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廊地苏
7 years ago
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1 基于规则化描述方法的电梯控制系统建模及仿真韩江洪, 魏正佳, 魏振春合肥工业大学计算机与信息学院, 安徽合肥 (230009) 摘要 : 本文针对电梯控制系统的高度离散性和动态性, 使用规则化描述方法 (RDM,Rule Description Method) 对电梯控制系统进行建模相对传统的基于规则的系统,RDM 引入了分模块消息耦合思想, 有效的降低系统的状态维数, 提高了传统的产生式表示法的描述能力, 并扩展了其应用范围, 表明 RDM 是一种针对离散事件系统有效的建模方法关键词 : 电梯控制系统 ; 离散事件系统 ; 产生式规则 ; 规则化描述方法 Elevator Control Modeling Based on Rule Description Method HAN Jiang-hong, WEI Zheng-jia, WEI Zhen-chun School of Computer and Information, Hefei University of Technology, Hefei (230009) Abstract In this paper, we apply Rule Description Method (RDM) in elevator control system modeling which is thought to be highly discrete and dynamic. Systems division and couple with messages is introduced into to the RDM so as to effectively reduce the state dimensions of complex systems compare with the traditional rule based system. This method also expands the domain that traditional production rule can be applied to and also show that the RDM is an effective method of modeling for discrete event system. Keywords: Elevator Control System Modeling; DES; Production Rule; Rule Description Method 1. 引言电梯群控系统是典型的离散事件系统 (DES,Discrete Event Systems) 近年来, 许多人将 DES 理论应用于电梯群控系统建模中, 如利用面向对象 Petri 网对电梯系统进行分析控制 [1] [2~3] 和基于细胞自动机的电梯控制系统等这些方法在对电梯群控系统建模方面均取得不同程度的进展, 但当电梯和楼层的数量增加时, 模型的规模将不可避免地膨胀, 其计算复杂性也将随之增大, 这往往会造成系统建模和分析中的重大错误, 甚至导致状态组合爆炸问题的出现本文使用的规则化描述方法 (RDM,Rule Description Method) [4-5] 借鉴了人工智能中知识的规则式表示法 ( 也叫产生式表示法 ) 来描述 DES 系统中各对象之间的行为关系产生式表示法自然直观, 格式清晰, 便于推理, 因而在专本课题得到教育部博士点基金 ( ) 教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目 (NCET ) 的资助家系统中得到广泛的应用但对于复杂系统, 产生式表示法有规则库庞大, 求解效率低的缺点 [6] 容易产生状态组合爆炸问题本文通过引入分模块消息耦合的建模思想, 简化了产生式规则, 使算法复杂度大大降低, 同时可避免状态组合爆炸等问题 2. RDM 方法 RDM 是一套规范简洁贴近自然语言易于理解的 DES 规则化描述方法 [4] RDM 将控制逻辑和数据明确分开, 便于系统修改和扩展其语法形式与 ECA 规则相似一条 ECA 规则可表示为 : P E o C A (1) 式中 E C A 分别为规则的事件条件和动作 ;P 为描述规则行为或状态的附加性质 ECA 规则的职能是 : 当规则事件发生时, 系统实时地或在规定时刻检查规则的条件, 如满足则执行规则的动作与此相似, 产生式的一般形式为 : 条件 & & 条件动作 & & 动作 (2) - 1 -

2 条件与条件之间使用 & 连接, 表示与关系如果符合左件条件则执行箭头右边的动作 RDM 借用了传统产生式的形式, 可以看做 ECA 规则的简化规则化描述方法具有自然直观, 便于推理, 格式清晰等优点, 被成功的应用在实际系统当中, 并获得了良好的效果 [5] 3. 电梯运行行为分析电梯运行时, 如果通过向电梯控制器询问下一个目的地的方式, 那么结果与每一个控制按钮的状态都有关, 其状态空间将是非常庞大的以一个六层楼的单梯系统为例, 共有梯内 6 个按 16 钮, 梯外 10 个按钮, 状态空间高达 2, 以致很难使用有限状态的产生式规则来描述但是, 换一种思路, 如果电梯运行时向控制器询问某一层是否应该停靠, 则只与三个因素有关 : 电梯当前运行方向, 该层的乘客呼叫情况以及电梯当前位置根据这种思路, 将电梯控制器分为几个模块, 分别产生这样几种中间状态, 那么只需几条规则就可以描述电梯的运行规则图 1 就是根据这种思路分析得出的电梯状态转移图 4. 电梯控制系统建模电梯是比较复杂的离散事件动态系统, 触发事件的实体多, 相互关联紧密如果使用传统的方法建模, 其状态转移矩阵将随楼层和电梯数目的增加呈几何级数增长本文使用 RDM 对电梯控制系统进行建模, 通过巧妙的分模块, 产生有限的中间状态, 可以很好的解决这些难题建模过程分为三个步骤 : 使用 RDM 方法建立电梯行为模型, 最后用程序实现该模型并进行仿真分析初始状态 : 空闲 N 乘客呼叫? Y 确定如何运行轿箱运动到达某楼层 N 停靠? Y 停靠 : 开门, 等待, 关门图 1 电梯状态转移过程 4.1 RDM 方法建模根据 3.1 节对电梯系统的行为分析, 可以建立图 2 所示的单梯控制模型为了简化模型以便于分析, 本文忽略了关门等待和非匀速运动的细节, 仅考虑逻辑控制部分如图 2 所示, 整个控制系统以电梯总控模块为核心, 其他模块分别产生电梯运行状态当前层乘客呼叫情况以及电梯位置信息这 3 个中间状态消息电梯总控模块只要根据这 3 个中间状态就能够确定描述电梯的行为 RDM 描述的电梯行为以电梯总控模块为例, 用规则化描述方法描述其行为电梯总控模块综合电梯运行状态, 当前电梯位置以及当前层的乘客呼叫情况, 确定是否应该停靠当前层其行为可以用 RDM 描述如下 : [ 本层上按钮 : 亮 ]&[ 电梯运行状态 : 上 ] [ 电梯停靠 :Layer]&[ 本层上按钮 : 灭 ];(1) [ 本层下按钮 : 亮 ]&[ 电梯运行状态 : 下 ] [ 电梯停靠 :Layer]&[ 本层下按钮 : 灭 ];(2) [ 本层内部按钮 : 亮 ] [ 电梯停靠 :Layer] & [ 本层内部按钮 : 灭 ];(3) // 处在空闲状态时, 如果 - 2 -

