一種面對負載波動的電梯動態調度方法與流程

2023-08-11 09:38:14 3

本發明屬於電梯控制
技術領域：
，具體涉及一種電梯動態調度方法。
背景技術：
：當今的建築中往往採用多個電梯來服務整棟大樓，在多個電梯運行的條件下，一個電梯可以只服務於一些特定的樓層，只要保證每個樓層至少有一個電梯可以到達即可。但是，如何決定這些電梯的服務樓層變成了一個至關重要的問題。我們稱該問題為服務範圍分配問題，也就是說，調度方案要確定每一個電梯的服務樓層。用戶需要一種最佳的服務範圍分配，使電梯的吞吐能力最大化。現有技術的第一種電梯分配方案如圖1(a)所示，所有的電梯服務於所有的樓層，即全服務方法。該電梯分配方案在一些高度比較低但流量比較大的建築物(大商場)中使用的還比較多，但是對於一些現在的高層建築來說，這種方案可能就不合適了。具體的來說，這種方案會使得電梯在運行過程中停留的次數過多。例如：假設現在有一個20層的大樓並安裝有4部電梯，每一部電梯的服務範圍都是1到20層。假設一個電梯能容納12人，並且每一個人進入電梯後想去的樓層都是隨機的。在這種情況下，假設電梯e在第一層接了12人進入電梯，那麼電梯e在上升的過程中，由於這12個人去的樓層和可能大不相同，所以電梯需要多次停下來以等待乘客出電梯。事實上，通過概率計算，其停止次數的期望為9.19層。在最壞的情況下，這部電梯需要停12次(不考慮上升過程中接人的情況)。由此可見，第一種電梯分配方案的電梯運行效率是非常低的，因為它經常需要為了一個乘客出電梯而停下來。並且這個現象會隨著樓層的增高變得更加嚴重。另外，由於不同樓層在不同時段的請求數量是不一樣的，並且該方案的服務範圍是永久固定的，因此不能適應多變的外部請求。第一種電梯分配方案主要存在以下幾個缺點：1、電梯的運行效率很低，電梯在運行的過程中平均停留次數很多。2、電梯的服務範圍永久固定，不能適應隨時間不斷變化的外部請求。現有技術的第二種電梯分配方案如圖1(b)所示，每一個電梯分別服務一部分樓層，並且每個電梯服務的樓層數量都是相同的。值得注意的是，這種方式一般要求所有電梯都停一樓，否則用戶無法通過乘坐一個電梯到達比較高的樓層(比第一個電梯服務的最高樓層還要高的那些樓層)。當每個樓層在一段時間內想搭乘電梯的人數相近時，第二種電梯分配方案能有效應對這種情況，並且可以達到較大的吞吐能力。但是在現實生活中，每個樓層一段時間內的請求數量顯然是不一樣的，當某一個樓層的請求量特別大的時候，這種方式的吞吐能力比第一種電梯分配方案還要差。特別地，當某一個電梯因為某種原因故障了的時候，這將會導致某些樓層無法到達，容錯能力很差。此外，由於第二種電梯分配方案也是採用恆久不變的方式來管理這些樓層，它也不能適應外界變化的請求。第二種電梯分配方案主要存在以下幾個缺點：1、電梯在各個樓層請求數量不均勻的時候，吞吐量很差。2、電梯的服務範圍永久固定，不能適應隨時間不斷變化的外部請求。3、電梯系統的容錯能力很差。技術實現要素：針對現技術存在的問題，本發明所要解決的技術問題就是提供一種面對負載波動的電梯動態調度方法，它能均衡每一個電梯的負載，提高電梯系統的吞吐量；能動態地適應隨時間變化的樓層請求數量；具有優良的容錯能力。本發明所要解決的技術問題是通過這樣的技術方案實現的，它包括以下步驟：步驟1、控制器收集電梯的運行信息；步驟2、檢測是否有電梯出現故障、判斷電梯服務範圍分配的時間是否達到預設值；二者皆為否，則程序結束；步驟3、依據電梯運行開銷數學式，確立電梯分配算法對電梯服務範圍進行分配；步驟4、控制器發送控制信號重新調整每一個電梯的服務範圍；步驟5、電梯收到控制信號後，在完成調整後發出確認信號到控制器。