基于统计分析的节能优先电梯调度算法

刘桂雄，林 佳，陈国宇，林创鲁

（1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640；2.广州吉科电气设备有限公司，广东 广州 510620）

基于统计分析的节能优先电梯调度算法

刘桂雄1，林 佳1，陈国宇1，林创鲁2

（1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640；2.广州吉科电气设备有限公司，广东 广州 510620）

针对电梯满载率低、运行能耗大等问题，提出基于统计分析的节能优先电梯调度算法，利用统计结果分时段控制各电梯控制域、额外等待时间，实现局外电梯调度，并通过实验计算对比调度算法引入前后电梯运行能耗。实验表明，仅2台电梯1h内节省能源26474.4J，优化比率达1.25%。

节能优先；电梯调度算法；控制域；额外等待时间

0 引言

电梯作为影响建筑能耗的重要因素，其运行能耗的有效控制对提高建筑资源利用率、改善能源环境问题有着重要意义。除了改善硬件设备，控制电梯运行能耗的核心还体现在其调度算法上。常见电梯调度算法包括传统型和改进型。传统型电梯调度算法以候梯人等待时间最小为目标，对电梯呼叫服务立即做出反应，以最快速度完成本次呼叫，给候梯人提供较高的便捷性，但电梯载客率低、未考虑任何节能措施[1]。改进型电梯调度算法包括基于模糊控制[2]、专家系统[3]、遗传算法[4]、粒子群算法[5]等人工智能技术的调度算法，引入了节能优化控制，不再单纯地追求电梯服务效率，而是同时兼顾了服务效率与能效控制，并根据交通量、客流高峰等任务特点进行动态调度优化，提高了电梯资源利用率。本文基于统计分析[6-7]，提出一种以节能为主、兼顾候梯人等待时长并引入动态等待时间电梯局外调度算法，对减少电梯运行能耗有显著效果。

1 节能优先电梯调度算法流程

图1为节能优先电梯调度算法流程图。具体包括：计算不同时段各楼层当量载荷、以楼层当量载荷为权重选取该时段电梯总控制域，电梯服务单元以选取的控制域为基准进行一次调整，以效率优先分配、确定各电梯控制域，电梯服务单元根据各电梯控制域进行二次调整，根据交通量确定各电梯额外等待时间。

图1 节能优先电梯调度算法流程图

2 电梯调度算法原理

设楼层总数为Nfloor，楼层Lx高度为Hx，电梯数量为Nrated，额定载客量为Nrated，额定载荷为Wrated，电梯门开/关一次、人一出一进平均时间分别tdoor、tswap，单人平均质量为Wsolo。

2.1 计算各时段各楼层当量载荷

电梯运行任务由电梯基本服务单元U（i）组成。电梯基本服务单元U（i）为电梯在启动时间ton（i）至停止时间toff（i），从楼层Lon（i）运动到楼层Loff（i），该过程载荷为W（i），即所有服务单元构成全集U，服务单元总数为Nservice，根据启动时间ton（i）从小到大，将所有电梯基本服务单元U（i）进行排序，可得电梯基本服务单元排序（见图2）。

对服务单元U（j），若满足：

图2 电梯基本服务单元排序图

表明电梯在楼层Loff（i）完成服务单元U（i）后，人员进出，继续执行服务单元U（j）。像此类两紧密连接服务单元，若电梯在楼层Loff（i）完成服务单元U（i）后出来nout（i）人，进入nin（j）人，则该进出人数估算公式为

楼层Lx当量载荷为时间段Δt内，在楼层Lx进出电梯质量之和，即：

式中，ULx为在楼层Lx启动或停止服务单元集，为属于集合且满足式（1）服务单元集。当量载荷越大，表明在时间段Δt内，在楼层Lx进出电梯的质量越大，电梯总控制域包括楼层Lx时节能效果及便捷性越强。

2.2 电梯总控制域选取及服务单元一次调整

电梯总控制域选取既要节能，又需保证电梯使用便捷性，故根据各楼层当量载荷Weq_Lx大小选取前n层楼层作为时间段Δt内电梯总控制域，以覆盖80%服务单元U（i），若优化后电梯总控制域为即：

电梯总控制域优化完成后，所有服务单元U要根据该控制域进行一次调整拟合，使得调整后服务单元U′（i）启动楼层停止楼层均在控制域D内。服务单元调整采用就近原则，即：

2.3 各电梯控制域分配及服务单元二次调整

一次调整后服务单元U′需分配到各台电梯，由于单个服务单元实际关联着两层楼层，故服务单元二次调整通过对电梯控制域分配来实现。控制域分配采用均分原则以充分利用电梯资源，一次选取楼层必须满足当次候选楼层相关性最大，而两楼层相关性以该楼层间传输的总能耗来衡量，即：

因为电梯数目为Nlift，故每台电梯控制域包含层楼（余数放到最后一台电梯），电梯m（1≤m≤Nlift，m∈N+）控制域Dlift（m）={Lliftm（1），Lliftm（2），…，Lliftm（Ndomain）}，满足：

