群組電梯運行仿真程序的開發及應用

孫哲偉，畢 超

(北京化工大學 機電工程學院，北京100029)

0 引 言

電梯作為高層樓宇的主要通行手段，其群控方案的優化已經是提高樓宇運行效率的研究熱點之一。由于電梯群控系統的實時性[1]，提前了解乘客未乘梯信息成為有效提高電梯運行效率的重要途徑。典型的研究思路是在獲取未乘梯乘客目標樓層信息的基礎上利用優化算法進行群組電梯控制[2]。如周海丹等[3]開發了目標層預約系統，乘客進入轎廂前，系統可以得到確定的呼梯信息。此外，付麗君等[4]提出了一種目的層預約型電梯群控系統的控制方案。電梯運行評價指標體系的建立是進行電梯群控系統優化的重要環節。高東等[5]指出電梯群控算法評價指標體系應包含乘梯人體驗、電梯能量消耗和電梯輸送能力3個方面。為了提高研究效率，很多研究人員開始致力于電梯仿真平臺的開發。劉小朋等[6]開發了一種由交通流產生模塊、信號綜合處理模塊、電梯群控算法模塊和電梯運行模塊構成的電梯群控系統仿真平臺。徐雷[7]利用開發的仿真軟件，分析不同客流模式下各種群控算法的優劣。Yufeng Dai等[8]結合模糊神經網絡算法，提出了通過軟件來仿真不同客流條件下合理電梯調度的方法。電梯仿真平臺的開發還需考慮如何提前了解未乘梯乘客的乘梯信息、如何將實際工況與仿真模型相結合等問題。為此，本文開發了一種基于手機APP操控的群組電梯仿真程序，并利用程序對作者所在高校群組電梯的上行高峰和指定交通流狀態下的電梯運行效率進行仿真分析。

1 群組電梯的仿真程序

本文開發的群組電梯程序采用手機軟件提交運行指令，與傳統的樓層按鍵控制模式相比，這一模式下，電梯控制系統可在乘客上梯之前就可以得到樓層目標，可以更加高效的為乘客安排電梯，減少乘客等待時間和乘坐電梯的時間，提高舒適度。除此之外，這種模式也更便于實現應用數據的采集[9]。但是，為了防止惡意用戶多次提交信息，擾亂系統辨認，規定乘客在單位時間內只能提交一次信息。

1.1 數據結構

電梯仿真程序所采用的數據結構包括用戶指令數據和電梯運行數據兩部分。如圖1所示，當用戶通過手機軟件將乘梯指令(指令起始樓層、指令目標樓層和乘梯人數)發送給系統后，系統首先自動為指令分配編號并記錄生成時間，隨后系統根據分配決策原則為該指令分配電梯并記錄指令被分配電梯編號和指令分配時間。當分配的電梯到達指令的出發層后乘客登梯，直到乘客到達指令目標層時，指令執行完畢。在此過程中記錄的時間參數包括指令開始執行時間(即乘客登梯時間)和指令執行完畢時間(即乘客出梯時間)。在程序中還使用指令狀態變量監控指令執行進度，該變量取值為0(指令未被分配)、1(指令已分配，但執行電梯未完成指令目標層)和2(指令執行完畢)。此外，為了解決由于電梯承載限制同一指令下乘客不能一次乘梯的問題，數據結構中還加入“是否一次乘梯”的變量。相應的，程序還開發了為未能登梯的乘客重新生成指令的功能。還要注意的是，在電梯運行仿真過程中，用戶發出的指令具有隨機性，主要體現在指令出現的時間間隔的隨機性和指令數據的隨機性。

圖1 指令數據結構記錄時間

1.2 電梯運行狀態的轉換

此程序主要通過分析電梯不同運動狀態下可能發生的情況來模擬實際電梯的運行。

電梯的運動狀態包括電梯處于運行狀態、停止狀態和空閑狀態3種情況。這3種情況之間可以根據特定條件相互轉化，如圖2所示。電梯由空閑狀態變化為運行狀態，需要滿足以下兩個條件之一。條件一為處于空閑狀態的電梯被分配指令，且指令初始層不等于電梯當前層。條件二為處于空閑狀態的電梯當前層為非一層，且停靠時間達到等待時間，電梯將開始前往一層。電梯由運行狀態變化為停止狀態的條件為電梯到達目標樓層。電梯由停止狀態變化為運行狀態的條件為電梯接收指令，出發去目標樓層。電梯由停止狀態變化為空閑狀態，需要電梯在停層時未分配指令，且無指令狀態達到一定時間。電梯由空閑狀態變化為停止狀態的條件為電梯被分配指令，且指令起始層等于電梯當前層。

