基于EVALPSN的循环式多轿厢电梯避撞设计与实现*

赵 欣，欧 剑，李 理

（1.绵阳职业技术学院，四川 绵阳 621000；2.西南科技大学计算机学院，四川 绵阳 621000）

基于EVALPSN的循环式多轿厢电梯避撞设计与实现*

赵 欣1，欧 剑1，李 理2

（1.绵阳职业技术学院，四川 绵阳 621000；2.西南科技大学计算机学院，四川 绵阳 621000）

多轿厢电梯系统作为垂直运输的新方式，避免轿厢之间的碰撞成为了其安全运行急需解决的重要问题。根据循环式多轿厢电梯控制系统的轿厢安全运行准则，分析了循环式多轿厢电梯系统的避撞控制问题，研究了基于带有强否定的扩展矢量注解的逻辑规划方法,设计一种电梯轿厢安全避障方法。通过建立了禁止轿厢危险运行的EVALPSN算式，避免了派梯中所选轿厢在井道中发生碰撞，保证电梯控制系统的安全运行，实验结果表明：所设计的方法针对循环式多轿厢断电梯避撞问题有较好的效果，可有效地保证多轿厢运行的安全性。

多轿厢电梯，EVALPSN，避撞，逻辑规划

0 引言

现代城市迫于人口和资源的压力，越来越重视土地资源的利用率，高层建筑层出不穷。随之而来的客流上下运输压力不断加大，传统的单轿厢电梯很难满足需要。新的情况下要求电梯设备占用的空间尽可能少，运输效率尽可能高。多轿厢电梯MCE（Multi-Car Elevator）或一井多梯电梯应运而生［1-2］，在原有的一条电梯井道一个电梯轿厢的基础上在井道中增加多个电梯轿厢，通过变平面为立体的方法把井道内多余的空间利用起来，有效提高垂直交通系统的运载效率，缓解了高层建筑大客流的电梯运输压力。

目前多轿厢电梯分为双层轿厢电梯DCE（Double-Car Elevator）、循环式多轿厢电梯CMCE（Circulatory Multi-Car Elevator）和单井道多轿厢电梯SMCE（Single-shaft Multi-Car Elevator）［3-4］。其中，双轿厢电梯DCE是指在一个井道中有两个轿厢，并且彼此相连。而CMCE和SMCE则是在一个井道中运行多个彼此不相连的轿厢，区别在于在一个井道内多个轿厢是否单方向运行。如果是，且相邻井道内轿厢运行方向相反；则称之为循环式多井道多轿厢电梯系统，否则称之为单井道多轿厢电梯系统。由于这两种多轿厢电梯系统在一个井道内要运行多个彼此不相连的轿厢，就带来一个重要的安全问题：多轿厢避撞。

多轿厢电梯的问世受到国际上电梯及控制界专家学者的高度关注［5］。多轿厢避撞问题成为多轿厢电梯能够推广应用急需解决的主要问题之一。就目前的研究而言，有硬件和软件两种解决方法，文献［6］在硬件上应用传感器检测相邻两个轿厢的距离，当此距离小于半个轿厢身位时判断要发生碰撞并使其中一个减速；文献［7］将在输油管道过程控制中得以成功应用的EVALPSN安全验证的方法应用于多轿厢电梯系统中，研究了单井道多轿厢电梯系统避撞问题，但还没有对于循环式多轿厢电梯系统安全避撞的解决方法。

本文针对循环式多轿厢电梯系统，应用EVALPSN（Extended Vector Annotated Logic Program with Strong Negation）约束规划，建立了EVALPSN算式，采用软件的方法解决了其避撞问题。

1 EVALPSN逻辑规划

EVALPSN称之为带有强否定的扩展矢量注释的逻辑规划，是一种可以实现实时智能控制的约束推理方法。

矢量注释指在EVALPSN中每个矢量明确对应一个注释［8-10］。例如（a，b）是一个矢量，μ是一个注释，那么在EVALPSN中一个矢量注释的格式为［（a，b），μ］。其中（a，b）部分的范围为（0，0）到（n，n）。可注释的类别为未知，事实，约束，无约束，可变等等。

扩展矢量注释指在矢量注释的基础上增加一位扩展字母。设p是一位扩展字母，［（a，b），μ］是一个矢量注释，那么在EVALPSN中一个矢量注释的格式为p：［（a，b），μ］。

否定在EVALPSN中指矢量┐1逻辑变换和注释┐2逻辑变换。

矢量┐1逻辑变换的形式为┐1（a，b）=（b，a）。

注释┐2逻辑变换的形式分为两种：

具体选择是要根据不同注释字母意义的定义来选择逻辑变换式。

在实际问题中，往往不是非正即负的逻辑关系，可能发生多种情况，强否定（～）在EVALPSN中指若L为一个扩展矢量注释，表示一种情况，那么除L情况外的所有可能情况表示为～L，是L的强否定。

