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多台电梯调度算法设计及仿真
多台电梯调度算法设计及仿真
（安庆师范学院物理与电气工程学院安徽安庆246011）
摘要：
根据电梯群控系统的非线性，随机性，不确定性和离散动态性特点，采用面向对象的分析与设计方法和基于事件扫描的数字仿真方法，设计一个多台电梯调度算法，采用VisualC++技术编程
和OpenGL可视化技术，并通过对电梯群的运行状态进行实时监测与分析，实现高层建筑电梯群调度和载客的活动仿真情况，评价电梯群的服务质量和运行效能。
关键词：
电梯群控制系统，多台电梯调度算法，面向对象，数字仿真
1.引言
电梯是现代立体交通的重要组成部分，随着高层建筑在世界范围内得以迅猛发展，极大地促使了电
梯技术的改良和革新。
近半个世纪以来，电梯技术已经从原始模型升降机发展到高级智能化电梯。
而智
能化要求电梯系统服务质量和服务效率能尽量提高建筑的有效利用率和性能。
在建筑设计中，同常将多
台电梯配置在一起，构成电梯群，集中为大楼提供服务，这就是电梯群控系统（EGCS,ElevatorGroupControlystem）【"。
电梯群控系统是一个实时性非常强的系统，需要不断收集梯群的状态信息和厅外的
召唤信号，采取一定的派梯策略，选择最合适的电梯去应答厅外召唤。
为了节约开发成本，一个成功的
电梯群控系统在应用到实际控制系统之前，往往都在计算机系统上进行仿真研究，调试参数，在仿真研
究完成以后，在应用到电梯试验塔做实验，检验控制策略的有效性和有关的性能指标。
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【2】。
随着智能控制技术在电梯群控系统（EGCS）中的广泛应用，电梯交通系统设计的关键是满足乘客生理
上和心理上的承受力，有效地解决高层建筑复杂的楼内垂直交通。
一个设计良好的电梯群控系统必须具备在客流高峰时确保乘客在较短的侯梯时间和乘梯时间内到达目的地，在空闲时使电梯群运行消耗能量
最低。
我国电梯配置和电梯系统特征的研究与国外相比还处于落后的状态，虽然国内与1990年对电梯
系统的动态特性进行了研究，但在电梯群控方面，仍有许多理论及技术问题亟待解决，因此开展电梯群
控算法研究具有重要的理论和实际意义，这对电梯群控系统性能（安全性，舒适性等）是十分必要的，同时也可以改变我国目前电梯技术主要依赖于进口的不利局面【3】。
用计算机仿真研究电梯群的服务质量和运行效能，大楼的层高不要超过25层，电梯的总台数不要
超过八台。
设某办公大楼楼层为20层，有载客电梯5部（用电梯1—电梯5标识）。
利用VisualC++技
术编程和OpenGL可视化技术实现高层建筑电梯群调度和载客的活动仿真情况。
2.设计方案
2.1设计规则：
为了实现电梯群调度和载客的活动仿真情况，采用两种方式对其仿真：
（1）人工控制方式；
（2）自
动控制方式。
2.1.1人工控制方式：
这种方式是完全仿真真实电梯群情况，乘客自己决定到达电梯时候和选择需要到达的楼层以及电梯
的开关门。
这种方式通过可视化技术可以直观的观察乘客发送电梯请求后，电梯群的调度情况和各电梯
的当前状态，包括电梯内人数，电梯运行趋势，电梯开关门状态和电梯所在楼层。
这种方式下电梯群调
度遵循的规则为：
电梯运行规则：
a）电梯的运行规则：
电梯1-电梯5五部电梯可以相应达到每一层。
b）容量：
每部电梯的最大乘员量均为K人（K值可以根据仿真情况在10-20人之间确定）。
c）初始位置：
仿真开始时，各电梯随即处于符合运行规则的任意一层。
d）初始容量：
初始所有电梯无人乘坐，为空梯。
e）运行方向：
电梯运行的方向由先发出请求者决定，不允许后发出请求者改变电梯的当前运行方向，
除非是未被请求的空梯。
即当电梯在上行过程中，不响应电梯内部乘客比当前层低的楼层；当电梯
在下行过程中，不响应电梯内部乘客比当前层高的楼层
（f）安全要求：
不允许电梯超员。
乘客运行规则：
（a）初始位置：
每个人初次所要到的楼梯层由乘客自己决定。
（b）请求特征：
每次发出的乘坐请求由乘客自己决定。
（c）行为特征：
每个人乘坐的合适电梯到达某楼层后，乘客自己决定自己是否出电梯。
2丄2自动控制方式；
这种运行方式是在没有人工参与下进行的.电梯群运行的各个性能指标由用户事先指定。
同时，乘
客到达大楼的时刻、所选楼层、上下方向以及滞留时甸均有随机数产生，即通过一系列随机数对电梯群
的调度算法进行综合评估，包括乘客平均等待时间、电梯运行时间、电梯空闲时间、电梯各个时刻流量统计，并采用可视化方法绘制出各种曲线图“’。
这种方式下电梯群调度遵循规则与人为控制方式调度
算法一致，区别在于电梯运行规则和乘客运行规则：
电梯运行规则：
（a）电梯的运行规则：
