前言

电梯行业已有一百多年的发展历史，电梯的安全稳定运行已基本满足了人们的需求。在现代商业大楼和高端写字楼里，电梯群控即如何通过调度算法实现多部电梯合理高效运行，提高多部电梯运输效率以及减少能耗成为研究的重点。在电梯群控算法中常采用智能控制方法，如专家控制、人工神经网络、遗传算法、模糊控制等。其中，专家控制可依据专家经验减少乘客的候梯时间和乘梯时间，但它需要专家长时间累积的经验来解决电梯群控中的乘梯随机性，适用性及可移植性不强，对于结构复杂的高层建筑并不适用。人工神经网络对非线性问题具有很强的处理能力，在建模、预测、优化中多有应用，可以解决电梯群控调度的非线性性，但通常神经网络模型训练需要较多数据，模型不易获得。遗传算法本质是利用迭代的方式搜寻最优解，给出合理的控制方式。所以，通过遗传算法对电梯调度进行优化，能够减少候梯时间。但对于大型高层建筑，电梯群控系统复杂，采用遗传算法需要的计算时间会很长，因此对于实时性要求高的电梯系统不适合。模糊控制由于不需要建立数学模型，结合专家经验能够更好处理电梯群控系统的非线性，多样性和随机性，所以非常适合电梯群控调度中制定派梯策略。但是模糊控制过度依赖于经验的好坏，可移植性差。

由于PLC的数值计算能力差，而先进算法需要大量的运算能力和计算时间，还需要一定的精确数据作为支持，较难实现，且难以维护和调试。当前在电梯群控算法中，使用最广泛的调度方法是最小等待时间的调度方法[7]。但最小等待时间仅是以乘客等待时间为出发点考虑，未考虑到电梯系统具有多目标性的特点。文献[8]提出一种最短距离群控算法，该算法通过比较每部电梯当前所在楼层对呼梯信号拟响应路径的距离，分配呼梯信号给最短路径的电梯响应。但该分配方式是静态的（即一旦分配无法更改呼梯信号响应的电梯）且没有考虑选层信号和故障信号等因素的影响。

针对已有研究存在的问题，本文提出一种改进的基于最短距离的电梯群控算法。它只需判断呼梯信号所在楼层和电梯所在楼层，便能动态分配呼梯信号。该算法无需精确数据和复杂计算，受电梯系统各种特性影响小，容易理解且好调试维护，能够应用于不同乘梯情景。

1 系统分析

1.1 控制对象分析

电梯控制系统包括硬件部分和软件部分。硬件部分是由电梯拖动电路、轿厢门开关电路、显示电路和各传感器电路等组成。硬件部分通过控制器直接对电梯进行操作控制。软件部分以电梯的各种传感器和按键作为控制器的输入信号，例如电梯的开关门信号，呼梯选层信号，超重超载信号，限位平层信号等。这些信号经控制器进行逻辑处理后由硬件控制部分进行输出和动作。如图1为电梯控制模型。

图1 电梯控制模型图

本文电梯部分采用北京德普罗尔公司开发的电梯仿真系统Elevator Simulation，该系统可通过软件配置模拟乘客的乘梯情况。仿真系统可提前配置所需要的仿真条件，如人数，体重，乘梯时间和乘梯楼层及到达楼层。完成配置后载入程序对系统在该条件下的任务完成能力进行评价。评价指标主要包括电梯系统的运输乘客数量、乘客平均候梯时间、乘梯时间和长时间等待率等。该系统在电梯安全运行情况下对系统进行综合打分。如图2所示为电梯仿真系统。

图2 电梯仿真系统Elevator Simulation

1.2 系统环境配置

本文控制系统采用西门子PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC V4.0作为控制器，系统程序及上位机监控设计选择TIA Portal软件，控制对象为电梯仿真系统Elevator Simulation。由于六部十层电梯系统逻辑复杂及信息传输量大，因此系统选用Profinet工业以太网通讯方式进行通讯，如图3所示为系统的组成及通讯。

图3 系统的组成及通讯方式图

1.3 电梯群控系统分析

电梯群控系统是多部电梯共用一套呼梯信号，由控制器对呼梯信号进行合理分配，调度某部电梯进行响应。除呼梯信号外，轿厢内选层信号以及部分传感器信号也会对电梯群控系统的调度产生影响。如图4所示为电梯群控系统的原理。

