群组电梯运行仿真程序的开发及应用

孙哲伟，毕 超

(北京化工大学 机电工程学院，北京100029)

0 引 言

电梯作为高层楼宇的主要通行手段，其群控方案的优化已经是提高楼宇运行效率的研究热点之一。由于电梯群控系统的实时性[1]，提前了解乘客未乘梯信息成为有效提高电梯运行效率的重要途径。典型的研究思路是在获取未乘梯乘客目标楼层信息的基础上利用优化算法进行群组电梯控制[2]。如周海丹等[3]开发了目标层预约系统，乘客进入轿厢前，系统可以得到确定的呼梯信息。此外，付丽君等[4]提出了一种目的层预约型电梯群控系统的控制方案。电梯运行评价指标体系的建立是进行电梯群控系统优化的重要环节。高东等[5]指出电梯群控算法评价指标体系应包含乘梯人体验、电梯能量消耗和电梯输送能力3个方面。为了提高研究效率，很多研究人员开始致力于电梯仿真平台的开发。刘小朋等[6]开发了一种由交通流产生模块、信号综合处理模块、电梯群控算法模块和电梯运行模块构成的电梯群控系统仿真平台。徐雷[7]利用开发的仿真软件，分析不同客流模式下各种群控算法的优劣。Yufeng Dai等[8]结合模糊神经网络算法，提出了通过软件来仿真不同客流条件下合理电梯调度的方法。电梯仿真平台的开发还需考虑如何提前了解未乘梯乘客的乘梯信息、如何将实际工况与仿真模型相结合等问题。为此，本文开发了一种基于手机APP操控的群组电梯仿真程序，并利用程序对作者所在高校群组电梯的上行高峰和指定交通流状态下的电梯运行效率进行仿真分析。

1 群组电梯的仿真程序

本文开发的群组电梯程序采用手机软件提交运行指令，与传统的楼层按键控制模式相比，这一模式下，电梯控制系统可在乘客上梯之前就可以得到楼层目标，可以更加高效的为乘客安排电梯，减少乘客等待时间和乘坐电梯的时间，提高舒适度。除此之外，这种模式也更便于实现应用数据的采集[9]。但是，为了防止恶意用户多次提交信息，扰乱系统辨认，规定乘客在单位时间内只能提交一次信息。

1.1 数据结构

电梯仿真程序所采用的数据结构包括用户指令数据和电梯运行数据两部分。如图1所示，当用户通过手机软件将乘梯指令(指令起始楼层、指令目标楼层和乘梯人数)发送给系统后，系统首先自动为指令分配编号并记录生成时间，随后系统根据分配决策原则为该指令分配电梯并记录指令被分配电梯编号和指令分配时间。当分配的电梯到达指令的出发层后乘客登梯，直到乘客到达指令目标层时，指令执行完毕。在此过程中记录的时间参数包括指令开始执行时间(即乘客登梯时间)和指令执行完毕时间(即乘客出梯时间)。在程序中还使用指令状态变量监控指令执行进度，该变量取值为0(指令未被分配)、1(指令已分配，但执行电梯未完成指令目标层)和2(指令执行完毕)。此外，为了解决由于电梯承载限制同一指令下乘客不能一次乘梯的问题，数据结构中还加入“是否一次乘梯”的变量。相应的，程序还开发了为未能登梯的乘客重新生成指令的功能。还要注意的是，在电梯运行仿真过程中，用户发出的指令具有随机性，主要体现在指令出现的时间间隔的随机性和指令数据的随机性。

图1 指令数据结构记录时间

1.2 电梯运行状态的转换

此程序主要通过分析电梯不同运动状态下可能发生的情况来模拟实际电梯的运行。

电梯的运动状态包括电梯处于运行状态、停止状态和空闲状态3种情况。这3种情况之间可以根据特定条件相互转化，如图2所示。电梯由空闲状态变化为运行状态，需要满足以下两个条件之一。条件一为处于空闲状态的电梯被分配指令，且指令初始层不等于电梯当前层。条件二为处于空闲状态的电梯当前层为非一层，且停靠时间达到等待时间，电梯将开始前往一层。电梯由运行状态变化为停止状态的条件为电梯到达目标楼层。电梯由停止状态变化为运行状态的条件为电梯接收指令，出发去目标楼层。电梯由停止状态变化为空闲状态，需要电梯在停层时未分配指令，且无指令状态达到一定时间。电梯由空闲状态变化为停止状态的条件为电梯被分配指令，且指令起始层等于电梯当前层。

