多目標控制電梯群控調(diào)度算法的優(yōu)化*

李 強，鄭永康，王瀚韜

（1.杭州電子科技大學(xué) 智能與軟件研究所，浙江 杭州 310018；2.杭州優(yōu)邁科技有限公司，浙江 杭州 310052）

0 引 言

電梯群控系統(tǒng)（EGCS）是指采用優(yōu)化的控制策略來協(xié)調(diào)多臺電梯的運行，其核心是群控調(diào)度算法，它對所采集到的電梯群狀況和呼梯信號進行分析綜合，按規(guī)則發(fā)出派梯信號，協(xié)調(diào)電梯運行。EGCS能大大提高電梯的運輸效率和服務(wù)質(zhì)量，是目前電梯節(jié)能的主要手段。

目前電梯群控調(diào)度算法中，在控制目標上側(cè)重各不相同，如“時間最小/最大”群控算法、“相對時間因子”群控算法等側(cè)重于乘客待梯時間的優(yōu)化，“綜合服務(wù)成本”群控算法等側(cè)重于能量消耗最優(yōu)化［1］。但這些算法的控制目標均有不足之處，側(cè)重于某一類因素，并未全面考慮到在不同的交通模式下對不同控制目標的側(cè)重是不同的。在控制策略上群控算法引入了各種智能技術(shù)，如專家系統(tǒng)（Expert System）、模糊邏輯（Fuzzy Logic）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Net?work）及遺傳算法（Genetic Algorithm）等［2-4］。但它們本身具有局限性，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要大量輸入/輸出數(shù)據(jù)，訓(xùn)練時間長，易陷入局部極小；遺傳算法對新空間的探索能力有限，容易收斂到局部最優(yōu)解；模糊規(guī)則比較難于建立。

本研究提出一種綜合考慮乘客的平均候梯時間（AWT）、乘客長候梯率（LWP）和能量消耗（RNC）的多目標控制電梯群控算法。它根據(jù)電梯交通客流數(shù)據(jù)進行交通模式識別，給予3個目標不同權(quán)重；根據(jù)電梯運行數(shù)據(jù)采用模糊推理來獲取這3個目標的評價指標；針對模糊推理缺乏學(xué)習性的特點，利用魚群算法用于組合優(yōu)化具有較快的收斂速度的優(yōu)點，引入魚群算法用于多元線性回歸，得到計算評價指標可信度的決策函數(shù)，最終根據(jù)這3個目標的評價指標的加權(quán)平均值決定派梯方案。

1 魚群算法原理

人工魚群算法是李曉磊等人［5］于2002年在對動物群體智能行為研究的基礎(chǔ)上提出的一種新型仿生優(yōu)化算法，該算法根據(jù)“水域中魚生存數(shù)目最多的地方一般就是本水域中富含營養(yǎng)物質(zhì)最多的地方”這一特點來模仿魚群的覓食行為而實現(xiàn)尋優(yōu)。人工魚群算法采用自上而下的尋優(yōu)模式，從構(gòu)造個體的底層行為開始，通過魚群的覓食、聚群及追尾行為改變自身的位置，經(jīng)過一段時間各人工魚移動到局部極值點，最終從人工魚局部尋優(yōu)中找到全局最優(yōu)值。

人工魚個體可以用面向?qū)ο蟮姆椒▉順?gòu)造。它的主要屬性有魚的當前狀態(tài)、移動步長、感知范圍和當前食物濃度，主要行為有移動、追尾、聚群、覓食和行為的自適應(yīng)評價。根據(jù)目標函數(shù)，人工魚群算法評價所處位置不同行為的食物濃度值，并針對不同問題選擇合適的行為采取行動。通常情況下，該算法比較覓食、聚群、追尾行為的食物濃度值，選取優(yōu)于當前食物濃度值的最優(yōu)行為采取行動，若這三者行為的食物濃度值均不優(yōu)于當前的濃度值，則采取隨機移動行為。最終，人工魚會集結(jié)在幾個局部極值的周圍，這有助于判斷并獲取全局極值。

由于魚群算法在全局尋優(yōu)方面的良好性能，對它的研究應(yīng)用已經(jīng)滲透到多個應(yīng)用領(lǐng)域，如對配電網(wǎng)進行無功優(yōu)化［6］、航班路徑規(guī)劃［7］和圖像配準［8］等。

