基于機(jī)器視覺技術(shù)的電梯調(diào)度系統(tǒng)研究

劉建平 常振元 王 剛

（陜西省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院 西安 710048）

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)技術(shù)飛速發(fā)展，城市發(fā)展速度不斷加快，一座座高樓大廈拔地崛起，高層建筑逐年增多，與之而來的是電梯數(shù)量越來越多，成為人們生活的重要組成部分，例如平?；丶摇⑸习嗷蛘哔徫锏雀鱾€(gè)場所都會使用電梯。正因如此，人們對電梯運(yùn)行質(zhì)量的要求也越來越高。特別是只有單臺電梯的建筑物，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的出行需求。為此，現(xiàn)有辦公寫字樓內(nèi)通常會安裝多臺電梯，采用多臺電梯協(xié)同運(yùn)行的方式提升出行效率，這種協(xié)調(diào)運(yùn)行模式就是電梯調(diào)度系統(tǒng)。這種系統(tǒng)通常采用的策略是優(yōu)化協(xié)調(diào)多臺電梯同時(shí)運(yùn)行，以提高運(yùn)輸效率和服務(wù)質(zhì)量。由于電梯運(yùn)行模式多樣，不同模式下客流量分布差異較大，比如上下班高峰時(shí)期，上下客流需求較為分散。因此，單一或固定的控制策略無法滿足高效的出行需求。為了縮短人們的候梯時(shí)間、乘梯時(shí)間，并降低設(shè)備能耗，就需要使用智能電梯控制系統(tǒng)對多臺電梯進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度控制[1]。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外廣泛采用的控制方案主要包括基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度方案、基于遺傳算法的調(diào)度方案、基于模糊控制的調(diào)度方案等人工智能技術(shù)[2]。但在上下班高峰時(shí)期，當(dāng)前的調(diào)度方案依然存在較大問題，無法解決高效運(yùn)輸問題。導(dǎo)致在上下班高峰時(shí)段排隊(duì)時(shí)間過長，嚴(yán)重影響大家出行。隨著互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了基于移動互聯(lián)網(wǎng)方式進(jìn)行電梯調(diào)度的技術(shù)方案[3]以及智能電梯調(diào)度系統(tǒng)的研究[4]。但該方案主要依賴于手機(jī)搭載的GPS、陀螺儀、氣壓計(jì)等硬件模塊判斷用戶所處的位置，并將該數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳輸?shù)诫娞菘刂葡到y(tǒng)，對于如何實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度、優(yōu)化電梯運(yùn)行路徑并未做出解釋，而且手機(jī)GPS 在室內(nèi)基本沒有信號，陀螺儀對于高度的定位存在累計(jì)誤差，氣壓計(jì)在室內(nèi)會受到空調(diào)氣流的影響，其高度定位能力不能達(dá)到預(yù)期效果。也有通過手機(jī)App 主動預(yù)約式的電梯調(diào)度方案，該方案將乘梯時(shí)間、乘梯序號、乘梯路徑預(yù)先通過手機(jī)App 上傳電梯調(diào)度總服務(wù)器，通過電梯自動調(diào)度模式將乘客運(yùn)輸?shù)筋A(yù)定樓層[5]。但該方案過于理想化，將乘坐電梯程序復(fù)雜化，容易引發(fā)乘客對于乘坐電梯的心理壓力，對于電梯這類公共交通工具而言并不適用。本文針對上述問題提出一種基于機(jī)器視覺技術(shù)的電梯智能調(diào)度系統(tǒng)，旨在解決客流高峰期電梯運(yùn)載效率低的問題。

2 總體方案

2.1 設(shè)計(jì)思路

現(xiàn)有調(diào)度方式?jīng)]有解決并聯(lián)電梯同時(shí)?？恐虚g同一個(gè)樓層搭載乘客的問題。例如下班高峰期，有2 臺并聯(lián)電梯半載狀態(tài)從X層向下運(yùn)行，此時(shí)Y層聚集大量乘客等待下1 層。2 臺半載電梯先后經(jīng)過Y層附近時(shí)，系統(tǒng)只是調(diào)度最先到達(dá)Y層的電梯響應(yīng)停梯，而另一臺電梯會略過Y層繼續(xù)半載下行。此時(shí)，停梯載客電梯幾乎滿載只能搭載1 ～2 人，而另一臺電梯轎內(nèi)人數(shù)很少甚至是空載下行，Y層乘客還需等待2 臺電梯再循環(huán)1 次。這種調(diào)度方式勢必會造成以下問題，并不能發(fā)揮并聯(lián)或群控電梯調(diào)度優(yōu)勢。

1）調(diào)度系統(tǒng)不會選擇載客量少的電梯響應(yīng)呼梯信號或調(diào)度2 臺電梯同時(shí)響應(yīng)候梯人數(shù)較多的樓層呼梯信號，而是就近調(diào)度一臺電梯停梯載客，導(dǎo)致乘客錯(cuò)過最佳乘梯選擇。

