群控电梯目的层调度系统的设计

蔡晓霞，俞立峰

(1.绍兴职业技术学院 机电工程学院，浙江 绍兴 312000；2.浙江工业职业技术学院 计算机学院，浙江 绍兴 312000)

群控电梯目的层调度系统的设计

蔡晓霞1，俞立峰2

(1.绍兴职业技术学院 机电工程学院，浙江 绍兴 312000；2.浙江工业职业技术学院 计算机学院，浙江 绍兴 312000)

摘要：针对现有群控系统在呼梯和调度上存在的候乘梯时间不明确、客流量分配不合理等弊端，提出了一种基于多目标调度算法和RS485多主从模式通讯技术的新型群控电梯目的层调度系统.该系统以德国奔克公司的bp304主板为电梯主控制系统，以群控模块为数据处理核心，以迪文公司的触摸屏为目的层呼梯装置，以轿厢通讯板为电梯运行状态收集器搭建而成.实验证明，新型群控系统能够明显改善系统的呼梯和调度性能.

关键词：群控电梯系统；RS485总线；同步；群控算法；目的层调度

中图分类号：T273

文献标志码：A

文章编号：1006-4303(2015)01-0052-06

Elevator group control destination scheduling system

CAI Xiaoxia1, YU Lifeng2

(1.School of Mechatronics Engineering, Shaoxing Vocational & Technical College, Shaoxing 312000, China;

2.Computer Department of Zhejiang Industry Polytechnic College, Shaoxing 312000, China)

Abstract:Aiming at some disadvantages which refer to the uncertain riding time and the unreasonable passenger flow distribution on the calling and the scheduling of the existing group control system, this paper proposes a new elevator group control system based on the multi-objective scheduling algorithm and the RS485 multiple master-slave mode communication technology. The system uses the Germany bp304 board as the elevator master control system, the designed control module as the data processing core, the touch-screen as the calling device of the destination and the car communication board as the collector of the elevator operation state. The experiment proves that the new group control system can improve the performance of the calling and the scheduling significantly.

Keywords:the elevator group control system; RS485 bus; synchronization; group algorithm; destination scheduling

电梯作为一种重要的交通工具，在人们生活中得到了越来越广泛的应用，为了提升电梯执行效率，建筑物往往需要使用多台电梯来完成群控调度.群控是指用微机对集中排列的、共用层站召唤信号的多台电梯所进行的集中控制[1].群控电梯调度的实现要根据各台电梯的运行方向、轿厢当前位置、呼梯信号等因素来分析计算得出结果的[2].传统目的层呼梯方式是通过外召板和轿厢通讯板二次输入信号来得到的，这种方式存在着呼梯不简便、乘客候梯和乘梯时间不明确、客流量分配不合理等弊端[3]，因此目的层群控调度的优化越来越成为人们讨论和研究的重点.

与外召板呼梯方式不同，目的层呼梯是指乘客在层站候梯时，通过触摸屏预约目的层，群控模块根据电梯群的运行状态和群控调度原则得出响应梯编号，并将结果信号告知主板，与此同时，触摸屏会显示信息提示乘客乘坐响应梯.这种控制方式成功地实现了触摸屏操作人性化、目的层预约明确化、群控调度合理化等目标.

1系统设计和分析

1.1硬件平台简介

本系统采用德国进口的奔克bp304主板作为主控制系统，bp304控制系统主要由数据输入输出I/O模块、驱动功率接触器、门控制接触器、井道信号系统、轿厢内应急照明单元、安全开关模块、提前开门及开门再平层模块等部分组成[4]，采用了3个32位工业级微处理器，增强了运行速度和性能，能最大限度支持64层8台电梯群控.

1.2群控系统结构设计

典型的群控系统结构有星型和环型两种.电梯星型群控系统如图1所示，典型的群控系统有三菱群控系统和日立群控系统.

图1　星型群控电梯技术框图Fig.1　The diagram of the star group control elevator

电梯环型群控系统如图2所示，典型的群控系统有奥的斯群控系统和德国奔克群控系统.

图1和图2中，每台电梯配有一个主控板，n台(n≥3)电梯配有k组外召板(1≤k≤n)，即每台电梯可以配有1组外召板，也可以多台电梯共用一组外召板；一组外召板的个数m等于楼层数.星型群控系统只有一个群控器，属于集中式控制，但是当群控器发生故障时，星型群控系统容易瘫痪.环型群控系统改变了集中控制模式，减小了群控系统整体瘫痪的概率，但是环型系统在电梯数量较多时，信息传递将严重滞后.