设L0…Ln都是扩展矢量注释，则LE=L1∧…∧Li∧～Li+1…∧～Ln→L0，该式称为EVALPSN算式，可以实现约束、禁止和允许等功能。

2 循环式多轿厢电梯避撞算法

本文应用EVALPSN的约束能力验证循环式多轿厢电梯系统的安全性。并设定循环式多轿厢电梯系统运行的安全准则：

①只能垂直运动并且不能超越前一个轿厢。

②每个电梯井中的轿厢只能沿同一个方向运动。

本文研究的循环式多轿厢电梯系统，乘客在门厅按目的地楼层按钮进行呼叫（即已知目的地楼层），并且相邻两个井道内轿厢的运行方向相反，实现循环运行，如图1所示。

图1 循环式电梯系统示意图

根据安全运行准则，建立 EVALPSN算式（clause）L1∧…∧Li∧～Li+1…∧～Ln→L0（其中L1到Ln为条件，L0为结果）。约束循环式多轿厢电梯两种危险运行方式。一种是在上行（下行）电梯井中下行（上行），如图2所示。另一种是在设置的接梯路线上有前面的轿厢停靠或要停靠在该路线中间，如下页图3所示。

图2 第一种运行方式示意图

图3 第二种运行方式示意图

设扩展矢量注释LYX表示轿厢运行是否符合井道规定方向：

ci表示第i个轿厢，t表示在t时刻，μ1∈{s，p，d}，p（stopping）表示轿厢正在停靠，s（same）表示轿厢运行方式与所在井道规定的运行方式相同，d（different）表示轿厢运行方向与所在井道规定的运行方向不同，μ1∈{α，β}，α表示事实，β表示禁止。例如LYX（c2，t）：［s，α］表示2号轿厢在t时刻的运行方向与所在井道的规定方向相同。

设扩展矢量注释LYX表示电梯响应：

其中，DZc-d表示呼叫地址，即从c层到d层楼的呼叫信号，μ3∈{y，n}，y（yes）表示电梯响应该呼叫信号，n（no）表示不响应。例如LYX（DZ3-7，c2）：［n，β］表示2号轿厢不响应从3层到7层的呼叫信号。

设扩展矢量注释表示呼叫信号：

其中μ4∈{y，n}，y（yes）表示有呼叫信号，n（no）表示没有，例如：LHJ（DZ3-7，t）：［y，α］表示在t时刻有从3层到7层的呼叫信号。

约束条件1：运行方向约束YS1

轿厢的运行方向应该与所在电梯井道规定方向相同，运行方向约束：YS1：［（m，0），β］可以列写为：

如图4所示。

图4 第1种约束运行方式示意图

约束条件2：运行方式约束YS2

YS2主要约束后一轿厢超越前一轿厢的行为。例如在t时刻，轿厢ci要响应从c层到d层的呼叫信号，若有其他前面的轿厢cj正在响应中间楼层的呼叫信号，或有轿厢正停靠在中间楼层，那么该响应将被禁止。运行方式约束YS2：［（n，0），β］可以列写为：

图5 第2种约束运行方式示意图

描写，运行方式约束效果如图5所示。

因此，循环式多轿厢电梯避撞的约束EVALPSN算式为：

通过式（6）来保证循环式多轿厢电梯系统安全运行。

3 实验与仿真分析

分析实例信息数据如图6所示。在规定方向为上行的电梯井道中，假设有3个电梯轿厢c1，c2和c3分别处在第5、3和1层。其中c1正在响应第10层的呼叫信号。

图6 实例信息图

随机产生一组10个呼叫信号，检验其适应度函数值，函数值越大表示该轿厢越适合响应，函数值若为0，则代表不能响应，在本实验中就表示为可能发生碰撞的行为。实验设定轿厢1的响应时间为3 s～10 s，分别在3 s，5 s和10 s的时间点检验轿厢2的响应10个呼叫信号的情况，结果如图7所示。

图7 信号响应结果

可以看出，随着轿厢1的运行，5层到10层的空间不再有障碍，轿厢2能够响应的呼叫逐渐增加，抽取第2，第4，第1个信号分别为［3 4］表示3层到4层的呼叫，［4 8］和［6 3］，表明开始是轿厢1在5层，［3 4］信号因为无障碍运行，所以开始就能被响应。［4 8］信号因为障碍不能被响应，当轿厢1到达8层以后时才被响应。［6 3］信号因为方向相反所以一直都不能被响应。

实验将EVALPSN算法应用在呼叫信号登记之前，若呼叫信号为被约束的危险运行方式，则不应被登记，电梯不执行派梯响应。所以，在实验仿真中检测登记信号可以验证EVALPSN算法的可行性和有效性。

