CN107055232A - 一种面对负载波动的电梯动态调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面对负载波动的电梯动态调度方法，它包括以下步骤：1、控制器收集电梯的运行信息；2、检测是否有电梯出现故障、判断电梯服务范围分配的时间是否达到预设值；二者皆为否，则程序结束；3、依据电梯运行开销数学式，确立电梯分配算法对电梯服务范围进行分配；4、控制器发送控制信号重新调整每一个电梯的服务范围；5、电梯收到控制信号后，在完成调整后发出确认信号到控制器。本发明的技术效果是：实现了电梯的服务范围动态的变化，使每一个电梯的负载尽可能相等，提高了电梯系统的吞吐量；且通过重新分配服务范围的方式，提高了容错率和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于电梯控制技术领域，具体涉及一种电梯动态调度方法。
背景技术
当今的建筑中往往采用多个电梯来服务整栋大楼，在多个电梯运行的条件下，一个电梯可以只服务于一些特定的楼层，只要保证每个楼层至少有一个电梯可以到达即可。但是，如何决定这些电梯的服务楼层变成了一个至关重要的问题。我们称该问题为服务范围分配问题，也就是说，调度方案要确定每一个电梯的服务楼层。用户需要一种最佳的服务范围分配，使电梯的吞吐能力最大化。
现有技术的第一种电梯分配方案如图1(a)所示，所有的电梯服务于所有的楼层，即全服务方法。该电梯分配方案在一些高度比较低但流量比较大的建筑物(大商场)中使用的还比较多，但是对于一些现在的高层建筑来说，这种方案可能就不合适了。具体的来说，这种方案会使得电梯在运行过程中停留的次数过多。例如：
假设现在有一个20层的大楼并安装有4部电梯，每一部电梯的服务范围都是1到20层。假设一个电梯能容纳12人，并且每一个人进入电梯后想去的楼层都是随机的。在这种情况下，假设电梯E在第一层接了12人进入电梯，那么电梯E在上升的过程中，由于这12个人去的楼层和可能大不相同，所以电梯需要多次停下来以等待乘客出电梯。事实上，通过概率计算，其停止次数的期望为9.19层。在最坏的情况下，这部电梯需要停12次(不考虑上升过程中接人的情况)。
由此可见，第一种电梯分配方案的电梯运行效率是非常低的，因为它经常需要为了一个乘客出电梯而停下来。并且这个现象会随着楼层的增高变得更加严重。另外，由于不同楼层在不同时段的请求数量是不一样的，并且该方案的服务范围是永久固定的，因此不能适应多变的外部请求。
第一种电梯分配方案主要存在以下几个缺点：
1、电梯的运行效率很低，电梯在运行的过程中平均停留次数很多。
2、电梯的服务范围永久固定，不能适应随时间不断变化的外部请求。
现有技术的第二种电梯分配方案如图1(b)所示，每一个电梯分别服务一部分楼层，并且每个电梯服务的楼层数量都是相同的。值得注意的是，这种方式一般要求所有电梯都停一楼，否则用户无法通过乘坐一个电梯到达比较高的楼层(比第一个电梯服务的最高楼层还要高的那些楼层)。
当每个楼层在一段时间内想搭乘电梯的人数相近时，第二种电梯分配方案能有效应对这种情况，并且可以达到较大的吞吐能力。但是在现实生活中，每个楼层一段时间内的请求数量显然是不一样的，当某一个楼层的请求量特别大的时候，这种方式的吞吐能力比第一种电梯分配方案还要差。特别地，当某一个电梯因为某种原因故障了的时候，这将会导致某些楼层无法到达，容错能力很差。此外，由于第二种电梯分配方案也是采用恒久不变的方式来管理这些楼层，它也不能适应外界变化的请求。
第二种电梯分配方案主要存在以下几个缺点：
1、电梯在各个楼层请求数量不均匀的时候，吞吐量很差。
2、电梯的服务范围永久固定，不能适应随时间不断变化的外部请求。
3、电梯系统的容错能力很差。
发明内容
针对现技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种面对负载波动的电梯动态调度方法，它能均衡每一个电梯的负载，提高电梯系统的吞吐量；能动态地适应随时间变化的楼层请求数量；具有优良的容错能力。
本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括以下步骤：