电梯卜电梯5五部电梯可以响应达到每一层。
（b）容量：
每部电梯的最夫乘员量均为K人（K值可以根据仿真情况在10—20人z问确定）。
（c）初始位置：
仿真开始时•各电梯处于第一层。
（d）初始容量：
初始所有电梯无人乘坐，为空梯。
（e）运行速度：
电梯运行速度为s秒/层（s值可以根据仿真情况在I—5之间确定），每个
人上下的时间为T秒（T值可以根据仿真隋况在2一10之间确定）。
（f）运行方向：
电梯运行的方向由先发出请求者决定.不允许后发出请求者改变电梯的当前
运行方向，除非是束被请求的空梯。
（g）安全要求：
不允许电梯超员。
乘客运行规则：
⑻初始位置：
每个人初次所要到的楼梯层是随机的，令其在台适的电梯处等待电梯的到来。
（b）请求特征：
每次发出的乘坐请求为随机楼层。
”
（c）行为特征：
每个人乘坐的台适电梯到达指定楼层后，随机地停留10—120秒后，再随机地去往另
一楼层，依次类推，当每个人乘坐过L次，L值可以根据仿真情况在3—10次之葡确定）电梯后，
第L+1次为下至底层并结束乘梯行为。
到所有人结束乘梯行为时，本次仿真结束。
运行监控规则：
（a）初始条件：
仿真开始后，有N人在M分钟内随机地到达该办公楼的某一层，并且开始乘梯活动。
（b）结束条件：
所有N个人结束乘梯行为。
2.1.3调度算法
根据目前电梯的运行状态和乘客的呼叫请求，采用两级调度方法，其实施方法为：
一级调度主要响
应电梯外乘客呼叫请求，二级调度主要响应电梯内乘客的呼叫请求，同时必须满足先请求者的决定方向。
集体调度算法：
（a）调度目标：
电梯群控制系统是一种对多台电梯进行优化调度的系统，群控系统追求的目标是：
根据
不同的客流交通状况，选择合理的调度方案以协调各电梯的运行，使电梯群设备获得最大的乘客输送能
力和尽可能短的乘客候梯时间，以及尽可能低的能耗。
为了使候梯者满意，需要的是等待时间尽量短；
为了使乘客满意，应使电梯运行行程尽量短，且拥挤度不要太高；为体现节能，尽量减少起制动与开关
门的次数。
（b）评价指标：
为保证电梯调度运行的安全性和稳定性，缩短候梯者和乘梯者时间，减低电梯运行能
耗，提高电梯运行效率和服务质量等，在相关文献的基础上，本仿真系统模型的设计基于采用四个重要
指标：
乘客等待时间，电梯能量耗损，电梯有效运行效率，电梯拥挤度。
（c）电梯派第原则：
针对随机设定的交通客流和电梯的初始状态，根据上述评价指标构造总的评价目标，对于电梯i,其响应所有呼梯信号的综合评价目标函数可采用如下形式：
Fi二w1*Fawt（AW「）-w2*Fcr（CRi）-w3*Fen（EnJ
本电梯群控仿真系统是在固定某一权重系数的情况下，依据上述原则计算各电梯的评价目标函数值，根据目标值最小原则，并且满足先请求者决定方向的原则，调度相应电梯运行，从而使乘客最快到达目标层的电梯。
2.2设计目标
（1）各电梯相互独立，各自在自己的线路中运行，动态显示各电梯的载客和运行情况。
（2）动态显示各楼层的人员停留情况和要求乘梯情况。
（3）电梯上行过程中，如果电梯内外请求楼层与所在运行电梯一致且请求楼层在上，必须予以响应。
（4）电梯下行过程中，如果电梯内外请求楼层与所在运行电梯一致且请求楼层在下，必须予以响应。
（5）动态显示从仿真开始到目前的时间。
（6）显示时要求表示出每个乘客当前要求去往的楼层。
（7）统计各梯的运行与空闲时间；统计每个人发出乘梯要求后的等待时间。
（8）没部电梯的最大成员量K,参与仿真人数N,到齐时间M每人要乘坐L次，电梯运行速度S,每
人上下时间T可变动输入（主要用于自动控制方式）。
（9）界面友好易于理解。
2.3设计模型
为了简化模型和方便处理程序，我们作如下假设：
a）假设电梯到达某请求层之后，乘客按照先下后上的规则乘坐电梯。
b）假设必须先满足同方向上的乘客请求之后，才满足相反方向上的请求。
c）乘客发出请求方向的同时，发出其要到达的楼层。
d）乘客发出的请求为合法请求，即不发出和当前楼层的相同的请求楼层。
e）乘客所发出的请求为完整请求，即乘梯请求中包含目标楼层。
模型框图:
图1模型图
3.设计思想与模型实现
3.1设计思想
该程序采用可视化的面向对象语言XisualC++采用多线程技术实现并采用OpenGL可视化编程技术
一方面模拟电梯群的运行情况，让人们对电梯的调度方式具有感性认识；另一方面，将电梯群服务质量
和运行性能进行可视化输出，让人们对电梯群控系统的各项指标具有定量分析，从而获得较优运行的电
梯群控制系统。
3.2模型实现
1）重要对象的组织结构
面向对象设计的基本思路是提出关于问题的面向对象的计算模型，将计算看做是一个系统的演变过程，系统由若干个对象组成，经历一连串的状态变化来完成计算任务，所以模型设计和实现的重点十多
个对象的一种网状组织结构和多个对象之间协同计算，而不是层次化的过程调用。
