群控高峰期动态分区节能电梯调度方法 【技术领域】
本发明涉及电梯领域， 尤其涉及一种群控高峰期动态分区节能电梯调度方法。背景技术 近年来随着高层建筑的不断激增， 电梯的需求量变得越来越大。 在很多情况下， 单 部电梯由于运载能力有限， 已很难满足高效快捷运送乘客的需要， 于是由多部电梯组成的 群控系统变得越来越普遍。
电梯群控系统是指在一座楼宇内安装多部电梯， 并将这组电梯与中央群控器连 接， 借助于群控器的管理调度来控制各单部电梯， 从而使整个电梯群更加高效地运行， 为乘 客提供更好的运送服务。
群控系统的核心是群控算法。分区调度方法是目前比较常用的群控调度方法之 一， 其原理是将楼宇中的所有楼层划分为不同的区域， 并指派各电梯分别负责服务不同的 区域楼层， 从而实现乘梯客流的分散调度， 以充分利用各部电梯的运载能力， 达到群控调度 最优化。静态分区或动态分区调度方法是较常见的两种分区方法。静态分区固定地指派不 同的电梯负责接送不同的候梯楼层， 而动态分区是对静态分区的一种改进， 可动态地调整 各电梯负责的分区楼层， 进行动态实时调度优化。但以上两法没有考虑节约电梯系统的整 体能耗问题， 无法有效指导电梯群控系统的节能调度。
此外， 高峰模式是电梯系统中最常见的交通模式之一， 主要包括上高峰和下高峰。 上高峰主要指大量乘客从楼宇底层上行去往不同楼层， 例如， 早晨的上班客流等 ； 而下高峰 主要指大量乘客从楼宇不同楼层下行去往底层， 例如， 傍晚的下班客流等。 上下高峰由于乘 梯人数众多， 如电梯群控调度不当， 将会造成非常严重的能源浪费。
发明内容
为克服现有技术的不足， 提供一种节能降耗， 尤其应对电梯运行高峰时的能耗高 问题， 本发明采取的技术方案是， 群控高峰期动态分区节能电梯调度方法， 借助于群控器实 现， 并包括下列步骤 ：
群控器将采集当前各电梯位置及运行方向， 由目的层预约板采集当前轿厢内外乘 客所有信息， 并依据最小化系统能耗原则对各电梯服务的楼层分区进行滚动动态优化 ； 动 态优化时， 群控器将分别计算当前分区下的系统总能耗， 上移及下移分区下的系统总能耗， 并对以上三能耗进行比较， 按能耗最小的分区方式对各分区进行动态分区调整， 以此来实 现高峰期群控调度的节能最优化。
上移及下移分区是指 ： 假设电梯配置于 M 层高的大楼内， 群控电梯部数为 N， 则每 部电梯负责的楼层数应为 层数亦为 由于每部电梯负责服务一个分区， 则每个分区负责的楼一般情况下， 根据群控电梯配置原则， M 应可被 N 整除， 如果不能整除， 则对各分区服务的楼层数进行适当增减， 上移分区是指将各电梯负责的分区楼层上移一层， 1、 2、 3 层组成的分区将变为 2、 3、 4 层， 4、 5、 6 层分区变为 5、 6、 7 层， 以此类推， 直至大楼顶部 的 M-2、 M-1、 M 分区变为 M-1、 M、 1 层， 即将所有楼层视为一个首层底层相连的动态分区环 ； 与 之类似， 对于下移分区是指将各分区楼层下移一层， 1、 2、 3 层组成的分区将变为 M、 1、 2 层， 4、 5、 6 层分区变为 3、 4、 5 层， 以此类推， 直至大楼顶部的 M-2、 M-1、 M 分区变为 M-3、 M-2、 M-1 层。
下高峰期间的总能耗 ：n(i) 为上高峰时各目的楼层的候梯人数， n(j) 为下高峰时各候梯楼层的候梯人 数， h(i) 为上高峰时各目的楼层距离底层的位移， h(j) 为下高峰时各候梯楼层距离底层 的位移， T(a) 为上高峰时负责该分区的电梯在此派梯周期内接送乘客所发生的总起停次 数， 为乘客平均质量， mcar 为空载轿厢质量， mcwt 为对重质量， 对重质量一般比空载轿厢重 40％ -50％， g 为重力加速度， Ec 为电梯进行一次加速起动及减速停止所需能耗常值， T(b) 为下高峰时负责该分区的电梯在此派梯周期内接送乘客所发生的总起停次数， p 为上高峰 最下分区的顶层楼层号码， q 为下高峰时最上分区的底层楼层号码。
