基于malab的電梯群控系統仿真平臺的研究

1在電梯群控系統上的應用在建筑設計中，通常由多輛電梯配置，形成一個電梯組，集中為建筑物提供服務，這是電梯組管理系統（ecgs）。電梯群控系統是一個實時性非常強的系統,需要不斷收集梯群的狀態信息和廳外的召喚信號,采取一定的派梯策略,選擇最適合的電梯去應答廳外召喚。為了節約開發成本,一個成功的電梯群控系統在應用到實際控制系統之前,往往都在計算機系統上進行仿真研究,調試參數,在仿真研究完成以后,再應用到電梯試驗塔做試驗,檢驗控制策略的有效性和有關的性能指標。國際上介紹電梯群控系統仿真技術的文獻很少,國內的文獻也不多。文獻提出了在電梯控制系統中應用面向對象分析與設計的思想,有利于更加客觀描述電梯系統,簡化設計,提高程序的可移植性。但是沒有深入研究電梯系統的行為,難以做到合理的控制;而且其軟件實現無法更形象地比較研究電梯的群控算法和性能比較,MATLAB的應用可以彌補這方面的不足。MATLAB是工程領域著名的數值計算和分析軟件,具有強大的數值計算能力、豐富的繪圖功能、可視化的編程風格,具有很強的開放性。MATLAB6.1更是吸收了全新的數據類型和面向對象的編程技術,采用了新的控制流和函數結構,豐富了數值計算功能,擴充了多種交互式操作工具,極大地方便了仿真平臺的開發。利用MATLAB的面向對象編程技術,可以方便地描述電梯系統的行為,對電梯系統進行仿真;利用其豐富的數值計算函數,可以方便快捷地對電梯性能指標進行計算和統計,節約了開發成本。2廳外呼喚信號的分配電梯轎廂內指令信號由電梯轎廂內的乘客按下控制面板上的按鈕發出;廳外召喚信號由廳外候梯乘客按下廳外按鈕給出。電梯系統在每個停靠層站都設有一對召喚按鈕,分別用于上行召喚和下行召喚。一旦有廳外召喚按鈕按下,那么電梯系統登記該召喚,并且高亮顯示乘客的召喚,然后選擇或者分派電梯前往應答。在電梯響應該廳外召喚時,消顯該樓層的召喚顯示,乘客進入電梯轎廂,然后按下轎廂內控制面板上的按鈕選擇目的樓層,然后電梯搭載乘客前往目的樓層。當所有的召喚信號服務完畢,電梯將處于空閑狀態,直到有新的任務發生。當一個新的廳外召喚產生以后,需要根據群控算法來判斷最優派梯,并決定由哪臺電梯來服務。一般說來,新的廳外召喚信號分配給某臺電梯時,不應該對過去已經分配的廳外召喚產生太大的影響,否則,廳外乘客的候梯煩躁度會呈指數級增長。因此一臺性能良好、服務高效的電梯系統的群控算法的選擇至關重要。3電梯運行模塊電梯群控系統仿真平臺包括下列模塊:交通流產生模塊(TrafficFlowModule),數據管理模塊(DataManagementModule),數據通信模塊(DataCommunicationModule),廳外召喚分配模塊(HallCallAssignmentModule),電梯運行模塊(ElevatorModule)。交通流產生模塊用來產生電梯交通流仿真數據;數據管理模塊用來統計電梯的歷史數據和評估電梯系統的性能指標;數據通信模塊用來收集電梯系統的狀態,記錄電梯的轎廂內指令和廳外召喚信號,向電梯發出派梯指令等;廳外召喚分配模塊用來完成派梯選擇,選擇最合適的電梯去應答廳外新近產生的召喚;電梯運行模塊按照一定的運行邏輯和運行規律,完成群控系統分派的應答任務,將乘客從起始樓層運送到目的樓層。各個獨立的模塊承擔不同的任務,協同工作,完成整個電梯系統的仿真運行。3.1到達概率的計算和確定乘客到達服從泊松過程,指的是乘客到達時間間隔服從泊松分布其中,λ是乘客的到達率(人/秒),t是乘客到達時間間隔最大值(秒),τi和τi+1分別為第i個乘客和第i+1個乘客的到達時刻。如果已知乘客的乘客的到達率λ和某一乘客的到達概率P,那么由公式(1)可以求得該乘客的最大到達時間間隔。乘客的到達分兩個步驟進行,先產生(0-1)之間的偽隨機數,利用公式(2)可以計算出乘客到達時間間隔最大值t。然后將時間t作為該乘客與前面乘客的時間間隔,并通過公式(3)與前面乘客的到達時間累加,可以確定該乘客的到達時間。乘客的到達時間生成以后,還需要確定乘客到達的起始樓層和目的樓層。根據電梯交通流模式和交通流特征值,容易確定上述參數。