǎn)[4]。

蟻群算法的優(yōu)點(diǎn)對(duì)于一些求解問題，只需對(duì)蟻群算法的模型作簡(jiǎn)單修改就可以應(yīng)用，具有很強(qiáng)的魯棒性，在迭代過程中，單個(gè)個(gè)體的變異對(duì)整個(gè)種群的影響不大，在尋優(yōu)中，種群螞蟻按照同樣的算法尋找最優(yōu)解，互不影響[5]。

2.2 蟻群算法模型

蟻群算法最初是用來解決旅行商(TSP)的問題，TSP問題的要求是必須途徑所有的城市，并且每個(gè)城市只經(jīng)過一次，必須回到出發(fā)的城市，最后求得所有路徑中的最短路徑。螞蟻觀察到的世界是一個(gè)3×3的方格世界，根據(jù)方格世界中路徑上的信息濃度決定前進(jìn)方向，由此可得出某只螞蟻在一個(gè)城市向另一個(gè)城市出發(fā)的概率模型[6]如式(7)，其中變量意義如表1所示。

表1 概率模型變量的意義

(7)

當(dāng)蟻群所有的螞蟻完成所有城市周游后，就要進(jìn)行信息素τij(t)的更新，見式(8)和式(9)。其中變量意義如表2所示。

表2 信息素更新變量的意義

τij(t+n)=(1-ρ)τij(t)+Δτij(t)

(8)

(9)

對(duì)于信息素的增加一共有三種模型，即蟻周模型、蟻量模型和蟻密模型，分別表示為式(10)、式(11)和式(12)。

Ant-cycle system模型：

(10)

Ant-density system模型：

(11)

Ant-quantity system模型：

(12)

其中,蟻周模型指的是種群中所有螞蟻都完成周游后再進(jìn)行信息素的更新，其特點(diǎn)是速度慢，著眼于全局，有利于找到全局最優(yōu)解。蟻密和蟻量模型是所有螞蟻每走一步，對(duì)殘留的信息素進(jìn)行更新，其特點(diǎn)是迭代速度快，能更快尋找到局部最優(yōu)解[7]。

3 蟻群算法在電梯群控中的應(yīng)用

蟻群算法近年來被應(yīng)用于電梯的群控系統(tǒng)中。在電梯多部并行的樓宇中，集中處理多條信息，同時(shí)響應(yīng)多種外呼和內(nèi)呼，實(shí)現(xiàn)多部電梯的聯(lián)控，考慮乘客的擁擠程度，整個(gè)群控系統(tǒng)的整體耗能問題，蟻群算法有一定的優(yōu)勢(shì)。在處理多目標(biāo)復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化上，蟻群算法能根據(jù)整個(gè)群體的不斷迭代，找出實(shí)現(xiàn)這個(gè)方案的最短路徑，耗能最低。根據(jù)電梯的外呼，內(nèi)呼，當(dāng)前載重等建立對(duì)應(yīng)的矩陣，生成蟻群算法的入口參數(shù)，進(jìn)而對(duì)多部電梯實(shí)現(xiàn)智能群控[8]。

蟻群算法在電梯群控中的流程圖如下圖1，在高峰期設(shè)定評(píng)價(jià)函數(shù)的參數(shù)為0.3，0.2，0.3，0.2。電梯完成當(dāng)前運(yùn)行方向上的所有乘客的需求后，才能改變運(yùn)行的方向[9]。電梯的內(nèi)呼信號(hào)大于外呼信號(hào)，再同一運(yùn)行方向的外呼可響應(yīng)，保證將每一位乘客送至目標(biāo)層，蟻群算法重點(diǎn)在與信息素的更新和轉(zhuǎn)移概率公式上，每條路徑的最短距離約束著電梯群控系統(tǒng)陷入局部最優(yōu)解，經(jīng)過全局的優(yōu)化調(diào)整，分配最優(yōu)電梯去響應(yīng)外呼信號(hào)[10]。

圖1 蟻群算法應(yīng)用于電梯群控流程圖

4 基于MATLAB 的數(shù)據(jù)仿真

為了驗(yàn)證蟻群算法的有效性，通過MATAB對(duì)算法進(jìn)行仿真，螞蟻數(shù)量m設(shè)置為15，信息素重要程度因子α設(shè)置為1，啟發(fā)函數(shù)重要程度因子β和信息素?fù)]發(fā)因子ρ分別為5和0.1，樓層數(shù)設(shè)置為30層，經(jīng)過仿真可以清晰的看到，經(jīng)過80次迭代后，找到了平均距離最短的最優(yōu)選擇。最后通過由德普羅爾公司開發(fā)的Elevator Simulation軟件對(duì)200名上班高峰期的的乘客進(jìn)行20分鐘的仿真模擬。并將蟻群算法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法三種算法進(jìn)行對(duì)比，體現(xiàn)了蟻群算法在電梯群控方面的優(yōu)勢(shì)。仿真結(jié)果如圖2所示，算法比較如表3所示。

圖2 電梯運(yùn)行最短距離與平均距離對(duì)比

表3 電梯群控算法評(píng)價(jià)結(jié)果

5 結(jié)論

常規(guī)電梯都是多部獨(dú)立運(yùn)行的電梯，乘客并不了解電梯內(nèi)的乘客情況，只能主動(dòng)的去呼叫距離自己最近的電梯，有可能會(huì)同時(shí)對(duì)幾部電梯進(jìn)行同時(shí)呼叫，這樣就會(huì)造成電梯的資源浪費(fèi)，在高峰期更會(huì)降低電梯的載客能力和增加平均候梯時(shí)間。改進(jìn)后的基于蟻群算法的電梯群控系統(tǒng)為多部聯(lián)控的群控電梯，所有電梯共同相應(yīng)一個(gè)外呼，通過迭代計(jì)算后得到1部最優(yōu)電梯，達(dá)到多部電梯之間的平衡控制，合理的安排電梯，讓乘梯人均勻的分布在3部電梯內(nèi)，提高乘客的舒適感。減少電梯?？看螖?shù)，降低能耗[11]。

該文將電梯群控和蟻群算法結(jié)合起來，驗(yàn)證了蟻群算法的高效性和可行性，在電梯仿真軟件Elevator Simulation中選擇的是6部10層電梯，電梯數(shù)和樓層數(shù)較少，數(shù)據(jù)存在一定的誤差，未能明顯的突出蟻群算法的優(yōu)勢(shì)，隨著研究的不斷深入，相信在不久的將來，電梯群控一定會(huì)給人們帶來更大的便利。