本发明具有如下技术效果 ：
本发明借助于群控器根据系统能耗情况， 对各分区进行动态分区调整， 因而本发 明能对电梯尤其高峰运行时电梯运行的派梯发挥作用， 从而降低整个系统的能耗。
附图说明
图 1 电梯群控调度示意图。 图 2 节能动态分区算法流程图。 图 3 分区动态调整示意图。 图 4 上高峰期系统能耗计算流程图。 图 5 下高峰期系统能耗计算流程图。 图 6 算法仿真结构图。具体实施方式
在当今的楼宇中， 电梯群控系统已变得越来越普遍。群控系统的节能问题一直是 群控优化调度的一个难点问题。分区算法是目前较常用的群控调度方法之一， 但该方法并没有考虑如何通过有效调度来降低系统能耗。此外， 电梯高峰期是群控系统中最常见的交 通模式之一， 由于该模式下的乘梯乘客众多， 系统在高峰期往往耗能最多， 故如何有效处理 高峰期节能调度问题是群控节能派梯的关键所在。针对上述问题， 本发明提出一种面向节 能的动态分区派梯方法来解决群控高峰期的节能调度问题， 通过面向节能的分区调整原 则， 不断动态调整各分区负责的服务楼层， 实现群控系统的节能运行。在实际应用中， 只需 将本发明算法嵌入到控制楼宇多部电梯运行的群控器中， 即可有效降低群控电梯系统高峰 期耗能， 具有很好的应用前景与经济价值。
本发明以理论方法和虚拟仿真技术相结合为主要研究手段， 针对电梯群控高峰期 调度问题， 提出一种动态分区节能调度方法， 并通过计算机虚拟仿真进行了实验验证。
本节能动态分区方法将楼宇的所有楼层划分为不同的分区， 由不同的电梯负责服 务不同的分区， 在实际调度过程中， 不断地进行动态优化， 对各电梯负责的分区楼层进行不 断调整， 调整的依据是力求使各分区及系统总能耗最小化。
为了评价各分区方式下的系统能耗大小， 提出一种各分区能耗及系统总能耗计算 方法， 系统总能耗为当前分区方式下所有分区调度能耗之和。
此外， 考虑到高峰期调度的特点， 上高峰时大量乘客从底层去往上行不同楼层， 下 高峰时大量乘客从不同楼层去往大楼顶层， 故需要将上高峰与下高峰调度分别处理。在节 能动态分区调度时， 上高峰期间需按乘客的目的楼层分区， 下高峰期间需按乘客的候梯楼 层分区。 同时， 上下高峰分区及系统能耗计算方法也不相同， 故本发明分别推导了上下高峰 模式下的两种能耗计算方法。
最后， 借助于计算机虚拟仿真， 对本发明所提方法进行了仿真验证， 结果证明了本 调度方法可有效减少电梯群控系统在高峰期调度的能耗。
本发明提出的节能动态分区群控调度方法， 在开发的电梯群控虚拟仿真环境上完 成了软件实现并进行了仿真实验。在电梯虚拟仿真环境下设定了如下的仿真参数 ：
大楼及电梯环境参数 ： 楼层数 ： 24 层 ； 楼层高度 ： 门厅高度 4 米， 其余楼层 3 米 ； 电 梯配置 ： 4 台带有节能回馈功能的电梯 ； 电梯额定速度 ： 2.5 米 / 秒 ； 电梯加速度 ： 1米/秒 2 ； 电梯开关门时间 ： 1秒； 电梯额定容量 ： 12 人。
选用如下的几种典型的交通流模式进行仿真实验， 并将本算法与最小等待时间算 法、 静态分区调度算法做比较。
交通流 1 ： 上高峰交通模式， 在 10 分钟内到达 200 人 ；
交通流 2 ： 下高峰交通模式， 在 10 分钟内到达 200 人 ；
算法 1 ： 最小等待时间算法 ；
算法 2 ： 静态分区算法 ；
算法 3 ： 节能动态分区算法。
各算法仿真结果对比如下 ：
从实验数据可见 ： 在电梯群控系统上高峰与下高峰的调度中， 本发明提出的节能 动态分区算法的能耗指标始终优于其他调度方法， 同时本算法的平均候梯时间， 候梯时间 以及拥挤度指标与其他算法基本相当。 总之， 在高峰期的调度中， 本节能算法在不影响乘客 乘候梯时间及拥挤度指标的前提下， 最大限度地降低了电梯群系统的电能能耗。
下面再对算法的能耗性能指标进行定量分析 ：
在交通流 1( 上高峰模式 ) 下， 节能动态分区算法比最小等待时间算法少耗电 34.4％， 比静态分区算法少耗电 24.6％。
