一种基于循环预分配的电梯群调度方法

任学平，武鹏飞

（内蒙古科技大学 机械工程学院，内蒙古 包头 014010）

0 引言

随着现代化城市的发展越来越快，建筑的规模也越来越大，电梯已成为必不可少的交通工具；而电梯是一个具有非线性、随机性的复杂系统，对电梯群的合理调度不但可以减少成本、节约能源，而且还为乘客节约了时间，乘客的安全也得到了保障[1]。目前，电梯的控制方法有继电器控制系统、PLC控制系统及微机控制系统。继电器控制系统的可靠性较差并且控制繁琐等，逐渐被淘汰。微机控制系统结构比较复杂，并且抗干扰能力普遍较差。因此在电梯控制方面常常采用PLC控制系统，其编程简单、抗干扰能力强、程序设计简单灵活，被广泛应用于对电梯的控制。常见的PLC电梯控制系统有2种：1）并列电梯。这种方式为每一部电梯都配置了一个控制器，各电梯独立运行互不相关。该方法增加了设备成本，并且效率十分低下。2）群控电梯。即使用一个或极少数几个控制器通过各种算法调度多部电梯，使各电梯的载客量、运行时间、能耗等达到最优[2-4]。目前，用于这种群控电梯的算法主要有蚁群算法、神经网络算法、模糊控制等智能算法，但这些智能算法实现起来相对复杂[5-8]。本文通过对电梯系统请求信号不确定性的分析，提出了数组记忆循环预分配的方法，该方法不仅思路简单、易于开发，而且各方面的性能指标都有所提升，此外还可以扩展到多部多层电梯，对实际工程应用具有一定的推广价值。

1 电梯调度分析

本文的调度算法是基于时间最优，即在最短的时间内响应乘客的呼梯请求。时间最短，也就等价于电梯持续高速运行到请求信号的距离是最短的，而电梯的实际运行状态又可分为空闲状态、加减速状态、开关门状态和上下行状态，不可能一直处于高速运行状态，所以要想用距离作为研究对象，我们必须将这些状态等效转化为高速运行状态无中断走过的距离。由于轿厢从减速到平层抱闸开门，再到轿厢关门、加速到高速运行状态所耗费的时间约等于电梯持续高速运行经过2层楼距离的时间，根据这个规律，我们就可以将不同的运行状态转化为高速运行状态无中断行驶的距离[9-10]，但是乘客出入轿厢所耗费的时间是个不确定值，永远无法估量，而且轿厢由空闲开始运行只有加速，所以这里的误差是在所难免的；但如果不考虑乘客出入耗时，只记入开关门和加减速的时间，我们可以运用该规律计算出近似距离，然后再逐步消除这些误差，就可算出准确的距离；本文把运用这个规律进行的调度称为预分配法。

当轿厢响应一个内选信号，就会多出大约2层的距离。由此可知，只要计算出3个轿厢当前位置到外部呼梯请求层有多少个未响应的按键请求就可以计算出大致的距离。但是，还有一个不确定因素会使我们这个计算的准确性严重降低，即呼梯的不确定性，也就是说，即使某些呼梯请求信号的预分配是最优的，电梯也正准备去响应该请求，突然有n个外部呼梯信号分配给这部电梯，而这些信号又位于该梯的当前位置与初始准备去响应的呼梯信号之间，这就使该梯的距离增加了2n层，显然首次呼梯信号已不再是最优的分配。此外，电梯有上行、下行、空闲等3种状态，而外部呼梯信号又有上行和下行等2种情况，如果将这些状态分为6种情况分别进行讨论计算，无疑会增加程序实现的难度，所以我们对其进行简化，将电梯的状态分为与呼梯请求上、下同向运行和空闲等3种情况。当呼梯请求与电梯的运行方向同向或者电梯处于空闲时，我们对每部电梯进行总距离计算，找出最优的那部电梯进行预分配；当乘客呼梯请求信号的方向与电梯轿厢的运行方向不一致时，我们把该呼梯请求信号暂时保存起来，等到电梯响应完该方向的所有请求后，电梯必将处于空闲状态，此时如果该请求没有被其他电梯响应就进行调度计算；这样既把所有情况考虑周全，又简化了程序。

2 循环预分配法的基本思路

综上可知，只要解决了乘客出入轿厢耗时不确定性和呼梯的不确定性带来的误差，然后运用预分配的规律，我们就可以实现电梯调度分配的时间最优化。为此我们定义了记忆数组和外部按键采集数组，记忆数组把已分配的外部呼梯信号全部存放起来，不停地计算着3部电梯到外部请求信号的总距离，判断当前分配是否为最优分配，一旦发现中间有呼梯信号插入致使当前分配不再是最优分配，则立马擦除该分配并进行重新分配；直到有电梯响应了该请求信号，自动消去记忆数组中对这个信号的存储；这就实现了时间最优化调度。等效距离计算公式为