2 群控算法的總體設(shè)計

該電梯群控算法首先確定以AWT、LWP和RNC為控制目標，并將這3個目標的可信度指標的加權(quán)平均值作為目標函數(shù)；根據(jù)電梯交通客流數(shù)據(jù)進行交通模式識別，給予3個目標不同權(quán)重w1，w2，w3；對電梯運行數(shù)據(jù)進行采集計算，得到與這3個目標相關(guān)的4個輸入變量:廳層召喚等待時間（HCWT）i、廳層召喚最大等待時間（maxHCWT）i、剩余響應(yīng)能力（CV）i和召喚集中程度（GD）i，再利用模糊推理得到這3個目標的可信度數(shù)據(jù)作為學(xué)習樣本，針對各個目標分別利用人工魚群算法進行訓(xùn)練，獲得決策函數(shù)；以決策函數(shù)作為計算可信度的標準，根據(jù)4個輸入量得到這3個指標的可信度，最后通過加權(quán)平均，將呼梯信號指派給可信度最高的那臺電梯。多目標控制群控調(diào)度算法的原理如圖1所示。

圖1 基于魚群算法的多目標控制群控調(diào)度算法原理示意圖

3 多目標控制群控算法的設(shè)計

3.1 多目標控制函數(shù)

多目標控制函數(shù)可表示為:

式中:SAWTi—第i臺電梯AWT的可信度；SLWPi—第i臺電梯LWP的可信度；SRNCi—第i臺電梯RNC的可信度；Si—第i臺電梯的可信度；wi—權(quán)重，wi∈[0,1]，且w1+w2+w3=1。

通過電梯運行經(jīng)驗數(shù)據(jù)分析和借助電梯專家的經(jīng)驗，不同交通模式下的各個控制目標的權(quán)重推薦數(shù)值如表1所示［9］。

表1 各目標在不同交通模式下的權(quán)重

3.2 模糊推理

本研究中的模糊推理采用Mandani［10］方法。首先，根據(jù)呼梯信號和電梯狀態(tài)計算各個輸入量，根據(jù)隸屬度函數(shù)計算它們在語言變量大、中、小上的隸屬度；再根據(jù)模糊規(guī)則表計算每條規(guī)則的適用度和模糊輸出值；最后，計算得出每個目標的可信度指標。

3.2.1 輸入量的計算

與電梯的各個控制目標AWT、LWP、RNC有關(guān)的輸入變量是 HCWTi、maxHCWTi、CVi、GDi，它們是從電梯呼梯信號與電梯狀態(tài)等信號經(jīng)采集與計算得到。

廳層召喚等待時間（HCWT）i:新的呼梯信號從產(chǎn)生到被第i臺電梯響應(yīng)的等待時間，包括電梯的運行時間和轎廂的停靠時間。

廳層召喚最大等待時間（maxHCWT）i:第i臺電梯已登記的所有召喚命令和新登記召喚命令的最大等待時間。

剩余響應(yīng)能力（CV）i:第i臺電梯登記了新的呼梯信號后，對未來呼梯的響應(yīng)能力。

召喚集中程度（GD）i:新的呼梯信號所在樓層位置與第i臺電梯已經(jīng)登記的所有呼梯命令（包括外召和內(nèi)召）產(chǎn)生樓層位置的最短距離。

3.2.2 結(jié)合模糊推理獲得學(xué)習樣本

人工魚群算法的學(xué)習樣本，是通過模糊推理得到的一部分數(shù)據(jù)。進行模糊推理前，必須先對這4個輸入變量進行模糊化，即確定隸屬函數(shù)。模糊化要根據(jù)輸入量的取值范圍、系統(tǒng)的需求來確定。

下面分別確定 HCWTi、maxHCWTi、CVi和 GDi的隸屬函數(shù)［11］:

（1）HCWTi的模糊化。根據(jù)調(diào)查，乘客在候梯時心理的焦躁程度和候梯時間成一定關(guān)系，用模糊術(shù)語S（small）、M（medium）、L（lagre）描述變量，分別表示“小”、“中”、“大”，這些模糊概念可以用如圖2所示的隸屬度函數(shù)圖來描述。

