電梯是怎樣控制的

魚

對(duì)于上班族來說，電梯(elevator，不是escalator)是每天都要光顧的垂直運(yùn)輸交通工具。乘坐電梯的次數(shù)多了，大家是不是發(fā)現(xiàn)號(hào)稱智能化控制的電梯有時(shí)候也十分“愚蠢”呢?例如，在5樓要下行，停在6樓的電梯不動(dòng)，1樓的那個(gè)卻跑上來：幾乎滿載的電梯還要頻頻開門；不管任何時(shí)候，所有的空閑電梯都會(huì)回到底層門廳；錯(cuò)按的樓層號(hào)不能取消……當(dāng)然也有“聰明”的電梯，它們不僅會(huì)就近響應(yīng)乘客的召喚，而且還能隨機(jī)應(yīng)變，在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中自動(dòng)調(diào)整運(yùn)力。是什么原因造成了電梯“智力”的差異?這次《Geek》就來揭露隱藏在幕后的電梯控制技術(shù)。

最基本的電梯調(diào)度算法

現(xiàn)在的絕大多數(shù)電梯都是按照一定的規(guī)則自動(dòng)運(yùn)行的(所以電梯司機(jī)都下崗了……)，這個(gè)規(guī)則就是“電梯調(diào)度算法”。調(diào)度算法是人為制定的，其終極目標(biāo)就讓電梯更好地為人類服務(wù)。廣大勞動(dòng)人民在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中歸納出了一條最基本的電梯調(diào)度算法：電梯運(yùn)行時(shí)，從轎廂當(dāng)前位置沿移動(dòng)方向選擇最近的那個(gè)樓層的召喚來執(zhí)行(通俗地說就是“接客”)，若該方向上無召喚時(shí)，就改變移動(dòng)方向再選擇。有點(diǎn)糊涂了?沒關(guān)系，《Geek》來具體解釋一下。

以《Geek》編輯部所在的5層寫字樓的電梯為例，當(dāng)查理藍(lán)在3樓按下下行按鈕時(shí)(術(shù)語叫廳內(nèi)召喚)，如果這時(shí)候轎廂正在上行(目的地是4樓或5樓)，那么電梯暫時(shí)不會(huì)理睬查理藍(lán)，經(jīng)過3樓也不會(huì)開門。如果這時(shí)候轎廂恰好處于下行狀態(tài)，那么又要分以下兩種情況：轎廂當(dāng)時(shí)在3樓以下，要為查理藍(lán)服務(wù)就必須先上行再下行，這實(shí)在是太浪費(fèi)時(shí)間了，所以電梯也會(huì)暫時(shí)忽視他的召喚；轎廂當(dāng)時(shí)處于3樓以上，當(dāng)它下行到3樓時(shí)就會(huì)開門順便捎上查理藍(lán)。我們假設(shè)查理藍(lán)的目的地是-1樓的車庫，當(dāng)他進(jìn)入轎廂后，自然按下了內(nèi)部對(duì)應(yīng)的樓層按鈕(術(shù)語叫轎內(nèi)指令)，因?yàn)檗I廂處于下行狀態(tài)(假設(shè)之前1樓有人按了上行鈕)，所以電梯就會(huì)在到達(dá)-1樓時(shí)停止并開門放查理藍(lán)出去；當(dāng)然也不排除查理藍(lán)在進(jìn)人轎廂之后突然不去車庫了，他毅然按下了5樓的按鈕，但下行中的轎廂不會(huì)因?yàn)樗淖冐远R上折返回5樓，只有在下到1樓接了其他人之后才會(huì)重新上行。簡(jiǎn)言之，電梯調(diào)度算法的中心思想就是同向優(yōu)先，其次才是就近服務(wù)。這種簡(jiǎn)單的調(diào)度算法適用于單獨(dú)一臺(tái)電梯或兩臺(tái)電梯并聯(lián)的情況。早期，當(dāng)兩臺(tái)電梯并聯(lián)時(shí)，它們使用繼電接觸控制，按照基本的調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的順序運(yùn)行。后來隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，這種電梯系統(tǒng)使用了PLC(可編程控制器)，可以進(jìn)行一些更加復(fù)雜的邏輯運(yùn)算，如動(dòng)態(tài)分區(qū)(分區(qū)指兩臺(tái)電梯分別服務(wù)于交替的樓層)，進(jìn)一步提高運(yùn)行效率。

這么看來，要控制電梯變“聰明”應(yīng)該很簡(jiǎn)單才對(duì)，似乎只要根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化一下算法就可以了。然而事實(shí)并非如此。高層建筑通常不只設(shè)置兩臺(tái)電梯，有的超高層寫字樓甚至有十余臺(tái)并聯(lián)的電梯同時(shí)運(yùn)行，要實(shí)現(xiàn)效率最優(yōu)，功能有限的PLC根本協(xié)調(diào)不過來。這樣，能同時(shí)管理多臺(tái)電梯的電梯群控系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生。

P.S.電梯運(yùn)行原則

1、乘客的平均候梯時(shí)間要盡量短，商務(wù)樓一般要求在50s左右；

2、盡量減少乘客的長(zhǎng)候梯率，即盡量避免產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間的候梯過程：

3、轎廂到達(dá)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率要高，減少乘客等待時(shí)的心理壓力；

4、電梯運(yùn)行要滿足人體的生理適應(yīng)性，使乘客感覺舒適，具體而言就是加速和減速要平穩(wěn)，一般應(yīng)使加速度不大于2m/s²；

5、電梯運(yùn)送乘客的時(shí)間要盡量短，并合理分配電梯應(yīng)答，防止聚堆和忙閑不均；

6、選擇能源消耗最省的方式，盡量降低能耗。

電梯群控系統(tǒng)