图2 电梯运行状态转换

1.3 指令的分配机制

当手机用户在提前发出指令后，指令处于未被分配的状态，此时程序需要对指令进行分配决策，将指令分配给特定电梯，并将电梯编号实时显示在用户手机上。

指令分配的选择流程如图3所示，当有未被分配的指令进入程序时，依次查询全部电梯。当程序处在查询阶段，先判断被查电梯是否满足参与分配决策的条件，如果满足的话，求出此时分配决策的指标，再查询下一部电梯；如果不满足的话，直接查询下一部电梯。直到全部电梯查询完毕后，根据决策指标对指令进行分配决策。

图3 指令分配流程

满足参与分配决策条件的判断依据因电梯运转特征及用户指令特征的不同而不同。电梯运转特征包括电梯运动状态和电梯运动方向两部分。电梯运动状态包括运行、停止和空闲3种。电梯运动方向根据用户指令特征的不同，又可分为方向为因上行指令而上行、方向为因上行指令而下行、方向为因下行指令而下行和方向为因下行指令而上行4种情况。现在分别讨论电梯处于运行、停止和空闲3种状态下的分配决策指标的计算方法。

1.3.1 电梯为运行状态

当电梯因上行指令而上行时，该电梯只能接收上行指令。因此，当户指令为上行指令时，只要满足以下两种情况之一，该电梯就具备了参与分配决策的条件。情况1为电梯指令起始层比电梯当前层至少高两层，且指令起始层不高于电梯目标层，如图4(a)所示。图中虚线部分为指令起始层范围，空心箭头方向为指令方向，实心箭头方向为电梯运行方向。此时，电梯参与分配决策的指标ΔT可表示为

(1)

式中：fstart为指令起始层，Fcurrent为电梯所在层，ΔF=|fstart-Fcurrent|-1，He为每层电梯高度，TstopN和VmaxN为多层电梯的停止时间和最大运行速度。情况2为电梯正在从比目标层低一层的楼层上行到目标层的过程中，且指令起始层与电梯目标层相同，如图4(b)所示。此时，电梯参与分配决策的指标ΔT可表示为

(2)

图4 电梯因上行指令而上行满足参与分配决策的条件

当电梯因下行指令而下行时，如果用户指令为下行指令，那么满足以下两种情况之一就具备参与分配决策的条件。情况1如图5(a)所示。情况2如图5(b)所示。此时两种情况，电梯参与分配决策的指标ΔT可表示为式(2)。

图5 电梯因下行指令而下行满足参与分配决策的条件

当电梯因下行指令而上行时，指令的方向不同，参与分配决策的条件不同。若用户指令为上行指令，如图6(a)所示。若用户指令为下行指令如图6(b)所示。此两种情况，参与分配决策的指标ΔT都可表示为式(1)。

图6 电梯因下行指令而上行时满足参与分配决策的条件

当电梯因上行指令而下行时，若用户为下行指令，如图7(a)所示。若用户指令为上行指令，如图7(b)所示。此两种情况，参与分配决策的指标ΔT都可表示为式(1)。

图7 电梯因上行指令而上行时满足参与分配决策的条件

1.3.2 电梯为停止状态

当电梯因上行指令而上行时，根据指令方向的不同和指令起始位置与电梯位置的比较，把参与分配决策的条件分为6种情况，那么满足其中任一情况就具备参与分配决策的条件。情况1为上行指令的指令起始层与电梯所处层同层，如图8(a)所示。此时，电梯参与分配决策的指标ΔT等于0。情况2为上行指令的指令起始层高于电梯所处层，如图8(b)所示。此时，参与分配决策的指标ΔT可表示为

(3)

式中：R为电梯停层时间，模拟中取值为范围3 s-7 s内的随机值，ΔF=|fstart-Fcurrent|，Tstart1和Tstop1为电梯运行一层时的启动时间和停止时间，Vmax1为电梯运行一层时的最大速度。

