基于S7_1200的多目標動態電梯群分區算法研究

李 凡，袁建華，田禾雨，王鵬飛，王 新

（1.三峽大學 電氣與新能源學院，湖北宜昌 443000；2.國網湖北省電力公司遠安縣供電公司，湖北宜昌 444200；3.國網江蘇省電力公司射陽供電公司，江蘇鹽城 224300）

引言

目前，綜合型服務的高層建筑逐漸增多，建筑內交通運行的縱向流暢度是衡量人們工作、生活質量的重要標準。流暢度的提高不僅體現在建筑內電梯臺數的增多，更重要的是電梯之間的配合即各種電梯群優化控制策略。隨著建筑規模以及電梯科技的提升，研究者不斷把新的電梯群控制算法應用電梯群控系統中，以提高電梯群的運行效率，并且控制算法從對呼梯信號的分配算法到靜態分區算法再到動態分區算法逐漸完善[1]。在響應門廳呼梯信號方面，有多目標規劃電梯群控算法[2]、多目標粒子群優化算法[2]、多目標分布式群控算法等[3]。在電梯分區方面，較為前沿的有高峰模式下的動態分區算法[4,5]、電梯上高峰動態規劃分區方法研究[6]等。這些算法幾乎都考慮了乘客的候梯時間、乘梯時間以及節能。而且在一定程度上促進了電梯群系統對呼梯信號的響應速度，降低了乘客的急躁心理。然而上述動態分區算法是在電梯總臺數固定的情況下，通過考慮各區域客流量、乘客平均候梯時間參數、乘客乘梯時間等來改變各區域樓層范圍，達到動態的區域變化。

本研究出了一種以電梯仿真系統為平臺，在靜態分區的基礎上，電梯群控制系統實時檢測各區客流量來確定各區實時的電梯資源需求，再利用多目標電梯評價函數，評價出相對某區域的較優電梯，并將較優電梯分配給該區，達到電梯群控制系統實時最優。

1 多目標動態電梯群分區算法原理分析

1.1 建筑樓層靜態分區模型和電梯群控制系統拓撲結構

圖1為建筑及電梯群系統運行拓撲圖。圖1中包含各電梯的上行狀態Up（↑）、下行狀態D（↓）、空閑狀態F（O），已登記的呼梯按鈕（1層上行信號、2層上行信號、2層下行信號等）及轎廂內部選層器（乘客的目的層：1樓選層信號、2樓選層信號、3樓選層信號等）響應情況以及分區數量d和各區樓層個數、各電梯編號。以上這些信號，電梯群控制系統均能通過限位開關、平層傳感器、按鍵輸入（呼梯盒和選層面板）等得到。如圖1所示，靜態分區：1區（1、2、3層）；2區（4、5、6層）；3區（7、8、9、10層）；電梯分配情況：1區（1、2號梯）；2區（3、4號梯）；3區（5、6號梯）。呼梯登記情況：1區（1層上行呼梯按鈕、2層上行呼梯按鈕）；2區（4層下行呼梯按鈕、6層上行呼梯按鈕）；3區（8層上行呼梯按鈕、9層下行呼梯按鈕、10層下行呼梯按鈕）。

圖1 t時刻均衡模式下電梯群系統狀態圖

圖2為電梯群控制系統拓撲，該拓撲包括軟件系統及硬件系統。硬件系統包括主站PLC（S7_1200）和各從站PLC、PLC之間的通信模塊、IO擴展模塊、輸入面板、選層器、呼梯按鈕以及紅外感應器。該拓撲結構靈活，并為軟件配置了充足的硬件條件，可根據項目的大小擴大或縮小拓撲。

圖2 電梯群控制系統拓撲圖

1.2 算法考慮的重要參數及參數計算

1.2.1 重要參數

區域呼梯信號中心Cak：利用k區域的各層客流量來確定客流量的幾何中心。第k區域電梯需求量：各區電梯需求量跟區客流量占電梯群總客流量的比例有關。第k區域相對j號電梯的候梯時間（WTkj）：j電梯以目前的狀態到達目的k區域所需的時間；j號電梯相對第k區域的能源損耗（SCkj）：j電梯以目前的狀態到達目的k區域所消耗的能量；j號電梯乘客的乘梯時間（RTkj）：j號電梯完成當前轎廂內運送任務所花費的時間。補償參數Cj：與當前時刻各電梯轎廂停止在某樓層時的開關門狀態有關。

1.2.2 參數計算

（1）區域呼梯信號中心Cak按式（1）計算：

在2、3區域，Cak同式（1）類似處理計算方式。

由于電梯仿真系統無法對客流量進行監測，可假設當上行或下行按鈕亮起，按鈕亮起的樓層門廳內客流量相等，以表1為例。

表1 區域區域呼梯信號中心情況分析

（2）第k區域相對j號電梯的候梯時間（WTkj）的計算：

該候梯時間WTkj跟轎廂同區域呼梯信號中心Cak的相對位置有關系，位置關系有3種，已知Ca2=5，電梯狀態信息見圖3。

圖3 電梯位置相對關系圖

（3）第k區域電梯需求量Qak的計算

計算每個區域所需分配的電梯臺數Qak，利用了各客流量（樓層客流量、區域客流量、總客流量），根據區域客流量占總客流量的比重與電梯群總臺數Ne的乘積求取。為保證計算精度，需要一種特殊的處理方法（每區至少一臺電梯）：

