【正文】 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 1 頁(yè) 共 43 頁(yè) 1 緒論 課題研究背景 電梯作為高層智能大廈的主要垂直交通工具，電梯系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量和服務(wù)效率的提高對(duì)建筑物的有效利用和性能發(fā)揮將產(chǎn)生極為重要的影響。為提高服務(wù)質(zhì)量和服務(wù)效率，電梯的控制技術(shù)由單臺(tái)電梯的獨(dú)立控制發(fā)展到多臺(tái)電梯的協(xié)調(diào)控制，進(jìn)行合理的調(diào)度和管理，即電梯群控。所謂電梯群控系統(tǒng) EGCS(Elevator Group Control System)是指：綜合考慮大樓的交通模式、各時(shí)刻的交通流量、各樓層的乘客轎外呼梯信號(hào)等各種因素，對(duì)一棟樓宇里布置在一起的多臺(tái)電梯進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，每個(gè)樓層的召喚信 號(hào)集中由群控主機(jī)來(lái)控制，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)和建筑物中的實(shí)際交通狀況，產(chǎn)生最優(yōu)派梯決策的控制系統(tǒng) [1]。 電梯群控系統(tǒng)能夠有效地改善客流調(diào)度及運(yùn)輸效果，一直受到人們的高度重視。而我國(guó)在電梯群控方面的起步比較晚，現(xiàn)階段對(duì)于電梯群控的關(guān)鍵技術(shù)尚未能完全掌握，擁有自主版權(quán)的群控方法和技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用還比較少，且與國(guó)外相比還有較大的差距。因此，很有必要在電梯群控方面展開(kāi)研究。 電梯群控系統(tǒng)的概述 電梯群控系統(tǒng)的起源 歷史上第一臺(tái)真正的電梯出現(xiàn)在 1889 年 12 月，由美國(guó) Otis 電梯公司研制 ，它是由電力驅(qū)動(dòng)，齒輪直接傳動(dòng)的。此時(shí)的電梯必須由司機(jī)操作運(yùn)行，既浪費(fèi)人力又浪費(fèi)資源且得不到較好的經(jīng)濟(jì)效益。為了改善這一問(wèn)題，人們逐漸發(fā)展出了以下幾種電梯控制方法 [2]： 簡(jiǎn)易自動(dòng)控制方式 這種方式是一種最簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制方式。每層的呼叫按鈕只有一個(gè)，上行與下 行通用。轎廂由層站呼叫按鈕和轎廂內(nèi)的選層按鈕來(lái)啟動(dòng)運(yùn)行，最后?？吭陔娞輧?nèi)選層或電梯外呼梯的那一層。在執(zhí)行某個(gè)呼梯指令時(shí)轎廂不再應(yīng)答其它呼梯信號(hào)。 集選控制方式 這是一種比簡(jiǎn)易自動(dòng)控制更高級(jí)的控制方式，在此方式中，中間層站設(shè)有上、下兩 個(gè)方向的呼梯按鈕以供選擇，電梯能夠同時(shí)記住轎內(nèi)選層和層站呼梯信號(hào)。轎廂應(yīng)答啟動(dòng)運(yùn)行，在順向運(yùn)動(dòng)中，依次應(yīng)答順向的呼梯，在呼梯層站?？?。如果運(yùn)清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 2 頁(yè) 共 43 頁(yè) 行前方不再有呼梯，轎廂就自動(dòng)反向運(yùn)行，依次回答反向呼梯，最后回到基站。 電梯群控方式 電梯群控方式就是將多臺(tái)電梯組成一組，采用分布式控制系統(tǒng)，根據(jù)大樓交通的情況，對(duì)各臺(tái)電梯進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，采用最優(yōu)的輸送方式。這種控制方式能夠提高建筑物內(nèi)多部電梯同時(shí)服務(wù)時(shí)的運(yùn)行效率、縮短電梯的響應(yīng)時(shí)間，并通過(guò)合理派梯策略來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的。 隨著計(jì)算機(jī)、通訊技術(shù)的廣泛應(yīng)用，智能大廈得到 了迅猛的發(fā)展，而作為垂直交通工具的電梯不僅僅是人們代步的工具，同時(shí)也是人類物質(zhì)文明的標(biāo)志， 電梯技術(shù)的發(fā)展水平體現(xiàn)了社會(huì)科學(xué)進(jìn)步的程度，因此有效地改善電梯的客流調(diào)度及運(yùn)輸效果一直是國(guó)際電梯業(yè)所重視的課題之一。 