图8 电梯因上行指令而上行时满足参与分配决策的条件

情况3为下行指令的指令起始层高于电梯所处层，如图8(c)所示。此时，电梯参与分配决策的指标ΔT可表示为式(3)。情况4为下行指令的指令起始层与电梯所处层同层，如图8(d)所示。此时，电梯参与分配决策的指标ΔT等于0。情况5为下行指令的指令起始层低于电梯所处层，如图8(e)所示。此时，电梯参与分配决策的指标ΔT可表示为式(3)。情况6为上行指令的指令起始层低于电梯所处层，如图8(f)所示。此时，电梯参与分配决策的指标ΔT可表示为式(3)。

当电梯因下行指令而下行时，同理电梯因上行指令而上行。此时，电梯参与分配决策的指标ΔT可表示为式(3)。

当电梯因下行指令而上行时，指令的方向不同，参与分配决策的条件不同。若用户指令为上行指令，满足指令起始层不低于电梯所处层时，电梯参与分配决策，如图9(a)所示。若用户指令为下行指令，满足指令起始层不低于目标层时，电梯参与分配决策，如图9(b)所示。此两种情况，电梯参与分配决策的指标ΔT都可表示为式(3)。

图9 电梯因下行指令而上行时满足参与分配决策的条件

当电梯因上行指令而下行时，同理电梯因下行指令而上行。电梯参与分配决策的指标ΔT都可表示为式(3)。

1.3.3 电梯为空闲状态

当电梯处于空闲状态情况出现用户指令时，电梯直接参与分配决策的指标ΔT可表示为

(4)

式中：指标ΔF=|Fcurrent-fstart|。

1.4 群组电梯运行模式

在实际生活中，电梯运行包括多种模式[12]：

1.4.1 普通运行模式

当群组电梯处于普通运行模式时，电梯可接收所有指令，且每层都可停靠上下乘客。

1.4.2 单双层运行模式

当群组电梯处于单双运行模式时，群组中一部分电梯只接收单层停层信息，群组中一部分电梯只接收双层停层信息，只接收双层停层信息的电梯也会在1层停靠。本模拟程序中，如果出现指令起始层和目标层分别为单层和双层或双层和单层，指令起始层下行一层乘梯。

1.4.3 上下行运行模式

当群组电梯处于上下行运行模式时，群组中一部分电梯只接收上行指令，群组中一部分电梯只接收下行指令。

1.5 群组电梯运行参数

本文程序可以设置电梯的外部和运行相关参数，可以根据管理者的需要和实际情况对电梯参数进行设定。电梯外部参数包括楼层的层数、电梯的数量和电梯的运行模式。电梯运行参数包括电梯可承载人数(即电梯的容量)、楼层高度、电梯运行一层时的时间速度设置和电梯运行多层时(大于一层)的时间速度设置。

考虑到电梯运行时间和设备功率等，选取电梯的运行速度曲线为抛物线形速度曲线[10]。如图10所示。电梯起动、制动过程中，加速度为常数、加速度与时间呈线性关系，此运动曲线保证了电梯的平滑性和安全性以及乘客乘梯的舒适性。

图10 电梯的运行速度曲线

2 电梯的运行评价指标

2.1 平均候梯时间[11,12]

平均候梯时间AWT(average waiting time)定义为一定时间内从乘客发出指令到电梯接到乘客过程中所消耗的时间的总和与该段时间内指令总数n的比值

(5)

式中：Ts(i) 为电梯接到乘客时间，Tg(i) 为电梯指令生成时间。

2.2 平均乘梯时间

平均乘梯时间ART(average riding time)定义为一定时间内从乘客开始乘电梯到乘客到达目标层的过程中，电梯运行每层所消耗的时间之和与该段时间内指令总数n的比值

(6)

式中：Tf(i) 为乘客出电梯的时间；Fs(i) 为乘客乘梯电梯所在楼层；Ff(i) 为乘客出电梯的楼层。

2.3 电梯拥挤度

电梯拥挤度CD(congestion degree)定义为在一定时间内，所有层乘客拥挤程度的时间积分之和与花费总时间的比值。当拥挤度小于0.5时，为不拥挤状态

(7)

