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群控电梯智能调度

漳州职业技术学院
计算机系2014届工程项目训练
综合办公大楼群控电梯
智能调度系统
设计方案

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学号：
指导老师：

2016年06月5日

任务背景 1
1、目前群控电梯采用的智能调度 1
1、多种控制方案的分析比较 1
1、专家系统 1
2、神经网络 2
4、遗传算法 2
4、模糊控制技术 2
2、分析研究对象 3
1、电梯群控系统的结构 3
2、电梯群控系统的特点 4
3、电梯群控系统的性能要求 4
3、用户需求 6
4、总体设计 6
5、详细设计 6
1、电梯交通模式分类 6
1、上行高峰模式 7
2、下行高峰模式 7
3、层间交通模式 7
4、空闲交通模式 7
2、 用户需求设计 7
1、 消防电梯 7
2、电梯轿厢统一调度 9
3、 电梯里应该增添的设备 9
6、总结 9

任务背景
本文首先简要介绍某综合办公大楼共40层，电梯共有10部，其中2部为消防电梯。而电梯做为最重要的垂直交通运输工具，其作用愈加突出，也得到了极大的重视。为了提高员工上下班高峰期，搭乘电梯高效有序，缩短人们的候梯时间、乘梯时间，并降低能源消耗，就需要使用电梯群控系统（EGCS）对多台电梯进行统一调度控制。
1、目前群控电梯采用的智能调度
1、多种控制方案的分析比较
目前，国内外广泛采用的控制策略主要包括模糊控制、专家系统、神经网络、遗传算法等人工智能技术。每一种控制策略各有其优点，但受制于成本等因素，又各有其局限性：
1、专家系统
专家系统是一个或多个专家知识和经验积累起来进行推理和判断的系统，是由知识库、数据库、推理机、解释部分及知识获取部分组成，形成一定的控制规则存入知识库中，它可以解决许多不能完全用数学作精确描述而要靠经验解决的问题。根据当前输入的数据或信息，利用知识库的知识，按一定的推理策略控制派梯。但对于复杂多变的电梯系统，专家系统有它的不足之处：它主要适用于一些相对比较简单的、楼层比较低的建筑物；专家设想的条件要及实际建筑物基本相同，才能获得预期的效果；对于复杂多变的电梯系统，专家的知识和经验存在局限性等；控制规则数受限制，规则数多则显得复杂，难以控制；少则控制性能下降。
2、神经网络
神经网络是依据人类和动物大脑的工作方式建模的，具有并行处理、分布储存、自学习、自组织功能。神经网络学习的主要优势在于它可以通过调整网络连接权来得到近似最优的输入—输出映射，适应于难以建模的非线性动态系统，它能识别交通流，当交通流发生变化时，电梯交通配置能随之变动。神经网络还具有自学能力，能改进控制算法并对制定的规则加以修改，利用非线性和学习方法建立适合的模型进行推理，对电梯交通进行预测，能灵活应付建筑物中变化的交通流，校正误差。但它也有自己的缺点，单纯的神经网络就会使其结构相当庞大，网络的离线学习或者在线学习的时间都会较长，而且也使控制器收敛性能下降，更主要的是结构的合理性也难以验证。
4、遗传算法
基于遗传算法的控制算法抽象于生物的进化过程，是通过全面模拟自然选择和遗传机制，而提出的一种自适应概率性的搜索和优化算法。它采用多点的方式并行搜索解空间，能获得最优全局解而不会陷入局部极小，对优化问题的限制很少，不需要确切的系统知识，只要给出一个能评价解的目标函数，可实现在多目标要求下动态优化派梯方案。在有多个呼梯的情况下可搜索到最优派梯方案，实现多目标最优调度；搜索中依靠适应度函数值的大小来区分每个个体的优劣，遗传算法优于传统的最小候梯时间算法。遗传算法的缺点有：遗传算法本身所具有的随机性和概率性，使它的搜索进程效率不高；其优良的搜索结果是以尽可能长的搜索时间为代价的。
4、模糊控制技术
基于多目标的模糊控制技术在电梯控制系统中的应用显示了高度的优越性。电梯系统中含有许多模糊、不完整的信息，这些模糊信息通过模糊集来描述。计算机不能接受含糊的回答，但却能用模糊逻辑来推理，它能模仿人脑的推理能力，简化许多复杂问题。模糊控制方法优点明显：它完全是在操作人员控制经验基础上实现对系统的控制，无需建立数学模型，是解决不确定性系统的一种有效途径[4]；模糊控制具有较强的鲁棒性，被控对象参数的变化对模糊控制的影响不明显，可用于非线性时变时滞系统的控制；它由离线计算得到控制查询表，提高了控制系统的实时性；控制的机理符合人们对过程控制作用的直观描述和思维逻辑；带有模糊逻辑的电梯群控系统平均候梯时间减少了，大大优于常规电梯群控系统。但是纯粹的模糊控制不具备学习能力，不能根据新的情况作出适时的调整以提高系统的性能。
2、分析研究对象
1、电梯群控系统的结构
电梯群控系统是一个非常复杂的系统，需要对数百个信号进行收发，处理。目前，电梯群控有多种实现方式，但其控制系统的基本结构大体相同。图2.1为电梯群控系统基本结构框图。由电梯群控器接受轿外呼梯信号，根据派梯策略算法的处理结果将呼梯信号分配给各单梯控制器，单梯控制器根据各电梯状态、分配的轿外呼梯信号、轿内呼梯信号等对电梯进行运行控制。电梯群控控制器是电梯群控系统的核心，负责采集轿外呼梯信号并协调控制各电梯的运行。

