电梯群控系统仿真平台优化设计

刘小朋 李付龙 王立鹏

摘要：针对国内现有电梯群控系统仿真平台信号输入方式单一，不能产生稳定、持续的交通流；模拟电梯运行僵硬，轿厢不能连续移动等问题，基于Visual C++6.0面向对象编程技术，以DB2数据库作为后台，设计出一种优化电梯群控系统仿真平台。该平台既能手动输入呼梯信号，也能自动生成符合泊松分布的输入信号。仿真运行输出候梯时间和乘梯时间，结果表明，该优化平台轿厢能够连续平滑运动，运行速度和方向一目了然，能更真实地模拟电梯的实际运行情况。求出平均候梯时间、平均乘梯时间和平均停靠次数，对电梯最小长候梯时间算法进行了验证。

关键词关键词：电梯；群控系统；Visual C++6.0；泊松分布；多线程

DOIDOI：10.11907/rjdk.161340

中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2016）007011003

0引言

随着高层建筑的日益增多，电梯成为人们日常生活的重要交通工具。多部电梯配置在一起构成电梯群，由电梯群控系统操作。算法是整个群控系统的核心，优越的算法能减少乘客候梯时间、乘梯时间以及能耗等。因此，电梯群控算法仿真平台的研究意义重大。

国外电梯仿真软件主要有Elevate，而且代码不公开。国内电梯设计较为简陋，电梯动作较为僵硬，不便于观察，不能较好还原现实情况，而且不能产生连续稳定的交通流，仿真平台不能长时间稳定运行。

Visual C++ 6.0是一个功能强大的可视化软件开发工具，能够制作交互式用户图形界面。DB2数据库主要应用于大型系统，具有较好的可伸缩性，支持从大型机到单用户环境。数据具可利用性、完整性、安全性、可恢复性及平台无关性，以及小规模到大规模应用程序的执行能力。DB2数据库可使用微软的开放数据库连接（ODBC）接口，任何应用程序都可访问。

本设计以Visual C++6.0 为开发平台，采用DB2作为电梯仿真平台数据库，利用多线程技术， 根据电梯配置和电梯群控算法进行仿真，得到电梯的运行质量参数并保存到DB2 数据库中。 本设计稳定性高，能连续随机地产生各种电梯交通流，是高性能电梯群控系统仿真平台。

1仿真平台介绍

该平台用Visual C++6.0软件编写，有交互式呼梯信号输入按钮，可由用户自行输入，或由系统自发产生连续的交通流信号。由于仿真平台采用的是基于目的层的呼梯方法（即内呼按钮与外呼按钮都在电梯外部），所以各乘客的起始层和目的层总是同时确定的。这种呼梯方法消除了由于乘客目的层的不确定性而带来的困扰，使电梯控制更加快速、准确，同时也大大简化了群控算法研究的难度。仿真平台有4种交通模式：上行模式、下行模式、空闲模式和层间随机模式，可根据需要选择其中一种模式来运行。运行过程中能即时显示各个乘客的序号、呼叫层、目的层以及为其服务的电梯编号等，较为人性化。

2仿真平台构成

电梯模型由4部分组成：交通流产生模块、信号综合处理模块、电梯群控算法模块和电梯运行模块，如图1所示，输入信号和运行状态都存入DB2数据库。

利用C++语言面向对象的编程技术，用类的封装编写了整个群控电梯系统，构造了电梯类（ElevatorA，ElevatorB和ElevatorC）、输入信号类（Signal）以及轿厢类（Car）。其中电梯类是由VC++软件中的滚动条控件制作而成。电梯轿厢由滚动条中的滑块来代替，通过设置滑块的位置来使“轿厢”运动起来。本设计中的电梯可连续平滑运动，便于观察研究。运用多线程技术构造了4个线程：交通流产生线程、电梯A运动线程、电梯B运动线程和电梯C运动线程。它们能够同时、迅速地响应用户的多个请求，使整个程序协调运行，程序流程如图2所示。

交通流参数模块用于随机产生各种交通流数据，数据库作为后台，存取更加稳定，从而有效提高系统的稳定性。乘客到达过程可由泊松分布模拟[5]。群控服务区域是指前来乘坐电梯的乘客（包括上行和下行）的候梯区域。

在时间t内乘客到达服务区人数为n的概率为Pn（t）=（λt）nn！e-λt，n=0，1，2…（1）则在时间t内，没有任何乘客到达的概率为P0，所以时间t内所有乘客到达的概率为1-P0（t）=1-e-λt（2）假设两个相邻乘客到达的时间间隔为T，则P{T≤t}=1-e-λtt≥0

0t<0（3）时间间隔T服从参数为λ的指数分布。假设乘客平均到达率为λ，第i个乘客到达的时间为X（i），第i+1个乘客到达时间为X（i+1），ti为相应到达间隔时间的最大值，Pd为第i个乘客到达率，则Pd=P{ti=t}=1-e-λtt≥0