圖2 電梯運行狀態轉換

1.3 指令的分配機制

當手機用戶在提前發出指令后，指令處于未被分配的狀態，此時程序需要對指令進行分配決策，將指令分配給特定電梯，并將電梯編號實時顯示在用戶手機上。

指令分配的選擇流程如圖3所示，當有未被分配的指令進入程序時，依次查詢全部電梯。當程序處在查詢階段，先判斷被查電梯是否滿足參與分配決策的條件，如果滿足的話，求出此時分配決策的指標，再查詢下一部電梯；如果不滿足的話，直接查詢下一部電梯。直到全部電梯查詢完畢后，根據決策指標對指令進行分配決策。

圖3 指令分配流程

滿足參與分配決策條件的判斷依據因電梯運轉特征及用戶指令特征的不同而不同。電梯運轉特征包括電梯運動狀態和電梯運動方向兩部分。電梯運動狀態包括運行、停止和空閑3種。電梯運動方向根據用戶指令特征的不同，又可分為方向為因上行指令而上行、方向為因上行指令而下行、方向為因下行指令而下行和方向為因下行指令而上行4種情況。現在分別討論電梯處于運行、停止和空閑3種狀態下的分配決策指標的計算方法。

1.3.1 電梯為運行狀態

當電梯因上行指令而上行時，該電梯只能接收上行指令。因此，當戶指令為上行指令時，只要滿足以下兩種情況之一，該電梯就具備了參與分配決策的條件。情況1為電梯指令起始層比電梯當前層至少高兩層，且指令起始層不高于電梯目標層，如圖4(a)所示。圖中虛線部分為指令起始層范圍，空心箭頭方向為指令方向，實心箭頭方向為電梯運行方向。此時，電梯參與分配決策的指標ΔT可表示為

(1)

式中：fstart為指令起始層，Fcurrent為電梯所在層，ΔF=|fstart-Fcurrent|-1，He為每層電梯高度，TstopN和VmaxN為多層電梯的停止時間和最大運行速度。情況2為電梯正在從比目標層低一層的樓層上行到目標層的過程中，且指令起始層與電梯目標層相同，如圖4(b)所示。此時，電梯參與分配決策的指標ΔT可表示為

(2)

圖4 電梯因上行指令而上行滿足參與分配決策的條件

當電梯因下行指令而下行時，如果用戶指令為下行指令，那么滿足以下兩種情況之一就具備參與分配決策的條件。情況1如圖5(a)所示。情況2如圖5(b)所示。此時兩種情況，電梯參與分配決策的指標ΔT可表示為式(2)。

圖5 電梯因下行指令而下行滿足參與分配決策的條件

當電梯因下行指令而上行時，指令的方向不同，參與分配決策的條件不同。若用戶指令為上行指令，如圖6(a)所示。若用戶指令為下行指令如圖6(b)所示。此兩種情況，參與分配決策的指標ΔT都可表示為式(1)。

圖6 電梯因下行指令而上行時滿足參與分配決策的條件

當電梯因上行指令而下行時，若用戶為下行指令，如圖7(a)所示。若用戶指令為上行指令，如圖7(b)所示。此兩種情況，參與分配決策的指標ΔT都可表示為式(1)。

圖7 電梯因上行指令而上行時滿足參與分配決策的條件

1.3.2 電梯為停止狀態

當電梯因上行指令而上行時，根據指令方向的不同和指令起始位置與電梯位置的比較，把參與分配決策的條件分為6種情況，那么滿足其中任一情況就具備參與分配決策的條件。情況1為上行指令的指令起始層與電梯所處層同層，如圖8(a)所示。此時，電梯參與分配決策的指標ΔT等于0。情況2為上行指令的指令起始層高于電梯所處層，如圖8(b)所示。此時，參與分配決策的指標ΔT可表示為

(3)

式中：R為電梯停層時間，模擬中取值為范圍3 s-7 s內的隨機值，ΔF=|fstart-Fcurrent|，Tstart1和Tstop1為電梯運行一層時的啟動時間和停止時間，Vmax1為電梯運行一層時的最大速度。