所謂電梯群控系統(tǒng)，就是一種為了改善對(duì)乘客的服務(wù)和降低成本，而系統(tǒng)地管理一個(gè)組內(nèi)的三臺(tái)或三臺(tái)以上電梯的控制系統(tǒng)，它由梯群、群控制器(中央控制器)和信號(hào)系統(tǒng)(包括廳內(nèi)召喚和轎內(nèi)指令)等構(gòu)成。要把這套系統(tǒng)的技術(shù)細(xì)節(jié)介紹一遍，《Geek》增加到300頁都講不完，所以我們只講重點(diǎn)，也就是群控系統(tǒng)所采用的調(diào)度算法。電梯數(shù)量一增加，為了保證它們的運(yùn)行效率，工程師要考慮的因素就多得多了，乘客心理等待時(shí)間的長(zhǎng)短、電梯響應(yīng)呼梯的快慢、召喚廳站客流量的大小、轎廂內(nèi)乘客人數(shù)的多少……這些繁瑣而模糊的參數(shù)不是繼電接觸器或者PLC能應(yīng)付得了的，所以現(xiàn)在的電梯群控系統(tǒng)已經(jīng)引入了計(jì)算機(jī)技術(shù)。而決定一套電梯群控系統(tǒng)“聰明”與否，除了是否合理地劃分單雙層和高低層設(shè)置電梯聯(lián)動(dòng)?？空灸Ｊ酵?，它所采用的群控調(diào)度算法是否最優(yōu)才是關(guān)鍵。

設(shè)計(jì)群控調(diào)度算法要用到數(shù)學(xué)建模的知識(shí)，在不同的交通模式下需要建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，這樣才能優(yōu)化參數(shù)，進(jìn)而從整體上提高運(yùn)行效率。要實(shí)現(xiàn)前面提到的所有目標(biāo)，需要建立的模型相當(dāng)復(fù)雜。簡(jiǎn)單舉個(gè)例，如果僅僅以最短候梯時(shí)間為目標(biāo)，這個(gè)模型至少就要涉及到以下參數(shù)：電梯每層運(yùn)行時(shí)間，一人進(jìn)入電梯時(shí)間，一人走出電梯時(shí)間，電梯停靠時(shí)間，電梯啟動(dòng)時(shí)間，呼梯的所在樓層與人數(shù)以及要求到達(dá)的樓層，以及可使用電梯總數(shù)。對(duì)于某臺(tái)電梯和某個(gè)呼梯者，電梯來到時(shí)間還要分為6種情況分析：電梯上行且電梯所在樓層位于呼梯者之上：電梯下行且電梯所在樓層和原要求到達(dá)樓層位于呼梯者之上；電梯下行且電梯所在樓層位于呼梯者之上而原要求到達(dá)樓層位于呼梯者之下：……然后再針對(duì)至少3種不同的電梯交通模式進(jìn)行優(yōu)化：上行高峰、下行高峰、平衡……即便看似如此周全，這個(gè)模型還存在著不小的缺陷。這么看來，要打造一套真正“聰明”的電梯系統(tǒng)談何容易啊!

P.S.電梯交通模式

上行高峰交通模式：主要的客流是上行方向，即全部或者大多數(shù)乘客從建筑物的門廳進(jìn)入電梯且上行；

下行高峰交通模式：主要的客流是下行方向，即全部或者大多數(shù)乘客乘電梯下行到門廳離開電梯；

二路交通模式：主要的客流是朝著某一層或從某一層而來，而該層不是門廳，二路交通狀況發(fā)生在上午和下午休息期間或會(huì)議期間。

此外還有四路交通模式、平衡的層間交通模式、空閑交通模式等，不同的交通模式對(duì)電梯的運(yùn)行方式有著根本的影響。

電梯群控智能系統(tǒng)

要提高電梯的“智商”，還是得下點(diǎn)猛藥。東芝很早前就提出了電梯群控智能系統(tǒng)(EGSCS)，也就是把多臺(tái)電梯作為一組，應(yīng)用人工智能技術(shù)進(jìn)行控制。目前主流的電梯智能控制方法有模糊控制、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等，關(guān)于每種算法的具體內(nèi)容，《Geek》就不廢話了，對(duì)這個(gè)感興趣的Geek請(qǐng)自行學(xué)習(xí)自動(dòng)化專業(yè)相關(guān)課程。有了這些先進(jìn)的算法，電梯當(dāng)然變得“聰明”多了，不過沒有哪一種算法是萬能的，它們各有各的適用情況，而且整個(gè)電梯系統(tǒng)的運(yùn)行充滿著不確定性和隨機(jī)性，條件稍稍發(fā)生變化，智能化的電梯也可能“犯傻”。如果哪位Geek能提出套新的可行的算法，恭喜你，你的專業(yè)水平和自動(dòng)化專業(yè)的碩士畢業(yè)生相當(dāng)了。

所以，要想讓電梯更“聰明”，還得設(shè)計(jì)電梯調(diào)度算法的人夠聰明、專業(yè)知識(shí)夠深厚才行。不過作為Geek，即使設(shè)計(jì)不了算法，去評(píng)價(jià)一套電梯群控系統(tǒng)的好壞還是可以做到的，只要抓住平均候梯時(shí)間、長(zhǎng)候梯幾率、平均乘梯時(shí)間和能耗這幾個(gè)指標(biāo)就行?？赐赀@篇文章，你至少應(yīng)該知道，下次等電梯的時(shí)候，不要罵電梯傻，而要罵生產(chǎn)和安裝電梯的人傻才對(duì)。