摘 要：群控系统" title="电梯群控系统" target="_blank">电梯群控系统的设计与实现。阐述了系统总体结构、系统功能、软件结构、设计思想及群控系统中的客流仿真和电梯运行仿真设计。
关键词：电梯群控 监控 模块设计 仿真
随着高层建筑和智能化建筑不断出现，人们对电梯服务质量提出了越来越高的要求，单台电梯往往不能满足建筑内的交通需求，需要合理安装多台电梯。安装在一起的多台电梯要求单台电梯的控制系统相互联动，且具有监控系统。但仅用这种方式不能适应客流量的急剧变化，无法改善在某段时间内必然出现的长时间候梯现象。为解决这些问题，多台电梯的优化调度系统，即电梯群控系统应运而生。
电梯群控系统是通过对电梯群运行状态进行实时监测与分析，再根据不同的实际情况对各电梯进行优化调度和合理分配，进而改善和提高电梯系统服务质量和服务效率。
1 群控系统结构
1.1 系统总体结构
群控系统的总体结构如图1所示，整个群控系统分为３个层次：数据采集层、通信层和群控层。数据采集层采集电梯系统的状态信息；通信层实现群控层与数据采集层间数据的双向通信；群控层则负责实现对电梯系统的群控功能。
这种结构中各电梯控制器相对独立地采集内选信号和外呼信号，再通过系统软件将呼叫信息传送给上层的群控调度机。当群控调度机工作正常时，电梯系统以较高效率和性能运行，更好地满足乘客需求；而当群控调度机出现故障时，电梯系统中各台电梯仍可由各自电梯控制器控制正常运行。这种结构与以往的群控系统中群控调度机统一接受乘客厅外呼叫信号并进行分配的结构相比有了改进。虽然这种结构相对降低了效率，但有效地防止了电梯系统瘫痪，较好地保证了电梯系统的安全可靠性和高效能性。
1.2 系统功能
电梯群控系统是对电梯群的运行进行合理分配和优化调度的控制系统。该系统可以采集到每个电梯的实时状态信息,并可以对电梯进行统一调配,使电梯群合理运行。系统具有如下功能:
(1)数据采集功能
调度系统能够实时检测电梯系统中每一台电梯的运行状态,如每台梯的现行位置、运行方向、载重、速度、梯内呼叫信号等,并将这些信息传到上层软件,进行相应的调度处理或者显示处理。
(2)数据通信功能
电梯群控系统要实现对电梯运行的合理分配和优化调度,就要在上层调度软件和底层电梯控制器间建立信息通道,实现双向通信,进行信息数据和控制命令的传输。
(3)控制功能
群控系统中,各台电梯对厅外呼叫信号的响应是由系统统一进行分配的。每个厅外呼叫信号并不是直接派给乘客所呼叫电梯的控制器,而是先送到群控调度模块,调度模块根据各梯的现行状态信息,采用一定的调配策略,用算法分析出哪台梯响应此呼叫信号会使电梯系统得到最优的性能,再将此厅外呼叫信号分配给该电梯控制器。因此,系统具有对电梯控制器进行控制的功能,命令某电梯去响应某个厅外的外呼信号。
(4)预估计算功能
群控系统对大厦中电梯系统所处的交通状况进行分析,比如客流量以及客流分布、电梯状态以及电梯分布等。通过分析可以对乘客呼叫、轿厢人数、电梯下一站响应情况等进行预测,然后根据一定的规则和策略对各梯工作进行协调调度,使电梯系统得到最优的运行。
(5)监测显示功能
系统可以对每台梯的现行位置、运行方向、载重、速度、梯内呼叫信号、响应情况等信息以及对每个乘客厅外呼叫信号的派梯结果进行实时检测,且在主界面上显示。
(6)自学习功能
电梯群控问题仅仅依靠数学描述来实现是不够的,还需要采用对经验知识进行学习、使用和获取的方法,即系统的自学习。
虽然电梯交通系统存在大量的不确定性,但是在一段相对较长时间内仍然较有规律性。对于任何一幢大楼,都有一定的工作周期,在不同周期的同一时间会存在相似的系统状态和系统输入。故通过统计电梯运行各时间段的各参数可以实现群控系统的自学习。例如统计每一天各时间段内的客流量,则可以分析出各楼层何时处于高峰请求期,以便于将电梯优先调度到该楼层,以减少等待时间。通常电梯运行的交通模式可以分为上行高峰、下行高峰、空闲和正常工作模式。电梯的调度可以根据不同模式进行适当的调整。例如在上行高峰模式下,基站等候的乘客多,应使电梯尽快地到达基站以减少乘客的平均等候时间和长时间候梯率;而在空闲模式下则可以适当减少运行电梯的台数,以节约能量。
1.3 系统软件结构及设计思想
在设计电梯群控系统时,为了使系统具有良好的灵活性、可操作性以及可扩充性,系统采用模块化的设计思想。系统的不同功能由不同模块实现。这样的结构设计,使系统在硬件结构发生变化或系统需求发生变化的情况下只需要对相应模块作少量改动就可以适应变化,而无需重新设计整个系统。群控系统软件结构如图2所示。
(1)通信模块
不同电梯厂家的电梯控制器可能不同,因此采用的总线通信方式不同。一般的总线通信分3种:RS-485总线、RS-232总线以及CANBUS总线方式。