式中：N表示电梯一定时间内运行的总楼层数；Pp表示电梯内人数，Np表示轿厢可承载人数上限；tN表示电梯运行了N层的时间，t1表示运行了一层的时间。

2.4 电梯运行能耗

电梯运行能耗Ee(elevator energy consumption)可分为上行运行能耗和下行运行能耗[13]。其中上行电梯运行能耗Eeup定义为电梯上行过程中平均每层运送负载做功所消耗的能量；下行运行能耗Eedown则定义为电梯下行过程中平均每层运送负载做功所消耗的能量。具体计算公式如下

Ee=Eeup+Eedown

(8)

Eeup=dF·He·g·(Me+Mp·Pp-Mg)

(9)

Eedown=dF·He·g·(Mg-Me-Mp·Pp)

(10)

式(9)、式(10)中，dF为每条指令开始楼层和目标楼层相差楼层；Mg为电梯对重重量；Me为电梯轿厢重量；Mp为每个乘客重量。

3 工况分析

3.1 上行高峰工况

3.1.1 工况描述

针对某高校学生午饭后(12∶00-13∶00)回宿舍乘梯候梯人数较拥挤的情况，本文利用开发的程序模拟实际客流情况，安排电梯运行模式，以减少乘客候梯时间，提高乘客乘梯效率。这段时间内，大量乘客需要乘坐电梯从一层到各个楼层，上行人数明显增加[14,15]。与此同时，该时间段也存在从非1层到非1层的交通流。经过实地考察，该宿舍楼共4部电梯，每部电梯轿厢重量为800 Kg，每位乘客假设平均重70 Kg，电梯运行范围均为1层-18层，层高He为2.5 m，额定载人数均为12人，且电梯对重重量为电梯满载时的一半，即1220 Kg。当前电梯采用的是上行下行皆层层可停靠的普通运行模式。该时间段内，对该楼4部电梯以5 min为周期进行客流统计[16,17]，平均运送乘客125人次，且指令出现的平均时间间隔为2.40 s，具体数据详见表1。经统计得到，电梯一层上行率为90%，到一层的下行率为5%，其它为从非1层到非1层的交通流。

表1 12∶00-13∶00时间段内以5 min

笔者对该电梯的运行速度参数进行了调研。在表2所示的电梯运行时间数据基础上，利用本文1.5节可得到电梯运行速度参数，见表3。

表2 电梯运行时间

表3 电梯运行速度参数

3.1.2 结果分析

该楼4部电梯在当前运行模式下电梯运行指标如表4第1行所示，其中乘客平均乘梯时间为5.56 s，平均候梯时间为62.19 s，电梯拥挤程度处于拥挤状态，电梯运行每层能耗平均为5.13 kJ。为了提高运行效率，降低运行能耗，本节将当前运行模式与单双层运行模式和上下行运行模式进行了对比。

表4 上行高峰时不同模式下评价指标大小

单双层运行模式与当前运行模式相比，对比图11和图12(1、2号电梯只接单层停的指令，3、4号电梯只接双层停的指令)中的电梯曲线。单层运行电梯和双层运行电梯区分了不同指令，乘客分流，此时电梯运行每一周期停层次数减少，且到一层接载乘客次数增多，较高效地缩短乘客的乘梯时间和候梯时间。由表4中的评价指标可以进一步看出，单双层运行模式比当前模式的乘客平均乘梯时间减少了14.21%，平均候梯时间减少了16.32 s，且电梯运行每层平均能耗减少了25.34%。该楼4部电梯在单双层运行模式下拥挤程度相差不大，保持不拥挤状态。

图11 上行高峰期时4台电梯在普通运行模式下的运行曲线

图12 上行高峰时4台电梯在单双层模式下的运行曲线

图13 上行高峰时4台电梯在上下行运行模式下的运行曲线

图13给出了上下行运行模式的运行曲线(1、2号电梯只接上行指令，3、4号电梯只接下行指令)。由于上下行模式比当前运行模式运行距离减少，且停层次数减少，所以平均乘梯时间和候梯时间整体为减小的趋势。但相同时间内较普通模式电梯一层接载乘客次数也相对减少，所以上行过程中乘客平均乘梯时间减少的不明显，又因为下行人数较少，下行电梯接载乘客较快，造成大大减小了整体乘客的平均候梯时间。从表4数据来看，与当前运行模式相比，该模式下平均乘梯时间和平均候梯时间分别减少了3.78%和22.26 s，电梯拥挤程度依然保持不拥挤，该模式下电梯运行平均能耗减少了3.02 kJ。