（4）j號電梯相對第k區域的能源損耗（SCkj）計算

文獻[1]詳細分析了交流雙速和交流變頻調速電梯原理，對兩種控制模式進行&Pf電能測試，得到交流雙速電梯能耗累積特征。以交流變頻調速電梯能耗為例，空載上行和重載下行階段處于發電狀態；在電梯啟動和制動時能量消耗很小，近似為零。空載下行的能源消耗只跟運行距離有關系，重載上行跟乘客的總質量、運行距離都有關系[7,8]。電梯仿真系統不能進行乘客數量計算和質量測量，為方便算法實現，可考慮電梯穩定運行過程中產生能量。

（5）補償參數的計算

補償參數Cj跟電梯轎廂門當前的狀態有關，引入補償參數Cj可更細致地量化評價當前轎廂門狀態：

式中：t為轎廂從剛剛靜止或轎廂門即將打開到當前轎廂門開合狀態所花費時間；T_r為轎廂門開合總時間。

根據以上對各參數的介紹及詳細分析，可給出計算公式（3）～（5）：

式中，stop為轎廂運行至目標Cak過程中的?？看螖怠?/p>

1.3 多目標電梯群分區算法的設計思想及結構

多目標電梯群分區算法將靜態分區與動態計算各電梯在各區域評價函數Ejk相結合，利用各區客流量求取各區電梯需求量，比較評價值，將電梯群實現最優分配給各區。靜態分區是將樓層平均或近似平均地連續分成若干個區域n。評價函數主要追求第k區域相對j號電梯的候梯時間（WTkj）和j號電梯相對第k區域的能源損耗（Ekj）兩個目標。

根據上述兩個目標，取j號電梯相對k區的評價函數：

式中，k=1、2、3，分別對應1，2，3區。

a1、a2、a3（a1+a2+a3=100）分別為三個目標的權重，不同的權重代表對三個目標側重不同的分區模式（空閑客流分區模式、均衡客流分區模式、高峰分區模式），系統智能化地根據客流量的大小來模糊判斷當前系統分區模式[10,11]。高峰分區模式：a1=50、a2=50、a3=50；空閑客流分區模式：a1=20、a2=0、a3=80；均衡客流分區模式：a1=33、a2=33、a3=34。利用評價函數得到評價值，例如：6部10層，靜態分區為3個區域的系統是18個評價值。利用評價值梯度分配函數處理評價值，分配給各區域最優電梯[9]。

評價值梯度分配算法是搜索評價值中的最小值，將最小值對應的電梯分配給該值對應的區域。例如：

2 算法的實現算例

將t時刻電梯群狀態圖1中的相關信息提取出來，如表2，并計算出和評價值，如表3～4所示。

表2 各電梯運行狀態

表3 候梯時間和乘梯時間計算結果

表4 能源消耗和電梯評價值計算結果

除表2信息之外，還有客流量信息：Pf1=3，Pf2=0，Pf3=2，Pf4=4，Pf5=0，Pf6=1，Pf7=0，Pf8=1，Pf9=2，Pf10=2。

再根據客流量信息可計算第k區域電梯需求量Qak得：

表5 各電梯區域分配結果

3 算法仿真實現

電梯仿真系統所使用控制器為S7_1200，被控對象為6部10層電梯群。其他參數為：設置運行時間：10 min；總人數：200；開、關門時間：14 s；運行一層所花費的時間：4 s；單部轎廂載重：1000 kg；單部轎廂定員：13人。對于呼梯信號分配算法，仿真中統一采用多目標規劃電梯群控算法[1]，仿真了靜態分區和所提到的多目標動態電梯群分區算法。

靜態、動態分區下多目標參數的積累量及運行效果見表6。從表6仿真結果來看，在加入多目標電梯群分區算法后，在運輸總體效率上有了很大的提升，相同時間運輸的乘客數量有了很大的提高。在具體參數方面，乘客平均候梯時間從101.09 s優化至45.84 s，乘客長時間候梯率從51%優化到30%等，各指標都有了很好的改善。

表6 靜態、動態分區下多目標參數的積累量及運行效果

4 結論

本研究提出的考慮客流模式、乘客候梯時間、乘客乘梯時間和能源消耗指標的多目標電梯群分區算法，該算法利用客流量計算得到每個區域對電梯臺數的需求。電梯群系統智能識別交通模式、各區客流中心以及各電梯狀態，進而求取乘客候梯時間、乘客乘梯時間和能源消耗，計算評價值，最后比較評價值和各區電梯臺數需求，確定電梯群分區。

本研究將多目標算法應用于電梯群分區，考慮因素全面，經算法編程實現，并將靜態分區和多目標動態電梯群分區算法在電梯仿真系統運行，效果有了顯著改善，具有工程實際參考意義，起到節能減排作用。