基于模糊控制和红外探测的梯群控制系统控制策略的研究＊

段素丙，陈伟华，，强 雄，周玮杰

（1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2.上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司，上海 200063）

引 言

随着各大城市高层建筑日益增多，电梯的使用也日益广泛，且往往是多部电梯同时运行，特别是对于40层以上的超高层建筑，4部甚至6部电梯同时运行的情况极为常见，所以对电梯的运行速度、控制性能、运行效率等有了更高的要求。如果能够合理高效地控制多部电梯的运行状态，减少用户待梯时间，使电梯更人性化［1］，对机械工业节能产业发展有较大推进作用。

作为世界最大的电梯制造国和使用国，中国电梯保有量和新增量世界第一，已超过100万台，按电梯日用电量20～50kWh统计，2008年内地电梯耗电总量为83.93～209.88亿kWh，占全社会总用电量的0.24%～0.61%。但总体而言，国内电梯数量多，使用频率高，如果电梯企业继续能够加强电机本体及能量反馈装置等高效节能产品的技术水平，以及在电梯使用上加强节能管理，中国电梯将有较大的节能空间。

近年来国外梯群控制系统也取得了飞速发展，各国对电梯在提高梯群数量的同时，也对质量有着更高的要求，且整体水平优于国内。如西屋公司装于芝加哥希尔斯大楼采用MARK－V群控系统的9m／s电梯，三菱公司装于东芝阳光大厦的OS－75控制系统的10m／s电梯。

1 控制策略分析

评价电梯系统的性能优劣主要是从乘客的角度考虑，即乘客平均候梯时间［2］要求最短，平均乘梯时间最短。在满足以上两个要求的情况下，使系统能耗降至最低。

文中所述群控系统控制策略是每部电梯处理各自的随机指令，而对于随机召唤信号则由一个调度算法进行分配。调度算法实际上是一个最优函数。最优函数中需要考虑3个因素：轿厢当前位置信息，轿厢内的请求信息，以及除当前召唤层之外的外召集。

当某层的召唤按钮被按下后，梯群控制系统记录该层站召唤信号，同时，从各轿厢控制器获得各台轿厢的即时运行状态及内召信息，同时根据当前交通模式选择响应电梯。正常运行时，梯群控制遵循轿内指令优先、顺向截车、时间优先［3］三项原则。

（1）轿内指令优先：当轿厢门与厅门均已关闭，轿内按钮与楼层召唤按钮同时按下，则优先执行轿内指令，同时保留楼层召唤请求，等待控制系统派梯。

（2）顺向截车：当某部电梯运行方向与楼层召唤信号同向时，即都为向上或向下，且轿厢在向上或向下的过程中会经过该层，则由该电梯响应该召唤请求。

（3）时间优先：不论顺向与否，优先选择轿厢从当前位置至有召唤请求的楼层的时间最短的电梯响应请求。

最佳电梯选择步骤如下：

（1）通过模糊逻辑识别电梯交通模式；

（2）采用EAT算法来计算各台电梯响应某一厅层呼梯信号的评价函数；

（3）根据设定的规则集，选择当前交通模式下响应召唤最合适的电梯，并指派至目的楼层。

1.1 交通模式识别

1.1.1 输入量的选择

交通模式是指某一时间段内相对固定的建筑物中人流来往信息，以流出、流入以及层间客流状况和客流的交通强度为依据划分。交通模式取决于进入客流百分比u1、离开客流百分比u2、层间客流百分比u3：

式（1）中，λintλoutλbet分别表示一段时间流入、流出及层间客流量与总客流量之比，取时5min；u4表示相对交通强度；HC表示最大5min客流量。

λoutλbet依次类推，分别为5min内流出及层间乘客数与总乘客数百分比。

1.1.2 输入量模糊化

用high、medium、low分别表示交通逻辑变量，则交通构成百分比的隶属函数表达式如下：

U4→［0，100］whereu4∈U4：

式中ai＜bi＜ci＜di，其大小分别表示当前交通模式的交通强度隶属于模糊逻辑“轻”、“一般”、“强”的临界值。对于不同交通构成类型，乘客量峰值也不同，因而辨识不同类型的交通强度模糊值时，4个参数应分别定义。

根据不同的的交通强度，通过模糊推理可以得出27条规则，简化后可得到5种规则，定义如下：

表1 简化后的规则表Tab.1 Simplified rule table

综上所述，判断客流模式的基本步骤是：

（1）根据流入、流出、层间客流量求得相对交通强度。

（2）根据相对交通强度，识别具体的交通模式。

1.2 基于ETA的派梯算法

在电梯群控系统中，共有3类召唤：（1）响应召唤无需改变方向，即电梯运行方向指向召唤层，且目的楼层与电梯当前位置在召唤层异侧；（2）响应召唤电梯需要改变一次方向，即电梯运行方向指向召唤层，且电梯与目的楼层在召唤层同侧；（3）响应召唤需要改变二次方向，即电梯运行方向背向召唤层，且目的楼层与电梯在召唤层同侧。

ETA（estimate time arrive）算法是以使乘客平均等待时间最短为目标，它把每个召唤当作平等的，并且同时考虑新召唤厅层的等待响应时间和响应其它厅层带来的时间延迟，同时考虑最远楼层和额外停层的影响。

1.2.1 最远楼层及额外停层的预测

假设登上电梯k的乘客在即将运行的各楼层上或下的概率是相等的，则有

因此，则有

现在必须停靠楼层及额外停层就可以通过下列公式确定：

式（14）中，M表示系统中电梯总数是基于电梯三类召唤关系及电梯额外停层的预测。额外停层包括当前在已登记楼层的必须停层和在可能反向的楼层的停层以及除此之外可能的停层。