0t<0（4）所以当t>0时，最大时间间隔为ti=-In（1-Pd）λ（5）于是得到第i个乘客到达时间的递推公式为X（i+1）=X（i）-ln（1-Pd）λ（6）在这里，由于Pd是0～1之间的任一常数，所以可以用0～1上的均匀分布来产生N个数作为Pd的值，从而产生N个到达时间模拟值。

MATLAB具有强大的数据处理能力，可完成数据流的计算。由此模拟出符合泊松分布的乘客流，以30分钟内200个乘客的到达过程为例，如图3所示，横坐标代表各个乘客的到达时间，纵坐标代表当前乘客到达量。其中直线之间的距离间隔代表两乘客到达的时间间隔。间隔越小，说明人流密度越小；间隔越大，说明人流密度越大。

最终模拟出符合泊松分布的乘客到达时间，将乘客到达时间以及各相邻乘客之间的时间间隔存入DB2数据库，以供VC++调用。

将时间间隔存入数据库后，VC++仿真平台从数据库逐个读取乘客到达时间，并延时相邻乘客到达时间的间隔。延时结束后，通过蒙特卡洛法产生呼梯信号，然后继续读取下一个数据，如此连续不断执行，产生离散的符合泊松分布的乘客流，直到读完DB2数据库中的交通流数据为止。

2.2算法模块

算法是电梯群控系统核心，一个算法的优劣直接决定着电梯的运行效率。本设计的目的就是对群控算法的优劣进行验证和调试，最终证明某算法的实用性。常用的算法有最小候梯时间算法、最小乘梯时间算法、模糊控制算法以及神经网络算法等。本系统采用C++面向对象语言，用类来封装各种控制算法，当系统需要用到某种算法时，只需要调用相应的算法即可。

2.3信号综合处理模块

信号处理模块需要进行复杂的计算，它结合新加入的呼梯信号、已登记的呼梯信号以及电梯当前的运行状态这3个因素，利用当前的群控算法，计算出各个电梯对新加入信号的符合程度。如图2所示，信号处理模块在接受新增加的呼梯信号后，经信号处理模块计算，选择符合度最大的电梯，并将派梯结果发送至电梯运行模块。

2.4电梯运行模块

电梯运行模块用于实现电梯的模拟运行，它由电梯A、B和C组成。电梯运行特征分为7个状态，分别是：空闲状态、开门状态、关门状态、上行状态、下行状态、进客状态和下客状态。当电梯为空闲状态时，电梯等待外呼信号，直到有外呼信号为止。当电梯向上运行时（下行情况一样），必定先加速，而后匀速运行。 如果未到达指定层，电梯继续向上匀速，每经过一层，楼层数自动加一。将要到站时，电梯开始减速，然后停车开门。上下客完毕后，关门重新启动。如此往复，不断运行。每个状态所持续的时间基本上是固定不变的，因此本设计假设电梯的上下行状态都是匀速的。将变速运动引起的时间差归于匀速运行阶段，同时将开关门时间和上下乘客时间都归于电梯停站时间中。本设计实际上只考虑3种状态：上行状态、下行状态和等待状态。虽然简化了平台设计，却更加有利于电梯群控算法的研究。

采用多线程的软件实现方法，设计电梯A、B和C三个电梯线程 ，使得3部模拟电梯同时独立运行，系统的稳定性高。如图2所示，在接收到配梯信号后，经过算法计算，新增信号会登记到3部电梯中的一部。该部电梯会综合新增信号和已有信号决定电梯的运行状态。

3仿真结果

基于最小长候梯时间算法对仿真平台进行测试。仿真参数设置为：仿真时间30min，楼层为15层，楼层高2.5m，电梯3部，电梯经过每层时间2.4s，停站时间10s，仿真人数200人。采用层间随机交通模式，系统自动生成泊松输入流。仿真结果用MATLAB绘制。其中单次仿真结果如图4和 实验结果表明，乘客的平均候梯时间仅为25.6 s，体现了最小长候梯算法在减少乘客候梯时间方面的显著作用。但平均乘梯时间为35.8秒，平均停靠次数178次，能耗较大，说明经典的群控算法—最小长候梯算法存在一些不足。

（s）平均乘梯时间

（s）平均停靠次数

（次）最小长候梯时间算法25.635.81784结语

基于Visual C++6.0面向对象的编程方法，设计了一种优化群控电梯仿真平台。实验结果验证了仿真平台的有效性。与以往仿真平台相比，本仿真平台既能接受用户的手动输入信号，也能自发产生泊松分布乘客流，并逐个处理各种输入信号，输出乘客候梯时间和乘梯时间。电梯轿厢能够连续平滑运动，轿厢运动速度和方向一目了然，便于观察研究，较为真实地模拟了实际情况，简化了电梯群控算法。

本设计采用MATLAB产生泊松分布交通流，以DB2数据库为枢纽，给仿真平台提供连续稳定的输入信号，使得仿真平台能够长时间稳定运行，具有一定的实际意义。

参考文献：

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