总之，单双层和上下行运行模式均降低了乘客的拥挤程度。从提高电梯运行效率、提高乘客乘梯舒适度和减少电梯能量消耗三方面综合考虑，上行高峰期选择单双层运行模式最优。

3.2 指定交通流工况

3.2.1 工况描述

针对此高校宿舍楼宿管房间设置在14层，当宿舍楼层停水时，全天某时间段各层学生到14楼领取饮用水的情况。这段时间内，14层上下行乘客明显增加。与此同时，该时间段也存在从非14层到非14层的交通流。当前电梯采用的是上行下行皆层层可停靠的普通运行模式。对该楼4部电梯以5 min为周期进行客流统计，平均运送乘客109次，且指令出现的平均时间间隔为2.75 s，具体数据详见表5。经统计得到，电梯14层的到层率为50%，14层出发率为45%，其它为从非14层到非14层的交通流。

表5 宿舍14层以5 min为周期统计的客流数据

3.2.2 结果分析

该楼4部电梯在当前运行模式下电梯运行指标如表6第2行所示，其中乘客平均乘梯时间为5.85 s，平均候梯时间为62.17 s，电梯拥挤程度为0.53，为拥挤状态，由2.4节可知，电梯运行过程机械能转化为电能，电梯处于发电状态，平均每层发电量1.30 kJ。为了提高当前模式的运行效率，增加电梯发电量，本节将当前运行模式与单双层和上下行运行模式进行了对比。

表6 指定交通流下不同模式不同评价指标的具体数据

单双层运行模式与当前模式相比，在一周期内，对比图14和图15中对应曲线可以看出单双层运行时电梯停层次数明显减少，14层接载乘客次数相对增加，高效缩短了乘客的乘梯和候梯时间。由表6中的评价指标可以进一步看出，单双层模式比当前模式的平均乘梯时间减少了27.86%，且乘客平均候梯时间减少了39.23%。但是，电梯发电量减少，减少了1.18 kJ。在单双层运行模式下，该4部电梯拥挤程度降低了近一半。

图14 指定交通流情况下4台电梯在普通运行模式下的运行曲线

图15 指定交通流情况下4台电梯在单双层模式下的运行曲线

图16 指定交通流情况下4台电梯在上下行模式下的运行曲线

图16给出了上下行运行模式的运行曲线。上下行运行模式与当前运行模式相比，接载乘客次数增多，但相同时间内运行距离增加，乘客可以更快乘梯但平均乘梯时间和候梯时间减少较不明显，分别减少了1.50 s和13.40 s。与此同时，电梯运行发电量仅是当前模式的一半。

总之，单双层和上下行运行模式均降低了乘客的拥挤程度。综合考虑电梯的运行效率、乘客舒适度和电梯能耗，指定交通流时期选择单双层运行模式的最优。

4 结束语

本文开发了一种基于手机APP操控方式的群组电梯仿真程序。程序利用乘客从智能手机发出的乘梯指令提前了解乘客乘梯信息，为了防止恶意用户多次提交信息，扰乱程序对信息的分配，规定乘客在5 min内只能提交一次乘梯信息。程序在收集实际乘梯指令基础上，计算一定时间内生成指令数量、指令生成时间间隔和上下行的概率等数据，并应用于程序中乘客指令生成模块。该程序还集成了普通、单双层和上下行等运行模式，包含了由平均乘梯时间、平均候梯时间、电梯拥挤程度和电梯运行能耗组成的评价指标体系。用程序模拟作者所在高校宿舍楼群组电梯的午间上行高峰和指定交通流情况，得到在上行高峰和指定交通流情况下，选择单双运行模式最优。该程序实现了提前了解未乘梯的信息，并解决了将实际工况与仿真模型相结合的问题。

此程序下一步可以分析总结更多的客流情况，并结合算法对不同客流下运行模式的选择理论计算分析，得到最优结果。此程序的开发在未建好大楼提前分配电梯和设置电梯运行模式方面，具有一定的现实意义。