基于有限狀態(tài)機(jī)的優(yōu)化電梯控制算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

摘 要：電梯控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，文章在分析電梯運(yùn)行特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種電梯運(yùn)行控制的有限狀態(tài)機(jī)模型，基于該有限狀態(tài)機(jī)模型設(shè)計(jì)優(yōu)化的電梯控制算法，并實(shí)現(xiàn)該算法，實(shí)驗(yàn)表明，該算法具有邏輯清晰、簡(jiǎn)單明了、運(yùn)行可靠高效等特點(diǎn)，可以很好地應(yīng)用于教學(xué)及實(shí)際電梯控制系統(tǒng)之中。

關(guān)鍵詞：電梯；有限狀態(tài)機(jī)；電梯控制算法；算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在現(xiàn)代社會(huì)中，特別是高層建筑里，電梯是不可缺少的垂直運(yùn)輸工具。電梯的特點(diǎn)是所占面積很小，通過(guò)合理的控制程序可以將乘客或貨物安全有效快速地運(yùn)送到不同的樓層[1][2]。而目前的電梯控制算法比較復(fù)雜，程序比較繁瑣[3]，文章提出了基于有限狀態(tài)機(jī)的優(yōu)化電梯控制算法，并給出了具體的實(shí)現(xiàn)。

1 電梯運(yùn)行分析

電梯結(jié)構(gòu)，一般電梯內(nèi)有所有樓層的對(duì)應(yīng)按鍵，提供人們按下所要到達(dá)的目的層；每一層電梯外都會(huì)對(duì)應(yīng)有一個(gè)向上和向下的方向鍵（如果是最高層，則只有向下的按鍵；如果是最底層，則只有向上的按鍵），提供人們所在樓層做出上樓或者下樓的操作。

電梯作為垂直運(yùn)輸?shù)纳翟O(shè)備，它通用的使用規(guī)則：當(dāng)只有一層有需求時(shí)，電梯直接響應(yīng)。每到達(dá)一個(gè)需要響應(yīng)的樓層，則開門后關(guān)門。當(dāng)電梯處于上升狀態(tài)時(shí)，電梯只響應(yīng)高層的上升按鍵請(qǐng)求。當(dāng)電梯處于下降狀態(tài)時(shí)，電梯只響應(yīng)低層的下降按鍵請(qǐng)求。每個(gè)請(qǐng)求信號(hào)保留到執(zhí)行后自動(dòng)刪除。

2 電梯控制的有限狀態(tài)機(jī)模型設(shè)計(jì)

有限狀態(tài)機(jī)是表示有限個(gè)狀態(tài)以及這些狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移和動(dòng)作等行為的數(shù)學(xué)模型，在軟件設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，狀態(tài)機(jī)經(jīng)常用來(lái)描述一些復(fù)雜的算法，表明一些算法內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和流程[4]。文章采用有限狀態(tài)機(jī)來(lái)描述電梯的控制過(guò)程，思路明確清晰。有限狀態(tài)機(jī)關(guān)鍵的步驟在于確定狀態(tài)的對(duì)象以及狀態(tài)的個(gè)數(shù)，文章將電梯處在的每一個(gè)樓層都視為一個(gè)狀態(tài)，而每一個(gè)狀態(tài)下都對(duì)應(yīng)電梯開門、關(guān)門、停止、向上走一層和向下走一層這些動(dòng)作，動(dòng)作之間的轉(zhuǎn)移有相應(yīng)的條件觸發(fā)，具體參考圖1所示。