本發明的技術效果是：實現了電梯的服務範圍動態的變化，使每一個電梯的負載儘可能相等，提高了電梯系統的吞吐量；且通過重新分配服務範圍的方式，提高了容錯率和可靠性。附圖說明本發明的附圖說明如下：圖1為現有電梯群的服務範圍分配方案示意圖；圖2為本發明應用的一種電梯系統分布圖；圖3為本發明的流程圖；圖4為本發明第一種電梯分配算法的流程圖；圖5為本發明第二種電梯分配算法的流程圖。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明：為了能夠應對乘客們對電梯日益增長的巨大需求，並且隨著嵌入式系統的發展，當今的建築中往往採用電梯群控系統(elevatorgroupcontrolsystem簡稱電梯系統)來服務整棟大樓。電梯系統一般由多個電梯和一個控制器組成。本發明的一種應用場景如圖2所示，它由四個電梯和一個控制器組成的電梯系統。在這樣的電梯系統之中，位於每個電梯上的嵌入式系統可以監控每一個電梯的運行情況，例如一段時間內每一個樓層的請求數量等信息。電梯會周期的將這些信息通過確認信號發送給控制器。控制器從電梯中收集這些信息，並以此來控制電梯的運行狀態以及服務樓層等。本發明以電梯系統的壽命為優化目標，希望電梯系統中的每一部電梯在一段時間內的載客量以及運作的時間(不包括電梯靜止的時間)相似。為此，本發明建立了一個計算電梯運行開銷的數學式來衡量不同的電梯分配方案對電梯的影響：式(1)中，ei為第i個電梯；l(ei)為電梯ei的整體開銷；lc為電梯向上或向下移動一層的固定時間開銷；hfi為電梯ei服務的最高層；lfi為電梯ei服務的最低層；oi為電梯ei服務的樓層集合(樓層可以是不連續的，如2，5，6，8層)；|oi|表示集合oi裡面的元素數量，也就是電梯ei服務的樓層數量；rf為一段時間內第f層要乘電梯的人數(請求數量)；nf為在第f層提供服務的電梯的數量；oc為電梯ei服務1層樓的時間開銷(開關門)；α為權重係數。在式(1)中，電梯ei從最低層lfi上升到最高層hfi需要的時間為lc×(hfi-lfi)。除去電梯上升下降的時間，電梯還需要在其服務的樓層上下乘客，這將會導致額外的開關門以及停留時間，在式(1)中，oc×|oi|衡量了這一部分時間。另一部分衡量了電梯載客量的多少，對於電梯ei服務的每一個樓層f，如果有多個電梯服務該樓層，本發明假設所有電梯均分樓層f的乘客。因此電梯ei在樓層f所需要運載的客人數即為將所有服務樓層所需要運載的客人數量加起來，衡量了電梯ei載客量的多少。最後，由於時間和載客量的量綱不同，再添加一個權重因子α將這兩部分組合在一起，稱為電梯ei的開銷。下面舉例介紹式(1)的計算過程。假設電梯上升或下降一層的時間lc為3秒，在一層樓停留以及開關門的時間oc為10秒，權重因子α＝1。電梯1服務樓層o1為1-10樓，電梯2的服務樓層o2為9-15樓以及1樓，該建築共有15層，一段時間內各個樓層的請求數量如下表所示：樓層123456789101112131415請求數量313328361614211926141129323012針對電梯e2的開銷：由於該電梯的最低和最高運行樓層為1樓和15樓，因此電梯e2從最底層需要向上移動14層才能到達最高層，帶來的時間為14*3＝42秒。與此同時，該電梯一共服務了8個樓層，帶來的開關門以及停留時間為80秒，所以其時間開銷一共為122秒。接下來，計算該電梯的載客量。在電梯e2的服務樓層中，由於1，9，10三層樓兩個電梯都服務，所以按照假設電梯e2隻承擔一半的用戶請求，由此得到：因此，按照式(1)計算出電梯e2的開銷l(e2)為1*122+149.5＝271.5，同樣地，能夠算出電梯e1的的開銷l(e1)。依據式(1)計算，控制器從每個電梯收集的信息來為每一部電梯決定其最優的服務樓層範圍，使每一個電梯的開銷幾乎一樣。