基于遺傳算法的電梯控制模擬系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

桑國珍

（1.渭南師范學(xué)院網(wǎng)絡(luò)安全與信息化學(xué)院 渭南 714099）（2.網(wǎng)絡(luò)安全與信息化工程技術(shù)中心 渭南 714099）

1 引言

隨著高層樓宇不斷增加，電梯越來越多走進(jìn)人們的生活，人們希望電梯能夠高效，舒適，智能，能夠為人們提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，電梯的智能控制技術(shù)應(yīng)運而生，電梯智能控制是近幾十年來發(fā)展的一項新技術(shù)［1］。

隨著人們對電梯服務(wù)系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量和運輸效率要求越來越高，電梯的控制也由單部電梯獨立控制發(fā)展到多部電梯協(xié)調(diào)智能化控制。電梯控制就是在一棟高樓中有多部電梯，將各層的按梯信號采集，集中交給電梯控制系統(tǒng)處理，而控制系統(tǒng)經(jīng)過對電梯運行情況、乘客情況和系統(tǒng)能耗等一系列因素進(jìn)行綜合考慮，從而給出一種最佳派梯方案，調(diào)度電梯運行，電梯控制系統(tǒng)改變了電梯互不相干、彼此獨立運行的局面，可以提高電梯系統(tǒng)的運行效率、較少乘客的擁擠度和系統(tǒng)能耗等問題，給乘客提供更加高效、舒適、安全的電梯服務(wù)，同時還節(jié)約了能源［2］。

本文所研究的電梯控制模擬系統(tǒng)，就是基于遺傳算法，將遺傳算法合理應(yīng)用到電梯調(diào)度過程中［3］，從而給出最佳的運行方案，給乘客提供更加高效、舒適、快捷、安全的電梯服務(wù)。

2 概要設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

電梯控制模擬系統(tǒng)共分為六大模塊，分別是登錄模塊、客流預(yù)估模塊、描述電梯狀態(tài)模塊、遺傳算法應(yīng)用模塊、調(diào)度策略模塊、仿真界面模塊。具體如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.2 登錄模塊

主程序的登錄界面用于登錄電梯控制模擬系統(tǒng)，QT中使用QPushButton，QlineEdit，QLabel等控件，使用字符串匹配和字符加密等方法，只有當(dāng)用戶名和密碼正確時，才會進(jìn)入電梯控制系統(tǒng)。

2.3 客流預(yù)估模塊

建立客流數(shù)學(xué)模型，根據(jù)乘客到達(dá)率，上行客流百分比，下行客流百分比，層間客流百分比等一些參數(shù)，生成一張乘客表，記錄乘客的序號，產(chǎn)生時間，呼叫樓層和目的樓層。

2.4 記錄電梯狀態(tài)模塊

記錄電梯狀態(tài)模塊是記錄電梯當(dāng)前的情況，包括轎廂的狀態(tài)、電梯內(nèi)的召喚、層間的召喚。轎廂的狀態(tài)信息包括四部電梯在某一時刻，所在的樓層、乘客數(shù)、上行（下行）還是靜止；電梯內(nèi)的召喚包括四部電梯各自的召喚情況，幾層有召喚，是上行還是下行；層間的召喚包括四部電梯外每部電梯各自的召喚信息，幾層有召喚，是上行還是下行。

2.5 遺傳算法應(yīng)用模塊

遺傳算法應(yīng)用模塊是將遺傳算法應(yīng)用到電梯控制系統(tǒng)中［4］。

2.6 調(diào)度策略模塊

電梯控制系統(tǒng)基本原則：

1）外優(yōu)于外呼，內(nèi)呼必須響應(yīng)；

2）電梯內(nèi)如果滿員，則此電梯暫時不響應(yīng)外呼；

3）創(chuàng)建兩個隊列，將層間向上呼叫和向下呼叫分別放入兩個隊列中，隊列的特點是先進(jìn)先出，例上升隊列中有2，5，7，8，10，可從隊列中讀到層間第二層、第五層、第七層、第八層、第十層有向上的呼叫請求，當(dāng)?shù)竭_(dá)第二層時，將2彈出，假設(shè)又有4層向上呼叫時，使用排序就將4插入5之前，不斷操作兩個隊列，合理調(diào)度，產(chǎn)生最佳派梯方案。