式中：D为等效距离；i为梯号；Nin和Nout分别为该梯的内选请求和外选请求个数；LR为请求信号的位置；LC为电梯所在位置。

当有外部呼梯请求信号时，控制器会采集到该信号并将这个请求信号存放在采集记忆数组中，然后计算出与该请求信号同向运行的电梯所对应的数组中分配给该梯的未响应请求信号的个数，将这个数值乘以2，再加上外部请求信号到该轿厢当前位置的直线层距离，结果就是这部电梯到乘客呼梯请求层的等效总距离，这个距离与时间等效；将3部电梯的总距离进行比较，最小值的那部电梯就是最优解，将此请求信号暂时分配给这部最优电梯，即预分配。

由于这种分配存在误差，所以采集记忆数组中一直保存着这个请求信号，并且不停地循环计算着采集记忆数组中所有信号在3部电梯中的总距离并找出最优解，如果前一次分配仍为最优，则保留分配，如果计算出前次分配不再是最优解，则擦除前次分配，重新分配采集记忆数组中的这个请求信号。最后，总会有一部电梯率先到达该请求信号层，这时将采集记忆数组中对应的请求信号擦除，流程图如图1所示。采用这种预分配的方法，虽然每次运算都存在着误差，但它总是接近最优，再加上采集记忆数组对所有外部信号的保留且不断地对这些信号循环地进行着预分配校正，直到有电梯最先响应请求才擦除，这就逐步消除了上述误差和呼梯的不确定性，实现了时间的最优调度。

图1 群控分配调度流程

当外部呼梯请求信号分配给了各部电梯之后，接下来就是单梯控制。以1号梯为例，若是内选请求信号，我们直接把该信号存放在电梯所对应的数组中，即1号梯数组；而外选信号在时间最优调度计算时已经分配给了各梯，也就是说，不管是内选还是外选信号，都存放到了各号梯数组中，然后电梯对信号进行响应。由于电梯每次运行都是单向的，在没有响应完当前运行方向上的所有请求时是不会改变运行方向的，也就是说如果轿厢向上运行，它必须上行到最高层的请求信号，如果是向下运行，则必须下行到最底层的请求信号处，然后改变方向后处于空闲；所以我们只需在1号梯数组中找到最大值和非零的最小值即可决定电梯运行方向。起始时刻电梯处于空闲状态，如果请求信号值大于轿厢当前位置则轿厢上行，小于轿厢当前位置则轿厢下行；上下行状态位互锁，如果没有响应完某一方向的请求信号，这个方向的状态位是不会失电的，另一个方向状态位也就不会得电。当轿厢在某一方向运行时，我们可以根据轿厢的当前位置判断是否到达请求层，如果轿厢当前位置与该梯数组中存放的内选值或者同方向的外选值相同，则开门状态位得电，说明到了目的层，开始减速，到了平层时抱闸停机响应请求。当轿厢门打开时，我们擦除该梯数组中相应的请求信号，同时开门状态位自动失电；响应完请求后继续运行，如此便实现了单梯控制。

3 系统验证

表1是虚拟电梯仿真系统测试表，表中将单次分配算法和数组循环分配算法及文献[11]的蚁群算法做了对比。文献[11]中所使用的测试软件及版本与本文的完全相同，可以将其作为对比使用。

表1 虚拟电梯系统评分表

通过表1可以看出：与单次分配法相比，使用循环预分配调度算法的群控电梯的乘客平均候梯时间、乘客长时间候梯率及乘客平均乘梯时间都有一定幅度的下降。在单次独立分配算法中乘客的平均乘梯时间是84.82，平均候梯时间为142.72，乘客长时间候梯率为0.52，而在运用了循环预分配调度算法中平均候梯时间则下降为90.17，乘客长时间候梯率下降为0.32，乘客平均乘梯时间由84.42下降为60.92，总的载客量也由172上升到195，这是十分理想的。随着总的载客量的增加，系统的启停次数和运行总距离会相应地增加，这是无法避免的客观事实，所以本文提出的方法在这两个指标上比其他两种方法差。

在乘客平均乘梯时间方面，循环预分配法稍大于蚁群算法。在乘客长时间候梯率和乘客平均候梯时间这2项指标中，本文提出的方法不及蚁群算法，而运输乘客数量却多于蚁群算法。在这3种方法中，基本安全阶段都无故障发生，减去蚁群算法中的安全故障得分，循环预分配法的系统评分最高，是蚁群算法所不及。总体来看，本文提出的方法与文献[11]中提出的蚁群算法各有优缺点，差距不大。因此本文提出的循环预分配法在时间最优化方面达到了良好的效果。

4 结语

本文提出的数组记忆循环预分配的方法，成功解决了对某外选呼梯信号分配后其他呼梯信号不确定性和乘客出入轿厢耗时的不确定性所导致的调度分配的不精确问题。通过数组对外选呼梯信号的记忆和循环预分配对误分配的校正，最终实现了候梯时间的最优化。最后，通过3部10层虚拟电梯仿真软件测试表可知，加入外选按键记忆数组循环预分配的方法，乘客的候梯时间和乘梯时间相对于直接分配来说都有大幅度下降，运输乘客数量显著提升，相对于智能算法来说，该方法易于实现，便于开发，效率也相对较高，具有一定的应用价值。