延長整個電梯系統的壽命，避免出現一部電梯經常壞掉的情況。本發明提供的一種面對負載波動的電梯群動態調度方法，如圖3所示，包括以下步驟：步驟301、電梯上的嵌入式系統實時監測電梯的運行信息，控制器收集一段時間內每個樓層的請求數量信息；電梯的運行信息包括電梯在每一個樓層的上下電梯的乘客數量(通過重量傳感器、攝像頭等設備可以獲取)，將這些信息發送給控制器；控制器收集會匯總這些信息，便可以獲得一段時間內每個樓層的請求數量信息。步驟302、控制器檢測是否有電梯出現故障，如果是則轉步驟304；如果否，則轉步驟303；故障檢測包括但不限於檢測電梯是否周期性的發送了確認信號。如果控制器在一定的時間沒有收到電梯的確認信號，那麼控制器將會認為該電梯已經損壞，需要運行後面的程序步驟，立即重新分配每一部電梯的服務範圍。如果電梯距離上次服務範圍分配的時間已經達到了預設值，那麼控制器也需要運行後面的程序步驟，進行服務範圍的重新分配。步驟303、控制器檢測距離上次服務範圍分配後，電梯的運行時間是否超過或等於預設值；若是，則執行步驟304；若否，則執行步驟307；步驟304、依據電梯運行開銷數學式，確立電梯分配算法對電梯服務範圍進行分配；電梯分配算法的輸入是在一段時間內每一個樓層的請求數量；輸出為每一個電梯應該服務的樓層範圍。步驟305、控制器發送控制信號重新調整每一個電梯的服務範圍；步驟306、電梯收到控制信號後，並在完成調整後發出確認信號到控制器；步驟307、程序結束。控制器通過運行上述所有步驟完成一次電梯服務範圍分配；控制器每隔一定的時間又收集電梯的運行信息，再運行上述所有步驟，又一次實施電梯服務範圍分配；這樣，根據負載變化的波動，動態調整電梯分配方案，避免了現有技術電梯的服務範圍永久固定，不適應負載請求變化的問題。由於本發明具有極快的執行速度，控制器可以每隔一定的時間根據收集的信息來重新分配最優的服務範圍。因此本發明可以使得電梯系統能快速適應外界不斷變化的請求。此外，當有一部電梯壞掉了的時候，控制器可以使用本發明重新分配最優的服務範圍，從而達到高容錯率和高可用性。上述步驟304中，第一種電梯分配算法稱為動態規划算法，其流程如圖4所示，該流程包括以下步驟：步驟401、輸入每一個樓層在一段時間內的請求數量時間為任意的時間長度值；時間長度越短，說明電梯系統適應變化的能力越強。步驟402、建立動態規劃表格d和回溯信息表格t動態規劃表格d和t大小至少為n×f，其中n是電梯的總數量，而f則是樓層的總數量。每個單元d(i,j)紀錄了用i個電梯服務前j個樓層時這所有i個電梯的最大開銷。每個單元t(i,j)紀錄了用i個電梯服務前j個樓層時，第i個電梯服務的樓層範圍。步驟403、初始化動態規劃表格d和回溯表格t的第一行；即d(1，j)和t(1，j)，其中j的範圍從1到f；用一個電梯服務j個樓層的按公式(1)計算電梯運行開銷，由於只有一個電梯，電梯服務前j個樓層的開銷為：由於只有一個電梯，電梯服務樓層範圍為1到j樓，因此t(1,j)＝(1，j)。步驟404、計算動態規劃表格d中其他單元d(i,j)和回溯表格t中其他單元t(i,j)的數值；每個單元d(i,j)的數值按如下公式遞推：式(2)中，i的值從2到n，j的值從1到f。由於d(1,j)已經知道了，在計算d(2,j)時，也就是說用2個電梯服務前j個樓層，式(2)的算法遍歷第二個電梯e2服務的樓層範圍。也就是說，在式(2)中，本算法遍歷第二個電梯所有可能的起始樓層k，也就說讓第二個電梯服務於樓層[k，j]，那麼其帶來的開銷可以根據公式(1)算出，即為：在上式裡，出於實際情況考慮，假設每一部電梯都服務於1樓，所以電梯上下的時間開銷就是lc×(j-1)，而不是lc×(j-k)；開關門的時間開銷為j-k樓層的數量加上1樓，所以oc×(j-k+1)。