電梯群組的合理控制不但要對(duì)電梯當(dāng)前運(yùn)行狀況做出分析評(píng)價(jià)，還要對(duì)電梯將來(lái)運(yùn)行需求做出推理預(yù)測(cè)，更要對(duì)電梯如何調(diào)度、如何控制做出決策。但由于電梯每日每時(shí)的使用狀態(tài)都是變化的，其使用流量無(wú)法用確切的數(shù)學(xué)模型描述，傳統(tǒng)電梯群控方法沒(méi)有考慮多部電梯轎內(nèi)和全部廳層召喚之問(wèn)的相互作用關(guān)系，不能得到最優(yōu)解，不能滿足電 梯群組高性能的控制要求，為了更好地適應(yīng)電梯使用的發(fā)展需求，需要對(duì)電梯性能做出科學(xué)、合理的評(píng)價(jià)，需要研究電梯新的控制方式。本文針對(duì)電梯群控系統(tǒng)中控制策略的優(yōu)化方法、評(píng)價(jià)指標(biāo)等進(jìn)行研究，將智能優(yōu)化算法應(yīng)用到電梯群控系統(tǒng)中，從而達(dá)到有效地協(xié)調(diào)多臺(tái)電梯的運(yùn)行，提高電梯群組的運(yùn)輸效率和服務(wù)質(zhì)量。 電梯群控系統(tǒng)的發(fā)展 電梯群控系統(tǒng)自二十世紀(jì)四十年代起，從最初使用繼電器，到集成電路的應(yīng)用，乃至今日人工智能的應(yīng)用，電梯群控系統(tǒng)大致經(jīng)歷了三個(gè)階段 [3]： 第一階段：繼電接觸控制方式 [4] 19411971 年，電梯群控系統(tǒng)利用繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的順序運(yùn)行 ,稱之為自動(dòng)方式選擇控制系統(tǒng)。這種方式的控制系統(tǒng)能根據(jù)不同的交通模式選擇與之相對(duì)應(yīng)的運(yùn)行方式。交通模式由上行高峰模式、下行高峰模式及非高峰期模式等組成，采用時(shí)間間隔的控制方式。該群控系統(tǒng)的廳層召喚系統(tǒng)比較單一，在每個(gè)廳層內(nèi)分別設(shè)置一上行按鈕和下行按鈕。為了有效地控制每部電梯，給乘客提供合理的服務(wù)，控制系統(tǒng)把建筑物內(nèi)的電梯分開(kāi)，并要求在指定的?？繉又辽僖？恳徊侩娞?。該控清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 3 頁(yè) 共 43 頁(yè) 制方式能實(shí)現(xiàn)電梯的無(wú)司機(jī)控制，從而節(jié)省了人力才力，但整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行效率不高，并且維護(hù)起來(lái)也相對(duì)比 較復(fù)雜。 電梯群控制的最簡(jiǎn)單形式是方向預(yù)選控制，每部電梯都靠方向預(yù)選控制的方式來(lái)操作，工作時(shí)，主要是靠在上行高峰、下行高峰及平衡層間交通選擇運(yùn)行命令來(lái)運(yùn)行的，兩部或三部電梯組成的梯群比較適合用這種控制方式。繼后，又出現(xiàn)了將幾部電梯組成的簡(jiǎn)單梯群進(jìn)行分區(qū)控制的控制方法，使它們分別服務(wù)于交替的樓層。分區(qū)控制法雖然縮短了單部電梯的運(yùn)行周期，與方向預(yù)選控制相比運(yùn)行效率也得到了一定的提高。但由于這種控制方式里的動(dòng)態(tài)分區(qū)算法比較復(fù)雜，因此主要以靜態(tài)分區(qū)法為主。 第二階段：集選控制方式 19711975 年，集成電路 應(yīng)用到了電梯群控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)當(dāng)中，這樣不但簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的可靠性也提高了，也能處理比較復(fù)雜的邏輯運(yùn)算。與簡(jiǎn)易自動(dòng)方式相比，這種控制方式比較高級(jí)，在中間層站內(nèi)設(shè)有可供選擇的上、下兩個(gè)方向的呼梯按鈕，并能同時(shí)記憶多個(gè)轎廂內(nèi)的呼梯信號(hào)。所派轎廂在順向運(yùn)行過(guò)程中，依次響應(yīng)順向的呼梯信號(hào)，并在相應(yīng)的呼梯層站停靠。若順向運(yùn)行的前方不再有呼梯信號(hào)，轎廂就自動(dòng)反向運(yùn)行，并按順序依次響應(yīng)反向的呼梯信號(hào)，直至返回基站。該系統(tǒng)的不足之處在于對(duì)預(yù)測(cè)復(fù)雜的候梯時(shí)間所必需的計(jì)算數(shù)值還不夠完善。 第三階段：計(jì)算機(jī)人工智能控制方式 1975 年至今，計(jì)算機(jī)開(kāi)始應(yīng)用到電梯群控系統(tǒng)，稱之為現(xiàn)代電梯群控階段。