图2　环型群控电梯技术框图Fig.2　The diagram of the ring group control elevator

星型和环型系统在可靠性、实时性、合理性方面均没有达到很好的效果.为了进一步优化群控系统，将一种基于目的层调度的新型群控技术运用于系统.新型群控系统框图如图3所示.

图3　新型群控系统结构框图Fig.3　The diagram of new control system

新型群控系统的每台电梯配有一个主控板，每个主控板配有一个群控模块，群控模块不仅是所有功能模块的连接中心，还是所有功能模块的控制核心.n台(n≥3)电梯配有k组触摸屏(1≤k≤n).

新型群控系统主要采用TTL和RS485两类通讯接口.群控模块通过TTL方式连接于主板的SP2接线端口，接收主板发送的数据帧并回复相应的数据帧.RS485总线一般默认为主从模式，在一主多从通讯中，主机发起请求，从机回应[5].但是在群控系统中，采用一主多从模式且当主机出现故障时，容易出现无主状态，导致通讯失败.因此，笔者把用于群控通讯的RS485“一主多从模”转换为“多主从”，即每个群控模块在各自规定的时间范围内成为主机，而其余群控模块便成为从机，群控模块的多主从模式如图4所示.其中：t1,t3,…,t(2n-1)为每个群控模块开始中断发送数据帧的规定时间点；t2,t4,…,t2n为每个群控模块中断发送数据帧的结束点；ts为一个群控模块发送一帧数据所需的时间；tf为一个模块发送结束至下个模块发送开始的时间间隔.

图4　群控模块的多主从模式Fig.4　The multi master-slave control module

1.3群控系统的通讯时序同步分析

群控通讯需要解决的是群控模块间的同步性问题.由于每个主芯片的时钟存在一定的差别，即使同时开启时钟计数，群控模块间的计数值也会不同，而且差值越来越大，此时，就需要通过同步来减小差值，在图4的t1时刻，1号群控模块开始发送，其余群控模块接收1号发送的数据；在t2时刻，1号群控模块发送完毕，与此同时，其余群控模块也几乎接收完成1号发送的数据.本系统设定同步时间点为群控模块接收完成后的时间，即为图4的t2，t4，t6，t2n.例如，当1号模块数据发送完成，即2-n号模块接收完成时，将时钟调整为t2，其余以此类推.这样能够有效防止总线信息的堵塞.群控模块间的同步可分为启动时同步和正常工作时同步两个阶段.

启动时同步：上电启动时，每个群控模块需使能主芯片的串口接收中断，并检测RS485总线上是否有数据.如果在规定的时间内接收到总线数据，则表明电梯处于群控环境中，因此当其接收完成数据后进行通讯时序的同步；没有，则说明电梯处于非群控状态中，属单梯控制.

正常工作时同步：群控通讯时，每个群控模块在其接收完成数据后进行同步.

2群控系统软硬件设计

2.1群控模块硬件电路设计

群控模块的硬件组成元件主要有基于ARM内核的新唐M052LAN主芯片，B0505SDC/DC电平转换模块，SI8431A磁耦数字隔离芯片，两个TJA1050芯片，晶振、贴片电阻、贴片电容、二极管等.群控模块的正反面如图5所示.

2.1.1M052LAN主控制芯片

基于ARM内核的新唐M052LAN为群控模块的主芯片，为LQFP48型封装[6]，它是整个群控模块的信息处理核心，主芯片电路如图6所示.

1-DC/DC模块；2—排阻；3—程序烧入接口；4—SI8431；5—TJA1050；6—发光二极管;7—RS485总线；8—TTL接口；9—M052；10—12M晶振；11—电阻图5　模块正反面实物图Fig.5　The positive and negative diagram of module

图6　新唐M052LAN主芯片引脚连接电路Fig.6　The pin connection circuit of Nuvoton M052

2.1.2TJA1050高速收发器

TJA1050芯片为总线提供差动发送性能，为M052控制器提供差动接收性能，其原理如图7所示.

图7　TJA1050连接电路原理图Fig.7　The circuit principle diagram of TJA1050

在群控模块中，TJA1050的RXD和TXD和新唐M052LAN间接相连，CANL和CANH的两个引脚连接至外部设备.CANL和CANH的差分原理与RS485总线相差分原理相似，且TJA1050具有良好的电磁兼容性，未上电时，总线呈现无源特性，能较好地避免干扰.除此之外，MAX485等普通芯片的反向耐压为14 V左右，而TJA1050的反向耐压远远大于MAX485，为40 V，能避免误插对电路的毁坏.