2.7 仿真界面模塊

使用QT界面開發(fā)技術(shù)模擬仿真電梯控制系統(tǒng)運行過程，其中包括用戶登錄、電梯控制系統(tǒng)運行基本參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)運行狀態(tài)仿真［5］。

3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

3.1 客流預(yù)估模塊

研究表明，電梯交通系統(tǒng)中乘客到達(dá)過程為平穩(wěn)的泊松過程，即

式（1）中：λ為乘客到達(dá)率（單位時間內(nèi)平均到達(dá)的乘客數(shù)）；T為時間長度。

則乘客到達(dá)的間隔時間τ服從參數(shù)λ的負(fù)指數(shù)分布，即

用以下遞推公式得到乘客1，2，…的到達(dá)時間

式（3）中：tp（i）為第i個乘客的到達(dá)時間；r為（0，1）上服從均勻分布的隨機(jī)數(shù)。

為了確定乘客的起點、終點樓層，構(gòu)造乘客起點密度向量O和起點-終點矩陣OD。以O(shè)i表示以i樓層為起點的乘客占總?cè)藬?shù)的百分比。以O(shè)ij表示第i樓層到j(luò)樓層的乘客占以第i層為起點乘客的百分比。若Ai表示第i樓層的總?cè)藬?shù)，N為樓層數(shù)，則 Oi和，j=L，2，…，N）由下面公式得到：

式（5）中，σ1為以門廳為起點向上運行的乘客占乘客總?cè)藬?shù)的百分比；

式（6）中，σ2為以門廳為終點的乘客占乘客總?cè)藬?shù)的百分比；

式（7）中，σ3為起點、終點都不是門廳的乘客占乘客總?cè)藬?shù)的百分比。

最后得到起點密度向量和起點-終點矩陣分別為

根據(jù)O和OD，進(jìn)行兩次蒙特卡洛抽樣試驗便可得到一個乘客的起點樓層和終點樓層［6-8］。

3.2 記錄電梯狀態(tài)模塊

記錄電梯狀態(tài)模塊是記錄電梯內(nèi)外的狀況，包括電梯當(dāng)前狀態(tài)、轎廂內(nèi)呼叫信息、層間呼叫信號，分別如下所示。

轎廂的狀態(tài)用一個二維數(shù)組（矩陣）：int E［4］［3］；

電梯內(nèi)的召喚用一個二維數(shù)組： int C［4］［16］；

層間的召喚用一個二維數(shù)組： int H［4］［16］。

3.3 遺傳算法應(yīng)用模塊

電梯控制系統(tǒng)中應(yīng)用的主要算法，包括編碼、初始種群產(chǎn)生、適應(yīng)度函數(shù)、選擇、交叉、變異、終止。將遺傳算法應(yīng)用到電梯控制中，個體（派梯方案）生成初始種群（種群大小100），計算各個體的適應(yīng)值，選擇、交叉、變異，種群更替50代，作為終止條件，從而得到最佳派梯方案［9～12］。部分核心代碼如下［13］：

3.4 調(diào)度策略模塊

調(diào)度策略模塊是電梯控制與遺傳算法的緊密聯(lián)系，調(diào)度策略是適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，對電梯狀態(tài)模塊中采集的信息，客流預(yù)估模塊生成的乘客表綜合考慮而合理調(diào)度的一種策略，將層間呼叫信號，采用冒泡排序，從小到大分別放入上行隊列和下行隊列，便于候梯時間的計算。

1）冒泡排序核心代碼如下［14］：

2）上行隊列、下行隊列核心代碼如下［15］：

3.5 界面仿真

QT界面開發(fā)，基于C++、控件、控件布局、信號/槽機(jī)制，實現(xiàn)對電梯控制系統(tǒng)的模擬。部分核心代碼如下：

4 結(jié)語

本文所研究的電梯控制系統(tǒng)，綜合考慮了乘客候梯時間、乘客乘梯時間、系統(tǒng)能耗等多個目標(biāo)，使用遺傳算法，以QT為載體，對4部電梯的智能控制，合理調(diào)度，給出最佳派梯方案。