"%7 %! 计算机工程与科学 "-'.+,$)++,) ; /+/+ 第 7 卷第 期 年 月 1-07%-:+/ 文章编号! 一种基于信息融合的新颖电梯调度算法 陈玉仙 罗三定 长沙航空职业技术学院 湖南长沙 中南大学信息科学与工程学院 湖南长沙 摘 要 针对传统电梯调度过程中调度策略较为复杂 难以准确适应乘梯客流变化的缺点 提出了一种基于信息融合的电梯调度算法 该算法通过对乘梯客流变化形势的分析 对电梯的运动方向实行整体决策和分步调度 算法有效地兼顾了客流乘梯需求和电梯资源供给的相关条件 对传统电梯调度策略进行了改进 实例分析表明 该算法的相关性能指标要优于传统的调度算法 对电梯服务质量进行了有效的改进 关键词 电梯调度 信息融合 分步调度 服务质量中图分类号 文献标志码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引言 电梯调度问题是一类典型的 % 完全问题 由于电梯运行环境的复杂性和各部电梯相互之间运行规则的耦合性 使得获取最优的调度方案变得 非常困难 一般而言 电梯调度算法所遵循的方案中包括了 先到先服务 和 不达最终目的层不换向 等主要原则 这些原则的制定在一定意义上 简化了电梯调度的算法 然而 随着高层建筑数量的增加 人们的出行对电梯的依赖性也逐渐增大 常规的电梯调度算法开始变得不适应突增的客流需求 同时 随着楼宇自动化技术的不断完善 各种信号检测技术为发展电梯调度算法提供了技术保障 在这个意义上 新的电梯调度规则更注重于从全局意义上去协调电梯运行决策 尽可能充分利 7 用电梯运载能力来满足乘客出行的整体要求 一般而言 由于缺乏良好的信息融合技术 传 收稿日期 7 修回日期 基金项目 教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目 中央高校基本科研业务费资助项目 8%9 通讯地址 湖南省长沙市长沙航空职业技术学院航空电子电气工程系 :+,.+.-+,-'./0$0+/.,-/($0+/.,/0$)++,)"*)*+,-'./01-/.-0(+/*/0"-0+)+ "*)*#'5"*
陈玉仙等 一种基于信息融合的新颖电梯调度算法统的电梯调度中存在如下问题 调度系统未能敏捷地反映客流信息的变化 电梯可能出现满载情况 在这种情况下当电梯经过某一外呼楼层时 若不存在对应于该楼层的内呼信号 电梯不应停留 但是 在传统的控制系统中 电梯常常开门候客 从而降低了乘梯效率 多部电梯之间未能准确配合 当某一楼层存在外呼信号时 可能出现多部电梯同时响应的情况 这时先到的电梯已将乘客运输完毕 由于外呼信号有时并没能及时解除 可能另一部电梯也会在此楼层停留 出现了不必要的启停情况 电梯运行未能顾及客流整体趋势的变化 由于乘客达到电梯服务区时间的随机性 可能导致在一个时刻进入轿厢的人数较小 而当电梯启动时 客流量又出现猛增 这时电梯如果仍按原计划运行将导致平均候梯时间的急剧上升 电梯服务效率下降 我们注意到 上述诸种情况出现的原因大多是因为调度算法无法敏捷地反映客流情况的变化 随着乘梯信息采集技术的进一步发展 为电梯决策系统提供了较为准确的客流形势判断 同时 硬件技术的进步为本文所提出的算法提供了良好的技 术保障 & 电梯系统建模 为了详细阐述文中所提出的算法 本节对单部电梯的控制规则进行举例说明 由此可以推广到多部电梯 本文将平均候梯时间 和平均乘梯时间 两个性能指标作为主要优化的指标 将它们的加权平均函数作为代价函数 建立数学模型 并根据实时数据来计算代价函数的变化量 进而根据计算结果 判断电梯的运行情况 从以下的分析可以看出 本文所提出的调度算法有效地顾及了客流信息的全局变化 例如 对第 节所提出的第三种问题 可以通过适度地延长电梯停留时间 改变电梯的调度策略就能够改进服务质量 为了尽量减小派梯的滞后性对综合性能指标的影响 本算法采用时变的采样周期 即本采样周期与电梯所处的位置相关 当电梯位于两楼层的中间 即中间层 时系统要判断电梯运行到下一整数层是否停 如果停 则电梯要在适当位置开始减速 否则 电梯继续匀速运行 当电梯到达整数层停下来时 系统会根据此刻的所有信息判断电梯的运动方向 由此思想建立的电梯停止代价函数计算式 如式 所示 设电梯当前所处楼层为 层 