图2.1 电梯群控系统结构图

单梯控制器控制单台电梯，使其能够独立地上下运行、完成电梯的基本功能。在单梯控制器中应设置合适的电梯加速度和减速度。研究表明[5]，出于生理需求，电梯的加速度和减速度不能过大，而且加速度的变化率也不能超过一定范围，否则就会导致乘客体内器官的相对移动，给人不舒适感，如果这种变化超过人体所能承受的极限，就会出现呕吐、恶心等不适症状。
电梯群控器是整个电梯群的调度中心。一方面，它可以采集轿外呼梯信号，根据电梯的当前位置、电梯运行方向、轿厢负荷、客流量等各方面因素对轿外呼梯信号做出合理的分配，并将轿外呼梯信号发送给各单梯控制器。另一方面，电梯群控器接收用户指令、设置参数并根据需要增减功能，向外部输出电梯的相关信息，供用户查询及监视，本文就是针对电梯群控器进行研究的。
2、电梯群控系统的特点
电梯群控系统是典型的动态离散事件系统，系统的建模、分析、优化都较为复杂，调度策略所面临的问题是基于当前的状态和历史数据找到一个派梯程序来决定什么时间、地点轿厢应运行、停止或转向。对于办公建筑主要是使乘客平均候梯时间最小，此问题难于处理的原因包括：多轿厢的协同问题，满足轿厢的运动约束状态信息的不完整和不确定以及时变的交通量。电梯群控系统的随机性、非线性和控制目标多样性，使传统控制方法很难提高系统的性能指标。因此调度算法和评价指标对于电梯群控系统是是至关重要的。
电梯群控系统是一个具有多目标因素的系统，共有30多个目标，它们之间的关系错综复杂，这就使我们在设计电梯群控系统时需要折中和综合考虑各个目标。它们主要包括平均候梯时间短、长时间侯梯率低、平均乘梯时间短、系统能耗少、客流输送能力强、轿厢内拥挤度适宜等。上述的几个目标对电梯群控系统提出了不同的要求。电梯群控系统应根据客流需求状况，对这些指标进行调整。由于电梯的客流量会随时间的变化而发生变化。所以，电梯交通系统存在着很大的不确定性，主要表现为每一层站的乘客数的不确定性、乘客的目的层的不确定性、呼梯信号的产生楼层的不确定性、建筑物内存在的及环境因素有关的交通状况的变化的不确定性等[6]。电梯交通系统中还有很多非线性的因素，必须用智能控制技术来控制它们。
3、电梯群控系统的性能要求
电梯群控系统是对电梯群的控制和调度，电梯作为大楼内的垂直交通工具，必须保障其安全性和可靠性。因此，群控系统的性能应包括以下要求[7]：
（1）电梯群控系统需要完成的最核心的任务就是对电梯群的调度控制。电梯群控系统必须要能及电梯群进行通信，获取各电梯的状态信息和呼叫信息，实现对电梯群的调度，这是电梯群控系统的基础。同时，电梯群也需要接收调度电梯群控系统运算出的反馈调度指令来控制电梯。因此，电梯群控系统必须要能及电梯群进行通信。
（2）电梯群控系统对电梯群调度的目的就是要提高整个电梯群对乘客的服务质量。要提高电梯群的服务质量，首先必须对乘客的呼叫信号进行集中的管理和统一的分配。这是提高电梯群服务质量的前提。只有对电梯群进行集中、统一、合理的分配，才能更好地提高电梯群的服务效率。
（3）电梯群控系统的主要功能是实现对电梯群的合理调度。但由于电梯群中的电梯可能分布在不同的位置上，而电梯又是封闭在大楼里面，用户很难进行观测到电梯的运行调度情况。因此，电梯群控系统必须提供显示界面，对电梯群的运行调度状况 进行监测。
（4用户有的时候需要了解各电梯的运行状态和一些硬件参数指标。由于电梯的运行状态是在不停变化的，仅仅通过人为的观测要想同时观测所有电梯的状态，几乎是不可能的。因此，电梯群控系统必须要能满足用户的这些需求，实时显示电梯的运行状态和一些硬件参数指标。
（5）电梯的安全问题一直被人们视为电梯运行最为重要的问题，而电梯故障是影响电梯安全运行最关键的因素，所以显示电梯的故障信息、对电梯故障进行报警和记录，对于用户和维修人员来说都是至关重要的，而且电梯的历史故障记录对于日后电梯故障的诊断和电梯各部件性能的评价都有十分重要的意义。所以，为了保证电梯群控系统能够更加安全的运行，必须对电梯故障进行报警、对电梯故障进行处理后记录下来，这也是群控系统应有的一项重要功能。