圖8 電梯因上行指令而上行時滿足參與分配決策的條件

情況3為下行指令的指令起始層高于電梯所處層，如圖8(c)所示。此時，電梯參與分配決策的指標ΔT可表示為式(3)。情況4為下行指令的指令起始層與電梯所處層同層，如圖8(d)所示。此時，電梯參與分配決策的指標ΔT等于0。情況5為下行指令的指令起始層低于電梯所處層，如圖8(e)所示。此時，電梯參與分配決策的指標ΔT可表示為式(3)。情況6為上行指令的指令起始層低于電梯所處層，如圖8(f)所示。此時，電梯參與分配決策的指標ΔT可表示為式(3)。

當電梯因下行指令而下行時，同理電梯因上行指令而上行。此時，電梯參與分配決策的指標ΔT可表示為式(3)。

當電梯因下行指令而上行時，指令的方向不同，參與分配決策的條件不同。若用戶指令為上行指令，滿足指令起始層不低于電梯所處層時，電梯參與分配決策，如圖9(a)所示。若用戶指令為下行指令，滿足指令起始層不低于目標層時，電梯參與分配決策，如圖9(b)所示。此兩種情況，電梯參與分配決策的指標ΔT都可表示為式(3)。

圖9 電梯因下行指令而上行時滿足參與分配決策的條件

當電梯因上行指令而下行時，同理電梯因下行指令而上行。電梯參與分配決策的指標ΔT都可表示為式(3)。

1.3.3 電梯為空閑狀態

當電梯處于空閑狀態情況出現用戶指令時，電梯直接參與分配決策的指標ΔT可表示為

(4)

式中：指標ΔF=|Fcurrent-fstart|。

1.4 群組電梯運行模式

在實際生活中，電梯運行包括多種模式[12]：

1.4.1 普通運行模式

當群組電梯處于普通運行模式時，電梯可接收所有指令，且每層都可停靠上下乘客。

1.4.2 單雙層運行模式

當群組電梯處于單雙運行模式時，群組中一部分電梯只接收單層停層信息，群組中一部分電梯只接收雙層停層信息，只接收雙層停層信息的電梯也會在1層停靠。本模擬程序中，如果出現指令起始層和目標層分別為單層和雙層或雙層和單層，指令起始層下行一層乘梯。

1.4.3 上下行運行模式

當群組電梯處于上下行運行模式時，群組中一部分電梯只接收上行指令，群組中一部分電梯只接收下行指令。

1.5 群組電梯運行參數

本文程序可以設置電梯的外部和運行相關參數，可以根據管理者的需要和實際情況對電梯參數進行設定。電梯外部參數包括樓層的層數、電梯的數量和電梯的運行模式。電梯運行參數包括電梯可承載人數(即電梯的容量)、樓層高度、電梯運行一層時的時間速度設置和電梯運行多層時(大于一層)的時間速度設置。

考慮到電梯運行時間和設備功率等，選取電梯的運行速度曲線為拋物線形速度曲線[10]。如圖10所示。電梯起動、制動過程中，加速度為常數、加速度與時間呈線性關系，此運動曲線保證了電梯的平滑性和安全性以及乘客乘梯的舒適性。

圖10 電梯的運行速度曲線

2 電梯的運行評價指標

2.1 平均候梯時間[11,12]

平均候梯時間AWT(average waiting time)定義為一定時間內從乘客發出指令到電梯接到乘客過程中所消耗的時間的總和與該段時間內指令總數n的比值

(5)

式中：Ts(i) 為電梯接到乘客時間，Tg(i) 為電梯指令生成時間。

2.2 平均乘梯時間

平均乘梯時間ART(average riding time)定義為一定時間內從乘客開始乘電梯到乘客到達目標層的過程中，電梯運行每層所消耗的時間之和與該段時間內指令總數n的比值

(6)

式中：Tf(i) 為乘客出電梯的時間；Fs(i) 為乘客乘梯電梯所在樓層；Ff(i) 為乘客出電梯的樓層。

2.3 電梯擁擠度

電梯擁擠度CD(congestion degree)定義為在一定時間內，所有層乘客擁擠程度的時間積分之和與花費總時間的比值。當擁擠度小于0.5時，為不擁擠狀態

(7)