根据以上设计思路，在仿真模型中，主要有五种对象在协同工作，分别是监控对象，乘客对象，电梯对象，消息和楼层对象。
a）监控对象
在仿真模型中，只有一个监控对象，CMonitor的对象通过指针的方式包含了20个楼层对象，5个
电梯对象和一个乘客链表对象，并对这些对象进行管理，如下所示：
CFloor*m_pFloors[20];
CElevator*m_pElevators[5];
CPassengerList*m_pltPassengers;
b）乘客对象
具有多个乘客对象，具体由仿真参数界面进行设定，由CpassengerList进行管理。
Cpassenger的
包括乘客ID号，当期所在楼层，目的所在楼层已经等待时间等等。
intm」PID;
intm」Floor;
intm」ObjFloor;
intm」WaitTimer;
C）电梯对象
CElevator对象包含了指向监控对象，楼层对象的指针，以及一个乘客链表和消息列队：
CMonitor*m_pMonitor;
CFIoor*m_pFloor;
CPassengerList*m_pltPassenger;
CMsgList*m_ItMessages;
CMsgList*m」tWaitMsg;
d）楼层对象
CFIoor对象包含了一个乘客链表，用来管理在楼层中的乘客。
CPssengerList*m_pItFPassengers；
e）消息
消息由乘客标识，所在楼层，目的楼层和请求方向四个部分组成。
仿真流程图
图2仿真流程图
4.仿真步骤和结果分析
4.1手动控制方式下的仿真步骤
将出现五部电梯的内部按钮布局和外部控制按钮布局。
第5页
启动仿真程序，直接进入手动控制方式。
图3所示：
图3五部电梯的内部按钮和外部控制按钮布局
说明：
红色方块表示电梯。
当乘客在外请求时，可以在“楼层选择面板”中选择所需要的到达楼层。
调度程序选择优先权最大的电梯进行响应，选择的电梯运行到乘客所在位置后，电梯“开门”，“关门”按钮有效，在这个时间段
中，可以选择“进人”和“出人”，并且可以进出多人。
乘客可以主动选择“关门”按钮，当开门一段时间后电梯门也可自动关闭，即“关门”按钮变成无效。
当乘客在内有合法请求时，电梯自动运行所在位置后，乘客可以选择“开门”，“关门”，“进人”，“出人”按钮。
在这个过程中，也可以对电梯进行产生故障和恢复故障检测。
4.2自动控制方式下的仿真步骤
启动仿真程序，点击菜单上“系统性能评估”，将弹出系统仿真界面如图4所示，界面将显示乘客
的请求和电梯的运行状态。
“启动”，“停止”控制仿真过程；“性能分析报告”，“电梯承载量分析”。
“乘客等待时间分析”，“电梯运行效能分析”显示分析结果，在“启动”之前这些按钮无效。
图4乘客的请求和电梯的运行状态
1）启动
将出现参数设置对话框，如图5所示，这个参数值请参考设计目标（8）。
点击“确定”后开始仿真。
这个过程比较耗时，主要取决于各个参数的设置。
图5参数设置对话框
仿真过程
启动仿真后，调度算法开始运行，并将各个电梯的状态和乘客请求进行显示，如图6所示。
图6各个电梯的状态和乘客请求的显示图
2）停止
当仿真结束后（结束条件请参考“运行监控规则”），将会弹去如下对话框，如图7：
图7对话框显示
用户也可以手动按“结束”按钮，强行结束这次仿真，但可能影响分析结果（提取结束可能还有人
仍在电梯中或没有到达）。
3）性能分析报告
仿真结束后，自动将电梯群各项指标保存到文件中，包括仿真参数，电梯运行，空闲时间，乘客等
待时间，各个时刻每部电梯的承载量。
点击“性能分析报告”按钮，将打开这个文件，如图8所示:
图8性能分析报告
4.3运行结果分析（服务质量和运行效能评价结果）运行结果数据：
运行结果保存到文件result.txt中，具体的实例如下:
N=100;M=10L=3;S=1;T=1;
运行时间空闲时间
1
582
98
2
587
93
3
609
71
4
582
98
5
511
169
乘客标识
等待时间
2727586113432825674
90
233
91
235
92
330
93
329
94
335
95
345
96
102
97
169
98
108
99
172
100
100
乘客平均等待时间=143.000000
电梯时刻流量
时刻
电梯1
电梯2
电梯3
电梯4
电梯5
1
0
0
0
0
0
2
0
0
0
0
0
3
0
0
0
0
0
4
0
0
0
0
0
5
0
0
0
0
0
6
0
0
0
0
0
7
0
0
0
0
0
8
0
0
0
0
0
9
0
1
0
0
0
10
0
2
0
0
0
11
0
3
0
0
0
12
0
4
0
0
0
13
0
5
0
0
0
14
0
6
0
1
0
15
0
7
0
1
0
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0