對(duì)圖1中具體的狀態(tài)、動(dòng)作轉(zhuǎn)移說(shuō)明如下：

（1）“到達(dá)第N層”這個(gè)狀態(tài)下，能產(chǎn)生“電梯開門”動(dòng)作的觸發(fā)條件為條件1，條件1為：第N層為目的地?？赡軐?duì)應(yīng)以下兩種情況中的一種，或者兩種都具備：a.電梯內(nèi)有人按當(dāng)前層；b.電梯外有人按下方向鍵，且方向鍵與當(dāng)前電梯運(yùn)行方向一致；“電梯開門”動(dòng)作后，無(wú)條件進(jìn)入“電梯關(guān)門”動(dòng)作。（2）“到達(dá)第N層”這個(gè)狀態(tài)下，由“電梯關(guān)門”動(dòng)作轉(zhuǎn)到“向上走一層”動(dòng)作的觸發(fā)條件為條件2，條件2為：電梯繼續(xù)上行。即電梯停止或者運(yùn)行方向向上，尚未到達(dá)最高目的樓層。而最高目的樓層取決于：a.電梯內(nèi)有人按了更高樓層；b.更高樓層電梯外有人按下，無(wú)須考慮電梯外的方向鍵。（3）“到達(dá)第N層”這個(gè)狀態(tài)下，由“電梯關(guān)門”動(dòng)作轉(zhuǎn)到“向下走一層”動(dòng)作的觸發(fā)條件為條件3，條件3為：電梯繼續(xù)下行。電梯停止或者運(yùn)行方向向下，尚未到達(dá)最低目的地，最低目的地取決于：a.電梯內(nèi)有人按了更低樓層；b.更低樓層電梯外有人按下，無(wú)須考慮電梯外的方向鍵。（4）“到達(dá)第N層”這個(gè)狀態(tài)下，由“電梯關(guān)門”動(dòng)作轉(zhuǎn)到“停止”動(dòng)作的觸發(fā)條件為條件4，條件4為：無(wú)鍵按下（電梯內(nèi)外都無(wú)按鍵按下）。（5）“到達(dá)第N層”這個(gè)狀態(tài)下，直接轉(zhuǎn)到“向上走一層”動(dòng)作的觸發(fā)條件為條件5，條件5為：電梯當(dāng)前向上運(yùn)行，第N層不是目的地。下面條件同時(shí)滿足：a.電梯內(nèi)無(wú)人按當(dāng)前層；b.電梯外無(wú)人按下與當(dāng)前電梯運(yùn)行方向一致的方向鍵。（6）“到達(dá)第N層”這個(gè)狀態(tài)下，直接轉(zhuǎn)到“向下走一層”動(dòng)作的觸發(fā)條件為條件6，條件6為：電梯當(dāng)前向下運(yùn)行，第N層不是目的地。下面條件同時(shí)滿足：a.電梯內(nèi)無(wú)人按當(dāng)前層；b.電梯外無(wú)人按下與當(dāng)前電梯運(yùn)行方向一致的方向鍵。（7）在“到達(dá)第N層”這個(gè)狀態(tài)下，直接轉(zhuǎn)向“停止”動(dòng)作的觸發(fā)條件為條件7，條件7為：無(wú)鍵按下（電梯內(nèi)外都無(wú)按鍵按下）。（8）在“到達(dá)第N層”這個(gè)狀態(tài)下，直接轉(zhuǎn)向“停止”動(dòng)作的觸發(fā)條件為條件8，條件8為：有鍵按下（電梯內(nèi)或外有按鍵按下）。每當(dāng)“向上走一層”或者“向下走一層”的動(dòng)作都會(huì)觸發(fā)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，由電梯“到達(dá)第N層”轉(zhuǎn)移到“到達(dá)第N+1層”或者“到達(dá)第N-1層”。

3 基于有限狀態(tài)機(jī)的算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上文介紹，利用有限狀態(tài)機(jī)建模，將電梯的每個(gè)樓層視為一個(gè)狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)下，又分為若干動(dòng)作。在具體的實(shí)現(xiàn)中，在“每達(dá)到一層”的狀態(tài)下，都進(jìn)行圖1中各個(gè)條件判斷，滿足條件則觸發(fā)對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。同時(shí)在具體實(shí)現(xiàn)中，由于這個(gè)動(dòng)作的觸發(fā)條件都是取決于當(dāng)前電梯按鍵狀態(tài)，因此我們需要記錄電梯內(nèi)外按鍵的狀態(tài)、電梯當(dāng)前運(yùn)行的方向和最高（最低）響應(yīng)樓層的判斷。根據(jù)電梯控制的有限狀態(tài)機(jī)模型，設(shè)計(jì)優(yōu)化的電梯控制算法如下：

算法1基于有限狀態(tài)機(jī)的優(yōu)化電梯控制算法

INPUT： 電梯內(nèi)部按鍵及各樓層按鍵狀態(tài)；

OUTPUT： 電梯運(yùn)行控制信號(hào).

PROCEDUCE： FSM_Based_ elevator_control_Algorithm（）

1.while （true） then

2. if 根據(jù)電梯內(nèi)部按鍵、當(dāng)前樓層按鍵及電梯運(yùn)行判斷當(dāng)前樓層應(yīng)該開門 then

3. 在暫停在當(dāng)前樓層，并進(jìn)行電梯開門、關(guān)門動(dòng)作；

4. end if；

5. if 電梯運(yùn)行方向是上行 then

6. if 到達(dá)上行最高目的層 then

7. 暫停在當(dāng)前層；

8. else // 還未到達(dá)最高目的層

9. 驅(qū)動(dòng)電梯上行；

10. end if else；

11. else if 電梯運(yùn)行方向是下行

12. if 到達(dá)下行最低目的層 then

13. 暫停在當(dāng)前層；

14. else // 還未到達(dá)最低目的層

15. 驅(qū)動(dòng)電梯下行；

16. end if else；

17. else // 電梯目前是暫停在當(dāng)前層

18. 根據(jù)電梯內(nèi)部按鍵、各樓層按鍵設(shè)置電梯運(yùn)行方向及目標(biāo)層

19. end if else；

20. end while；

該算法需特別說(shuō)明兩點(diǎn)：（1）步驟2-3需根據(jù)電梯運(yùn)行設(shè)計(jì)時(shí)

速提前進(jìn)行判斷，以便于有足夠的時(shí)間控制電梯暫停在該層上；（2）電梯的每次按鍵都將刷新當(dāng)前運(yùn)行電梯的最高目的層或最低目的層，以便能及時(shí)響應(yīng)用戶使用電梯的需求。我們?cè)贛icrosoft Visual C++環(huán)境中對(duì)算法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)表明，該算法具有計(jì)算量級(jí)小，能及時(shí)響應(yīng)按鍵，運(yùn)行高效等特點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章提出了基于有限狀態(tài)機(jī)的優(yōu)化電梯控制算法，實(shí)驗(yàn)表明，該算法具有邏輯清晰、簡(jiǎn)單明了、運(yùn)行可靠高效等特點(diǎn)，適用于教學(xué)或者控制電梯的應(yīng)用研究工作中。

參考文獻(xiàn)

[1]王榮娟.基于單片機(jī)電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].河南科技，2013（14）：93-93.

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