電梯群控系統(tǒng)中采用計(jì)算機(jī)人工智能技術(shù)控制之后，電梯群控系統(tǒng)的特性開(kāi)始用人工智能技術(shù)來(lái)描述，使電梯群控系統(tǒng)的整體服務(wù)性能得到了一定的提高，電梯交通整體配置也就基本完成了 。此時(shí)的控制算法參數(shù)在計(jì)算機(jī)控制下能直接在線修改，并能將新程序?qū)崟r(shí)輸入到計(jì)算機(jī)當(dāng)中，不需要重新布線，就能實(shí)時(shí)控制算法參數(shù)的完全改變。在安裝好的系統(tǒng)上采用有效的仿真程序就能實(shí)現(xiàn)離線計(jì)算，并能合理選擇控制算法參數(shù)。另外，一種新的控制算法也可以被仿真技術(shù)離線評(píng)價(jià)了，從而提高了改 變控制算法的方便性。數(shù)據(jù)記錄功能是計(jì)算機(jī)控制的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，交通狀況和目的地?cái)?shù)據(jù)能被計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄下來(lái)，并實(shí)時(shí)分析，以提高電梯群控系統(tǒng)的整體使用性能，還可以把被檢測(cè)部位的故障數(shù)據(jù)記錄并保存下來(lái)。除此之外，計(jì)算機(jī)控制方式還能遠(yuǎn)距離查詢這些故障數(shù)據(jù)，從而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)任何故障的發(fā)生，并依據(jù)這些數(shù)據(jù)隨時(shí)改進(jìn)電梯群的控制算法參數(shù)，實(shí)時(shí)滿足乘客需求。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 4 頁(yè) 共 43 頁(yè) 1975 年至 1982 年是現(xiàn)代電梯群控系統(tǒng)的第一代，這一時(shí)期的電梯群控系統(tǒng)，雖然在預(yù)報(bào)到達(dá)樓層的準(zhǔn)確度上有了一定的提高，但乘客的長(zhǎng)候梯時(shí)間發(fā)生率比較高，在控制方式上采用候 梯時(shí)間預(yù)測(cè)控制的控制方式。 1982 年至 1988 年是現(xiàn)代電梯群控系統(tǒng)的第二代，與第一代群控系統(tǒng)相比，電梯群控的性能及效率都取得了比較大的發(fā)展。一是把交通需求的學(xué)習(xí)功能加入到了電梯群控系統(tǒng)中，這樣不但使電梯群運(yùn)行狀態(tài)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度提高了，而且乘客的長(zhǎng)候梯率的發(fā)生也減少了。準(zhǔn)確預(yù)報(bào)度的提高，使電梯響應(yīng)呼梯信號(hào)派梯后，能實(shí)時(shí)顯示所派電梯這一功能。二是把綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)應(yīng)用到了派梯方案中，當(dāng)有呼梯信號(hào)發(fā)生后，根據(jù)群控系統(tǒng)中的交通情況和梯群狀態(tài)，綜合評(píng)價(jià)每個(gè)轎廂的多個(gè)性能指標(biāo)，擇優(yōu)選出最合適的轎廂去響應(yīng)呼梯信號(hào)。從而 大大減少了乘客平均候梯時(shí)間、平均乘梯時(shí)間及整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行能耗等。 隨著社會(huì)的發(fā)展和人們對(duì)電梯越來(lái)越高的需求， 1988 年至今，電梯群控系統(tǒng)中開(kāi)始采用人工智能技術(shù)，稱之為現(xiàn)代電梯群控系統(tǒng)的第三代。二十世紀(jì)新興的人工智能技術(shù)，與傳統(tǒng)的控制方法相比，它對(duì)解決復(fù)雜控制系統(tǒng)的問(wèn)題有著無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn) [5]，并在各個(gè)領(lǐng)域都取得了顯著的成就。同時(shí)，電梯群控系統(tǒng)的智能化程度在這一代中也得到了進(jìn)一步提高，控制系統(tǒng)也更趨于完善，但還有待進(jìn)一步的發(fā)展 。 本文的研究目的及意義 電梯群控系統(tǒng)采用優(yōu)化的控制策略來(lái)協(xié)調(diào)多臺(tái)電梯 的運(yùn)行，以提高電梯的運(yùn)輸效率和服務(wù)質(zhì)量。由于電梯群控系統(tǒng)本身具有多目標(biāo)性、不確定性、非線性、擾動(dòng)性和信息的不完備性等特點(diǎn)，導(dǎo)致電梯控制系統(tǒng)變得十分龐大，調(diào)度算法日趨復(fù)雜，僅僅通過(guò)傳統(tǒng)的控制方法很難提高電梯群控系統(tǒng)的性能。 