根據各個樓層作為起始樓層的概率,使用模擬賭盤操作(即0到1之間的隨機數)來確定乘客到達的起始樓層;根據各個樓層作為目的樓層的概率,依然使用模擬賭盤操作來確定乘客要去的目的樓層。在乘客的起始樓層和目的樓層確定以后,可以得到乘客的乘梯方向。乘客的起始樓層和目的樓層不可以相同。3.2乘客平均候梯時間和平均乘梯時間和平均服務時間數據管理模塊的作用是對電梯的性能指標進行計算,對服務質量進行統計,評估乘客的滿意度。在本仿真平臺中,主要對乘客的平均候梯時間、平均乘梯時間和平均服務時間進行統計計算。還可以針對具有學習能力的群控算法,提供周期性學習的電梯運行數據,以便群控系統調整群控參數,或者改變群控策略,為乘客提供更加快捷的的服務。乘客的平均候梯時間、平均乘梯時間和平均服務時間的計算,以5分鐘為計算單位。群控系統的周期性學習,可以分每天、每周、每月進行。3.3電梯群控算法電梯是載人服務工具,需要實時采集乘客的乘梯要求和電梯系統本身的狀態等輸入信息,也需要實時發出派梯指令等輸出信息,這就是數據通信模塊的功能。群控系統不僅需要從梯群內的電梯控制器采集電梯的轎廂內指令和當前狀態,如當前運行方向,當前位置,當前轎廂內負荷(人數)以及運行狀態;還需要收集廳外的召喚信號。在群控算法做出派梯決策后,向電梯發出廳外召喚任務指令,讓其去應答服務。由于在PC機上仿真電梯群控系統,數據通信變得相對簡單。數據通信模塊的存在,是為了用來更好地模擬實際中的電梯群控系統的運行。實際中的群控系統通常周期性地采集系統信息,周期性地發送任務指令。數據通信的間隔周期取決于電梯系統的硬件通信能力和群控算法的復雜程度。3.4最小長候梯算法和區域控制算法廳外召喚分配模塊的實現需要三個步驟:①輸入當前的交通信息;②廳外召喚分配性能預測;③做出派梯選擇。其中,廳外召喚分配的性能預測是本模塊的核心,由群控算法實現,它決定了電梯系統的服務質量和服務效率。一種群控算法往往是無法滿足所有交通模式需要的,只能在一定范圍內提供最優質的策略。基于此,許多學者從不同角度出發,提出了不同的群控算法。常規的群控派梯算法包括兩種:最小長候梯算法和區域控制算法。最小長候梯算法能夠控制和最小化每個廳外召喚的候梯時間。當廳外召喚產生時,最小長候梯算法預測每臺電梯的每個廳外召喚的候梯時間,將廳外召喚的最大候梯時間作為電梯的長候梯時間,選擇長候梯時間最小的電梯去應答新近產生的廳外召喚。區域控制算法是建立在最小長候梯算法基礎上的,能夠處理各種各樣的交通情況的群控算法。它在選擇電梯應答廳外召喚時,考慮了廳外召喚的候梯時間和大樓內的交通狀況。本仿真平臺采用最小長候梯時間算法來說明仿真平臺的有效性。盡管它靈活性不是很大,但是在降低乘客候梯時間方面的效果明顯。最小長候梯時間算法描述如圖1所示,K表示第K臺電梯;ix表示已分配給電梯K的一個廳外召喚信號,位于第i層,方向為x;jy表示新近產生的廳外召喚信號,位于第j層,方向為y;S(K,jy)表示電梯K反向從當前位置和產生召喚的層之間的距離。設在t1時刻,ix召喚產生,并分配給電梯K應答,則在t1時刻可以估計出ix的候梯時間TM(t1)(K,ix)。在t2時刻,jy召喚產生,假設分配給電梯K應答,則在t2時刻對ix的候梯時間TM(t2)(K,ix)重新估計。于是ix的總候梯時間為:根據最小長候梯時間算法的原理,有下列公式可以得到最優的派梯結果:TS(t2)(K,ix)是電梯K從t2時刻所處的位置運行到ix所在的樓層i所花費的估計時間,該時間同電梯的運行方向、電梯到樓層i的距離、以及所需的停靠次數等密切相關。3.5電梯總體狀態間的轉換電梯的服務歸根到底要由電梯的往返運行來完成。電梯運行模塊的仿真,離不開電梯的運行特點。按照電梯運行過程中的不同特征,將其運行過程分為8個階段,它們分別是:空閑(IDLE)狀態、開門(OPEN)狀態、下落客(UNLOAD)狀態、上落客(LOAD)狀態、關門(CLOSE)狀態、啟動加速(ACC)狀態、運行(MOVE)狀態和停車減速(DEC)狀態。各個狀態之間的轉換關系如圖2所示。可以看出,各個狀態呈現出一定的邏輯關系,如ACC狀態總是發生在MOVE之前,而DEC總是發生在MOVE之后。