图4 电梯群控系统原理图

随着电梯部数增大，楼层增加，电梯群控系统需要解决的问题具有逻辑复杂、非线性、不确定性、多目标性和信息数据不完备等特性[9]，这使得电梯群控系统难以设计且无法应用于多种场景。为提高用户体验，系统需要把乘梯时间、候梯时间等控制在合适范围内。同时电梯群控系统需考虑系统能耗问题[10]。因此，如何进行电梯的合理调度是电梯群控系统设计的关键。

2 最短距离控制算法

2.1 单部电梯系统

单部电梯的安全稳定运行是多部电梯群控实现的基础。其中，与群控算法有关的单部电梯控制的程序模块有：楼层计数、呼梯信号、内部选层、集选控制。

楼层计数：该模块用于轿厢所在楼层的判断。为确定系统启动后电梯轿厢所在位置，需对电梯进行初始化，从而确定当前电梯所在楼层。例如从底端初始化，当下限位传感器检测到信号时电梯当前楼层为0。在电梯运行过程中，电梯上行且检测到平层信号那一刻，当前楼层数加1，电梯下行检测到平层信号那一刻，当前楼层数减1。分别使用INC和DEC指令实现。

呼梯信号：当乘客在某层按下呼梯按钮后，系统立即对该层对上呼梯信号或下呼梯信号进行登记。电梯当前楼层为呼梯信号所在楼层且电梯开门到位后，电梯此时指示是上行，则取消该层上呼梯信号登记；电梯指示下行，则取消该层下呼梯信号登记。

内部选层：乘客进入电梯按下某层选层按钮，判断当前电梯所在楼层与选层信号所在楼层是否相同，不同则登记该层选层信号，电梯在此层停车开门后取消登记。电梯不允许反向登录，即电梯未完成某个方向后续呼梯信号或选层信号时，电梯不响应之前（即电梯已行驶过路程）的呼梯信号和选层信号。当电梯响应完此方向所有信号后内部选层信号全部取消登记。允许连续两次按下选层按钮对选层信号登记进行取消。

集选控制：电梯的停层需要通过呼梯和选层信号进行判断登记。以下情况需对停层信号进行登记：

① 当电梯有该层选层信号；

② 有上呼信号登记且该呼梯信号为该部电梯响应；

③ 有下呼信号登记且该呼梯信号为该部电梯响应。

其中该部电梯响应可见后文2.3.4呼梯信号分配。以下情况取消停层信号登记：

① 当前楼层为该停车信号所在楼层且开门到位；

② 该层选层信号和呼梯信号都取消。

除以上几个模块，初始化、制动、显示、开关门、上下行、故障判断和优化选择等模块共同组成单部电梯系统。

2.2 最短距离算法

电梯群控的实质是所调度电梯的优先级，即呼梯信号分配优先分配给哪部电梯。而最短距离算法电梯的优先级由电梯离呼梯信号的距离决定。其中，在最短距离算法中距离为呼梯信号所在楼层与电梯所在楼层的楼层差。因此楼层差决定优先级，通过楼层差的设置，可将抽象的电梯之间的优先级问题具体化、可视化成用数字表达的电梯优先级。其规则是：楼层差越小，其优先级越大。

六部十层电梯系统，楼层差1到10是实际存在的楼层差。而楼层差大于10则可根据不同情况，按照楼层差越小，电梯响应优先级越大的原则设置。例如正常情况下，只需比较电梯之间楼层差，楼层差最小的电梯优先级最高，分配呼梯信号给该部电梯响应；当计算所得楼层差最小的电梯有更高优先级的调度任务，例如要求立即到某层待命，此时就需要设置实际计算得到的楼层差，比如为11（大于10即可），此时其肯定不为最小楼层差，优先级最小，不会分配呼梯信号给该电梯响应；当其他电梯都出现故障时，都设置楼层差为12，此时只剩该部电梯能运行，该部电梯优先级又变成最大，完成对每个呼梯信号的响应。此方式不仅能够得到优先级最高的电梯，完成最合理的调度。他还能清晰展现出其余电梯各自所处的优先级，使得系统更加容易调试理解，且使得系统调度的合理性可视化。

根据PLC梯双线圈输出的特性，对同一继电器的操作只会输出当前周期内最后一次对其操作的内容。因此只需按照从高到低优先级的顺序进行程序设计，便能实现不同情形下电梯优先级的切换。这种优先级的设置可以根据实际情况和经验，不断的进行完善补充。最终形成一整套完备的电梯群控调度系统。

当得到楼层差即获取电梯的优先级后，分配呼梯信号给优先级最大的电梯进行响应。在呼梯信号响应取消登记之前，控制器通过算法不断地刷新优先级，动态的分配呼梯信号，即时更新调度策略。最短距离算法其流程如图5所示。

