基于S7_1200的多目标动态电梯群分区算法研究

李 凡，袁建华，田禾雨，王鹏飞，王 新

（1.三峡大学 电气与新能源学院，湖北宜昌 443000；2.国网湖北省电力公司远安县供电公司，湖北宜昌 444200；3.国网江苏省电力公司射阳供电公司，江苏盐城 224300）

引言

目前，综合型服务的高层建筑逐渐增多，建筑内交通运行的纵向流畅度是衡量人们工作、生活质量的重要标准。流畅度的提高不仅体现在建筑内电梯台数的增多，更重要的是电梯之间的配合即各种电梯群优化控制策略。随着建筑规模以及电梯科技的提升，研究者不断把新的电梯群控制算法应用电梯群控系统中，以提高电梯群的运行效率，并且控制算法从对呼梯信号的分配算法到静态分区算法再到动态分区算法逐渐完善[1]。在响应门厅呼梯信号方面，有多目标规划电梯群控算法[2]、多目标粒子群优化算法[2]、多目标分布式群控算法等[3]。在电梯分区方面，较为前沿的有高峰模式下的动态分区算法[4,5]、电梯上高峰动态规划分区方法研究[6]等。这些算法几乎都考虑了乘客的候梯时间、乘梯时间以及节能。而且在一定程度上促进了电梯群系统对呼梯信号的响应速度，降低了乘客的急躁心理。然而上述动态分区算法是在电梯总台数固定的情况下，通过考虑各区域客流量、乘客平均候梯时间参数、乘客乘梯时间等来改变各区域楼层范围，达到动态的区域变化。

本研究出了一种以电梯仿真系统为平台，在静态分区的基础上，电梯群控制系统实时检测各区客流量来确定各区实时的电梯资源需求，再利用多目标电梯评价函数，评价出相对某区域的较优电梯，并将较优电梯分配给该区，达到电梯群控制系统实时最优。

1 多目标动态电梯群分区算法原理分析

1.1 建筑楼层静态分区模型和电梯群控制系统拓扑结构

图1为建筑及电梯群系统运行拓扑图。图1中包含各电梯的上行状态Up（↑）、下行状态D（↓）、空闲状态F（O），已登记的呼梯按钮（1层上行信号、2层上行信号、2层下行信号等）及轿厢内部选层器（乘客的目的层：1楼选层信号、2楼选层信号、3楼选层信号等）响应情况以及分区数量d和各区楼层个数、各电梯编号。以上这些信号，电梯群控制系统均能通过限位开关、平层传感器、按键输入（呼梯盒和选层面板）等得到。如图1所示，静态分区：1区（1、2、3层）；2区（4、5、6层）；3区（7、8、9、10层）；电梯分配情况：1区（1、2号梯）；2区（3、4号梯）；3区（5、6号梯）。呼梯登记情况：1区（1层上行呼梯按钮、2层上行呼梯按钮）；2区（4层下行呼梯按钮、6层上行呼梯按钮）；3区（8层上行呼梯按钮、9层下行呼梯按钮、10层下行呼梯按钮）。

图1 t时刻均衡模式下电梯群系统状态图

图2为电梯群控制系统拓扑，该拓扑包括软件系统及硬件系统。硬件系统包括主站PLC（S7_1200）和各从站PLC、PLC之间的通信模块、IO扩展模块、输入面板、选层器、呼梯按钮以及红外感应器。该拓扑结构灵活，并为软件配置了充足的硬件条件，可根据项目的大小扩大或缩小拓扑。

图2 电梯群控制系统拓扑图

1.2 算法考虑的重要参数及参数计算

1.2.1 重要参数

区域呼梯信号中心Cak：利用k区域的各层客流量来确定客流量的几何中心。第k区域电梯需求量：各区电梯需求量跟区客流量占电梯群总客流量的比例有关。第k区域相对j号电梯的候梯时间（WTkj）：j电梯以目前的状态到达目的k区域所需的时间；j号电梯相对第k区域的能源损耗（SCkj）：j电梯以目前的状态到达目的k区域所消耗的能量；j号电梯乘客的乘梯时间（RTkj）：j号电梯完成当前轿厢内运送任务所花费的时间。补偿参数Cj：与当前时刻各电梯轿厢停止在某楼层时的开关门状态有关。

1.2.2 参数计算

（1）区域呼梯信号中心Cak按式（1）计算：

在2、3区域，Cak同式（1）类似处理计算方式。

由于电梯仿真系统无法对客流量进行监测，可假设当上行或下行按钮亮起，按钮亮起的楼层门厅内客流量相等，以表1为例。

表1 区域区域呼梯信号中心情况分析

（2）第k区域相对j号电梯的候梯时间（WTkj）的计算：

该候梯时间WTkj跟轿厢同区域呼梯信号中心Cak的相对位置有关系，位置关系有3种，已知Ca2=5，电梯状态信息见图3。

图3 电梯位置相对关系图

（3）第k区域电梯需求量Qak的计算

计算每个区域所需分配的电梯台数Qak，利用了各客流量（楼层客流量、区域客流量、总客流量），根据区域客流量占总客流量的比重与电梯群总台数Ne的乘积求取。为保证计算精度，需要一种特殊的处理方法（每区至少一台电梯）：