近年來(lái)，大量先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用于電梯群控系統(tǒng)，使電梯群控系統(tǒng)的控制特性得到很大的改善，但仍有不少問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。國(guó)內(nèi)使用的先進(jìn)的電梯群控系統(tǒng)大都是從國(guó)外引進(jìn)的，具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品尚不多見(jiàn)，而且大多數(shù)集中在群控理論和算法的研究上，實(shí)際應(yīng)用中的還比較少，與國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)相比還有很大的差 距 [6]。從控制技術(shù)研究的角度看，國(guó)外已有的先進(jìn)控制技術(shù)，很多都掌握在各個(gè)大的電梯公司手中，其核心技術(shù)是不公開(kāi)的，而國(guó)內(nèi)在這些方面的研究還有相當(dāng)大的差距。同時(shí)，現(xiàn)有的電梯控制技術(shù)仍存在缺點(diǎn)和不足，如何把更先進(jìn)的技術(shù)清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 5 頁(yè) 共 43 頁(yè) 應(yīng)用于電梯群控之中，以進(jìn)一步提高現(xiàn)有電梯系統(tǒng)的運(yùn)行效率，滿足乘客的需求，仍需要進(jìn)一步探索和研究。因此深入研究電梯群控技術(shù)，對(duì)提高國(guó)內(nèi)的整體電梯控制技術(shù)水平具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 2 電梯群控系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論 電梯群控系統(tǒng)的功能 電梯群控系統(tǒng)是在大樓中存在多臺(tái)電梯時(shí)對(duì)電梯群進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度的 控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以采集電梯的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，并對(duì)電梯群進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，保證其合理的運(yùn)行，以達(dá)到提高電梯系統(tǒng)的整體服務(wù)質(zhì)量、減少能量損耗的目的。 電梯群控系統(tǒng)的主要功能如下： l、 數(shù)據(jù)采集功能 電梯群控系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)電梯系統(tǒng)中每一臺(tái)電梯的運(yùn)行狀態(tài)，如每臺(tái)電梯的當(dāng)前位置、運(yùn)行方向、載重、速度、轎內(nèi)呼叫信號(hào)等，并將這些信息傳到相應(yīng)的上層控制軟件，由上層軟件對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理。 數(shù)據(jù)通信功能 電梯群控系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯群的合理分配和優(yōu)化調(diào)度，就要在上層控制軟件和底層電梯的控制器之間建立通道，進(jìn)行信息數(shù)據(jù)和控 制命令的傳輸，實(shí)現(xiàn)雙向通信。 控制功能 電梯群控系統(tǒng)中，各電梯對(duì)轎外呼叫信號(hào)的響應(yīng)是由系統(tǒng)統(tǒng)一分配的。轎外呼叫信號(hào)不是直接分配給乘客所呼叫的電梯，而是先傳送到電梯群控控制模塊。經(jīng)電梯群控控制模塊根據(jù)電梯的狀態(tài)和當(dāng)前位置，采用一定的派梯策略，算出由哪臺(tái)電梯響應(yīng)此呼梯信號(hào)，再將此信號(hào)分配給電梯控制模塊。因此，電梯群控系統(tǒng)有控制功能，可對(duì)電梯控制器進(jìn)行控制，決定響應(yīng)該信號(hào)的電梯。 預(yù)估計(jì)算功能 預(yù)估計(jì)算功能是電梯群控系統(tǒng)的核心部分。