電梯群控系統仿真平臺優化設計

劉小朋 李付龍 王立鵬

摘要：針對國內現有電梯群控系統仿真平臺信號輸入方式單一，不能產生穩定、持續的交通流；模擬電梯運行僵硬，轎廂不能連續移動等問題，基于Visual C++6.0面向對象編程技術，以DB2數據庫作為后臺，設計出一種優化電梯群控系統仿真平臺。該平臺既能手動輸入呼梯信號，也能自動生成符合泊松分布的輸入信號。仿真運行輸出候梯時間和乘梯時間，結果表明，該優化平臺轎廂能夠連續平滑運動，運行速度和方向一目了然，能更真實地模擬電梯的實際運行情況。求出平均候梯時間、平均乘梯時間和平均停靠次數，對電梯最小長候梯時間算法進行了驗證。

關鍵詞關鍵詞：電梯；群控系統；Visual C++6.0；泊松分布；多線程

DOIDOI：10.11907/rjdk.161340

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2016）007011003

0引言

隨著高層建筑的日益增多，電梯成為人們日常生活的重要交通工具。多部電梯配置在一起構成電梯群，由電梯群控系統操作。算法是整個群控系統的核心，優越的算法能減少乘客候梯時間、乘梯時間以及能耗等。因此，電梯群控算法仿真平臺的研究意義重大。

國外電梯仿真軟件主要有Elevate，而且代碼不公開。國內電梯設計較為簡陋，電梯動作較為僵硬，不便于觀察，不能較好還原現實情況，而且不能產生連續穩定的交通流，仿真平臺不能長時間穩定運行。

Visual C++ 6.0是一個功能強大的可視化軟件開發工具，能夠制作交互式用戶圖形界面。DB2數據庫主要應用于大型系統，具有較好的可伸縮性，支持從大型機到單用戶環境。數據具可利用性、完整性、安全性、可恢復性及平臺無關性，以及小規模到大規模應用程序的執行能力。DB2數據庫可使用微軟的開放數據庫連接（ODBC）接口，任何應用程序都可訪問。

本設計以Visual C++6.0 為開發平臺，采用DB2作為電梯仿真平臺數據庫，利用多線程技術， 根據電梯配置和電梯群控算法進行仿真，得到電梯的運行質量參數并保存到DB2 數據庫中。 本設計穩定性高，能連續隨機地產生各種電梯交通流，是高性能電梯群控系統仿真平臺。

1仿真平臺介紹

該平臺用Visual C++6.0軟件編寫，有交互式呼梯信號輸入按鈕，可由用戶自行輸入，或由系統自發產生連續的交通流信號。由于仿真平臺采用的是基于目的層的呼梯方法（即內呼按鈕與外呼按鈕都在電梯外部），所以各乘客的起始層和目的層總是同時確定的。這種呼梯方法消除了由于乘客目的層的不確定性而帶來的困擾，使電梯控制更加快速、準確，同時也大大簡化了群控算法研究的難度。仿真平臺有4種交通模式：上行模式、下行模式、空閑模式和層間隨機模式，可根據需要選擇其中一種模式來運行。運行過程中能即時顯示各個乘客的序號、呼叫層、目的層以及為其服務的電梯編號等，較為人性化。

2仿真平臺構成

電梯模型由4部分組成：交通流產生模塊、信號綜合處理模塊、電梯群控算法模塊和電梯運行模塊，如圖1所示，輸入信號和運行狀態都存入DB2數據庫。

利用C++語言面向對象的編程技術，用類的封裝編寫了整個群控電梯系統，構造了電梯類（ElevatorA，ElevatorB和ElevatorC）、輸入信號類（Signal）以及轎廂類（Car）。其中電梯類是由VC++軟件中的滾動條控件制作而成。電梯轎廂由滾動條中的滑塊來代替，通過設置滑塊的位置來使“轎廂”運動起來。本設計中的電梯可連續平滑運動，便于觀察研究。運用多線程技術構造了4個線程：交通流產生線程、電梯A運動線程、電梯B運動線程和電梯C運動線程。它們能夠同時、迅速地響應用戶的多個請求，使整個程序協調運行，程序流程如圖2所示。

交通流參數模塊用于隨機產生各種交通流數據，數據庫作為后臺，存取更加穩定，從而有效提高系統的穩定性。乘客到達過程可由泊松分布模擬[5]。群控服務區域是指前來乘坐電梯的乘客（包括上行和下行）的候梯區域。

在時間t內乘客到達服務區人數為n的概率為Pn（t）=（λt）nn！e-λt，n=0，1，2…（1）則在時間t內，沒有任何乘客到達的概率為P0，所以時間t內所有乘客到達的概率為1-P0（t）=1-e-λt（2）假設兩個相鄰乘客到達的時間間隔為T，則P{T≤t}=1-e-λtt≥0

0t<0（3）時間間隔T服從參數為λ的指數分布。假設乘客平均到達率為λ，第i個乘客到達的時間為X（i），第i+1個乘客到達時間為X（i+1），ti為相應到達間隔時間的最大值，Pd為第i個乘客到達率，則Pd=P{ti=t}=1-e-λtt≥0

0t<0（4）所以當t>0時，最大時間間隔為ti=-In（1-Pd）λ（5）于是得到第i個乘客到達時間的遞推公式為X（i+1）=X（i）-ln（1-Pd）λ（6）在這里，由于Pd是0～1之間的任一常數，所以可以用0～1上的均勻分布來產生N個數作為Pd的值，從而產生N個到達時間模擬值。