在交通流 2( 下高峰模式 ) 下， 节能动态分区算法比最小等待时间算法少耗电 50.0％， 比静态分区算法少耗电 44.5％。
下面结合附图对本发明作进一步详述。
本节能动态分区方法将楼宇的所有楼层划分为不同的分区， 由不同的电梯负责服 务不同的分区， 在实际调度过程中， 对各电梯负责的分区楼层进行不断优化调整， 调整的依 据是力求使各分区及系统总能耗最小化。为了度量各分区方式下的系统能耗大小， 本发明 提出一种各分区能耗及系统总能耗计算方法。
此外， 考虑到高峰期调度的特点， 上高峰时大量乘客从底层去往上行不同楼层， 下 高峰时大量乘客从不同楼层去往大楼顶层， 故需要将上高峰与下高峰调度分别处理。在节 能动态分区调度时， 上高峰期间需按乘客的目的楼层分区， 下高峰期间需按乘客的候梯楼 层分区。 同时， 上下高峰分区及系统能耗计算方法也不相同， 故本发明分别推导了上下高峰 模式下的两种能耗计算方法。
最后， 借助于计算机虚拟仿真， 对本发明所提方法进行了仿真验证， 结果证明了本 调度方法可有效减少电梯群控系统在高峰期调度的能耗。
参见图 1， 对于安装在楼宇中的多部电梯， 需要设置电梯群控器来进行优化调度。 群控器将根据外呼楼层及乘客情况， 各电梯当前运行状态及方向等， 由群控派梯方法做出 派梯决策， 即派哪部电梯去服务不同楼层的外呼乘客。
参见图 2， 根据本节能动态分区方法， 高峰期派梯将按如下流程实现， 系统将先进 行分区初始化。
由于交通流的上下高峰由于不同特点， 需要采用不同的节能动态分区方式调度。
上高峰时， 大量乘客从楼宇底层上行去往不同楼层， 群控调度时需按乘客的目的
楼层分区， 以分散乘客客流， 最大化各轿厢运载能力。否则若以候梯楼层分区， 一层候梯 的所有乘客将均搭乘负责底层所在分区的某一部电梯接送， 而其余群控电梯将处于空闲状 态， 这显然是不合理的。
与之相对， 下高峰时， 大量乘客从大楼的不同楼层去往底层， 群控调度时需按乘客 的候梯楼层分区。否则若以目的楼层分区， 则所有的下行乘客将均乘坐负责底层所在分区 的某一部电梯接送， 而其余电梯将闲置。
在每次进行派梯调度时， 群控器将采集当前各电梯位置及运行方向， 采集当前轿 厢内外乘客所有信息 ( 此信息可由目的层预约板技术等获得 )， 并依据最小化系统能耗原 则对各电梯服务的楼层分区进行滚动动态优化。动态优化时， 系统将分别计算当前分区下 的系统总能耗， 上移及下移分区下的系统总能耗， 并对以上三能耗进行比较， 按能耗最小的 分区方式对各分区进行动态分区调整， 以此来实现高峰期群控调度的节能最优化。
参见图 3， 对分区动态调整机制进行图示说明。假设电梯配置于 M 层高的大楼内， 群控电梯部数为 N， 则每部电梯负责的楼层数应为 区， 则每个分区负责的楼层数亦为 由于每部电梯负责服务一个分一般情况下， 根据群控电梯配置原则， M 应可被 N整除， 如果不能整除， 可对各分区服务的楼层数进行适当增减。
为了便于说明起见， 假设图 2 中的群控系统 D ＝ 3， 即每个分区包含 3 个楼层， 每部 电梯负责服务 3 个楼层。高峰期派梯开始时， 将按照图中的初始分区对分区进行初始化， 之 后每次派梯时对各分区进行面向节能的动态调整。本发明方法将依次计算当期分区、 上移 分区、 下移分区三种分区方式下的电梯系统总能耗， 并按照总能耗最小的方式进行分区的 调整。具体的分区能耗及系统总能耗计算方法将在后面详述。
三种分区方式中的上移分区是指将各电梯负责的分区楼层上移一层， 在图 2 中， 1、 2、 3 层组成的分区将变为 2、 3、 4 层， 4、 5、 6 层分区变为 5、 6、 7 层， 以此类推， 直至大楼顶部 的 M-2、 M-1、 M 分区变为 M-1、 M、 1 层， 这里将所有楼层视为一个首层底层相连的动态分区环。 与之类似， 对于下移分区是指将各分区楼层下移一层， 在图 2 中， 1、 2、 3 层组成的分区将变 为 M、 1、 2 层， 4、 5、 6 层分区变为 3、 4、 5 层， 以此类推， 直至大楼顶部的 M-2、 M-1、 M 分区变为 M-3、 M-2、 M-1 层。