2
0
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0
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0
0
0
3
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3
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0
0
0
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0
0
0
3
0
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0
0
3
0
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0
0
0
3
0
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0
0
0
2
0
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0
0
0
1
0
679
0
0
0
0
0
680
0
0
0
0
0
5.结论
电梯群控系统是通过对电梯群的运行状态进行实时检测与分析，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，进而实现电梯系统对乘客的服务质量和服务效率的改善和提高的目标。
本文分
析了乘客对电梯群控系统的要求和电梯群控系统的特性，总结出现有电梯群的控制模式。
建立交通模式
识别模型，根据一定时间段内的交通流的统计信息，对交通流进行预测。
然后根据预测的交通模式调用
不同的群控算法分配电梯，该算法是在多目标规划的基础上建立评价函数，通过权值的设定，突出不同
目标在不同交通模式下的要求。
最后通过对上述模型的仿真，验证了算法的有效性。
针对电梯群控系统的复杂特性，设计了不同交通模式下相应的调度算法。
在不同的交通模式下采用最适合的群控算法，可
大大提高电梯系统的性能。
6.参考文献
[1]梁延东，电梯控制技术，中国建筑工业出版社，8-17,1997。
[2]张汉杰，现代电梯控制技术，哈尔滨工业大学出版社，321-342,1976。
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[4]王耀南，智能控制系统，湖南大学出版社，258-320,1996。
[5]张苗苗，张学军，谢建英，基于模糊神经网络的电梯群控系统的调度，电子应用技术报。
[6]宗群，童玲，薛丽华，电梯群控系统智能优化调度方法的研究[J],控制与决策，19（8）:
939-942,2004.
Elevatorschedulingalgorithmdesignandsimulation
（SchoolofPhysicsandElectricalEngineeringofAnqingNormalCollege,Anqing246011）
Abstract:
Elevatorgroupcontrolsystemofnonlinear,stochastic,uncertaintyanddiscretedynamiccharacteristics,Object-orientedanalysisanddesignmethodsanddigitalsimulationofevent-basedscanningmethodtodesignamultielevatordispatchingalgorithmsusingVisualC++technicalprogrammingandOpenGLvisualizationtechnology,Real-timemonitoringandanalysisoftheoperationalstatusoftheelevatorgroupactivitiessimulationofhigh-riseconstructionelevatorgroupschedulingandpassenger,andevaluationofservicequalityandoperationaleffectivenessoftheelevatorgroup.
Keywords:
Elevatorgroupcontrolsystem,multi-elevatordispatchingalgorithms,object-oriented,digitalsimulation
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