各個狀態的發生時間往往隨電梯本身的特點、當前狀態和一些不確定的隨機因素所決定。對于標準的電梯來說,每個狀態所持續的時間基本上是固定不變的。4電梯系統仿真流程電梯系統是一個典型的離散隨機事件系統,召喚信號的發生時間具有隨機性,而且電梯的狀態也具有不確定性。離散事件系統的仿真就是按照實際的工作流程,在規定事件內順序地改變實體或者設備的狀態。對于離散隨機事件系統,其仿真方法有:面向過程的仿真方法和面向對象的仿真方法。面向對象的仿真方法,指的是組成系統的實體以對象來描述。對象具有三個基本的要素:屬性、活動和消息。這樣,電梯系統可以分成幾個獨立的對象,如電梯、大樓、乘客等,根據各自的屬性,實現各自的操作功能。面向對象的仿真策略更加靈活、方便。由于電梯系統是離散事件系統,廳外召喚信號的產生是一個離散事件,具有隨機性和不確定性。如何安排電梯系統仿真的推進時間是重要問題。在離散事件系統中,仿真時間的表示方法主要有兩種:周期掃描法和事件掃描法。周期掃描法采用一個預先確定的均勻時間間隔來調整仿真時鐘,然后研究系統在該時間間隔內是否有事件發生。如有,則仿真;如無,則仿真時鐘推進到下一個時間間隔。但是該方法存在明顯的不足,就是容易出現“狀態模糊”現象,間隔時間較小的兩個事件往往會表現出同時發生,需要認真考慮仿真時間間隔。減少仿真時間間隔無疑會增加計算機的運行時間。而事件掃描法,是按照下一個事件的發生時刻來觸發仿真操作的。按照事件所發生的時間推進仿真時鐘,可以有效地避免周期掃描法的不足,同時大大改善了計算機運行時間的效率。電梯系統的仿真采用事件掃描法,將廳外乘客的到達作為觸發事件,對電梯系統進行仿真,仿真時間直到下一個乘客的到達時刻為止。電梯群控系統的仿真是基于廳外召喚按鈕的按下作為觸發事件的,而電梯交通流的產生是基于乘客屬性的,因此,需要將基于乘客屬性的電梯交通流轉換成廳外召喚信號。對于每個到達的乘客,根據其到達的起始樓層和要去的目的樓層,確定其乘梯方向。除電梯的兩個端站外,每個中間層站都允許乘客上行或者下行,在候梯大廳前可以認為存在兩個候梯隊列:上行隊列和下行隊列。隊列的一個顯著特點就是“先進先出(FIFO)”,先到的乘客,先登陸電梯,這是符合人們的生活習慣的。隊列可以為空,表征不存在該方向的候梯乘客;隊列非空時,表征存在該方向上的候梯乘客,并且正在等待電梯前來應答。當一個乘客到來時,群控算法首先判斷該乘客需要進入的候梯隊列是否為空,如果隊列非空,乘客直接進入隊列,不做派梯計算。如果隊列為空,則乘客進隊且按下相應的廳外召喚按鈕,群控算法將對該召喚信號做派梯計算。在乘客登陸轎廂時,按照乘客要去的目的樓層,進入轎廂的乘梯隊列。每個目的樓層對應著一個乘梯隊列。如果某個樓層的乘梯隊列為空,表示沒有乘客在該樓層下落。如果乘客在進入乘梯隊列以后成為隊首,那么需要按下相應的目的樓層按鈕,產生轎內召喚信號。在電梯到達目的樓層,乘客按照隊列規則下落。5乘客的平均服務時間和平均乘梯時間仿真平臺需要設置的參數如表1。圖3、圖4和圖5給出了基于最小長候梯算法的電梯群控系統的仿真結果。圖3是乘客的平均候梯時間。5分鐘內乘客的平均候梯時間在13～25秒內波動,仿真時間內的平均候梯時間為18.3秒。圖4是乘客的平均乘梯時間。5分鐘內乘客的平均乘梯時間在27～37秒間浮動,仿真時間內乘客的平均乘梯時間為30.8秒。圖5是乘客的平均服務時間。5分鐘內乘客的平均服務時間在40～60秒內波動,仿真時間內乘客的平均服務時間為49.1秒。電梯的上述三個性能指標曲線都是在其平均值附近波動,符合乘客的用梯規律,表明仿真平臺的有效性。乘客的平均候梯時間僅為18.3秒,體現了最小長候梯算法在減少乘客候梯時間方面的顯著作用。但是5分鐘內的三個指標平均值波動在10～20秒之間,波動最大的指標是平均服務時間,其波動范圍是約20秒,說明經典的群控算法——最小長候梯算法存在一些不足,這也是其它文獻所提到的。針對不同的客流到達率,三個性能指標(平均候梯時間、平均乘梯時間和平均服務時間)的比較如圖6所示。除乘客數外,其余的仿真條件設置見表1。隨著乘客到達率的增加,平均候梯時間、