本发明的方法对分区进行动态移动时， 每次至多移动一个楼层， 原因在于 ： 电梯交 通流具有很强的延续性， 如果瞬时对分区移动大量楼层， 当前时刻轿厢内已有乘客所属楼 层分区将与新分区楼层之间存在巨大距离差距， 这样会使电梯在送已有乘客与接新乘客时 跨越很长距离甚至多个分区， 剧烈移动分区的实际效果往往非但不能节能， 还会进一步耗 能。此外， 假如当前各电梯内乘梯乘客很少， 对分区移动多个楼层的确可使系统能耗减少 时， 本发明所提方法也可通过动态调整机制， 在很短的几个派梯周期里， 将分区方式调整至 群控节能的最佳分区模式下。
下面将详述上下高峰期不同的分区能耗及总能耗计算方法。
参见图 4， 上高峰期间的分区能耗及总能耗计算方法如下 ：
系统需首先获取最下分区的顶层号码 p， 以确定各分区均负责哪些目的楼层 ( 上 高峰期间， 动态分区按目的楼层分区 )。
本发明将电梯能耗分为载客能耗与返回能耗， 并分别计算。其中， 载客能耗是指电梯从当前位置去往某候梯楼层接送乘客所发生的能耗， 而返回能耗指电梯在接送完乘客 后， 返回原有楼层分区位置进行待命， 准备下一次接送服务消耗的电能。
载客能耗又由运行能耗与起停能耗构成。
其中， Eu-s(a) 为上高峰期间各分区的接送乘客能耗， n(i) 为各目的楼层的候梯人 数， h(i) 为各目的楼层距离底层的位移， T(a) 为负责该分区的电梯在此派梯周期内接送乘 客所发生的总起停次数， 为乘客平均质量， mcar 为空载轿厢质量， mcwt 为对重质量， 对重质量 一般比空载轿厢重 40％ -50％， g 为重力加速度， Ec 为电梯进行一次加速起动及减速停止所 需能耗常值。
上高峰期群控系统的总载客能耗可由下式计算 ：
其中， Eu-s 为上高峰期间电梯群系统的总载客能耗。
上高峰时的返回能耗是指电梯在接送完乘客后， 从乘客的目的楼层返回各楼层分 区底层， 准备下一次服务所发生的能耗。
Eu-r(a) ＝ (mcwt-mcar)×g×h[max(p-D+1+aD， 1)] 其中， Eu-r(a) 为上高峰期间各电梯的返回能耗。 上高峰期群控系统的总返回能耗可由下式计算 ：其中， Eu-r 为上高峰期间电梯群系统的总返回能耗。 根据以上公式， 上高峰期间群控系统的总能耗为总载客能耗与总返回能耗之和 ：参见图 5， 下高峰期间的分区能耗及总能耗计算方法如下 ：
系统需首先获取最上分区的底层号码 q， 以确定各分区均负责哪些候梯楼层 ( 下 高峰期间， 动态分区按候梯楼层分区 )。
首先计算下高峰期间群控系统的载客能耗。
其中， Ed-s(b) 为下高峰期间各分区的接送乘客能耗， n(j) 为各候梯楼层的候梯人 数， h(j) 为各候梯楼层距离底层的位移， T(b) 为负责该分区的电梯在此派梯周期内接送乘 客所发生的总起停次数。
下高峰期群控系统的总载客能耗可由下式计算 ：
其中， Ed-s 为下高峰期间电梯群系统的总载客能耗。
再计算下高峰时的返回能耗， 该能耗是指电梯在接送完乘客后， 从乘客的目的楼 层返回各楼层分区顶层， 准备下一次服务所发生的能耗。
Ed-r(b) ＝ (mcwt-mcar)×g×h[min(q-bD+D+1， M)]
其中， Ed-r(b) 下高峰期间各电梯的返回能耗。
下高峰期群控系统的总返回能耗可由下式计算 ：
其中， Ed-r 下高峰期间电梯群系统的总返回能耗。 根据以上公式， 下高峰期间群控系统的总能耗为总载客能耗与总返回能耗之和 ：为了验证本发明所提方法的有效性， 设计了基于节能动态分区群控调度的虚拟仿 真软件， 软件结构图如图 6 所示。在仿真中， 首先要初始化楼宇及电梯配置信息， 电梯交通 流模式， 然后导入面向节能的动态分区算法， 则软件的虚拟电梯逻辑模块就能实时地模拟 各部电梯在该算法调度下的运行情况， 仿真结束后， 可输出派梯结果文件， 同时输出系统能 耗等调度性能指标供分析使用。