图5 最短距离算法流程图

2.3 最短距离算法设计

根据2.2的算法设计思路，首先将六部电梯标记为1号梯 ~ 6号梯，然后计算得到离呼梯信号距离最短的电梯所在的楼层，用X1表示离呼梯信号最近正（以上）楼层，用X2表示离呼梯信号最近负（以下）楼层。分配呼梯信号给当前楼层等于X1或X2的电梯进行响应。

为了便于描述，算法涉及变量定义如下：

W，为输入的呼梯信号所在楼层数；

S，为呼梯信号方向的判断的输入；

F1 ~ F6，为1 ~ 6号电梯轿厢各自当前所在楼层数；

L1 ~ L6，为1 ~ 6号电梯轿厢与呼梯信号所处楼层的楼层差；

Min和Max，为1 ~ 6号电梯楼层差中最小值和最大值。

2.3.1 计算最近电梯所在楼层

(1) 计算楼层差L1 ~ L6：按照距离越短，优先级越大的原则计算每部电梯对应的优先级。1号梯楼层差的计算公式为：L1 = |W - F1|。L2 ~ L6计算方法与此相同。

(2) 设置楼层差L1 ~ L6：楼层差设置也是电梯优先级的设置。由于电梯运行不允许反向登录，因此还需要考虑电梯运行方向及呼梯信号方向。原则上背离呼梯信号行驶则电梯距离信号会越来越远，故该部电梯响应此信号的优先级应小于对呼梯信号相向而行的电梯；电梯故障后不再动作，故障电梯优先级也应最低。此时只需按照2.2中所述设置楼层差。以1号电梯为例，以下情况需要设置楼层差：

① 电梯上行，呼梯信号在电梯下方：L1 = 99；

② 电梯下行，呼梯信号在电梯上方：L1 = 99；

③ 电梯发生故障：L1 = 99。

(3) 取楼层差的最值Min、Max：使用MIN指令和MAX指令获取L1-L6及六部电梯楼层差最小值Min和最大值Max。其中Min代表最高优先级电梯的距离，Max为最低优先级电梯的距离。其计算公式如下：

① Min = MIN (L1,L2,L3,L4,L5,L6)；

② Max = MAX (L1,L2,L3,L4,L5,L6)。

(4) 计算最近楼层X1、X2的值：计算优先级最大的电梯可能所处的楼层。

① X1 = W + Min；

② X2 = W - Min。

2.3.2 最短距离算法模块化

该算法通过模块化设计，每个呼梯信号单独进行调用，输出最近楼层数，然后分配每个已登记的呼梯信号。由图5算法流程图可看出，呼梯信号登记时，控制器通过循环调用此模块，判断最近楼层，动态的分配呼梯信号进行响应。模块调用需要对两个输入变量赋值，分别是呼梯信号所在楼层数W和是否为上呼S。

(1) W = 1, 2, ...,10。表示呼梯信号所在楼层；

(2) S = 0,1。0表示呼梯信号为下呼，1表示呼梯信号为上呼。

2.3.3 呼梯信号分配

图6 呼梯信号分配程序图

通过调用最短距离算法模块，每个呼梯信号分配给优先级最大的电梯。由图6可以看出，每个呼梯信号单独对模块进行调用。当呼梯信号登记后，调用算法模块，得到最近正楼层数X1和最近负楼层数X2。然后与每部电梯所在楼层F1 ~ F6比较，肯定至少有一部电梯当前楼层等于X1或X2，该电梯为优先级最高的电梯，分配该呼梯信号给该部电梯响应。当另一个呼梯信号登记时再调用算法模块，更新当前对应此呼梯信号的最近电梯所在楼层X1、X2，分配该呼梯信号给当前楼层等于X1或X2的电梯，完成呼梯信号的分配。通过这样的方式，可解决任何时刻任意数量的呼梯信号的分配。当出现其中几部电梯都相等时，按1号电梯到6号电梯的顺序优先级分配呼梯信号。

2.4 电梯的指定调度

通过设置楼层差即更改电梯的优先级，实现电梯的指定调度。

① 电梯状态特殊情形下的指定调度：例如当Min等于Max时，则表示所有电梯在同一层。由于呼梯信号分配时，如果几部电梯都在最近楼层处，按照1到6号电梯顺序的优先级进行呼梯信号分配。为防止例如电梯都在一层时，所有上呼信号会优先只由1号梯响应，导致不合理的调度的情况。此时可通过更改电梯的优先级实现指定调度。例如对1 ~ 3层的呼梯信号设置1号梯优先级最高，4 ~ 5层的呼梯信号设置2号梯优先级最高等，从而打乱电梯所处位置。待执行一段时间后，可再撤销优先级的更改回到正常情况时优先级的获取。