2.2触摸屏界面设计

新型触摸屏呼梯界面的内容包括：电梯编号、待响应楼层显示、1~9按键区、电梯运行方向、电梯当前层、按键10+~30+区.此界面除去了一般界面所带有的LOGO显示、MP3和动画播放等对电梯调度无关的信息，新增了电梯待响应楼层的显示等功能，界面整洁，内容清晰.

触摸屏界面由Photoshop画图软件设计而成，如图8所示，同时楼层按键及界面显示均由DGUS配置工具配置完成.配置时需要给界面上的每个按键规划按键值返回的寄存器地址，也要给界面上的信息显示规划显示地址.最后编写OS汇编程序控制触摸屏工作.OS编写内容包括触摸屏回应群控模块的OS控制程序、触摸屏界面显示的OS控制程序、触摸屏按键值判断的OS控制程序.

1-电梯编号；2—待响应楼层；3—1—9按键区；4—电梯运行方向；5—电梯当前层；6—10+~30+区图8　触摸屏界面Fig.8　The interface of the touch-screen

由于本系统使用触摸屏呼梯，触摸屏界面能够显示全部电梯的运行状况和待响应楼层的登记情况，因此每个候梯层可只安装一个触摸屏呼梯装置，乘客只需在入口处呼梯，完成呼梯后就可以根据显示结果前往响应梯前等候，此方式可在多电梯建筑中减少安装成本.

2.3群控调度算法的设计

2.3.1空闲状态的调度原则

电梯系统具有非线性、不确定性、扰动性、不完备性和多目标性等特点，而群控系统需对多台电梯进行调配，更具复杂性[7].根据触摸屏呼梯特点制定了一些规则，群控电梯都处于空闲状态时，新型电梯群控系统的调度原则有：

1) 群控电梯停在同一楼层且空闲时间相同，则编号最小的电梯优先响应；群控电梯停在同一楼层但空闲时间不同，则停靠时间最长的电梯优先响应.

2) 群控电梯随机分布于不同楼层时，其响应规则是停在召唤层下方的电梯优先响应上行召唤，停在召唤层上方的群控电梯优先响应下行召唤.

2.3.2运行状态的调度原则

电梯群控系统是一个多目标控制系统[8]，在运行时，需综合考虑乘客候梯时间、乘客乘梯时间、电梯能耗等指标，以达到电梯调度的最优化.

1) 候梯时间函数

候梯评价函数AWT(i)以候梯时的运行时间和停站时间来表示.候梯运行时间为轿厢从当前层到召唤层的时间用Tr表示，Tr视轿厢运行状态而定：当轿厢从空闲转为运行时，Tr还需考虑轿厢启动加速时间.候梯停站时间以轿厢在每层的停站时间Ts和电梯到达候梯层所经过的停站数Ns(i)的乘积来表示，即

AWT(i)=Tr+Ts·Ns(i)

(1)

2) 乘梯时间函数

(2)

3) 系统能耗函数

电梯能耗来源有：启动能耗、减速能耗、开关门能耗等[9].总能秏可用启停能耗Cst表示，即

ERC(i)=Cst·Ns(i)

(3)

其中Ns(i)为第i台电梯到达目的层所需要经过的停站楼层数.

2.3.3多目标调度算法的建立

对乘客的平均候梯时间(AWT)、系统能耗(ERC)和平均乘梯时间(ART)等评价因素进行了综合考虑，并结合实际情况确定具体的权重系数，在此基础上实行合理派梯，其多目标调度的评价函数为

(4)

其中：Wi为权重系数，需满足的约束条件为0≤Wi，W1+ W2+W3=1.权重系数组的选择代表了Wi在不同电梯乘运模式下各个评价指标的重要性.常见的电梯乘运模式有四种：空闲模式、层间模式、上班高峰模式，下班高峰模式.通常用于识别电梯系统处于哪一种乘运模式的方法有两种：一种是电梯工作时间选择，即不同的时间段对应不同的乘运模式；第二种是客流量选择，即根据电梯当前客流量选择合适的乘运模式.国内电梯系统多数采用的是第一种方法，该方法较为方便.

3群控调度实验测试及结果

3.1实验平台

实验平台由4个bp304主板，4个群控模块(每个主板配有1块)，4个轿厢通讯板构成(每个单梯配有1块)，1块触摸屏，24 V电源组成.