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3、用户需求
1、老总搭乘电梯具有优先权
2、消防电梯平时可当做普通电梯使用
3、闲时，电梯按就近原则接受任务
4、高峰期，系统能按临近楼层分配电梯停靠楼层，每部电梯都达到限定人数，乘客按先后顺序安排乘坐电梯（到达同一层的乘客可能因为达到时间不同而乘坐不同电梯）
5、电梯轿厢内不设选层功能，统一由系统调度，所到楼层显示在厅门上方显示屏。
6、乘客不直接到具体电梯选层，而是由系统统一选层器选层，由系统安排具体乘坐哪一部电梯。

4、总体设计

5、详细设计
1、电梯交通模式分类

一个大楼内由于各楼层的人员分布在一定时间段内相对稳定，其人员的作息有一定的规律，使得对交通流的分析不仅是可能的，而且也是十分必要的。电梯交通是由大楼内乘客数、乘客出现周期及各楼层乘客分布三部分来描述的。电梯交通具有二重性，即规律性和随机性。电梯交通具有规律性是因为大楼内人群的生活和工作中存在着周期性，而且不同时间段的交通量之间存在着一定的内在联系。电梯交通具有随机性是因为不同工作日的同一时段内交通量是随机的，即每层要求服务的乘客数、乘客的起始楼层和目的楼层是随机的[8]。电梯交通的随机性大大增强了电梯交通分析的难度，而电梯交通的规律性使得电梯交通分析成为可能。大楼的交通模式一般可简单地分为上行高峰、下行高峰、平衡的层间交通和空闲交通四种。不同的模式下，乘客对电梯的要求有很大的差异，因此对交通模式的准确判别，是有效提高电梯运行水平的基础。下面分别对四种交通模式进行简单的介绍[9]：
1、上行高峰模式
当主要的(或全部的)客流是上行方向，即全部或大多数乘客从建筑物的门厅进入电梯且上行，分散到大楼的各个楼层，这种情况被定义为上行高峰交通模式。上行高峰交通模式一般发生在早晨上班时刻，上班时刻带来相当大的到达率，乘客进入电梯上行到各个楼层上班。其次，强度稍小的上行高峰发生在午间休息结束时刻。高峰期，系统能按临近楼层分配电梯停靠楼层，每部电梯都达到限定人数，乘客按先后顺序安排乘坐电梯。