② 乘梯特殊情形下的指定调度：例如早晨上班高峰期，通过系统时间可对上班高峰期进行预测，满足时间区间使用指定调度方式，调度方式为：其中几部电梯完成上呼信号和选层信号后回到一层（或乘梯需求量大的楼层）进行等待[1]。此时设置这几部电梯对下呼梯信号全为最低优先级，响应完向上所有信号后，指定直接到达一层进行待命。此方式可使电梯系统优先运送乘梯需求大且乘客往上乘梯的楼层。同理可对下高峰（下班高峰期或应急疏散）等情形下完成电梯的合理调度。通过对不同情形下指定调度方式程序的模块化，可根据不同情形更改模块调用，灵活切换调度方式，使得系统能够适用于多种情形。

3 仿真与分析

本文所设计算法通过前文所述电梯仿真系统Elevator Simulation进行验证。该仿真系统可通过配置模拟各种乘梯情形，包括上高峰、层间交通（正常乘梯情形）和下高峰等。为保证系统仿真数据的真实可靠性，采用第十二届西门子杯比赛和练习仿真配置进行仿真。仿真结果和评价如下：

表1 第十二届西门子杯比赛仿真配置仿真结果

仿真次数	乘客平均候梯时间	乘客平均乘梯时间	乘客长时间候梯率	系统运行总距离	系统启停次数	运输乘客数量	最终得分
1	21.43	44.62	0.13	823.07	440	120	90
2	22.88	45.02	0.14	697.99	462	120	90
3	21.26	44.54	0.13	726.54	437	120	90
平均值	21.86	44.73	0.13	749.20	446	120	90

表1仿真数据为第十二届西门子杯比赛仿真配置，系统运行总时长20分钟，配置总人数120人，满分90分。仿真采用了最短距离算法，由上表可知，系统在规定时间内运输完了所有乘客，获得了满分的成绩。同时各评价指标满足乘客乘梯要求。该评测配置为层间交通情形，无特殊乘梯情形。如下是模拟上高峰特殊乘梯情形配置的仿真数据。

表2 第十二届西门子杯练习仿真配置仿真结果

仿真次数	乘客平均候梯时间	乘客平均乘梯时间	乘客长时间候梯率	系统运行总距离	系统启停次数	运输乘客数量	最终得分
1	43.54	88.95	0.37	690.77	371	178	83.76
2	42.76	90.34	0.36	723.15	371	173	81.66
3	43.1	90.93	0.36	685.89	356	172	81.24
平均值	43.13	90.07	0.36	699.94	366	174	82.22

表2是第十二届西门子杯练习仿真的配置，总时长10分钟，总人数200人，满分90分。此仿真配置模拟了上高峰情形，且时间短人数多，难度较大。仿真使用了最短距离群控算法以及上高峰指定调度方式，由上表可知，系统能够满足乘客乘梯需求，且乘客运输量也基本达标。

系统通过仿真对运行情况进行评分，反应了系统设计的好坏[12]。由以上两个仿真结果可看出，系统在用户体验方面的评价，不管是常见乘梯情形还是高峰乘梯情形，系统的平均候梯时间和平均乘梯时间都能满足乘客的需求；在运行距离和启停次数方面，合理的距离和启停次数减少了系统的能源消耗；最终都有较好的乘客运输能力，获得较高的评价分数。

综上所述，系统通过最短距离算法进行电梯群控调度，电梯调度不需要多种精确数据作为支持，系统易于理解。动态分配呼梯信号和指定调度方式使电梯具有更强适应能力。能较好完成乘客对乘梯时间、候梯时间、长时间候梯率的要求，电梯的运输能力达标，系统的能耗问题也有一定优化。

4 总结

本文面向六部十层电梯介绍了一种最短距离电梯群控算法，分析了目前较流行的电梯群控技术所存在的一些缺点及自身限制，结合这些问题设计出具有自身优势的群控算法。通过真实可靠的仿真数据证实算法在乘梯时间、候梯时间、长时间候梯率、电梯运输能力以及电梯系统能耗方面都能满足人们的需求。此群控算法的设计不要求大量精确数据支持，能够完成电梯群控调度的要求，具有适应多种环境，易于调试等优点。能够为电梯群控技术的研究提供参考。

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