步骤1、控制器收集电梯的运行信息；
步骤2、检测是否有电梯出现故障、判断电梯服务范围分配的时间是否达到预设值；二者皆为否，则程序结束；
步骤3、依据电梯运行开销数学式，确立电梯分配算法对电梯服务范围进行分配；
步骤4、控制器发送控制信号重新调整每一个电梯的服务范围；
步骤5、电梯收到控制信号后，在完成调整后发出确认信号到控制器。
本发明的技术效果是：
实现了电梯的服务范围动态的变化，使每一个电梯的负载尽可能相等，提高了电梯系统的吞吐量；且通过重新分配服务范围的方式，提高了容错率和可靠性。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为现有电梯群的服务范围分配方案示意图；
图2为本发明应用的一种电梯系统分布图；
图3为本发明的流程图；
图4为本发明第一种电梯分配算法的流程图；
图5为本发明第二种电梯分配算法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
为了能够应对乘客们对电梯日益增长的巨大需求，并且随着嵌入式系统的发展，当今的建筑中往往采用电梯群控系统(elevator group control system简称电梯系统)来服务整栋大楼。电梯系统一般由多个电梯和一个控制器组成。
本发明的一种应用场景如图2所示，它由四个电梯和一个控制器组成的电梯系统。在这样的电梯系统之中，位于每个电梯上的嵌入式系统可以监控每一个电梯的运行情况，例如一段时间内每一个楼层的请求数量等信息。电梯会周期的将这些信息通过确认信号发送给控制器。控制器从电梯中收集这些信息，并以此来控制电梯的运行状态以及服务楼层等。
本发明以电梯系统的寿命为优化目标，希望电梯系统中的每一部电梯在一段时间内的载客量以及运作的时间(不包括电梯静止的时间)相似。为此，本发明建立了一个计算电梯运行开销的数学式来衡量不同的电梯分配方案对电梯的影响：
式(1)中，ei为第i个电梯；
L(ei)为电梯ei的整体开销；
LC为电梯向上或向下移动一层的固定时间开销；
hfi为电梯ei服务的最高层；
lfi为电梯ei服务的最低层；
oi为电梯ei服务的楼层集合(楼层可以是不连续的，如2，5，6，8层)；
|Oi|表示集合Oi里面的元素数量，也就是电梯ei服务的楼层数量；
Rf为一段时间内第f层要乘电梯的人数(请求数量)；
Nf为在第f层提供服务的电梯的数量；
OC为电梯ei服务1层楼的时间开销(开关门)；
α为权重系数。
在式(1)中，电梯ei从最低层lfi上升到最高层hfi需要的时间为LC×(hfi-lfi)。除去电梯上升下降的时间，电梯还需要在其服务的楼层上下乘客，这将会导致额外的开关门以及停留时间，在式(1)中，OC×|Oi|衡量了这一部分时间。另一部分衡量了电梯载客量的多少，对于电梯ei服务的每一个楼层f，如果有多个电梯服务该楼层，本发明假设所有电梯均分楼层f的乘客。因此电梯ei在楼层f所需要运载的客人数即为将所有服务楼层所需要运载的客人数量加起来，衡量了电梯ei载客量的多少。最后，由于时间和载客量的量纲不同，再添加一个权重因子α将这两部分组合在一起，称为电梯ei的开销。
下面举例介绍式(1)的计算过程。假设电梯上升或下降一层的时间LC为3秒，在一层楼停留以及开关门的时间OC为10秒，权重因子α＝1。电梯1服务楼层O1为1-10楼，电梯2的服务楼层O2为9-15楼以及1楼，该建筑共有15层，一段时间内各个楼层的请求数量如下表所示：
| 楼层 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
| 请求数量 | 31 | 33 | 28 | 36 | 16 | 14 | 21 | 19 | 26 | 14 | 11 | 29 | 32 | 30 | 12 |
针对电梯e2的开销：由于该电梯的最低和最高运行楼层为1楼和15楼，因此电梯e2从最底层需要向上移动14层才能到达最高层，带来的时间为14*3＝42秒。与此同时，该电梯一共服务了8个楼层，带来的开关门以及停留时间为80秒，所以其时间开销一共为122秒。
接下来，计算该电梯的载客量。在电梯e2的服务楼层中，由于1，9，10三层楼两个电梯都服务，所以按照假设电梯e2只承担一半的用户请求，由此得到：