2）電梯載客量未達(dá)到超載但轎廂內(nèi)無載人空間時(shí)，電梯仍響應(yīng)樓層呼梯信號出現(xiàn)不必要的停站，延長乘客的候梯時(shí)間與乘梯時(shí)間。

3）乘客在候梯廳選擇呼梯后，因某一原因突然離開候梯廳，電梯仍響應(yīng)呼梯信號出現(xiàn)無效調(diào)度。

針對以上調(diào)度缺陷，本方案在現(xiàn)有調(diào)度控制系統(tǒng)中增加機(jī)器視覺裝置，利用機(jī)器視覺技術(shù)為電梯調(diào)度系統(tǒng)提供調(diào)度信號。通過機(jī)器視覺裝置實(shí)時(shí)掌握每個(gè)樓層候梯人數(shù)，有效調(diào)度大載客量電梯或多臺電梯響應(yīng)多人候梯樓層，盡可能保證每臺電梯都能達(dá)到滿載下行或上行。同時(shí)控制無載人空間的電梯停止響應(yīng)廳外信號，減少不必要的停站，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)或群控電梯有選擇性的停梯。

2.2 組成及原理

基于機(jī)器視覺技術(shù)的電梯調(diào)度系統(tǒng)主要由視覺系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。其中，視覺系統(tǒng)由候梯廳數(shù)據(jù)采集裝置、轎內(nèi)數(shù)據(jù)采集裝置組成；存儲系統(tǒng)由信號轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊組成；控制系統(tǒng)由邏輯通信模塊、邏輯控制模塊組成，如圖1 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)組成

基于機(jī)器視覺技術(shù)的電梯智能調(diào)度系統(tǒng)的工作原理是：候梯人數(shù)與轎內(nèi)裝載人數(shù)通過視覺系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，信號模塊將圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并通過邏輯運(yùn)算作為電梯調(diào)度信號傳輸至控制系統(tǒng)，控制模塊控制電機(jī)啟停實(shí)現(xiàn)電梯智能調(diào)度，如圖2 所示。

圖2 工作原理

2.3 流程設(shè)計(jì)

文中采用3 臺群控電梯為案例詳細(xì)闡述新調(diào)度方案工作流程，如圖3 所示。

圖3 調(diào)度方案流程圖

假定：候梯人數(shù)Mn，電梯T1、T2、T3，轎廂可乘人數(shù)K1、K2、K3，轎內(nèi)剩余可站人面積S1、S2、S3，上班或下班高峰時(shí)期某一樓層候梯乘客統(tǒng)一上行或下行。

候梯廳呼梯按鈕響應(yīng)后，視覺系統(tǒng)通過分析轎內(nèi)可乘人數(shù)與候梯廳人數(shù)給出調(diào)度指令。若候梯人數(shù)少于某一臺電梯的最大可乘人數(shù)，即Mn≤K[K1、K2、K3]max，則智能調(diào)度系統(tǒng)選擇可乘人數(shù)與候梯人數(shù)最接近的一臺電梯響應(yīng)呼梯信號。若單臺電梯不能滿足輸送乘客的需要，即候梯人數(shù)小于某2 臺電梯可乘人數(shù)之和Kmax＜Mn≤K[K1+K2、K2+K3、K1+K3]max，則智能調(diào)度系統(tǒng)同時(shí)調(diào)度2 臺可乘人數(shù)之和與候梯人數(shù)最接近的同方向運(yùn)行的電梯響應(yīng)該層呼梯信號。若任意2 臺電梯仍不能滿足輸送乘客的需要，即Mn＞K[K1+K2、K2+K3、K1+K3]max，則智能調(diào)度系統(tǒng)同時(shí)調(diào)度同方向運(yùn)行的3 臺電梯響應(yīng)該層呼梯信號。若電梯在響應(yīng)候梯信號調(diào)度運(yùn)行的過程中，視覺系統(tǒng)監(jiān)測到候梯廳候梯人數(shù)Mn=0 時(shí)，控制系統(tǒng)重新調(diào)度該電梯響應(yīng)其他樓層呼梯信號。若視覺系統(tǒng)監(jiān)測到轎內(nèi)可載人面積S1=0 或S2=0 或S3=0 時(shí)，則系統(tǒng)停止對S=0 的電梯調(diào)度響應(yīng)呼梯信號，而是直接完成一次調(diào)度。

在客流高峰期，假設(shè)某一樓層有n人等候電梯，機(jī)器視覺控制系統(tǒng)會調(diào)度可乘人數(shù)最接近n人的電梯搭載乘客。乘客進(jìn)入電梯后載重量接近超載將不再響應(yīng)其他樓層的呼梯信號，而是直接略過其他樓層完成一次調(diào)度。此時(shí)，雖然乘客候梯時(shí)間可能會有所延長，但是進(jìn)入電梯后的乘梯時(shí)間會大大縮短。綜合考慮乘客出行時(shí)間，這不僅會縮短該n名乘客的出行時(shí)間，還能縮短他人的乘梯時(shí)間，保證乘客快速出行。