为了实现群控系统的通用性和灵活性,将通信模块设计为动态链接库的形式,对3种总线方式分别设计。群控系统根据实际情况调用适当的通信模块,完成电梯控制器和上一层的通信。
(2)硬件通信管理模块
不同的总线方式,其通信协议不同。对于上层软件,提取下层信息或者传送命令到下层时需要采用不同的通信协议。对主程序来说,只需根据事件发出消息或命令,而无需作进一步解释就可以达到目的。为此,结合面向对象的思想,将通信的解释专门用一个模块来实现,使其独立于主程序。主程序只需面对电梯的相应状态和控制命令,中间过程则透明化了。
(3)信息查询和提取管理模块
通信模块的设计使主程序和不同的电梯控制器间能够实现数据的正确传送,主程序收到的只是表示电梯运行状态的一些数据帧,还需要进一步处理。因此,设计了一个专门模块对状态信息进行查询和提取处理。
该模块收到主程序的查询命令后,根据硬件决定的通信协议将命令封装后送到底层。另一方面,接收从底层传来的数据,根据相应协议将所需信息提取出来,例如某台电梯当前所在楼层、内呼信息等,再将这些信息传送给主程序。因而对主程序而言,如同直接面对电梯对象,可以直接看到电梯状态。
(4)群控系统总控模块
群控系统总控模块是程序的主体部分,它为各个功能模块提供了接口,实现了系统的链接和整合,使系统完成通信、监测、控制以及显示等功能。总控模块主要工作是将厅外呼叫信息交给群控呼叫分配模块,确定最优响应梯,同时实时监控电梯系统运行状态并且显示。
(5)群控呼叫分配模块
电梯厅外呼叫信息有2种方式:集选呼叫和非集选呼叫。集选呼叫是大厦每一层只有一个呼叫板,乘客的外呼请求服务信息由该采集板统一采集送到群控系统进行分析以及派梯。而非集选分配则是大厦每一层各台电梯有自己的呼叫板,乘客可以选定任一梯请求服务,但系统仍然要将该信号送到群控模块处理,确定究竟由哪台梯响应乘客的请求。
群控呼叫分配模块是群控系统的核心部分。电梯系统每收到一个呼叫信息,即时通过通信模块传到分配模块。分配模块通过群控调度算法确定出响应梯号,传送控制命令到底层,将呼叫信号分配给响应梯的控制器。在非集选方式下,还要发一个控制命令给最初得到外呼请求的电梯控制器取消其收到的服务请求。
群控模块还包括一个显示模块,动态显示呼叫信息和各台电梯响应状态。
(6)群控电梯运行状态监控模块
状态监控模块是对电梯群的运行状态进行监测和实时显示。它的实现是通过循环发出查询命令,查询到电梯的实时状态信息,解读后在界面上显示。
一个好的软件应具有友好的人机界面,由于监控系统直接对现场的目标进行监测和控制,因而要求数据显示直观、醒目,能随着被监控对象状态的变化而变化,从而实现由计算机画面的实时变化来真实地反映动态的运行过程。显示界面主要显示电梯的实时运行情况,即开关门状态、上下行状态、到达楼层高度、每层的呼梯、电梯锁梯等。
2 群控系统中的虚拟仿真
在群控算法的设计过程中需要测试群控算法的性能。虽然将群控算法加入到实际的群控系统中调度电梯的方法,能测试算法的性能,但这样做显然代价太高,不仅会影响到使用该电梯系统的工作,而且一旦算法失败,可能会给系统带来较大损失。故从电梯系统的特性出发,在考虑其安全可靠性和运行成本的前提下,进行系统设计时,采用计算机建立虚拟仿真环境来模拟产生数据的方法。
群控系统的仿真环境主要包括客流仿真和电梯运行仿真。
电梯客流分析的目标是确定每个乘客的到达时间、出发楼层和目标楼层。这些信息是进行电梯交通分析和研究电梯群控调度算法以及进行系统仿真所必须的。建立客流仿真模型首先要确定乘客的到达时间模型,确定何时电梯被请求服务;然后,根据起始密度向量和起始目标矩阵来构造乘客的起始楼层和目标楼层,即确定了厅外呼叫来自哪一层以及其方向和电梯的内选信号。
验证群控调度算法时,除了模拟客流到达请求服务的情形,还需要模拟电梯群的运行状态。电梯运行仿真模型是模拟实际电梯运行过程,为电梯群控系统上层软件提供数据,故其功能与实际电梯功能类似。模型具有自动运行、响应厅外呼叫请求、响应内呼请求、自动停站和开关门、自动调速、满载处理等功能。
3 结束语
本文对电梯群控系统的结构、软件构成及设计思想、实现方法进行了阐述,在实际应用中具有可靠、实用、易扩展、易实现的特点。但建立电梯群控系统是一项复杂的系统工程,随着网络技术、诊断技术、人工智能技术的飞速发展,智能调度技术也日新月异,从而使系统中的许多工作都要进一步深入研究。
参考文献
1 张学军,谢苗苗,谢剑英.电梯控制系统的面向对象分析与实现.测控技术,1999;18(12)
2 郑延军,张惠侨,叶庆泰等.电梯群控系统客流分析与仿真.计算机工程与应用,2001;(22)