因此，按照式(1)计算出电梯e2的开销L(e2)为1*122+149.5＝271.5，同样地，能够算出电梯e1的的开销L(e1)。
依据式(1)计算，控制器从每个电梯收集的信息来为每一部电梯决定其最优的服务楼层范围，使每一个电梯的开销几乎一样。延长整个电梯系统的寿命，避免出现一部电梯经常坏掉的情况。
本发明提供的一种面对负载波动的电梯群动态调度方法，如图3所示，包括以下步骤：
步骤301、电梯上的嵌入式系统实时监测电梯的运行信息，控制器收集一段时间内每个楼层的请求数量信息；
电梯的运行信息包括电梯在每一个楼层的上下电梯的乘客数量(通过重量传感器、摄像头等设备可以获取)，将这些信息发送给控制器；控制器收集会汇总这些信息，便可以获得一段时间内每个楼层的请求数量信息。
步骤302、控制器检测是否有电梯出现故障，如果是则转步骤304；如果否，则转步骤303；
故障检测包括但不限于检测电梯是否周期性的发送了确认信号。如果控制器在一定的时间没有收到电梯的确认信号，那么控制器将会认为该电梯已经损坏，需要运行后面的程序步骤，立即重新分配每一部电梯的服务范围。如果电梯距离上次服务范围分配的时间已经达到了预设值，那么控制器也需要运行后面的程序步骤，进行服务范围的重新分配。
步骤303、控制器检测距离上次服务范围分配后，电梯的运行时间是否超过或等于预设值；若是，则执行步骤304；若否，则执行步骤307；
步骤304、依据电梯运行开销数学式，确立电梯分配算法对电梯服务范围进行分配；
电梯分配算法的输入是在一段时间内每一个楼层的请求数量；输出为每一个电梯应该服务的楼层范围。
步骤305、控制器发送控制信号重新调整每一个电梯的服务范围；
步骤306、电梯收到控制信号后，并在完成调整后发出确认信号到控制器；
步骤307、程序结束。
控制器通过运行上述所有步骤完成一次电梯服务范围分配；控制器每隔一定的时间又收集电梯的运行信息，再运行上述所有步骤，又一次实施电梯服务范围分配；这样，根据负载变化的波动，动态调整电梯分配方案，避免了现有技术电梯的服务范围永久固定，不适应负载请求变化的问题。
由于本发明具有极快的执行速度，控制器可以每隔一定的时间根据收集的信息来重新分配最优的服务范围。因此本发明可以使得电梯系统能快速适应外界不断变化的请求。此外，当有一部电梯坏掉了的时候，控制器可以使用本发明重新分配最优的服务范围，从而达到高容错率和高可用性。
上述步骤304中，第一种电梯分配算法称为动态规划算法，其流程如图4所示，该流程包括以下步骤：
步骤401、输入每一个楼层在一段时间内的请求数量
时间为任意的时间长度值；时间长度越短，说明电梯系统适应变化的能力越强。
步骤402、建立动态规划表格D和回溯信息表格T
动态规划表格D和T大小至少为N×F，其中N是电梯的总数量，而F则是楼层的总数量。每个单元D(i,j)纪录了用i个电梯服务前j个楼层时这所有i个电梯的最大开销。每个单元T(i,j)纪录了用i个电梯服务前j个楼层时，第i个电梯服务的楼层范围。
步骤403、初始化动态规划表格D和回溯表格T的第一行；即D(1，j)和T(1，j)，其中j的范围从1到F；
用一个电梯服务j个楼层的按公式(1)计算电梯运行开销，由于只有一个电梯，电梯服务前j个楼层的开销为：
由于只有一个电梯，电梯服务楼层范围为1到j楼，因此T(1,j)＝(1，j)。
步骤404、计算动态规划表格D中其他单元D(i,j)和回溯表格T中其他单元T(i,j)的数值；
每个单元D(i,j)的数值按如下公式递推：
式(2)中，i的值从2到N，j的值从1到F。由于D(1,j)已经知道了，在计算D(2,j)时，也就是说用2个电梯服务前j个楼层，式(2)的算法遍历第二个电梯e2服务的楼层范围。也就是说，在式(2)中，本算法遍历第二个电梯所有可能的起始楼层k，也就说让第二个电梯服务于楼层[k，j]，那么其带来的开销可以根据公式(1)算出，即为：
在上式里，出于实际情况考虑，假设每一部电梯都服务于1楼，所以电梯上下的时间开销就是LC×(j-1)，而不是LC×(j-k)；开关门的时间开销为j-k楼层的数量加上1楼，所以OC×(j-k+1)。第一个电梯e1服务楼层即为[1,k-1]并且其对应的开销已经记录在D(i-1,j-k)里面了，算出这两者的最大值，就可以获得当前分配下已分配电梯的最大开销。
