電梯交通配置自動優化方法

摘要： 隨著高層及超高層建筑的不斷增多，電梯交通配置越來越受到人們的重視，與此同時，由于建筑物復雜程度的增加，需要更加嚴格和準確的電梯交通配置方法，本文在傳統的配置方法基礎上進行了改進，并提出一系列明確的規則束，結合現代高層建筑的特點，增加了約束條件，使電梯交通配置能夠迅速準確地得到最優結果。該方法與類似的方法以及傳統的解析方法進行了比較，結果表明該方法有效.

關鍵字：電梯交通配置；行程時間；間隔時間；數量；容量；速度

一、傳統性能參數

傳統交通配置方法中，選擇電梯系統最常用的參數就是電梯相繼到達大廳的間隔時間，該值作為最重要的性能參數長時間以來被廣泛應用。

間隔時間INT是指載有任意荷載的電梯相機到達門廳的平均間隔時間[1]， 隨著電梯技術的發展，將間隔時間作為配置結果的評價參數已經逐漸顯現其不足：

1）間隔時間作為評價參數通常用于常規的控制系統，此時乘客可以登上下一個到達大廳的電梯，但是當群控系統為大廳目的地控制系統時，乘客的行為受限，他只適合登上指定的轎廂，該轎廂可能并不是下一個到達大廳，間隔時間就此乘客而言可能并沒有意義。

2）用于雙層轎廂系統時，如果某乘客去往偶數樓層，必須先通過樓梯或者自動扶梯到達指定的登梯大廳[2]，這個過程所消耗的時間不能直接加到間隔時間上去。類似的，在空中走廊系統中，去往高層的乘客需要經歷兩段行程，乘客的行程無法用間隔時間來衡量，也不能簡單的當作兩個獨立行程的獨立間隔時間來看待。

3）間隔時間作為性能指標是建立在轎廂系統的角度上而不是從乘客的角度出發的。盲目使用間隔時間作為衡量系統的指標而忽略了控制系統的類型、交通模式和系統的總體設計以及乘客的實際行程，這是導致出現前兩個缺點的直接原因。

綜上，傳統性能參數間隔時間INT的這些缺點是因為該參數主要集中在電梯相繼到達大廳的時間，而忽略了乘客因素，因此，需要重新建立新的以乘客為中心的性能參數。

二、新的性能指標

最具有代表性的從乘客角度出發的參數就是等待時間。由于乘客的到達時間是隨機的，因此等待時間也是隨機的，就某名乘客而言，最少的等待時間為0，最長的等待時間可能要超過間隔時間INT[3]，該值一般通過仿真模擬得到，與乘客數量以及間隔時間相關。

分析傳統性能參數的不足，綜合考慮乘客平均等待時間和在電梯中的運行時間是比較妥當的，因此本文將乘客總的行程時間JT作為評價標準，這個時間代表了乘客從等待電梯到在目的層走出電梯之間所花費的總時間，可作為衡量與比較現代高層與超高層建中電梯系統各配置方案優劣的標準。

雖然現在還沒有一個能被廣泛接受的乘客為中心的理論，但是隨著高層建筑的越來越普遍，改進系統性能指標將是大勢所趨，最典型的嘗試就是“30/60/90規則”。

三、最優配置的條件

近些年，由于高層建筑發展使其內部電梯系統復雜程度的增加，導致電梯運行周期的各組成部分大小發生了很大改變，例如相同處理量時，目的層控制系統的等待時間會比傳統轎廂等待時間要長，但是其行程時間卻遠小于后者，所以在考慮配置結果是否最優時，若以乘客在轎廂中的平均行程時間ATT也作為一個約束條件，將會更加符合電梯交通的狀態，使配置結果更具有說服力。

有數據顯示，由于高層建筑的迅速發展，60s的平均行程時間限制是很難達到的，這是與建筑物高度的增加密切相關的，經過查閱多方案例，本文提出可將此限制提高至90s，若超過90s將會導致乘客在轎箱內時間過長而出現煩躁等不良情緒，從而影響乘客對電梯服務的滿意度，此時，可考慮分區或提高電梯速度等手段來減小平均行程時間ATT。

綜上所述，最優配置的結果應該滿足以下條件：

（1） 實際間隔INT應小于等于目標間隔INTtar，但由于電梯數量必須為整數，所以等號不一定成立，故滿足小于即可；

（2） 實際的5分鐘乘客處理量HC%應等于期望到達率AR%，但并不要求精確相等，經四舍五入達約等即可。

（3） 乘客在電梯中的平均行程時間ATT應小于90s的時間限制。

四、自動優化配置方法設計

電梯交通配置包括選擇合適的電梯數量、轎廂容量以及速度來滿足建筑物的需求，需要注意的是，最優的配置結果應該要考慮到成本的最小化，而電梯系統中，成本被下列幾個參數直接影響，故應保證以下幾個值取最小，其按重要性先后順序來排列為：電梯數量、電梯速度、電梯容量。即當兩個配置結果比較，應選取電梯數量較小的配置結果；電梯數量一樣時要選擇速最小的結果；當前兩者都一樣時，必須要選擇電梯容量較小的結果。