（2）maxHCWTi的模糊化。一般而言，群控系統(tǒng)的廳層召喚最大等待時間不應(yīng)該超過90 s，當其值在40 s以內(nèi)較優(yōu)，在60 s左右乘客也是可以接受的，其隸

圖2 HCWTi的隸屬度函數(shù)

屬度函數(shù)如圖3所示。

圖3 maxHCWTi的隸屬度函數(shù)

（3）CVi的模糊化。單位時間內(nèi)未進入轎廂的人數(shù)越多，說明電梯的剩余響應(yīng)能力越小，高峰期電梯的剩余響應(yīng)能力一般不應(yīng)超過80%，其隸屬度函數(shù)如圖4所示。

圖4 CVi的隸屬度函數(shù)

（4）GDi的模糊化。界定當GD的值小于0.3，電梯的能耗比較理想，當大于0.7時，電梯的能耗會比較大，其隸屬度函數(shù)如圖5所示。

圖5 GDi的隸屬度函數(shù)

結(jié)合電梯專家的知識和經(jīng)驗，輸入變量與目標的可信度推理關(guān)系為:SAWTi由 HCWTi和 CVi決定，SLWPi由 maxHCWTi和 CVi決定，SRNCi由 maxHCWTi和 GDi決定。

歸納其模糊規(guī)則如圖6所示。

圖6 目標可信度的模糊規(guī)則圖

4 魚群算法對模糊推理線性回歸曲線的優(yōu)化

4.1 優(yōu)化方法

根據(jù)HCWT、maxHCWT、CV、GD，本研究利用上節(jié)所述的模糊推理規(guī)則獲得SAWTi、SLWPi和SRNCi，并作為可信度數(shù)據(jù)的學(xué)習樣本，借助人工魚群算法的全局搜索能力，獲得計算它們的決策函數(shù)，可以克服模糊推理缺乏學(xué)習能力的缺點。HCWT、maxHCWT、CV、GD既是樣本數(shù)據(jù)獲取的基礎(chǔ)，也是人工魚群算法的輸入。當人工魚群算法訓(xùn)練完畢，即可獲得相應(yīng)可信度的決策函數(shù)。此后，在群控調(diào)度計算派梯方案時，就可以根據(jù)決策函數(shù)直接計算得到每臺電梯的指標可信度。

由SAWTi、SLWPi和SRNCi數(shù)據(jù)組成n組樣本數(shù)據(jù)xi∈X=Rn，yi∈Y=Rn，i=1,...,n，試建立它們之間的線性回歸方程，即決策函數(shù)為:

以基于人工魚群算法作為群控中采用的算法，并建立相應(yīng)的決策機制，學(xué)習數(shù)據(jù)通過模糊推理得到，訓(xùn)練階段的關(guān)鍵步驟如下:

Step1:采集呼梯信號以及各臺電梯狀態(tài)信息；

Step2:計算HCWT、maxHCWT、CV、GD的值；

Step3:模糊推理獲得相應(yīng)的SAWTi、SLWPi和SRNCi的值；

Step4:重復(fù)Step1到Step3，直到獲得預(yù)定數(shù)量的數(shù)據(jù)后，根據(jù)圖6中的關(guān)系，劃分為（HCWT，CV，SAWTi），（maxHCWT，CV，SLWPi）和（maxHCWT，GD，SRNCi）3個集合的相應(yīng)學(xué)習樣本；

Step5:訓(xùn)練3個學(xué)習樣本集合相應(yīng)的人工魚群直至收斂；

Step6:保存人工魚群尋優(yōu)相關(guān)結(jié)果。

4.2 魚群算法的設(shè)計

在訓(xùn)練階段，最重要的一個步驟是用人工魚群算法實現(xiàn)多元回歸決策函數(shù)的求解。本研究采用魚群算法優(yōu)化這個多元線性回歸函數(shù)中的b0,b1,b2,b3,b4參數(shù)。設(shè)計食物濃度函數(shù)為:

目前，還沒有一般的解析方法能夠?qū)﹄x散人工魚群算法的trynumber、visual、number、maxgen等重要參數(shù)進行確定，所以只能通過先保持其他參數(shù)不動，然后再對每一參數(shù)進行調(diào)整來觀測其對算法性能的影響。經(jīng)多次試驗分析，選取魚群規(guī)模m=100，最大迭代次數(shù)gen=100，擁擠度因子δ=0.618，感知范圍visual=10，步長step=3，試探次數(shù)trynumber=200。

魚群算法具體步驟如下:

Step1:選擇合適的魚群參數(shù)，包括魚群規(guī)模num?ber，試探次數(shù)trynumber，最大迭代次數(shù) maxgen，人工魚的感知范圍visual等；

Step2:根據(jù)選定的參數(shù)，隨機生成指定數(shù)目的人工魚個體，用于魚群的初始化；

Step3:選取魚群中最大的食物濃度，將其放入到公告板中；

Step4:對于每條人工魚執(zhí)行以下操作:

（1）分別計算覓食行為、追尾行為、聚群行為的食物濃度，選取三者的最優(yōu)濃度值，若其值比當前狀態(tài)的濃度值更優(yōu)，則向最優(yōu)行為方向前進，否則執(zhí)行隨機行為。

（2）更新當前人工魚的食物濃度值，如果其值小于公告板中的最大食物濃度值，則對公告板中的最大值進行替換。

Step5:判斷是否所有人工魚都進行了尋優(yōu)，是則轉(zhuǎn)Step6；否則轉(zhuǎn)Step4；

Step6:調(diào)用基于人工魚群算法完畢，返回公告板中的值，即公告板中的最優(yōu)值即為要求的最優(yōu)值，其對應(yīng)的人工魚即為最優(yōu)的參數(shù)。

5 仿真評測實驗

為準確方便地評價群控算法的優(yōu)劣，本研究用Visual C#2010開發(fā)了一個電梯群控仿真平臺。該平臺能設(shè)置不同的建筑物和電梯參數(shù)來動態(tài)構(gòu)成測試環(huán)境，通過DLL接口導(dǎo)入不同的群控算法，模擬不同的交通模式生成客流數(shù)據(jù)，對群控算法進行調(diào)度仿真和實時評測。

本研究在該電梯群控仿真平臺上對該算法優(yōu)化前后進行了評測與對比分析。設(shè)定建筑物層數(shù)為16層，樓層高度為4 m，電梯數(shù)為4臺，電梯額定載客量為18人。額定速度為3 m/s，加速度為1 m/s2，加加速度率為2 m/s2，開門時間為2 s，關(guān)門時間為1 s，保持時間2 s。交通流數(shù)據(jù):上行高峰（8∶30～9∶30，總1 000人/次）。經(jīng)72個小時的客流數(shù)據(jù)對算法進行訓(xùn)練，并對優(yōu)化前后的多目標控制群控算法進行評測。評測數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 優(yōu)化前后的群控算法性能指標比較

優(yōu)化后的模糊控制算法相比優(yōu)化前的模糊控制算法在平均候梯、平均乘梯時間、長候梯率分別減少12.49%、22.11%、44.44%，且電梯能耗減少18.51%。可見相比優(yōu)化前的模糊控制算法，優(yōu)化后的模糊控制算法存在一定優(yōu)越性。

6 結(jié)束語

本研究綜合考慮了電梯運行效率、服務(wù)質(zhì)量和能耗方面的3個指標，并將其作為電梯群控的目標。針對模糊推理缺乏學(xué)習性的特點，在評價函數(shù)的計算方式中引入了人工魚群算法多元線性回歸，通過訓(xùn)練人工魚群算法得到計算目標可信度的決策函數(shù)，并將之應(yīng)用到群控決策中。經(jīng)電梯群控仿真平臺的評測，該模糊控制調(diào)度算法經(jīng)魚群算法的優(yōu)化，平均候梯、平均乘梯時間、長候梯率和能耗指標都比優(yōu)化前有明顯的改善。

下一步的工作是群控仿真平臺上試驗魚群算法不同配置參數(shù)對群控算法的優(yōu)化效果，選取最佳的配置參數(shù)進行訓(xùn)練魚群算法，并將優(yōu)化后的群控算法用于實際的群控系統(tǒng)。

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