为了最大的开销最小，本步骤便利用所有的起始楼层k，选取使系统最大开销最小的那个楼层，记为k'。因此，在这个情况下，第二个电梯e2的最优服务楼层范围为[k',j]楼层，记录该信息于回溯表格T中，即T(2,j)＝(k',j)。
由此可以看出，在计算D(2,j)的时候，只需要已经计算出来的D(1,j)的那些数据即可根据公式(2)算出所有的D(2,j)单元。依次类推，可以一次算出D(3,j),D(4,j)直到D(N,j)。也就是说整个动态规划表格可全部计算出来。
T(i,j)里存储的第i个电梯ei的最佳服务范围，记为(k,j)。
步骤405、利用构建好的回溯表格T得出最优的范围分配；
首先初始化当前电梯数量i＝N，当前楼层数量j＝F。
步骤406、如果i＞0，读取回溯信息表单元T(i,j)的值，即T(i,j)里存储的第i个电梯ei的最佳服务范围，记为(k,j)；否则执行步骤409；
步骤407、根据步骤406得到的信息，确定第i个电梯的服务范围为[k,j]楼层；
步骤408、电梯数量减1，楼层数量变为k-1，即i＝i-1,j＝k-1，执行步骤406；
步骤409、程序结束。
动态规划算法属于各电梯服务范围不相交的最优算法；与背景技术中第二种均匀分配且固定的不相交的方案相比：动态规划算法得出的服务范围考虑到了每一个电梯的开销，根据楼层的请求数量决定电梯的服务楼层，不会出现一台电梯很忙，其他电梯空闲的情况；也就是，根据请求数量能够进行动态的调整。
下面为第二种电梯分配算法，属于电梯服务范围重叠的分配方法，能对上述动态规划算法得到的服务范围进行优化，该流程如图5所示，包括以下步骤：
步骤501，输入每个电梯当前的服务范围
服务范围可以是背景技术中第二种均匀分配服务范围，也可以是上述动态规划算法得到的服务范围。
步骤502，按公式(1)计算当前分配方案中每一个电梯的开销；选出全部电梯中的最大开销，记为PC；
步骤503，记录最大开销的电梯编号i；
步骤504，将第i-1电梯(运行在第i电梯下方的电梯)服务最高楼层加1；
步骤505，利用公式(1)对步骤504的分配方案重新计算所有电梯的最大开销，记为LC；
此时存在多个电梯运行在同一个楼层，所以Nf的值可能大于1；
步骤506，将第i+1电梯(运行在第i电梯上方的电梯)服务最低楼层减1；
步骤507，利用公式(1)对步骤506的分配方案重新计算所有电梯的最大开销，记为RC；
步骤508，在LC和RC中选择一个较低的开销，记为MC；
步骤509，若MC小于PC，表示得到了一个更优的解，则执行步骤510；否则，表示没有更优的解，执行步骤511；
步骤510，PC＝MC，给PC赋值小的开销，更新分配方案；执行步骤502，继续进行优化；
步骤511，程序结束。
本发明的优点是：
1、电梯系统的吞吐量增大
本发明能保证所有的电梯运行开销最小，也就说每一个电梯的负载都差不多。因此不会出现一个电梯很忙，其他电梯很空的情况，可以大大的增加电梯的吞吐量。
2、乘客的平均等待时间可以降低
因为电梯系统的吞吐率大大提高了，因此一定时间内可以运载的乘客数量可以大大增加。从另一个角度来说，乘客们的平均等待时间可以降低。
3、电梯系统可以适应多变的乘电梯需求
控制器通过电梯周期返回的信息每隔一定时间调用范围分配算法重新分配所有电梯的运行范围，因此可以应对某个楼层的需求量突然变大的情况。
4、电梯系统有极强的容错能力并提供高可用性
控制器可以检测电梯是否已经出现故障，若发现有电梯出现了故障，控制器可以马上重新分配现在正常工作的电梯的工作范围从而进行容错。
Claims (4)
1.一种面对负载波动的电梯动态调度方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1、控制器收集电梯的运行信息；
步骤2、检测是否有电梯出现故障、判断电梯服务范围分配的时间是否达到预设值；二者皆为否，则程序结束；
步骤3、依据电梯运行开销数学式，确立电梯分配算法对电梯服务范围进行分配；
步骤4、控制器发送控制信号重新调整每一个电梯的服务范围；