電梯群控系統(tǒng)要對(duì)大樓內(nèi)的電梯交通系統(tǒng)的交通狀態(tài)進(jìn)行分析，如：客流量、客 流分布、電梯狀態(tài)、電梯分布等，通過(guò)分析可以對(duì)乘客呼梯信號(hào)、電梯下一時(shí)刻的響應(yīng)情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后根據(jù)一定的派梯策略進(jìn)行調(diào)度，使電梯得到最優(yōu)控制。 監(jiān)測(cè)顯示功能 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 6 頁(yè) 共 43 頁(yè) 電梯群控系統(tǒng)可以對(duì)每臺(tái)梯的當(dāng)前位置、運(yùn)行方向、載重、速度、梯內(nèi)呼叫信號(hào)、響應(yīng)情況等信號(hào)以及每個(gè)乘客轎外呼叫信號(hào)的派梯結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且在界面上顯示。 自學(xué)習(xí)功能 電梯群控的問(wèn)題僅僅依靠數(shù)學(xué)模型的描述來(lái)實(shí)現(xiàn)是不夠的，還需要采用學(xué)習(xí)、使用和獲取經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的方法，即系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)。 雖然電梯群控系統(tǒng)存在大量的不確定性，但在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍然有較大的 規(guī)律性。任何一座大樓都有一定的工作周期，在不同周期的同一時(shí)間會(huì)存在相似的系統(tǒng)狀態(tài)和系統(tǒng)輸入，所以通過(guò)統(tǒng)計(jì)各時(shí)間段的電梯運(yùn)行的各參數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)群控系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)圈。例如統(tǒng)計(jì)一天內(nèi)各時(shí)間段內(nèi)的客流量，可以通過(guò)分析各樓層何時(shí)處于高峰請(qǐng)求期，將電梯優(yōu)先調(diào)度到該樓層，以減少侯梯時(shí)間、縮短長(zhǎng)候梯率。一般來(lái)說(shuō)，電梯運(yùn)行的交通模式可以分為上行高峰交通模式、下行高峰交通模式、隨機(jī)層間交通模式和空閑交通模式。電梯群控系統(tǒng)的調(diào)度可以根據(jù)不同交通模式進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，例如在上行高峰模式下，基站發(fā)出的呼梯信號(hào)多，應(yīng)使電梯盡快地到達(dá)基層 ；而在空閑交通模式下，則可以適當(dāng)?shù)臏p少運(yùn)行電梯的臺(tái)數(shù)，節(jié)省能量。 電梯群控系統(tǒng)的特點(diǎn) 電梯群控系統(tǒng)實(shí)際上是對(duì)多臺(tái)電梯的調(diào)度問(wèn)題，其復(fù)雜性是由電梯群控系統(tǒng)的特性所決定的，具體表現(xiàn)在電梯群控系統(tǒng)所固有的多目標(biāo)性、不確定性、非線性和信息的不完備性 [7]等幾個(gè)方面。 多目標(biāo)性 電梯群控系統(tǒng)是用來(lái)管理多臺(tái)電梯并對(duì)建筑物內(nèi)所有乘客提供服務(wù)的系統(tǒng)，它所包含的事件在時(shí)間和空間上都是離散的，其控制目標(biāo)體現(xiàn)在服務(wù)質(zhì)量、服務(wù)數(shù)量和節(jié)能三方面。因此，群控的控制目標(biāo)為多目標(biāo)，主要表現(xiàn)在以下凡方面： (1)平均候梯時(shí)間 短 候梯時(shí)間指當(dāng)乘客按下層站呼叫按鈕，直到所派電梯到達(dá)此層乘客進(jìn)入轎廂所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。平均候梯時(shí)間是指所有候梯時(shí)間的平均值。平均候梯時(shí)間是評(píng)價(jià)電梯群控系統(tǒng)重要的性能指標(biāo)。 (2)長(zhǎng)候梯率低 長(zhǎng)候梯時(shí)間指候梯時(shí)間超過(guò) 1 分鐘的候梯時(shí)間。長(zhǎng)候梯率是指長(zhǎng)候梯時(shí)間發(fā)生清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 7 頁(yè) 共 43 頁(yè) 的百分率。統(tǒng)計(jì)表明，乘客的心理煩躁程度是與候梯時(shí)間的平方成正比的，當(dāng)候梯時(shí)間超過(guò) 60 秒即所謂長(zhǎng)候梯時(shí)，其心理煩躁程度急劇上升，所以