2、下行高峰模式
当主要的(或全部的)客流是下行方向，即全部或者大多数乘客是从大楼的各层乘电梯下行到门厅离开电梯，这种状况被定义为下行高峰交通模式。在一定程度上说，发生在下班时刻的下行高峰是早晨上行高峰的反向。在午间休息开始时形成的下行高峰强度较弱，而傍晚下班时的下行高峰比早晨的上班高峰更强烈，此时下行高峰的强度比上行高峰要强得多，持续的时间也更长。
3、层间交通模式
层间交通模式是指大楼内没有主导客流，客流只在各楼层间移动，客流量比较小。这种交通模式是一种基本的交通状况，存在于一天中的大部分时间。层间交通是由于人们在大楼内的正常工作产生的，这种模式也称为平衡的2路交通模式。
4、空闲交通模式
空闲交通模式是指大楼的客流量非常小，一般在上班时间之前和下班时间之后以及中午休息时间比较大，在交通高峰期很小，正常工作时间的比例较小，电梯按就近原则接受任务。这种模式下主要考虑电梯的节能。
2、 用户需求设计
1、 消防电梯
消防电梯平时可当做普通电梯使用
因为当其受高消防电梯温影响，或停电停运，或着火燃烧，必将殃及搭乘电梯的人，甚至夺去他们的生命。消防电梯通常都具备有完善的消防功能：它应当是双路电源，即万一建筑物工作电梯电源中断时，消防电梯的非常电源能自动投合，可以继续运行；它应当具有紧急控制功能，即当楼上发生火灾时，它可接受指令，及时返回首层，而不再继续接纳乘客，只可供消防人员使用；它应当在轿厢顶部预留一个紧急疏散出口，万一电梯的开门机构失灵时，也可由此处疏散逃生。消防电梯的竖井应当单独设置，不得有其他的电气管道、水管、气管或通风管道通过。消防电梯应当设有前室，前室应设有防火门，使其具有防火防烟功能。消防电梯的载重量不宜小于800公斤，轿厢的平面尺寸不宜小于1米×1.5米，其作用在于能搬运较大型的消防器具和放置救生的担架等。消防电梯内的装修材料，必须是非燃建材。消防电梯动力及控制电线应采取防水措施，消防电梯的门口应设有漫坡防水措施。消防电梯轿厢内应设有专用电话，在首层还应设有专用的操纵按钮。如果在这些方面功能都能达标，那么万一建筑内发生火灾，消防电梯就可以用于消防救生。
本方案中的智能电梯还应该能提供vip优先权，所以该综合办公大楼应该采用联网并设置分配权限，列如：老总搭乘电梯具有优先权。本大楼有两台消防电梯，因此应该给vip安排以消防电梯为主。

2、电梯轿厢统一调度
电梯应设置一个电梯等候大厅，电梯轿厢内不设选层功能，统一由系统调度，所到楼层显示在厅门上方显示屏。如果要搭乘电梯轿厢的客户可以在电梯等候大厅获取的等候号码，然后凭取号吗来等候，也可以设计一款有关APP来获取搭乘电梯的号码。要取得号码应该填写想要到达的楼层，身份信息，然后有中央系统统一调度，安排具体乘坐哪一部电梯。
3、 电梯里应该增添的设备
电梯里应该增添电梯TV，可以供人们在搭乘电梯时排遣时间。
电梯空调应该采用森林式的空调系统，使电梯轿厢空气更加清新。
6、总结
本文分析了电梯群控系统的多目标性、随机性和不确定性等系统特性，对办公大楼的交通模式、各变量及系统控制目标的关系及相应的控制策略进行了研究设计。在研究和设计中，完成的工作包括：
进行了电梯交通模式的识别。通过分析不同交通流对电梯群控系统性能的影响，决定对交通模式进行简单的分类，由于客流的随机性和多样性，并且多种交通模式通常是并存的，采用常规的方法就很难准确识别，因此提出了模糊神经网络的方法，收到了很好的效果，极大的提高了系统的性能。
电梯群控系统的研究是一个跨多个知识领域、多个学科的复杂课题，由于本人知识范围及论文时间有限，所研究的内容在很多地方需要进一步深化、补充和完善。主要有以下几个方面：
（1）通过对大楼乘客数据的记录及统计，可以建立大楼中人员的分布模型。通过对客流的跟踪，应用人工智能技术分析，识别召唤产生的特征，建立召唤产生的模型。应用这两个模型，可以较准确地预测召唤的产生。群控系统利用预测结果将能更好地调配电梯，提高电梯的运送能力及服务水平。
（2）结合多种智能控制技术将电梯群控系统的派梯策略进一步优化。将智能控制中的专家系统、模糊控制、神经网络等有机的结合起来，应用到电梯控制中去。
（3）由于电梯群控系统应用于各种不同的场合，各种场所的客流模式也会相差很大，因而有必要对电梯群控系统进行全时段仿真，分析不同模式下不同的调度策略。