第一個電梯e1服務樓層即為[1,k-1]並且其對應的開銷已經記錄在d(i-1,j-k)裡面了，算出這兩者的最大值，就可以獲得當前分配下已分配電梯的最大開銷。為了最大的開銷最小，本步驟便利用所有的起始樓層k，選取使系統最大開銷最小的那個樓層，記為k'。因此，在這個情況下，第二個電梯e2的最優服務樓層範圍為[k',j]樓層，記錄該信息於回溯表格t中，即t(2,j)＝(k',j)。由此可以看出，在計算d(2,j)的時候，只需要已經計算出來的d(1,j)的那些數據即可根據公式(2)算出所有的d(2,j)單元。依次類推，可以一次算出d(3,j),d(4,j)直到d(n,j)。也就是說整個動態規劃表格可全部計算出來。t(i,j)裡存儲的第i個電梯ei的最佳服務範圍，記為(k,j)。步驟405、利用構建好的回溯表格t得出最優的範圍分配；首先初始化當前電梯數量i＝n，當前樓層數量j＝f。步驟406、如果i＞0，讀取回溯信息表單元t(i,j)的值，即t(i,j)裡存儲的第i個電梯ei的最佳服務範圍，記為(k,j)；否則執行步驟409；步驟407、根據步驟406得到的信息，確定第i個電梯的服務範圍為[k,j]樓層；步驟408、電梯數量減1，樓層數量變為k-1，即i＝i-1,j＝k-1，執行步驟406；步驟409、程序結束。動態規划算法屬於各電梯服務範圍不相交的最優算法；與
背景技術：
中第二種均勻分配且固定的不相交的方案相比：動態規划算法得出的服務範圍考慮到了每一個電梯的開銷，根據樓層的請求數量決定電梯的服務樓層，不會出現一臺電梯很忙，其他電梯空閒的情況；也就是，根據請求數量能夠進行動態的調整。下面為第二種電梯分配算法，屬於電梯服務範圍重疊的分配方法，能對上述動態規划算法得到的服務範圍進行優化，該流程如圖5所示，包括以下步驟：步驟501，輸入每個電梯當前的服務範圍服務範圍可以是
背景技術：
中第二種均勻分配服務範圍，也可以是上述動態規划算法得到的服務範圍。步驟502，按公式(1)計算當前分配方案中每一個電梯的開銷；選出全部電梯中的最大開銷，記為pc；步驟503，記錄最大開銷的電梯編號i；步驟504，將第i-1電梯(運行在第i電梯下方的電梯)服務最高樓層加1；步驟505，利用公式(1)對步驟504的分配方案重新計算所有電梯的最大開銷，記為lc；此時存在多個電梯運行在同一個樓層，所以nf的值可能大於1；步驟506，將第i+1電梯(運行在第i電梯上方的電梯)服務最低樓層減1；步驟507，利用公式(1)對步驟506的分配方案重新計算所有電梯的最大開銷，記為rc；步驟508，在lc和rc中選擇一個較低的開銷，記為mc；步驟509，若mc小於pc，表示得到了一個更優的解，則執行步驟510；否則，表示沒有更優的解，執行步驟511；步驟510，pc＝mc，給pc賦值小的開銷，更新分配方案；執行步驟502，繼續進行優化；步驟511，程序結束。本發明的優點是：1、電梯系統的吞吐量增大本發明能保證所有的電梯運行開銷最小，也就說每一個電梯的負載都差不多。因此不會出現一個電梯很忙，其他電梯很空的情況，可以大大的增加電梯的吞吐量。2、乘客的平均等待時間可以降低因為電梯系統的吞吐率大大提高了，因此一定時間內可以運載的乘客數量可以大大增加。從另一個角度來說，乘客們的平均等待時間可以降低。3、電梯系統可以適應多變的乘電梯需求控制器通過電梯周期返回的信息每隔一定時間調用範圍分配算法重新分配所有電梯的運行範圍，因此可以應對某個樓層的需求量突然變大的情況。4、電梯系統有極強的容錯能力並提供高可用性控制器可以檢測電梯是否已經出現故障，若發現有電梯出現了故障，控制器可以馬上重新分配現在正常工作的電梯的工作範圍從而進行容錯。當前第1頁12