利用OO方法實現電梯控制系統的模擬

陳紀龍 孟洪兵

1 電梯模擬系統研究現狀

隨著科學技術和社會經濟的發展，建筑物的高層化已成為現代城市的標志。電梯作為上下運輸工具，承擔著大量的人流和物流的輸送，其作用在建筑物中至關重要。近年來，國內外的電梯生產技術得到了迅速發展。一些電梯生產商也在不斷改進設計、修改工藝、更新換代，生產新型的電梯［1］。電梯系統主要分為控制系統與機械系統兩大部份，隨著自動控制理論與微電子技術的發展，電梯的控制手段與拖動方式均發生了很大的變化，交流調速是當前電梯拖動的主要發展方向。目前電梯控制系統主要有三種控制方式:微型計算機控制系統、PLC控制系統、繼電器邏輯控制系統。微機控制系統雖在智能控制方面有較強的功能［2］，但也存在抗干擾性差、系統設計復雜、一般維修人員難以掌握其維修技術等缺陷;PLC控制系統電路設計簡單，但成本比較高，硬件設計也不夠靈活［3］;繼電器控制系統由于故障率高、可靠性差、控制方式不靈活以及消耗功率大等缺點，目前已逐漸被淘汰［4］。綜上所述，本研究采用面向對象方法實現電梯控制系統的模擬，程序簡單，運行方便，成本低。通過本系統的設計可進一步加深對面向對象技術的理解和掌握，對于完善其控制功能具有重要意義。

2 研究目的和意義

本研究的目標是模擬電梯控制系統。本文設計了電梯調度算法及調度策略，利用Java語言作為開發工具［5］，實現了系統的界面、功能模塊設計。該設計主要模擬電梯內部的數字鍵及對應的操作，電梯開門、關門按鈕及其相應操作，電梯外部上下行按鈕及其操作，電梯當前運行狀態的顯示，電梯到達相應樓層后開關門的提示音等。該系統結構合理，操作簡單，效果良好，建模方法具有一定的通用性［6］。本系統的設計思想與方法對實際電梯的運行具有一定的指導意義［7］。

3 系統設計方案

一臺電梯對應一個控制系統，一個轎箱，有N個樓層。每個樓層對應一個電梯門，當在某樓層接受到閉門、開門信號時，將執行相應操作，若電梯門處于打開狀態，且未收到閉門信號，等待一段時間后，電梯門仍將自動關閉。(本系統中N=6)

3.1 系統性能需求分析

方向檢測:是通過電梯初始所在樓層和目標樓層來確定電梯的運動方向的檢測。

目標樓層:將多用戶同時所請求的不同樓層按照優先級的高低進行排序所得到的電梯當前要執行的樓層。

暫停控制:當電梯接收到超重信號時，發出報警信號，同時電梯保持開門，直到超重信號消失才會恢復正常的這樣一種狀態。

開門和關門按鈕:在電梯內部有開門和關門的按鈕，開門按鈕能夠延遲關門時間讓乘客進入或走出電梯，關門按鈕可以加速電梯關門讓電梯進入運行狀態，節省時間。

向上按鈕和向下按鈕:除最低層和最頂層只有一個按鈕外，每個樓層都有兩個按鈕，分別指示上樓請求和下樓請求。

樓層按鈕:每個電梯里面都有一些按鈕，每個按鈕對應一個樓層。

優先處理:在遇到有沖突請求的情況下，如果兩樓層同時發出請求，可以讓電梯正常運行，按照優先級的高低進行排序，從而按照排序執行相應的請求。

3.2 系統邏輯需求分析

3.2.1 電梯的初始狀態是位于第一層，所有按鈕都沒有被按下，電梯門處于關閉狀態。

3.2.2 乘客可以在任意時刻按任何一個目標樓層按鈕和呼叫按鈕。假設乘客在某一時刻按下某按鈕，則此時將存在以下情況:

3.2.2.1 呼叫和目標對應的樓層可能是電梯當前運行方向可達到的樓層，則按電梯調度算法的相關策略處理。

3.2.2.2 呼叫和目標對應的樓層可能不是電梯當前運行方向可達到的樓層，也按電梯調度算法的相關策略處理。

3.2.2.3 如果電梯正好經過第n層，且第n層不是最上層或最下層，則出于安全考慮，不再響應此時所發出第n層的呼叫和目標請求。

3.2.2.4 乘客按下錯誤按鈕:電梯在運行時，乘客按下開門或閉門按鈕，不響應該請求。

3.3 算法設計

電梯模擬系統的核心是電梯調度算法。該算法的基本思想是:本研究設計了一部電梯，通過往返尋找路徑的方法，即先查詢電梯運行方向的樓層是否有其他按鍵被按下，有就將該請求加入到電梯請求的隊列中并按距離最短進行排序，并一一到達相應請求樓層。如果沒有就查詢電梯運行反方向的樓層是否有按鍵被按下，如果有電梯就改變方向，反向運行。如果沒有電梯就停止在該樓層。同時，電梯乘客所去的樓層方向與電梯當前方向一致的話，則電梯優先搭載該乘客，等響應當前方向的請求后，再搭載去反方向的乘客，實現電梯的升降操作。

本研究運用以下兩個策略，配合電梯調度算法使用:

3.3.1 確定新目標樓層的策略:

如果電梯向上(下)運行，當它到達某個目標樓層后，則依照以下順序確定下一個目標樓層:

3.3.1.1 如果比當前層高(低)的樓層有向上(下)呼叫或者目標，那么以最低(高)的高(低)于當前樓層的，有向上(下)呼叫或者目標的樓層為目標樓層。

3.3.1.2 如果無法確定目標樓層，那么以最高(低)的向下(上)呼叫所在樓層為電梯當前目標樓層。

3.3.1.3 如果仍然不能確定目標樓層(此時實際上沒有任何呼叫和目標)，那么電梯無目標運行暫停。

3.3.2 修改目標樓層的策略:

3.3.2.1 如果電梯運行方向向上，那么如果新到一個介于當前電梯所處樓層和目標樓層之間，又可以安全到達的向上呼叫或者目標，將目標樓層修改為這個新的樓層。

3.3.2.2 如果電梯運行方向向下，那么如果新到一個介于當前電梯所處樓層和目標樓層之間，又可以安全到達的向下呼叫或者目標，將目標樓層修改為這個新的樓層。

3.4 系統結構設計

根據需求分析，電梯默認狀態是停靠在一樓，要使電梯運行起來，需要用戶按下電梯按鈕，電梯啟動功能結構如圖1所示。

圖1 電梯啟動功能結構圖

3.5 系統數據流圖

根據需求分析，為了表達系統的數據流圖及狀態轉換，本文給出了電梯模擬系統的數據流圖，如圖2所示。

4 系統設計與實施

4.1 功能模塊設計

電梯模擬系統主要包含6個模塊，各模塊及其功能描述如下:

4.1.1 主程序模塊:是整個系統的入口，通過調用各個功能模塊，實現程序主界面的顯示以及電梯基本功能的實現。

4.1.2 電梯內部控制模塊:負責電梯內部數字按鈕及開門關門按鈕的顯示，以及相應按鈕被按下觸發的事件的處理操作。

4.1.3 電梯外部控制模塊:主要負責電梯外部上下行按鈕的顯示，以及按鈕被按下時觸發的事件的處理操作。

4.1.4 電梯調度模塊:負責電梯的調度算法，通過把內外按鈕觸發的相應請求進行分析，按照調度算法將請求隊列重新排序。

4.1.5 等待隊列模塊:存放將要執行的到達相應樓層的請求隊列。

4.1.6 顯示模塊:主要負責程序界面的顯示、到達相應樓層的顯示，動畫圖像的顯示等。

圖2 電梯模擬系統數據流圖

4.2 系統主要類設計

本系統主要包括8個類，每個類的功能簡述如表1所示:

表1 類的功能簡述表

4.3 系統界面設計

本系統的界面設計考慮到現實中電梯實物的普遍色彩是銀灰色的，為了與真實電梯更相近，于是主要選擇了銀灰色為主要色系，另外搭配按鈕變換時的黑色與紅色，以及為了區別電梯開關狀態采用的金色圖案，總體界面遵循簡潔美觀的原則。選用銀色、黑色、紅色及金色圖案，撐起整個窗口界面。

5 本文關鍵技術—雙緩沖技術

5.1 閃爍產生原因

系統啟動后，首先調用重載后的paint(Graphics g)函數，在窗口上繪制圖像，繪圖線程啟動后，該線程每隔25ms修改一下圖像的位置，然后調用repaint()函數。repaint()函數先調用 update(Graphics g)函數，update(Graphics g)再調用paint(Graphics g)函數。問題就出在update(Graphics g)函數，先用背景色覆蓋整個組件，然后再調用paint(Graphics g)函數，重新繪制屏幕圖像。這樣，每次看到的都是一個在新的位置上繪制的圖像，前面的窗口都被背景色覆蓋掉了，正是這種先用背景色覆蓋組件再重繪圖像的方式導致了閃爍。在兩次看到不同位置圖像的中間時刻，總是存在一個在短時間內被繪制出來的空白畫面(顏色取背景色)。

5.2 雙緩沖技術解決閃屏問題

本系統中雙緩沖技術的實現是通過改寫paint()方法和update()方法，從而實現每次窗口刷新的時候都會重新計算當前狀態，以此獲得圖片尺寸，然后再將繪制好的圖片顯示到當前窗口。

6 程序測試

主要測試電梯是否能夠正常上下運動，達到電梯必須滿足的功能:即系統獲得多用戶的請求后，將指令傳遞到應用接口，在系統的規定等待時間段里，如果沒有特殊請求(開門、關門按鈕)，電梯門則自動關閉，然后將獲得的請求經過優先處理得到當前電梯所要去的首目的樓層，結合電梯當前樓層判斷出電梯要做向上還是向下運動，進而將指令傳遞給上下運動控制系統，從而驅動電梯上下運動來實現上下樓的目的。部分測試摘要如下。

功能測試1:程序運行后的初始界面，電梯默認停留在一樓，并且沒有任何請求，電梯處于停靠狀態，當電梯接受相應的請求后，啟動，進入運行狀態。圖3顯示了電梯在第一層接受到達2、5、6層向上請求時，相應按鈕變亮，進入電梯門關閉狀態的界面。

功能測試2:電梯到達2樓后2樓按鈕變暗，圖4為電梯開門狀態截圖，并將繼續執行下面未完成的請求。

圖3 電梯門關閉狀態圖

圖4 電梯到達2樓狀態圖

功能測試3:電梯接受不同樓層的向上請求測試。圖5為電梯在1樓轎箱內接受到達3樓和6樓的請求，同時在3樓、4樓和5樓接受向上的請求，電梯按照調度算法分別到達3樓、4樓、5樓和6樓。

功能測試4:此時電梯停靠在6樓，在轎箱內分別接受去2樓和1樓的請求，同時5樓、4樓也有向下的請求。經過測試電梯會按照運行方向分別到達5樓、4樓、2樓和1樓，完成的請求相應圖標變暗。圖6為電梯到達2樓開門的狀態圖。

圖5 功能測試3狀態圖

圖6 電梯到達2樓開門的狀態圖

7 小結

經過測試，電梯運行良好，達到了預期目標和要求。同時，在測試過程中也發現了一些問題，比如，在加載圖片較多時，程序啟動比較慢;鼠標事件較多時，系統不知如何響應等。隨著研究的進一步深入，對于上述問題將給出相應的解決方案。

［1］ 陳光磊.電梯呼顯示系統的研究與設計［D］.中國優秀碩士學位論文全文數據庫，2010，6(02):20－30.

［2］ 陳福蘭，杜虹.淺析電梯并聯運行的幾種調度方法