大楼总共高 层 各变量说明如下 电梯停时的代价函数 表示电梯静止 权系数 乘客候梯时间的权系数 乘客乘梯时间的权系数 电梯运行时第 个采样周期 从 层到 层的呼梯请求人数 轿厢中到 层的乘客数 一部电梯静止时的代价函数综合考虑了候梯时间和乘梯时间两个性能指标 根据实际物理意义知 当 时 说明此时既没有轿厢外的呼梯请求 轿厢中也没有乘客 据此 电梯上行及下行时的代价函数如式 式 所示 ' ' (-3 (-3 其中 为电梯上行时的代价函数 表示电梯向上运行 为电梯下行时的代价函数 表示电梯向下运行 ' 为电梯停靠在 层时 层向上的乘客进入轿厢所需时间 其计算公式如式 所示 ' 其中 为每个乘客进 出轿厢所需时间 (-3 为电梯停靠在 层时 层向下的乘客进入轿厢所需的时间 其计算公式如式 7 所示
"-'.+,$)++,) ; /+/+ 计算机工程与科学 7 (-3 7 为电梯从 层上行到 层停或从 层下行至 层停所需的时间 为轿厢的开关门时间总和 即开门时间为 关门时间为 表示乘客未到达目的层 而电梯返向时轿厢中乘客的心理影响因子 当有乘客在轿厢中已被返向一次后 如果即将发生第二次被返向时 即 每个乘客在一次乘梯过程中最多只发生一次返向现象 单部电梯调度算法的程序流程图如图 所示 当电梯位于中间层时 根据采样得到的相关信息 进行下一个整数层电梯是否停靠的判断 当电梯停于整数层时 再一次进行采样 对电梯的运动状态 上行 下行或停止 做出判断 当所有请求均响应完毕后 电梯停靠在对应楼层 等待后续的呼梯请求 )',+0-3/*,.-(+/-,-), -,+0+.-,((0+0--, 图 电梯位于中间层时的判断过程程序流程图据判断电梯下一时刻的运行状态 其判断过程的程序流程图如图 所示 在图 中 电梯在整数层停靠后 如果采样到此时所有响应均已响应完毕 则电梯停止在当前层 如果采样到仍有请求未完成响应 则需计算上 下行代价函数 如果上行代价函数小于下行代价函数 则电梯向上运行 否则 电梯向下运行 )',+0-3/*,.-/*+('0)0)-,.*-,-++0+.-, 图 单部电梯调度算法流程图电梯位于中间层时的判断过程对应的程序流程图如图 所示 在图 中 当电梯位于中间层时 首先判断轿厢中是否有乘客到达下一整数层 如果有 则电梯在下一整数层停靠 在适当位置电梯将开始减速 直至到下一整数层时速度减为 如果没有 那么电梯将检测轿厢是否满载 如果满载 则不停 如果未满载 则将此时的所有信息代入电梯上 下行的代价函数表达式中进行计算 如果计算结果中 代价函数变化量较小的值对应的运行方向与电梯当前运行方向一致 则电梯在下一整数层不停靠 否则 电梯将停靠在下一整数层 这样 电梯位于中间层的判断过程结束 电梯停靠于整数层后 系统根据此时的采样数 )',+0-3/*,.-(+/-,-), -,+0+.-,.+)+,0--, 图 电梯位于整数层时下一时刻运行状态判断过程的程序流程图 ' 调度算法比较研究 '% 分步调度算法与先到先服务调度算法的对比分析 先到先服务 是调度算法中一种最常用的规
陈玉仙等 一种基于信息融合的新颖电梯调度算法则 它通过对对象到达目的地的先后次序进行排队 根据排队结果对处于队列位置靠前的对象进行优先服务 一般而言 除非有特定的情形出现 对象到达服务点的时间越早 所享受服务的优先权也就越高 对于电梯调度而言 先到先服务 是指对所产生呼梯请求的先后时刻进行排序 系统将优化响应那些产生时刻较早的呼梯请求 这种调度规则相对而言较为简明 实施方便 但缺乏对系统所有信息的综合考虑 该规则对局部范围的系统优化有一定作用 但当系统规模较大时其优化性能将 显著降低 本课题在程序流程图 图 的基础上 以电梯停止 上行 下行的代价函数为判断依据 以平均候梯时间 平均乘梯时间 电梯启停次数 和长时间候梯率!" 