3 節(jié)能分析

基于機(jī)器視覺技術(shù)的電梯調(diào)度系統(tǒng)主要是為了解決上下班高峰期電梯載客率低、無效調(diào)度、無效響應(yīng)的問題，以優(yōu)化電梯調(diào)度方案，提高運(yùn)輸效率。衡量電梯調(diào)度的優(yōu)化程度和運(yùn)輸效率，主要考慮以下幾個(gè)變量：乘梯時(shí)間、候梯時(shí)間、出行時(shí)間、系統(tǒng)能耗、運(yùn)載效率。

假定初始條件：乘客當(dāng)前所在樓層Fs，乘客目標(biāo)樓層Fm，電梯當(dāng)前所在樓層Fd，電梯到達(dá)i層所需停靠次數(shù)C（i)，電梯每運(yùn)行一層平均耗時(shí)Tp，電梯啟停一次耗時(shí)Ts，電梯每運(yùn)行一層平均消耗能量Qp，電梯啟停一次耗能Qs，最大運(yùn)載量∑（Mn）。

1）乘梯時(shí)間。乘梯時(shí)間是指乘客從進(jìn)入電梯轎廂開始至到達(dá)目標(biāo)樓層所需時(shí)間，用TC表示，其中包含停層時(shí)間、開關(guān)門時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間，則乘梯時(shí)間：

本文提出的基于機(jī)器視覺技術(shù)的電梯調(diào)度系統(tǒng)能夠杜絕無效調(diào)度，減少電梯停站次數(shù)C（i)，由式（1）可知乘客乘梯時(shí)間TC將會大大降低。

2）候梯時(shí)間。候梯時(shí)間是指乘客從呼梯開始至電梯運(yùn)行至乘客所在樓層所需時(shí)間，用Th表示，則候梯時(shí)間：

同理，電梯在到達(dá)乘客所在樓層過程中減少了無效停站次數(shù)C（i)，候梯時(shí)間Th取得最小值。

3）出行時(shí)間。出行時(shí)間是指乘客從呼梯開始至到達(dá)目標(biāo)樓層所需的時(shí)間總和，用TW表示，則乘客出行時(shí)間：

顯然，乘梯時(shí)間TC與候梯時(shí)間Th取得最小值，乘客出行所需時(shí)間TW將會大大縮短。

4）系統(tǒng)能耗。系統(tǒng)能耗是指乘客從呼梯開始至到達(dá)目標(biāo)樓層電梯所耗能量，用E表示，則系統(tǒng)能耗：

同理，電梯無效停站次數(shù)減少，C（i)取得最小值，即電梯系統(tǒng)能耗E取得最小值。

5）運(yùn)載效率。運(yùn)載效率是指候梯總?cè)藬?shù)與總候梯人候梯時(shí)間和乘梯時(shí)間的比值，用η表示，則運(yùn)載效率：

由式（1）、式（2）可知，TC與Th取得最小值，所以運(yùn)載效率η取得最大值。

綜上分析可知，本文提出的基于機(jī)器視覺技術(shù)的電梯調(diào)度系統(tǒng)能夠有效縮短乘客候梯時(shí)間、乘梯時(shí)間、出行時(shí)間，提高運(yùn)載效率，降低系統(tǒng)能耗。

4 結(jié)束語

通過對目前電梯調(diào)度控制方式中存在的利弊研究，給出了一種基于機(jī)器視覺技術(shù)的電梯調(diào)度方案，能夠有效解決現(xiàn)有電梯高峰期載客率低及無效啟停頻繁的問題。新的調(diào)度方案是電梯在調(diào)度控制方式上的創(chuàng)新，能夠?qū)崿F(xiàn)按需停梯的要求。通過節(jié)能理論分析得出基于機(jī)器視覺技術(shù)的電梯調(diào)度系統(tǒng)方案能夠有效縮短乘客候梯時(shí)間、乘梯時(shí)間、出行時(shí)間，提高運(yùn)載效率，降低系統(tǒng)能耗。與現(xiàn)有電梯調(diào)度系統(tǒng)相比，基于機(jī)器視覺技術(shù)的電梯調(diào)度系統(tǒng)方案優(yōu)化了目前調(diào)度系統(tǒng)存在的缺陷，在提高運(yùn)行效率、降低系統(tǒng)能耗方面具有明顯的優(yōu)越性。電梯調(diào)度系統(tǒng)中引入機(jī)器視覺技術(shù)不僅能提效節(jié)能，更是給智能電梯的發(fā)展提供了一種新思路。