如果是一类召唤，则有

新外召给乘客带来的时间延迟取决于k层外召登记后的外召集，因此

软件流程图如图1所示，用户每按一次楼层召唤按钮，程序被执行一次。

图1 软件流程图Fig.1 Software flow chart

2 硬件实现

2.1 控制核心

考虑到系统需要很高的数据处理速度，采用Philips2138ARM芯片作为控制核心，LPCZ138是一个基于支持实时仿真和跟踪的32位ARM7TDMI－SMTCPU，并带有32kB的片内静态RAM和51kB嵌入的高速Flash存储器，128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使程序代码能够在最大时钟速率下运行，可实现高达60MHz工作频率。该芯片对代码规模有严格控制的应用，可使用16位Thmub模式将代码规模降低超过30%［4］，而性能的损失却很小，LPC2138接线图如图2所示。

图2 控制核心接线图Fig.2 Cybernetics core wiring diagram

Ai、Bi表示从电梯传来的485信号，Rx、Tx表示模拟串口的232引脚。由于LPC2138只有两个异步串行通信接口Uart，所以采用了74HC257作为二选一电路实现接口扩展，对信号进行分时选择传送。所有控制板采集到的信息都经过485总线传至群控主机，总线控制采用主从方式，由群控主机控制通讯。另外，由于PC系列微机串行口为RS－232C标准接口，与LPCZ138在接口规范上不一致，因此TTL电平到RS－232接口电平的转换采用MAX232标准RS－232接口芯片。该芯片可以用单电压实现RS232接口逻辑“l”（－3～15V）和逻辑“0”（3～15V）的电平转换。P0.15、P0.16分别是模拟信号发送接收端和发送端。

2.2 系统结构

群控主机在群控系统中负责对整个群控系统的控制，要能够对电梯信息进行采集，对收到的信息进行分析，作出派梯选择，将群控指令信息发送给电梯，同时能够与电梯监控主机进行信息交互。每台电梯的每个厅层处有一个外召面板，即上行及下行按钮，实现对群控主机的召唤请求；轿箱内也有内召信号面板，用来采集内召信号；在电梯控制柜内装设电梯测重传感器，用于采集电梯运行时的载重信息。系统结构图如图3所示。

图3 系统结构图Fig.3 System architecture

CPU的群控主机，通过485总线与内外召控制板通讯。每层各个电梯门厅处各安装LED灯和扬声器，用作灯光及音效提示。由于群控系统采用的LPC2138不具备显示功能，所以配置监控主机实现参数配置、状态监控、硬件测试及派梯提示等功能，派梯确定后，由监控主机在该楼层的指派电梯处发布灯光及音效提示，即时提示用户作乘梯准备。在监控界面上显示电梯运行状态有电梯的轿厢运行楼层位置、运行方向、以及各开关量等。监控主机与群控主机通过RS232总线进行通讯［5］。

某一层是否停层主要是根据该层有无召及外召请求［6］，在有内召的情况下，不论该层有无外召请求，该层必定指派最佳电梯停层，但在无内召，而只有外召的情况下，如果通过红外探测指示出该层候梯处无人存在，则该层不指派电梯停层。

该系统采用被动式红外探测器，即探测器本身不发射任何能量而只被动接收、探测来自环境的红外辐射。每个楼层在候梯区域安装一个红外探测器，只要该区域有人存在，且有外召请求的情况下，该层则指派电梯。探测器主要由光学系统、热传感器（或称为红外传感器）及控制器组成。红外传感器的探测波长范围是8～14μm，人体辐射的红外峰值波长约为10μm，一旦有人体红外线辐射进来，经光学系统聚焦就使热释电器件产生突变电信号，从而向控制系统处理器发出派梯请求。

该系统采用被动红外复合式吸顶多鉴探测器RK200DT。该探测器为可寻址和编程的红外微波多鉴探测器，具有反遮掩专利技术，安装高度最高从2.7～8.6m，探测角度360°，探测范围可达直径为18m，3个可独立调节的被动红外通道，适应不同用探测范围需求。3个三色指示灯分别指示各方向的探测情况，可根据环境因素自动调节和判定门限［7］。完全可以满足一般高层商业及住宅楼的安装要求。

3 结 论

文中通过梯群控制系统控制策略的分析，提出一种在ARM平台上实现，并基于模糊控制理论的多部电梯同时运行的群控策略，控制模式较传统控制系统有了很大改进。通过对梯群进行统一调度和交通模式的识别，利用ETA算法作出最佳派梯选择，同时较传统系统有了更为人性化智能化的红外探测功能，可以根据红外探测信号减少不必要的停层，以保证电梯的高效运行，缩短用户待梯时间，提升电梯服务质量，满足系统要求，特别适用于如今日益增加的高层及超高建筑梯群控制系统。对于已安装完成的可编程梯群控制系统，可以直接将控制策略用于原系统，以减少工程改造规模。

［1］ 欧 哲.智能电梯控制系统的开发［J］.机电工程技术，2006，35（3）：60－61.

［2］ 王兴成，杨冬梅.基于统计近似的电梯群控系统的智能算法［J］.系统仿真学报，2001（7）：99－101.

［3］ 张 琦.现代电梯构造与使用［M］.北京：清华大学出版社，2004：28－37.

［4］ 侯冬晴.AMR技术原理与应用［M］.北京：清华大学出版社，2009：48－62.

［5］ 李 涛.基于PLC的电梯控制系统的设计与实现［J］.仪器仪表用户，2010，17（3）：74－75.

［6］ 粱春燕，谢剑英.智能大厦中电梯群控系统的研究［J］.测控技术，2000（3）：16－18.

［7］ 代新鹏.智能型住宅安防报警系统的研究［D］.北京：中国农业大学，2005：2－3.