作为性能指标 编写计算机程序对本文提出的算法进行仿真验证 其中 电梯楼层设为 层 随机产生各楼层进出电梯人数及呼叫信号 相关仿真参数如下 电梯的额定速度 # 为 $7 电梯的加 减速度 % 为 $ 电梯的开 关门时间 为 每个 乘客出 入轿厢的时间 为 $ 标准楼 所以 轿厢从 层上行到 层 或从 层下行到 层 停时所需时间为 777$ 设电梯从 层上行到 层 或从 层下行到 层 停 中间没有停站时所需时间为 $ '# $ &$$7 按照先到先服务的调度算法 电梯的调度过程如图 图 所示 在图 中 左侧为电梯轿厢 中间分别用上行和下行两列数字来表示各楼层候梯乘客呼梯请求方向 某一层无呼梯请求时 将显示 有呼梯请求时将显示发出请求的乘客数 候梯乘客数旁的圆圈的半径与候梯乘客数成正比 右侧为各楼层乘客的目的楼层按键 乘客每按下一次按键 系统将记录一个呼梯乘客 当呼梯乘客进入轿厢后 对应的呼梯请求将被清零 图 中显示电梯位于 楼 轿厢内无乘客 楼有 人请求向下到 楼 楼有 人请求下到 楼 层层距! 为 $ 轿厢核定载客人数 " 核为 7 人 为了较为客观地研究本文所提算法的性能 避免个别参数数值大小对电梯性能产生干扰 课题组通过多次仿真研究 分析电梯性能改善的统计特性 下面以一个实例说明本文所提算法的优势 设当电梯停靠于 楼时 楼出现了 人下到 楼的请求 $7 秒后 楼出现了 人下到 楼的请求 此后 7 分钟内没有其它的请求 说明 如果轿厢从 层上行到 层 或从 层下行到 层 停时 轿厢经历了一个加速 匀速到减速的过程 因此这段时间为加速时间 匀速时间 减速时间 之和 因电梯从静止匀加速到额定速度和从额定速度匀减速到静止是一个相反的过程 故 先计算电梯运行的这段时间 由于 % # 故 7 则电梯在 时间 )',++./*-,+0+.-,.*+.*0--, 图 电梯位于 楼时示意图图 7 显示电梯到达 楼后停下 个乘客进入轿厢 段内运行的距离 % $ 则电梯在 时间段内运行的距离 $ 又因为电梯在 时间段内运行的距离 和电梯在 时间段内运行的距离 之和为 &$$ 因该值小于标准楼层层距 所以电梯还有一段匀速运行的时间 ' # $$$77 )',+7+./*-,+0+.-,.*+.*0--, 图 7 电梯位于 楼时的示意图
"-'.+,$)++,) ; /+/+ 计算机工程与科学 7 图 显示电梯载着 楼要下行的 个乘客向 楼运行 $7$ $ 此次调度过程中电梯的启停次数为 次 因为 楼 个乘客的候梯时间为 故此次调度过程的长候梯率为 综上 此次基于先到先服务规则的调度过程的性能指标如下所示 平均候梯时间 $ 平均乘梯时间 $ 启停次数 次 长时间候梯率!" )',++./*-,+0+.-,,'),-.*+.*0--,.-.*+.0--, 图 电梯从 楼向 楼运行时的示意图 从图 图 可以看出 电梯响应这些请求的运行路径为 楼 楼 楼 楼 楼 这个调度过程中的相关性能指标计算如下 楼 个乘客的总的候梯时间为 依据本文算法 电梯的调度过程如图 和图 所示 图 显示电梯经过 楼直接到达 楼停靠后 楼向下的 个乘客进入轿厢 图 显示 电梯从 楼向下运行到 楼停靠后 楼向下的 个乘客全部进入轿厢 此后 电梯将向 楼运行 $$$ 楼 个乘客的总的乘梯时间为 $ $ $7 $ $ 楼 个乘客的总的候梯时间为 $ $7 $ $7 $7$$ 楼 个乘客的总的乘梯时间为 $ $ $7 $ 7$ 由此 可得到此次调度的平均候梯时间和平均乘梯时间分别为 $$ $ )',++./*-,+0+.-,,'),-.*+.*0--,.-.*+.*0--, 图 电梯经过 楼直接到达 楼的运行示意图 )',++./*-,+0+.-,,'),-.*+.*0--,.-.*+.*0--, 图 电梯从 楼下到 楼的运行示意图由于该算法对电梯运行过程实行分步优化 能够综合考虑不同楼层之间的呼叫关联 故此时的电梯的运行路径修正为 楼 楼 楼 楼
陈玉仙等 一种基于信息融合的新颖电梯调度算法 计算此次调度过程中的性能指标 此次计算过程同先到先服务算法中性能指标的计算过程相同 这里不再赘述 结果如下 平均候梯时间 $7 平均乘梯时间 $ 启停次数 次 长时间候梯率!" 针对此次呼梯请求 两种不同的调度过程对应的性能指标如表 所示 %! $#!! 表 % 分步调度算法与先到先服务调度算法的性能指标对比 算法 次!" 先到先服务算法 分步调度算法 7 )',++./*-,+0+.-,,') 2+.3++,( 0--,(.* 0--, 图 电梯运行至 7 楼时的状态示意图 比较可以看出 本文提出的分步调度算法对电梯调度过程中的平均候梯时间 长时间候梯率!" 