步骤5、电梯收到控制信号后，在完成调整后发出确认信号到控制器。
2.根据权利要求1所述的面对负载波动的电梯动态调度方法，其特征是：在步骤3中，电梯运行开销数学式为：
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式(1)中，ei为第i个电梯；
L(ei)为电梯ei的整体开销；
LC为电梯向上或向下移动一层的固定时间开销；
hfi为电梯ei服务的最高层；
lfi为电梯ei服务的最低层；
oi为电梯ei服务的楼层集合；
|Oi|表示集合Oi里面的元素数量，也就是电梯ei服务的楼层数量；
Rf为一段时间内第f层要乘电梯的人数；
Nf为在第f层提供服务的电梯的数量；
OC为电梯ei服务1层楼的时间开销；
α为权重系数。
3.根据权利要求2所述的面对负载波动的电梯动态调度方法，其特征是：在步骤3中，电梯分配算法的步骤包括：
步骤401、输入每一个楼层在一段时间内的请求数量；
步骤402、建立动态规划表格D和回溯信息表格T；
步骤403、初始化动态规划表格D和回溯表格T的第一行；
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j为从1到F，F是楼层的总数量；
步骤404、计算动态规划表格D中其他单元D(i,j)和回溯表格T中其他单元T(i,j)的数值；
每个单元D(i,j)的数值按如下公式递推：
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<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式(2)中，i的值从2到N，N是电梯的总数量；
T(i,j)里存储的第i个电梯ei的最佳服务范围，记为(k,j)；
步骤405、利用构建好的回溯表格T得出最优的范围分配；
首先初始化当前电梯数量i＝N，当前楼层数量j＝F。
步骤406、如果i＞0，读取回溯信息表单元T(i,j)的值(k,j)；否则程序结束；
步骤407、根据步骤406得到的信息，确定第i个电梯的服务范围为[k,j]楼层；
步骤408、电梯数量减1，楼层数量变为k-1，即i＝i-1,j＝k-1，执行步骤406。
4.根据权利要求2或3所述的面对负载波动的电梯动态调度方法，其特征是：在步骤3中，电梯分配算法的步骤还包括：
步骤501，输入每个电梯当前的服务范围；
步骤502，按公式(1)计算当前分配方案中每一个电梯的开销；选出全部电梯中的最大开销，记为PC；
步骤503，记录最大开销的电梯编号i；
步骤504，将第i-1电梯服务最高楼层加1；
步骤505，利用公式(1)对步骤504的分配方案重新计算所有电梯的最大开销，记为LC；
步骤506，将第i+1电梯服务最低楼层减1；
步骤507，利用公式(1)对步骤506的分配方案重新计算所有电梯的最大开销，记为RC；
步骤508，在LC和RC中选择一个较低的开销，记为MC；
步骤509，若MC小于PC，表示得到了一个更优的解，则执行步骤510；否则，表示没有更优的解，程序结束；
步骤510，PC＝MC，给PC赋值小的开销，更新分配方案；执行步骤502，继续进行优化。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710426542.9A CN107055232A (zh) | 2017-06-08 | 2017-06-08 | 一种面对负载波动的电梯动态调度方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107021392A (zh) * | 2017-06-13 | 2017-08-08 | 重庆大学 | 负载不均衡的电梯楼层分配方法 |
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2017
- 2017-06-08 CN CN201710426542.9A patent/CN107055232A/zh active Pending
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