式中：N表示電梯一定時間內運行的總樓層數；Pp表示電梯內人數，Np表示轎廂可承載人數上限；tN表示電梯運行了N層的時間，t1表示運行了一層的時間。

2.4 電梯運行能耗

電梯運行能耗Ee(elevator energy consumption)可分為上行運行能耗和下行運行能耗[13]。其中上行電梯運行能耗Eeup定義為電梯上行過程中平均每層運送負載做功所消耗的能量；下行運行能耗Eedown則定義為電梯下行過程中平均每層運送負載做功所消耗的能量。具體計算公式如下

Ee=Eeup+Eedown

(8)

Eeup=dF·He·g·(Me+Mp·Pp-Mg)

(9)

Eedown=dF·He·g·(Mg-Me-Mp·Pp)

(10)

式(9)、式(10)中，dF為每條指令開始樓層和目標樓層相差樓層；Mg為電梯對重重量；Me為電梯轎廂重量；Mp為每個乘客重量。

3 工況分析

3.1 上行高峰工況

3.1.1 工況描述

針對某高校學生午飯后(12∶00-13∶00)回宿舍乘梯候梯人數較擁擠的情況，本文利用開發的程序模擬實際客流情況，安排電梯運行模式，以減少乘客候梯時間，提高乘客乘梯效率。這段時間內，大量乘客需要乘坐電梯從一層到各個樓層，上行人數明顯增加[14,15]。與此同時，該時間段也存在從非1層到非1層的交通流。經過實地考察，該宿舍樓共4部電梯，每部電梯轎廂重量為800 Kg，每位乘客假設平均重70 Kg，電梯運行范圍均為1層-18層，層高He為2.5 m，額定載人數均為12人，且電梯對重重量為電梯滿載時的一半，即1220 Kg。當前電梯采用的是上行下行皆層層可停靠的普通運行模式。該時間段內，對該樓4部電梯以5 min為周期進行客流統計[16,17]，平均運送乘客125人次，且指令出現的平均時間間隔為2.40 s，具體數據詳見表1。經統計得到，電梯一層上行率為90%，到一層的下行率為5%，其它為從非1層到非1層的交通流。

表1 12∶00-13∶00時間段內以5 min

筆者對該電梯的運行速度參數進行了調研。在表2所示的電梯運行時間數據基礎上，利用本文1.5節可得到電梯運行速度參數，見表3。

表2 電梯運行時間

表3 電梯運行速度參數

3.1.2 結果分析

該樓4部電梯在當前運行模式下電梯運行指標如表4第1行所示，其中乘客平均乘梯時間為5.56 s，平均候梯時間為62.19 s，電梯擁擠程度處于擁擠狀態，電梯運行每層能耗平均為5.13 kJ。為了提高運行效率，降低運行能耗，本節將當前運行模式與單雙層運行模式和上下行運行模式進行了對比。

表4 上行高峰時不同模式下評價指標大小

單雙層運行模式與當前運行模式相比，對比圖11和圖12(1、2號電梯只接單層停的指令，3、4號電梯只接雙層停的指令)中的電梯曲線。單層運行電梯和雙層運行電梯區分了不同指令，乘客分流，此時電梯運行每一周期停層次數減少，且到一層接載乘客次數增多，較高效地縮短乘客的乘梯時間和候梯時間。由表4中的評價指標可以進一步看出，單雙層運行模式比當前模式的乘客平均乘梯時間減少了14.21%，平均候梯時間減少了16.32 s，且電梯運行每層平均能耗減少了25.34%。該樓4部電梯在單雙層運行模式下擁擠程度相差不大，保持不擁擠狀態。

圖11 上行高峰期時4臺電梯在普通運行模式下的運行曲線

圖12 上行高峰時4臺電梯在單雙層模式下的運行曲線

圖13 上行高峰時4臺電梯在上下行運行模式下的運行曲線

圖13給出了上下行運行模式的運行曲線(1、2號電梯只接上行指令，3、4號電梯只接下行指令)。由于上下行模式比當前運行模式運行距離減少，且停層次數減少，所以平均乘梯時間和候梯時間整體為減小的趨勢。但相同時間內較普通模式電梯一層接載乘客次數也相對減少，所以上行過程中乘客平均乘梯時間減少的不明顯，又因為下行人數較少，下行電梯接載乘客較快，造成大大減小了整體乘客的平均候梯時間。從表4數據來看，與當前運行模式相比，該模式下平均乘梯時間和平均候梯時間分別減少了3.78%和22.26 s，電梯擁擠程度依然保持不擁擠，該模式下電梯運行平均能耗減少了3.02 kJ。