3 3 电梯运行状态模块 2 呼叫情况 : 上 / 下 / 无 4 电梯运行状态 : 上 / 下 / 空闲 4 电梯总控模块 ( 核心逻辑控制 ) 1 3 当前层的乘客呼叫情况 1 广播轿箱当前位置信息 5 响应了乘客呼叫 6 通知电梯运动模块停靠该楼层 2 呼叫管理模块 1 1 电梯运动模块输出关闭按钮指示灯的信号接受用户按键输入输出控制信号接受电梯运动传感器的信号图 2 单梯控制模型本层有呼叫则停靠 ( 即关闭呼叫指示灯 -> 开门 -> 等待 -> 关门 ) [ 本层上按钮 : 亮 ]&[ 电梯运行状态 : 空闲 ] [ 电梯停靠 :Layer]&[ 本层上按钮 : 灭 ]; (4) [ 本层下按钮 : 亮 ]&[ 电梯运行状态 : 空闲 ] [ 电梯停靠 :Layer] & [ 本层下按钮 : 灭 ];(5) [ 本层内部按钮 : 亮 ] & [ 电梯运行状态 : 空闲 ] [ 电梯停靠 :Layer] & [ 本层内部按钮 : 灭 ];(6) 其中 Layer 表示电梯当前位置如果不在以上的规则式表述中的情况, 则不发出任何状态消息, 电梯运行状态保持不变仅仅 6 条规则就描述出了电梯的行为可见由于引入了中间状态消息, 使得对电梯运行规律的描述简化许多模型的运行过程描述该控制模型在以下事件发生时被触发 : (1) 外部传感器接受乘客呼叫 ; (2) 当电梯轿厢的位置发生变化 ; (3) 当电梯响应了乘客的呼叫请求其中 (1) (2) 是外部触发的事件,(3) 是内部事件仍以图 3 的六层电梯系统为例, 假设初始时电梯在一楼乘客甲在 5 楼按了下按钮, 呼叫管理模块产生事件消息 2: [ 请求呼叫 : 上 ], 发给电梯运行状态模块电梯运行状态模块根据当前 [ 电梯运行状态 : 空闲 ] 和 [ 请求呼叫 : 上 ], 产生消息 4[ 电梯运行状态 : 上 ] 消息给电梯总控模块由于 1 楼没有呼叫, 电梯总控模块匹配规则不成功, 不停靠, 继续上行一楼向二楼跳变后, 电梯运动模块产生消息 1, 呼叫管理模块产生事件消息 2: [ 请求呼叫 : 上 ], 重复上一过程, 可知电梯运行状态仍然为上, 不停靠, 继续上行当到达 5 楼时, 由于上下层都没有呼叫, 则呼叫管理模块产生事件消息 2: [ 请求呼叫 : 无 ], 电梯运行状态转为 [ 电梯运行状态 : 空闲 ], 电梯总控模块匹配规则 (5); 电梯总控模块分别向呼叫管理模块和电梯运动模块发出消息 5 和 6 电梯运动模块控制轿箱停靠本层 ; 呼叫管理模块响应乘客呼叫, 关闭呼梯按钮灯, 更新自己的呼叫队列, 重新确定呼叫请求的状态此时乘客甲进入电梯, 还没有按下目的楼层的按钮, 呼叫队列为空, 电梯运行状态转为空闲, 等待乘客新的呼叫至此, 完成了一个完整的呼梯请求与响应的过程 4.2 电梯群控系统模型电梯群控系统如图 3 所示, 由群控器单台电梯控制系统 ( 包括电梯及其相应的控 - 3 -

