基于Petri网的电梯控制系统建模与分析

段瑞　方欢

摘 要：使用Petri网模型工具建立一种电梯单控系统模型，分析电梯运行中的循环和满载开门问题，给出优化设计方案.结果表明，优化方案可以实现，模型有效.

关键词：Petri网；电梯控制系统；建模；性质分析

[中图分类号]TP399 [文献标志码]A

Abstract：Use Petri net modeling tools to create a model of the elevator control system，analysis the circulation and full-load open in elevator operation，gives the related optimization designs scheme.Verification results show that the model is effective and the optimal designs are achievable.

Key words：Petri nets； single control elevator ；modeling；property analysis

Petri网是分布式系统的建模和分析工具，它不仅便于描述系统中进程或部件的顺序并发、冲突、同步，使系统直观化，而且可以确切地分析系统的结构性质及动态性质，被广泛应用于业务流程管理.随着电梯的普及，人们对电梯性能和功能的要求也不断提高，其对应的运行原则、交通模式和控制方式等也在变化.在实际应用中，电梯仍存在一些缺陷.宗群[1＼]等提出一种交通模式多模式的预测方法.唐海燕和赵小翠[2-3]等认为，一些算法只能在特定的交通模式下才能体现其优越性.杨博钦[4＼]等给出了电梯群控系统的整体设计.宗群[5＼]等给出了基于面向对象Petri网的电梯群控系统建模.本文从电梯单控系统入手，利用Petri网对电梯单控系统建模，分析循环和满载开门问题，给出优化建议和方案.

2 电梯单控系统建模与分析

2.1 电梯运行原则及交通模式

电梯运行原则 将乘客及其需求抽象成任务，分为内部任务（电梯内乘客需求）和外部任务（电梯外乘客需求）.同向任务是和电梯移动方向一致的任务，电梯向下移动时，向下的任务即为同向任务；反向任务是和电梯移动方向相反的任务.电梯运行原则为：

（1）优先执行电梯内部任务：电梯內部任务为首要必须完成的任务，在这个基础上接受外部任务；

（2）优先执行同向任务：电梯应先完成同向执行，然后再反向完成反向任务；

（3）顺路执行任务：电梯在执行内部任务时，若有同向的外部任务，则顺便执行；

（4）外部任务主电梯惟一：一个外部任务只分配一部电梯，可以变换但惟一；

（5）满载不停：电梯在满载时不接受外部任务，以减少不必要的停靠次数，节时和节能；

（6）两级变速：电梯执行任务时慢速，无任务时快速以节约时间；

（7）特定电梯优先执行特定任务：某一部或者几部电梯必须优先执行特定任务，在以特定任务为优先执行任务的基础上执行顺路任务.

交通模式 现实生活中，对电梯的需求往往会呈现出一定的规律，其交通模式为：

（1）上行高峰交通模式：多数乘客从一楼乘电梯至其他各层；

（2） 下行高峰交通模式：多数乘客从各层乘电梯至一楼或地下；

（3） 两地交通模式：其中一层乘客涌进另一层，多路交通模式与之类似；

（4） 空闲交通模式：和上面所述三种交通模式不同，此交通模式乘客流量较少.

2.2 建模

电梯的状态可分为等待、装载和运行，电梯单控系统的目的很简单，就是完成任务让乘客满意，尽量节时节能.图1是电梯单控系统模型图，控制流标签的取值及其含义见表1，标签及其含义见表2.控制器在收到任务请求后首先判断任务同层是否有电梯正在执行装载任务，如果有且不满载的话可以直接执行任务，这样可以让乘客第一时间坐到电梯，节时节能.如果本层没有正在装载的电梯但有空闲电梯，直接把任务分配给此空闲电梯，同样可以快速高效地完成任务.在本层没有正在装载和空闲电梯的情况下，控制器会把任务分配给其他电梯，该任务可以作为电梯的顺路任务执行，也可以作为某一电梯的第一任务去执行.

2.3 模型分析

图1表明，如果分配给任务t的电梯在执行顺路任务时满载，再给任务t分配其他电梯会浪费很多时间，甚至会在高峰期造成一种死循环，如图2，本文把这个问题称为循环问题.图2表明，如果不能同时满足Service（e）=0和Full（e）=0，即电梯没有需要执行的顺路任务且未满载，则任务t一直不能被执行.可以通过加上一些控制条件，通过限制循环的次数或者限制等待的时间，找出解决办法.

满载开门问题 .在图1中，t13和t15均表示执行任务，外部任务t变为内部任务，但是它们的前置条件不一样.通过t13的限制条件，考虑到只有满足执行外部任务t之后，不满载的电梯e才能完成任务.因此，当电梯e在执行任务t时达到满载状态，t15不能完全执行任务t，t会变成两个任务，外部任务和内部任务.本文把这个问题称为满载开门问题.当乘客搭乘电梯之后，电梯发出满载警告，这时候必然要退出一位乘客.这位乘客出去之后必须等待该电梯完全关门开始执行内部任务，才能继续请求电梯，否则由于该电梯未满载会开门执行任务，而该电梯又不能继续承重，见图3.本文设计一种方法缩短满载开门等待的时间，让电梯在发出满载警告的同时反馈给控制器一个任务未完成的信号，让控制器再派一部电梯执行该任务，并让该层电梯按键重新打亮以提醒乘客电梯正在路上.这样就可以避免出现已满载的电梯不停开门关门的情况，也可以减掉该电梯从满载警报到关门开始执行内部任务的时间，最大程度缩短乘客的等待时间，提高乘客的乘坐体验.解决满载开门问题的部分优化模型见图3，优化后电梯控制系统模型见图4.

开门却不能执行任务，浪费时间，影响乘客体验；

T6时：b在到达地下车库后发现车钥匙没带，发出请求R*（特定任务），特定电梯（可达地下车库的电梯）收到命令，在执行完此时的内部任务之后优先去执行R*.

T0时刻本层有正在装载电梯且在执行任务之后未满载.T1，T2，T3以及T3到T4之间是循环问题，T5是满载开门问题.优化方案为：同学b退出电梯之后会看到本层电梯按键已打亮，则b不会再按下电梯按键，节时节能，优化方案有效.T6是特定电梯优先执行特定任务.

4 结论

针对电梯调度过程中出现的循环问题和满载开门问题，通过Petri网开展讨论和优化，并给出了优化模型和解决方案. 由于实际情况的变化性和多样性，电梯控制系统十分复杂，本文只是给出了电梯单控系统模型并做了简单的分析优化，为电梯群控系统的建模与分析优化打基础.

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编辑：琳莉