基于冒泡法的电梯群控策略研究

李健

随着经济的不断发展，以及城市地价的不断上升，新建建筑的高度越来越高，这使得电梯的应用越来越广泛，其控制也越来越复杂［1］.

当前电梯及其控制技术正处于飞速发展阶段，虽然电梯的硬件技术随着科技发展已有大幅度进步，但多个电梯的群控问题并没有得到完美解决.优秀的电梯群控算法不仅可以减少用户的候梯时间，提高电梯运行效率，还可以减少不必要的能源损耗，进而大大降低电梯的运行与维护成本.因此电梯智能群控技术在控制多部电梯中的应用变得越来越普遍，也越来越重要［1-3］.

电梯群控系统主要由电梯轿厢、单部电梯控制器、群控制器、层站呼梯系统、通信系统，以及其他辅助设备（监控设备、显示设备等）组成［4］，其结构原理图如图1所示.

图1 电梯群控结构图

由于电梯群控本质上是对电梯最佳响应的控制，即通过相应的控制算法实现以最短的候梯时间、最佳的运行路线完成用户对电梯呼叫的响应，提高电梯运行效率和用户乘梯体验.因此，乘客候梯时间、电梯运行总距离、电梯（曳引机）启停次数多少是衡量电梯群控效果优劣的重要指标.

电梯群控的最终目标是为了协调多部电梯高效工作，尽最大可能缩减乘客候梯与乘梯时间，提高电梯群运输能力与效率［5］.由参考文献［6］可以得知目前电梯使用最多的群控算法主要是模糊控制算法.相比最早使用的基于专家系统的电梯群控算法，模糊群控算法克服了基于专家系统的群控算法易受到知识源全面性影响、控制规则过多等问题，使得乘客候梯时间大幅度减少.但在实际运行中，由于模糊控制算法没有学习功能，有些规则无法确定，因此电梯群控不容易跟上建筑需求的变化，很难实现既定控制目标下的最优调度问题.近些年来，有研究人员将神经网络应用于电梯群控技术，实现了一些突破，但也带来了电梯控制器的控制程序设计过于复杂等问题.

针对模糊电梯群控算法存在的不足，笔者将计算机技术中常用的冒泡排序法应用于电梯群控设计.在计算机技术中，冒泡排序的基本原理是重复读取要排序的元素列，依次比较两个相邻的元素，如果顺序（如从大到小）错误就把他们交换过来.走访元素的工作是重复地进行直到没有相邻元素需要交换，这时排序完成，其工作逻辑如图2所示.

图2 冒泡排序工作逻辑图

由于电梯群的运动与响应本质也是一种比较与排序，因此可以将电梯群控逻辑大致设定为：当电梯系统收到电梯层呼叫信号后，识别其呼叫楼层和呼叫上行或是下行，假设外呼上行，则首先判别当前运行的电梯所处的楼层和运行状态，优先调用低于呼叫楼层且处在上行过程中的电梯，若是存在多部满足此条件的电梯，则将电梯当前所在楼层与呼叫楼层相减，其结果大小采用冒泡排序，使楼层差值最小的电梯响应外呼信号.若不存在此情况则调用当前无上下行状态电梯，其调用过程仍然是将外呼楼层与当前电梯所处楼层进行相减，对其结果同样进行冒泡排序，其控制逻辑如图3所示.

图3 电梯控制逻辑图

至于电梯自身的响应控制逻辑，应当是将外呼信号和满足电梯控制逻辑而参与到群控派梯的电梯所在楼层进行做差，对做差结果进行冒泡排序，从而实现以最低耗时进行派梯，实现电梯的高效控制，电梯冒泡排序响应控制逻辑如图4所示.

图4 冒泡响应控制逻辑

电梯响应从本质上来讲是对群控结果的响应，也是整个系统对每个单步电梯的控制结果.就其功能而言，系统需要实现电梯的运载行为，包括开关门控制、高低速转换、制动停车、群控信号与内呼信号响应等.因此，为实现电梯自动运行到目标层进行开关门操作，之后载客将乘客安全送往目标层的功能，可将控制流程设计为图5所示.考虑到突发情况，其控制功能应适当增加以满足可以根据不同的需求对运行状态进行改进.如：对内外呼指令中容易出现的人为误操作信号进行对应的判断并屏蔽错误信号；
在电梯运行过程中如长时间无指令或外呼信号，电梯轿厢的相应设备能够暂时休眠并在有信号来时结束休眠.

图5 电梯功能控制流程图

对于误呼的清除屏蔽，可以考虑为：当按下内呼按钮，内呼指示灯立刻亮起，当识别到平层信号或未达到平层时再次按下内呼按钮则取消内呼，以此来减少因误操作而导致的非必要停层，提高电梯运行效率，控制逻辑流程如图6所示.

图6 电梯内呼控制响应逻辑

电梯休眠控制较为简单，只需对电梯待载时间进行计时，时间超过一定量时电梯进入休眠状态，当有外呼时结束休眠，采用中断逻辑控制方法即可解决，无需做过多研究.

笔者使用Elevator Simulation软件，并通过以太网链接计算机，在计算机上安装并配合使用博途V14软件编程，构造出了六台十层电梯（单位层高设置为3 m，电梯运动中暂时停靠某一层的逗留时间统一设置为6 s，开关门时间为4 s），仿真实验中设置20次不同的外呼与内呼，并对六台电梯分别进行基于模糊群控算法和冒泡排序群控算法上编出的程序调试，对比两种不同算法编程下电梯的运行效率.其对比的评价指标包括：相同外呼与内呼条件下的平均候梯时间、电梯运行总距离、电梯启停次数、长时间候梯率（本次实验中设定外呼45 s以上电梯尚未到达为长时间候梯）.其仿真实验界面与实验结果分别如图7和表1所示.

图7 电梯群控系统监控界面

表1 仿真实验中不同群控算法的电梯运行评价指标对比

由表1可知，冒泡排序群控算法相较于常用的模糊群控算法，在相同的外呼与内呼条件下，较为明显地减少了乘客的平均候梯时间和长时间候梯率，同时也使得电梯运行总距离与启停次数大为减少，从而可以提高电梯的使用效率，减小能源损耗与运行成本，并且能使乘客拥有更好的乘梯体验.

电梯的群控问题在建筑智能化与楼宇自动化技术不断发展的今天变得日益突出与重要.将计算机技术中的冒泡算法引入电梯的群控设计并以此为基础对电梯控制器进行编程，通过仿真实验的对比可以看出，冒泡群控算法在改善电梯群控的各项性能指标方面都明显优于模糊群控算法，因此具有良好的应用前景与推广价值.