（4）j号电梯相对第k区域的能源损耗（SCkj）计算

文献[1]详细分析了交流双速和交流变频调速电梯原理，对两种控制模式进行&Pf电能测试，得到交流双速电梯能耗累积特征。以交流变频调速电梯能耗为例，空载上行和重载下行阶段处于发电状态；在电梯启动和制动时能量消耗很小，近似为零。空载下行的能源消耗只跟运行距离有关系，重载上行跟乘客的总质量、运行距离都有关系[7,8]。电梯仿真系统不能进行乘客数量计算和质量测量，为方便算法实现，可考虑电梯稳定运行过程中产生能量。

（5）补偿参数的计算

补偿参数Cj跟电梯轿厢门当前的状态有关，引入补偿参数Cj可更细致地量化评价当前轿厢门状态：

式中：t为轿厢从刚刚静止或轿厢门即将打开到当前轿厢门开合状态所花费时间；T_r为轿厢门开合总时间。

根据以上对各参数的介绍及详细分析，可给出计算公式（3）～（5）：

式中，stop为轿厢运行至目标Cak过程中的停靠次数。

1.3 多目标电梯群分区算法的设计思想及结构

多目标电梯群分区算法将静态分区与动态计算各电梯在各区域评价函数Ejk相结合，利用各区客流量求取各区电梯需求量，比较评价值，将电梯群实现最优分配给各区。静态分区是将楼层平均或近似平均地连续分成若干个区域n。评价函数主要追求第k区域相对j号电梯的候梯时间（WTkj）和j号电梯相对第k区域的能源损耗（Ekj）两个目标。

根据上述两个目标，取j号电梯相对k区的评价函数：

式中，k=1、2、3，分别对应1，2，3区。

a1、a2、a3（a1+a2+a3=100）分别为三个目标的权重，不同的权重代表对三个目标侧重不同的分区模式（空闲客流分区模式、均衡客流分区模式、高峰分区模式），系统智能化地根据客流量的大小来模糊判断当前系统分区模式[10,11]。高峰分区模式：a1=50、a2=50、a3=50；空闲客流分区模式：a1=20、a2=0、a3=80；均衡客流分区模式：a1=33、a2=33、a3=34。利用评价函数得到评价值，例如：6部10层，静态分区为3个区域的系统是18个评价值。利用评价值梯度分配函数处理评价值，分配给各区域最优电梯[9]。

评价值梯度分配算法是搜索评价值中的最小值，将最小值对应的电梯分配给该值对应的区域。例如：

2 算法的实现算例

将t时刻电梯群状态图1中的相关信息提取出来，如表2，并计算出和评价值，如表3～4所示。

表2 各电梯运行状态

表3 候梯时间和乘梯时间计算结果

表4 能源消耗和电梯评价值计算结果

除表2信息之外，还有客流量信息：Pf1=3，Pf2=0，Pf3=2，Pf4=4，Pf5=0，Pf6=1，Pf7=0，Pf8=1，Pf9=2，Pf10=2。

再根据客流量信息可计算第k区域电梯需求量Qak得：

表5 各电梯区域分配结果

3 算法仿真实现

电梯仿真系统所使用控制器为S7_1200，被控对象为6部10层电梯群。其他参数为：设置运行时间：10 min；总人数：200；开、关门时间：14 s；运行一层所花费的时间：4 s；单部轿厢载重：1000 kg；单部轿厢定员：13人。对于呼梯信号分配算法，仿真中统一采用多目标规划电梯群控算法[1]，仿真了静态分区和所提到的多目标动态电梯群分区算法。

静态、动态分区下多目标参数的积累量及运行效果见表6。从表6仿真结果来看，在加入多目标电梯群分区算法后，在运输总体效率上有了很大的提升，相同时间运输的乘客数量有了很大的提高。在具体参数方面，乘客平均候梯时间从101.09 s优化至45.84 s，乘客长时间候梯率从51%优化到30%等，各指标都有了很好的改善。

表6 静态、动态分区下多目标参数的积累量及运行效果

4 结论

本研究提出的考虑客流模式、乘客候梯时间、乘客乘梯时间和能源消耗指标的多目标电梯群分区算法，该算法利用客流量计算得到每个区域对电梯台数的需求。电梯群系统智能识别交通模式、各区客流中心以及各电梯状态，进而求取乘客候梯时间、乘客乘梯时间和能源消耗，计算评价值，最后比较评价值和各区电梯台数需求，确定电梯群分区。

本研究将多目标算法应用于电梯群分区，考虑因素全面，经算法编程实现，并将静态分区和多目标动态电梯群分区算法在电梯仿真系统运行，效果有了显著改善，具有工程实际参考意义，起到节能减排作用。