4 制器 ) 组成其中群控器主要用来对新产生的呼梯信号进行分派, 分派结果依据群控器调度算法的不同而不同 [3] 图 3 电梯群控系统模型 4.3 电梯群控系统实现与仿真结果参数速度... 用户呼梯按钮开关门及等待时间楼层高度最大容量表 1 参数设定值 1.5m/s 5s 3m 13 人仿真实验的参数设定如表 1 所示我们通过程序实现本文的电梯控制模型, 群控算法使用最小平均等待时间算法 [7] 乘客交通流数据由泊松分布和蒙特卡罗随机试验法产生 [8] 对于一个 20 层 5 梯的电梯系统分别在三种不同交通模式情况下进行仿真, 结果如表 2 所示其中, 平均等待时间, 平均运行时间和平均服务时间分别定义为 AWT(average waiting time),art(average Ride time),ajt(average Journey Time) [9] 表 2 实验结果电梯群控算法模块派梯命令队列派梯命令轿箱交通模式交通流量 AWT ART AJT 层间模式 10 人 / 分钟 12.3s 29.1s 41.4s 上行高峰 30 人 / 分钟 26.5s 45.3s 71.8s 下行高峰 30 人 / 分钟 27.5s 54.1s 81.6s 上述仿真结果表明, 该电梯运动模型能够正确描述电梯系统的动态行为在此基础上建立的电梯群控系统模型运行正常, 并可适应于各种不同的乘客交通流情况, 基本体现了电梯群控系统的运行特征值得注意的... 状态信息是, 在本模型中, 除了呼叫管理模块计算时间复杂度为 O(n)(n 为楼层数 ) 以外, 其他模块时间复杂度和空间复杂度都与楼层数无关由此可知, 基于 RDM 的电梯控制系统建模方法是有效的, 而且有效地抑制了状态组合爆炸等难题 5. 结语针对电梯系统的离散性与复杂性, 本文提出的基于 RDM 的电梯控制模型, 经过仿真实验验证本模型可以较好的模拟电梯的运动行为同时模型规模与楼层数量呈线性关系, 算法较简便, 易于工程实现, 效率较高 RDM 方法已经被成功应用到了多个实际项目中, 取得了良好的效果, 开发工具和相关理论也取得了一些进展 [4-5] 而电梯控制系统作为典型的离散事件系统, 对其建模的成功很大程度上扩展了 RDM 的建模能力, 表明 RDM 是一种针对离散事件系统有效的建模方法参考文献 [1] 宗群, 蔡昱, 雷小锋. 基于面向对象 Petri 网的电梯群控系统建模 [J]. 系统工程与电子技术,2001, 第 1 期. [2] 许玉格, 罗飞. 基于细胞自动机的电梯群控系统建模及其面向对象实现 [J]. 计算机工程与应用,2004, 第 11 期. [3] 余振宏, 蒋式勤, 刁杰. 基于元胞自动机的电梯群控系统建模与仿真 [J]. 上海电气技术,2002, 第 1 期. [4] Zhenchun Wei,Jianghong Han,Yang Lu. Hierarchical Modeling and Control of Discrete Event Control Systems based on Rule Description Method,Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, June 25-28, 2006, Luoyang, China (ICMA2006),p: [5] 韩江洪,, 魏振春, 张本宏. 总线式车身控制系统的规则化建模方法 [J]. 汽车工程,2006 年 12 期. [6] 李范, 李从东, 周宇辉. 基于可拓原理的泊位淤积知识库建模方法研究 [J]. 系统工程理论与实践,2005, 第 9 期. [7] 付晓刚, 基于工业组态软件监控的电梯群控系统 [J]. 试验与研究,2007, 第 2 期. [8] Jerry Banks, John S.Carson,Discrete-Event System Simulation[M],Fourth Edition,China Machine Press. [9] Thomas Strang,Christian Bauer,Context-Aware Elevator Scheduling[J].IEEE Computer Society,

5 作者简介 : 韩江洪 (1954-), 男, 安徽泾县人, 教授主要研究方向 : 计算机控制, 嵌入式系统魏正佳 (1982-), 男, 安徽合肥人, 硕士生, 主要研究方向 : 嵌入式系统魏振春 (1978-), 男, 宁夏青铜峡人, 博士, 主要研究方向 : 离散事件系统网络与分布计算 - 5 -

小论文草稿2_邓瀚

小论文草稿2_邓瀚城市轨道交通列车运行控制系统仿真分析平台的设计邓瀚 1 赵霞 1 张琼燕 2 刘循 2 (1. 上海交通大学自动化系, 系统控制与信息处理教育部重点实验室, 上海,200240;2. 上海申通地铁股份有限公司, 上海,201103) 摘要文章设计了一种