MATLAB具有強大的數據處理能力，可完成數據流的計算。由此模擬出符合泊松分布的乘客流，以30分鐘內200個乘客的到達過程為例，如圖3所示，橫坐標代表各個乘客的到達時間，縱坐標代表當前乘客到達量。其中直線之間的距離間隔代表兩乘客到達的時間間隔。間隔越小，說明人流密度越小；間隔越大，說明人流密度越大。

最終模擬出符合泊松分布的乘客到達時間，將乘客到達時間以及各相鄰乘客之間的時間間隔存入DB2數據庫，以供VC++調用。

將時間間隔存入數據庫后，VC++仿真平臺從數據庫逐個讀取乘客到達時間，并延時相鄰乘客到達時間的間隔。延時結束后，通過蒙特卡洛法產生呼梯信號，然后繼續讀取下一個數據，如此連續不斷執行，產生離散的符合泊松分布的乘客流，直到讀完DB2數據庫中的交通流數據為止。

2.2算法模塊

算法是電梯群控系統核心，一個算法的優劣直接決定著電梯的運行效率。本設計的目的就是對群控算法的優劣進行驗證和調試，最終證明某算法的實用性。常用的算法有最小候梯時間算法、最小乘梯時間算法、模糊控制算法以及神經網絡算法等。本系統采用C++面向對象語言，用類來封裝各種控制算法，當系統需要用到某種算法時，只需要調用相應的算法即可。

2.3信號綜合處理模塊

信號處理模塊需要進行復雜的計算，它結合新加入的呼梯信號、已登記的呼梯信號以及電梯當前的運行狀態這3個因素，利用當前的群控算法，計算出各個電梯對新加入信號的符合程度。如圖2所示，信號處理模塊在接受新增加的呼梯信號后，經信號處理模塊計算，選擇符合度最大的電梯，并將派梯結果發送至電梯運行模塊。

2.4電梯運行模塊

電梯運行模塊用于實現電梯的模擬運行，它由電梯A、B和C組成。電梯運行特征分為7個狀態，分別是：空閑狀態、開門狀態、關門狀態、上行狀態、下行狀態、進客狀態和下客狀態。當電梯為空閑狀態時，電梯等待外呼信號，直到有外呼信號為止。當電梯向上運行時（下行情況一樣），必定先加速，而后勻速運行。 如果未到達指定層，電梯繼續向上勻速，每經過一層，樓層數自動加一。將要到站時，電梯開始減速，然后停車開門。上下客完畢后，關門重新啟動。如此往復，不斷運行。每個狀態所持續的時間基本上是固定不變的，因此本設計假設電梯的上下行狀態都是勻速的。將變速運動引起的時間差歸于勻速運行階段，同時將開關門時間和上下乘客時間都歸于電梯停站時間中。本設計實際上只考慮3種狀態：上行狀態、下行狀態和等待狀態。雖然簡化了平臺設計，卻更加有利于電梯群控算法的研究。

采用多線程的軟件實現方法，設計電梯A、B和C三個電梯線程 ，使得3部模擬電梯同時獨立運行，系統的穩定性高。如圖2所示，在接收到配梯信號后，經過算法計算，新增信號會登記到3部電梯中的一部。該部電梯會綜合新增信號和已有信號決定電梯的運行狀態。

3仿真結果

基于最小長候梯時間算法對仿真平臺進行測試。仿真參數設置為：仿真時間30min，樓層為15層，樓層高2.5m，電梯3部，電梯經過每層時間2.4s，停站時間10s，仿真人數200人。采用層間隨機交通模式，系統自動生成泊松輸入流。仿真結果用MATLAB繪制。其中單次仿真結果如圖4和 實驗結果表明，乘客的平均候梯時間僅為25.6 s，體現了最小長候梯算法在減少乘客候梯時間方面的顯著作用。但平均乘梯時間為35.8秒，平均停靠次數178次，能耗較大，說明經典的群控算法—最小長候梯算法存在一些不足。

（s）平均乘梯時間

（s）平均停靠次數

（次）最小長候梯時間算法25.635.81784結語

基于Visual C++6.0面向對象的編程方法，設計了一種優化群控電梯仿真平臺。實驗結果驗證了仿真平臺的有效性。與以往仿真平臺相比，本仿真平臺既能接受用戶的手動輸入信號，也能自發產生泊松分布乘客流，并逐個處理各種輸入信號，輸出乘客候梯時間和乘梯時間。電梯轎廂能夠連續平滑運動，轎廂運動速度和方向一目了然，便于觀察研究，較為真實地模擬了實際情況，簡化了電梯群控算法。

本設計采用MATLAB產生泊松分布交通流，以DB2數據庫為樞紐，給仿真平臺提供連續穩定的輸入信號，使得仿真平臺能夠長時間穩定運行，具有一定的實際意義。

參考文獻：

畢曉亮，張亞剛，朱昌明，等.電梯群控研究及仿真實驗臺開發[J].系統仿真學報，2003，15（9）：12451246.

閻光偉，彭文，徐琳茜.基于案例的Visual C++程序設計教程.北京：清華大學出版社，2012：154158.

劉宇明.基于DB2的大型數據庫性能優化方法研究[J].科學技術與工程，2007，7（1）：7071.

潘志鋒，羅飛，許玉格.高性能的電梯群控系統仿真平臺的設計[J].計算機工程與應用，2006，35（3）：181183.

曹雷，饒真珍.面向對象的電梯系統計算機仿真[J].計算機應用，2007，24（9）：289191.