式中Lx（i），Ly（i）∈D，&∉Dlift（n），1≤n≤m-1。

至此，已完成各台电梯在时间段Δt内的控制域划分，一次调整后服务单元U′还需根据各电梯控制域二次调整，对无法在任一电梯完成任务单元U′（i）按照一次调整原理，采用就近原则进行拟合调整，使得二次调整后服务单元U″（i）启动楼层停止楼层均在同一电梯控制域内。

2.4 电梯额外等待时间tadd

电梯额外等待时间为正常情况下电梯启动前额外增加的停留时间，引入额外等待时间，有助于提高电梯满载率、减少电梯启/停次数、缩减电梯运行里程，从而降低电梯能耗[8]。电梯m的额外等待时间tadd（m）大小与当前时间段Δt内该电梯交通量相关。此外，最大额外等待时间taddmax（m）需满足人类正常心理容忍范围，而一般正常人容忍时长为50 s[9]，故taddmax（m）=50s。

电梯m服务单元集Uliftm，服务单元数为Nliftm，服务单元额外等待时间tadd（m）的加入，其本质是提高电梯满载率以实现节能，故tadd（m）加入后，服务单元期望状态至少达到80%满额载荷运行：

3 电梯调度算法实验与结果分析

3.1 算法评价指标

调度算法性能以其控制下电梯运行能耗大小进行衡量，故实验以电梯运行能耗作为评价指标，分别计算原始服务单元下的电梯运行能耗Einitial、本文提出调度算法优化后的运行能耗Ealgol。

电梯运行能耗包括电梯启动/停止能耗、运行过程能耗，为简化计算，假定电梯每次启动/停止能耗Eon/off为定值，故启动/停止能耗Eon/off仅与电梯启动、停止次数相关，而过程能耗受运行载荷影响。由此可得，原始服务单元电梯运行能耗Einitial为

调度算法优化后的运行能耗Ealgol需根据二次调整并加入额外等待时间后的服务单元进行计算。把二次调整后服务单元Uliftm（i）启动时间ton_liftm（i）增大至t′on_liftm（i）=ton_liftm（i）+tadd（m），若服务单元Uliftm（j）满足：

3.2 实验条件及结果分析

实验条件：Nfloor=12，Hx=3（x-1）m，Nlift=2，Nrated=12，Wrated=900 kg，tdoor≈6 s[10]，tswap≈1.3 s[11]，Wsolo≈75 kg[12]，Eon/off≈60kJ[13]，重力加速度g=9.8m/s2。表1为原始电梯服务单元，其中Nservice=60。

由式（1）～式（3）得楼层1～12当量载荷分别为8 486，1 288，1 216，3 339，4 707，3867，2 877，6 518， 3 342，2 139，2 271，1 668 kg，结合式（4）得电梯总控制域D={1，4，5，6，7，8，9，11}，故每台电梯控制域包含Ndomain=4层楼。根据式（6）、式（7）解得电梯1、2控制域分别为Dlift（1）={1，5，6，8}、Dlift（2）={4，7，9，11}。各电梯服务单元二次调整后，根据式（8）、式（9）分别得到电梯1、2额外等待时间tadd（1）=30s，tadd（2）=18s。由此可得各电梯服务单元根据额外等待时间大小进行调整后的最终服务单元（见表2电梯1最终服务单元、表3电梯2最终服务单元）。

表1 原始电梯服务单元1）

表2 电梯1最终服务单元

表3 电梯2最终服务单元

根据式（9）、式（11）分别得原始服务单元下的电梯运行能耗Einitial=2122516.8J、调度算法控制下运行能耗Ealgol=2096042.4J，故仅在8点至9点1h内，节能优先电梯调度算法控制下的电梯1、2共节省能量ΔE=Einitial-Ealgol=26474.4J，占原始运行能耗Einitial的比例为26474.4/2122516.8=1.25%。

4 结束语

提出一种节能优先电梯调度算法，基于统计分析，分时段计算各楼层当量载荷，实现电梯总控制域选取及各电梯控制域分配，提高电梯资源利用率效果；引入动态额外等待时间，有效提高电梯满载率、降低电梯能耗。实验表明，采用该电梯调度算法，仅2台电梯运行1h，其能耗便节省能量26474.4J，优化比率可达1.25%。

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Elevator scheduling algorithm for energy-saving based on statistical analysis

LIU Guixiong1，LIN Jia1，CHEN Guoyu1，LIN Chuanglu2
（1.School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；2.Guangzhou JIKE Electrical Equipment Co.，Ltd.，Guangzhou 510620，China）

As the elevators are with low full-load rate and high energy consumption，an elevator scheduling algorithm for energy-saving based on statistical analysis is proposed.Control domain and extra waiting time of each elevator are controlled sub-period according to historical statistics，achieving outsider elevator scheduling.Experiments and calculation of energy consumption before and after using the algorithm proposed is also presented.Results show that just two elevators with proposed algorithm already save 26474.4J energy in one hour and the optimization ratio of energy is up to 1.25%.

energy-saving；elevator scheduling algorithm；control domain；additional wait time

A

：1674-5124（2015）07-0085-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.07.020

2014-11-13；

：2015-01-27

广州市科技型中小企业创新基金（2013J4400141）

刘桂雄（1968-），男，广东揭阳市人，教授，博士生导师，主要从事先进传感与仪器研究。