4.1 電梯數量的優化

電梯配置方法基于計算單臺電梯在上行高峰交通狀況下往返一次的運行周期RTT： （1）

1）由建筑內總人數及期望到達率可得每秒到達率： （2）

2）目標間隔為INTtar，則實際的五分鐘到達人數： （3）

3）此時的P0為轎箱內乘客的初次估計量，根據此值及建筑物參數，代入到公式（1）中，可得一個對應的運行周期RTT0。間隔區間是用電梯數量來均分RTT之后得到的，反之，此時已知目標間隔INTtar，可以得到一個電梯數量的大概值，將此值向右取整之后所得結果即為初次估計的電梯數量： （4）

4）由于L經過（4）式后取大，使得實際的間隔時間INT要小于目標間隔INTtar，此時需要重新估計間隔時間，得新的間隔： （5）

5）而改變了間隔時間之后，實際的五分鐘達到人數也隨之發生改變，由此可得新的轎箱內乘客數量值： （6）

6）P1為估算運行周期RTT的一個新值，再代入公式（1）可得到RTT1。

7）此次計算使用的是經過優化后的電梯數量L，新的RTT1必將產生一個更加確切的到達間隔INT1，根據間隔時間INT1和到達人數P1可估計乘客的平均等待時間： （7）

8）而乘客從進入門廳到到達目的地之后走出電梯所用的總的時間JT可用如下公式估算[4]： （8）

到此為止完成一次配置結果，將INT1重新賦值給INT0，然后方程（4）至（8）進行多次循環，直到配置結果JT達到收斂條件，一般可取0.001s。

9）判斷是否滿足最優配置約束條件。

4.2 最優轎廂容量的選擇

經過上述的優化過程得到轎箱內實際乘客數量P1，但是不能直接根據該值來選取轎廂容量，因為在實際運行中當電梯的平均載重量大于額定載重量的80%時，可能會由于引起等候時間加長出現排隊現象而導致的電梯系統服務質量下降，實際乘客數量為轎廂容量的80%時最好，則可得到最優的轎廂容量： （9）

轎廂容量有幾個標準值，一般取值8、10、13、16、21和26，因此由（9）得到的結果還應就近選擇一個標準容量，當然，所選擇的額定荷載必須是要大于實際的乘客數量。

4.3 電梯速度的優化

電梯的額定速度一般有以下幾個選擇：1.6m/s；2.0m/s；2.5m/s；3.15m/s；4.0m/s等，上述的配置過程是在已知電梯速度的前提下進行的，當自由選擇電梯速度時，一般要求從最低層運行到最高層時間不超過20秒，用大樓總高度除以20s可得一個速度，然后就近選擇一個額定的電梯速度[5]。由于高層建筑的不斷增加，可適當放寬時間限制至25s或30s，但是不建議再繼續增加，因為電梯實際運行中并不是一直以額定速度運行，加速過程和減速過程使運行時間將遠大于30s，此時要提高電梯系統服務質量，可采取分區等手段。

五、案例分析

某辦公大樓，各層人數相等且總人數為550人，大廳上共10層，層高均為4.5m，取電梯的間隔時間為30s，乘客到達率為12%。

電梯參數如下：

電梯額定速度：v=1.6m/s；電梯加速度：a =1m/s；電梯加速度變化率：j=1m/s；電梯開門時間：tdo=2s；電梯關門時間：tdc=3s；延遲啟動時間：tsd=1s；提前開門時間：tao=0.5s；乘客進出電梯時間：tpi=tpo=1.2s

將以上數據作為程序的輸入，經過上述自動配置過程，得到的配置與文獻[5]的配置結果比較如下：

表1 配置結果比較

經過改進后的配置方法顯示電梯運行周期、乘客平均行程時間以及乘客的等待時間都有所減少，說明改進后的方法是可行的。

六、總結

相對于傳統配置方法中以電梯系統為中心的性能指標，本文提出以乘客的總行程時間作為衡量標準，這種新的視角是從乘客的切身感受出發的，同時也更能反映在現代高層建筑中電梯系統的服務質量。提出最優的電梯配置需要滿足的條件及實現步驟，通過清晰的定義配置的相關規則，編寫程序實現計算機自動計算，不斷修正所得結果，找出其中的最優配置，設計者只需要輸入相關參數，即可得到一組最好的配置結果，案例分析顯示該方法可行。

參考文獻

[1] G.C.Barney. Elevator Traffic Analysis Design and Control[M]. 1993.

[2] W.H.Wuhrman；Paliath Mohandas.Planning double deck elevator systems[J].Consluting engineer.1970.12.70-73.

[3] 朱德文.電梯交通系統的智能控制與應用[M].長春：吉林大學出版社.2002.

[4]Siikonen M.L.Planning and control models for elevators in high-rise building[D].Helsinki University of Technology.1997.

[5]Al-Sharif，lutfi.Automated optimal design methodology of elevator systems using rules and graphical methods（the HARint plane[J].Building services engineering research and technology.2011.7（17）：11-34.