实验电梯呼叫信号登记在PLCSM1.0口，呼叫信号被登记后，SM1.0口数值由0变为1，并保持到响应该呼叫信号结束。

在实验电梯正常运行中，给出3个呼叫信号：7层上呼叫，8层下呼叫，12层上呼叫。根据已知条件，8层下呼叫属于第一种危险运行方式，12层上呼叫属于第二种危险运行方式，都应该被禁止；7层上呼叫为正常呼叫信号，应该被登记，等待派梯响应。那么，在SM1.0口的理想数据应该如表1所示。

表1 SM1.0的期望值

实验分别输入3个呼叫信号，检测结果如图8所示。

图8 实验检测结果

由图8可知，对于安全呼叫信号7层上呼叫，SM1.0口在第三秒钟成功登记，数值由0变为1，并在第十秒钟完成呼叫任务，重新变为0；而对于危险呼叫信号8层下呼叫和12层上呼叫则没有登记，电梯不响应此呼叫信号。由此可以验证，EVALPSN能够有效地避免在循环式电梯系统中多轿厢间的碰撞问题。

4 结语

多轿厢电梯的安全避撞是电梯安全运行的前提，是完成电梯的优化调度的重要依据。本文依据多轿厢电梯系统控制理论，将EVALPSN应用于循环式多轿厢电梯控制系统。探讨了EVALPSN在约束循环式多轿厢电梯系统避撞的应用，建立了EVALPSN算式，提出了一种解决算法。保证了在派梯中所选轿厢运行的安全性，避免其在井道中与其他轿厢发生碰撞。通过实例的仿真分析，验证了本文方法的有效性及可行性。

参考资料：

［1］Sorsa J，Siikonen M L，Ehtamo H.Optimal Control of Double-deck Elevator Group Using Genetic Algorithm［J］.International Transactions in Operational Research，2003，10（2）：103-114.

［2］Suzuki H.Simulation-based Optimization of Multi-car Elevator Controllers Using A Genetic Algorithm［J］.Transactions of the Society of Instrurrvent and Control Engineers，2004，40（4）：466-473.

［3］Liu J，Wu Y.Overstep Control Analysis for Multi-Car Elevator［C］//Proceedings of 4th International Conference on Modelling，Identification and Control，2012.

［4］ShiraishiK，HamagamiT，HirataH.Multi-carElevatorControl By Using Learning Automaton［J］.IEEJ Transactions onIndustry Applications，2005，125（1）：91-98.

［5］Miyamoto，S Yamaguchi.MceSim：A multi-car Elevator Simulator［J］.IEICE Transactions on Fundarrventals of Electronics，Corrvrrwnications and Corrvputer Sciences，2008，E91-A（11）:3207-3214.

［6］Tanaka S，Watanabe M.Optimization-based Collision Avoidance in Multi-car Elevator Systems［C］//Fukuoka:ICCAS-SICE International Joint Conference，2009.

［7］Nakamatsu K.Intelligent Safety Verification for Multi-car［J］. In Computer Science，2011（6591）：496-505.

［8］Nakamatsu K，Mita Y，Shibata T.An Intelligent Action Control System Basedon Extended Vector Annotated Logic Program and its Hardware Implementation［J］.Intelligent Automation and Soft Computing，2007，13（3）：289-304.

［9］Blair H A，Subrahmanian V S.Paraconsistent Logic Programming［J］.Theoretical Computer Science，1989，68（2）：135-154.

［10］Nakamatsu K，Abe J M，Suzuki A.Annotated Semantics for Defeasible Deontic Reasoning［J］.Iecture Notes in Computer Science，2005，2005：432–440.

［11］da Costa N C A，Subrahmanian V S，Vago C.The Paraconsistent Logics PJ［J］.Mathematical Logic Quarterly，1989，37（9-12）：139–148.

Collision Avoidance Design and Implementation Based on EVALPSN for Circulatory Multi-car Elevator

ZHAO Xin1，OU Jian1，LI Li2
（1.Mianyang Vocational and Technical College，Mianyang 621000，China；
2.School of Computer，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621000，China）

The multi-car elevator system is the new way of vertical transportation.It is the most important safety problem to avoid the cars collision.In this paper，a method has been put forward based on EVALPSN（Extended Vector Annotated Logic Program with Strong Negation），which is constructed by formalizing the system safety properties to be secured.EVALPSN clauses has been built up，a threecar circulatory multi-car elevator system been taken as an example，and the simulation results show that the proposed method has a great effect for the problem of the circulatory multi-car elevator.It can guarantee the safety of multi-car elevator control system.

multi-car elevator，EVALPSN，avoid collisions，logic programming

TP391

A

1002-0640（2015）05-0131-04

2014-03-14

2014-05-21

国家“八六三”基金资助项目（2009AA032906）

赵 欣（1963- ），女，重庆人，副教授，硕士，研究方向：工业自动控制、电气工程的设计与研究及计算机软件开发等。