及能量损耗 对应启停次数 三个方面的性能指标均有所改善 由实例分析可得 本文算法与先到先服务算法相比平均候梯时间减小了 7 能量损耗减小了 完全避免了长时间候梯现象的发生 '& 分步调度算法与不达最终目的层不换向调度算法的对比分析 电梯基本运行参数与上一节一致 现当轿厢载有 个到 楼的乘客运行至 7 层时 采集到此时 楼有 个乘客向上呼梯至 楼 根据不达最终目的层不换向调度算法的相关原理 电梯的调度过程如图 图 所示 图 显示轿厢中有 个乘客要上行至 楼 电梯正向上运行至 楼 此时 楼出现了上行至 楼的 个呼梯请求 图 显示轿厢依然载着 个乘客向上运行至 楼 此时电梯的运行路径为 楼 楼 楼 楼 计算此次调度过程中的性能指标 计算同先到先服务算法中性能指标的计算 过程不再赘述 结果如下 平均候梯时间 7$ 平均乘梯时间 $ 启停次数 次 长时间候梯率!" 基于本文所提出的分步调度算法 结合引言中所提出的相关策略 电梯的运行路径更正为 楼 楼 楼 楼 仿真过程同 节中分步调度算法的仿真 此次不再赘述 这种运行策略通过牺牲少数人的乘梯时间换取了乘客整体乘梯效率的 7 改善 同理可计算出此次调度过程中的性能 )',++./*-,+0+.-,,').-.*+.*0--, 图 电梯向 楼运行的示意图 指标数值如下 平均候梯时间 $ 平均乘梯时间 $7 启停次数 次 长时间候梯率!" 针对此次呼梯请求 两种不同的调度过程对应的性能指标如表 所示 &! $#!! 表 & 分步调度算法与不达最终目的层不换向调度算法性能指标对比 算法 次!" 不达最终目的层不换向算法 分步调度算法 7 7 由表 可以看出 本文提出的分步调度算法对电梯调度过程中的平均候梯时间 长时间候梯率!" 两个方面的性能指标有所改善 由实例分析可得 本文算法与不达最终目的层不换向
"-'.+,$)++,) ; /+/+ 计算机工程与科学 7 的算法相比平均候梯时间减小了 7 并完全避免了长时间候梯现象的发生 ( 结束语 本文提出了一种基于数据融合的分步调度派梯方案 建立了电梯运行的数学模型并构造了对应的调度算法 分别与传统的 先到先服务算法 和 不达最终目的层不换向算法 进行了比较 仿真结果表明 本文所提出的调度算法的性能指标较之传统算法有了一定的改善 在一定程度上证实了本算法的优越性 参考文献.,/(+(-,+0+.-,),-'/-.,-0.+').+,.+0+,)"-.,-0( :+/- 7"*++ 9-)8'-))!'+*'5++,/*-.+0)+. -.0(./*) +.*-(+0+.-,),-'/-.,-0.+"-.,-0(:+/- "*++ 79*':+3+'<'-)$0+.-,),-'/-.,-0.+/*-0 -)?=+)"*$0+/.,/-3+,,+"* ++ 附中文参考文献 杨祯山 邵诚 电梯群控技术的现状与发展方向 控制与决策 7 宗群 窦立谦 刘文静 鲁棒优化与多智能体协调的电梯群控调度 计算机集成制造系统 77 朱昌明 毕晓亮 电梯智能群控系统研究概况 现代城市研究 7 董骊 高层建筑电梯群控调度算法研究 : 长沙 中南大学 徐进 基于数据融合的入侵检测系统 : 西安 西安电子科技大学 沈娟娟 陈耀武 网络化电梯远程监控系统设计 现代机械 戴必锋 基于无线网络技术的电梯综合信息传输系统 : 大连 大连海事大学 杨涛 基于领域知识的电梯动态最佳群控方法 : 重庆 重庆大学 宗群 蔡昱 基于电梯交通流概率仿真模型的空闲交通模式电梯调度方法 控制与决策 杨祯山 邵诚 马海丰 电梯群控系统交通需求的迭代学习预测方法 控制与决策 7 宗群 童玲 薛丽华 电梯群控系统智能优化调度方法的研究 控制与决策 7 朱德文 付国江 电梯群控技术? 北京 中国电力出版社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作者简介 陈玉仙 女 山西昔阳人 硕士 讲师 研究方向为电梯调度和智能控制 )/*+/- *+),-.2-,?0+/.',+,*+,,++,/*.+,+./0'(++0+.-,/*+('0)(.+0)+./-.,-0 罗三定 77 男 湖南浏阳人 博士 教授 研究方向为计算机视觉 模式识别和控制工程 )(0'-/'+(' / /012-,77*:,- +-,*,++,/*.+,+./0'(+/-'.+,-..+,,+/-).-(/-.,-0+)++,)