總之，單雙層和上下行運行模式均降低了乘客的擁擠程度。從提高電梯運行效率、提高乘客乘梯舒適度和減少電梯能量消耗三方面綜合考慮，上行高峰期選擇單雙層運行模式最優。

3.2 指定交通流工況

3.2.1 工況描述

針對此高校宿舍樓宿管房間設置在14層，當宿舍樓層停水時，全天某時間段各層學生到14樓領取飲用水的情況。這段時間內，14層上下行乘客明顯增加。與此同時，該時間段也存在從非14層到非14層的交通流。當前電梯采用的是上行下行皆層層可停靠的普通運行模式。對該樓4部電梯以5 min為周期進行客流統計，平均運送乘客109次，且指令出現的平均時間間隔為2.75 s，具體數據詳見表5。經統計得到，電梯14層的到層率為50%，14層出發率為45%，其它為從非14層到非14層的交通流。

表5 宿舍14層以5 min為周期統計的客流數據

3.2.2 結果分析

該樓4部電梯在當前運行模式下電梯運行指標如表6第2行所示，其中乘客平均乘梯時間為5.85 s，平均候梯時間為62.17 s，電梯擁擠程度為0.53，為擁擠狀態，由2.4節可知，電梯運行過程機械能轉化為電能，電梯處于發電狀態，平均每層發電量1.30 kJ。為了提高當前模式的運行效率，增加電梯發電量，本節將當前運行模式與單雙層和上下行運行模式進行了對比。

表6 指定交通流下不同模式不同評價指標的具體數據

單雙層運行模式與當前模式相比，在一周期內，對比圖14和圖15中對應曲線可以看出單雙層運行時電梯停層次數明顯減少，14層接載乘客次數相對增加，高效縮短了乘客的乘梯和候梯時間。由表6中的評價指標可以進一步看出，單雙層模式比當前模式的平均乘梯時間減少了27.86%，且乘客平均候梯時間減少了39.23%。但是，電梯發電量減少，減少了1.18 kJ。在單雙層運行模式下，該4部電梯擁擠程度降低了近一半。

圖14 指定交通流情況下4臺電梯在普通運行模式下的運行曲線

圖15 指定交通流情況下4臺電梯在單雙層模式下的運行曲線

圖16 指定交通流情況下4臺電梯在上下行模式下的運行曲線

圖16給出了上下行運行模式的運行曲線。上下行運行模式與當前運行模式相比，接載乘客次數增多，但相同時間內運行距離增加，乘客可以更快乘梯但平均乘梯時間和候梯時間減少較不明顯，分別減少了1.50 s和13.40 s。與此同時，電梯運行發電量僅是當前模式的一半。

總之，單雙層和上下行運行模式均降低了乘客的擁擠程度。綜合考慮電梯的運行效率、乘客舒適度和電梯能耗，指定交通流時期選擇單雙層運行模式的最優。

4 結束語

本文開發了一種基于手機APP操控方式的群組電梯仿真程序。程序利用乘客從智能手機發出的乘梯指令提前了解乘客乘梯信息，為了防止惡意用戶多次提交信息，擾亂程序對信息的分配，規定乘客在5 min內只能提交一次乘梯信息。程序在收集實際乘梯指令基礎上，計算一定時間內生成指令數量、指令生成時間間隔和上下行的概率等數據，并應用于程序中乘客指令生成模塊。該程序還集成了普通、單雙層和上下行等運行模式，包含了由平均乘梯時間、平均候梯時間、電梯擁擠程度和電梯運行能耗組成的評價指標體系。用程序模擬作者所在高校宿舍樓群組電梯的午間上行高峰和指定交通流情況，得到在上行高峰和指定交通流情況下，選擇單雙運行模式最優。該程序實現了提前了解未乘梯的信息，并解決了將實際工況與仿真模型相結合的問題。

此程序下一步可以分析總結更多的客流情況，并結合算法對不同客流下運行模式的選擇理論計算分析，得到最優結果。此程序的開發在未建好大樓提前分配電梯和設置電梯運行模式方面，具有一定的現實意義。