实验开始前，首先需了解新型群控系统的运行参数.其中，电梯运行楼层数与所能达到的最高速度的关系如表1所示.由表1可知：电梯从静止开始运行1个楼层所能达到的最高速度为0.8 m/s；电梯从静止开始运行2个楼层所能达到的最高速度为1.34 m/s；电梯从静止开始运行3个或3个以上楼层所能达到的最高速度为2 m/s.在表1的基础上，对电梯运行n个楼层的运行时间进行测量，得出如表2所示的电梯运行楼层数与运行时间的关系，其中：运行时间包括启动加速时间，匀速运行时间和平层减速时间；当电梯运行楼层数为3个或3个以上时，每个楼层的匀速运行时间为1.5 s.

表1电梯运行楼层数与所达最高速度的关系

Table 1The relationship between the elevator running floor

and the highest speed

初始停靠层S/楼结束停靠层E/楼运行层数之差(E-S)/楼最高速度/(m·s-1)1210.805721.344579342.002.00

表2　电梯运行楼层数与时间的关系表

电梯群控系统的其余运行参数如表3所示.

表3新型电梯群控系统的运行参数表

Table 3The running parameter of the elevator group control system

参数名称参数值电梯开门时间To/s2平均每人次进出时间Tt/s1电梯关门前等候时间Tw/s2楼层高度H/m3.0电梯关门时间Tc/s2平均每次停靠进出人数Np/人2大楼总层数F/楼32

电梯停站时间Ts由To，Np·Tt，Tc，Tw组成，由表3得Ts=8s，此外还要设定轿厢启停能耗为50kJ，匀速能耗30kJ，启停时间为Ta=3.5s.因此，对于运行着且在第n层无响应信号的电梯而言，则电梯从n楼运行至n+m楼的时间(除去第n楼的启动加速时间)为

Tcm=Tm-Ta

(5)

其中：Tm为电梯运行m楼的时间(包含启动加速时间和平层减速时间)；表1中Tcm为电梯运行m楼但不包括启动加速时的时间.

为了得到更加合理的调度方案，还需要选择相应的交通流模式，为了方便实验，则设定权重系数W1+W2+W3=0.

3.2实验论证

初始状态：A号梯当前层为6楼，有1个12楼的响应信号；B号梯当前层为10楼，有1个5楼的响应信号；C号梯当前层为15楼，处于空闲状态；D号梯当前层为1楼，处于空闲状态.电梯响应多个目的层信号的初始状态如表4所示.触摸屏呼梯信息：3楼触摸屏有1个9楼目的层信息；8楼有1个15楼目的层信息；16楼触摸屏有1个12楼目的层信息.

表4电梯响应目的层信号的初始状态

Table 4The initial states of response signal for elevator destination layer

电梯号当前层数/楼响应信号运行状态W1W2W3目标函数A612楼上行0.50.50.5S(1)B105楼下行0.50.50.5S(2)C15无空闲0.50.50.5S(3)D1无空闲0.50.50.5S(4)

响应分析：首先设平均候乘、梯时间评价函数的计算公式为

Trw(i)=ART(i)+AWT(i)

(6)

由表4可总结出两种函数下的比较结果，如表5所示.

表5　电梯响应目的层信号的函数计算值

表6　S(i)值及比较结果

由表6中可知:A号梯响应8楼触摸屏的15楼目的层信号；C号梯响应16楼触摸屏的12楼目的层信号；D号梯响应3楼触摸屏的9楼目的层信号.两种计算结果均为D号电梯响应时间最短(Trw(i)越小，说明候乘梯时间越短；S(i)越小，效果越好).经过多次实验测试，均由D号电梯优先响应信号.因此表明系统采用的控制方式实时性强，周期短，具有可行性和合理性.

4结论

研究结果表明：触摸屏呼梯装置能够为乘客提供目的层呼梯选择，提醒乘客前往指定的电梯乘坐.其RS485“多主从”群控连接方式克服了原有星型和环型群控系统中的缺点，使模块的功能及接口能够得到合理的利用，提高了系统的实时性；本系统对群控信息的处理方式避免了电梯在运行过程中对楼层信息是否需要响应的误判断；针对电梯不同运行状态的调度原则在一定程度上增强了群控电梯的调度效率；系统通过将目的楼层相同或临近的电梯乘客聚集起来，以降低电梯停站次数，缩短乘客乘梯时间，减少系统能源消耗；无线技术能够减少电梯的安装费用，提高电梯的使用寿命和可靠性，更好地解决电气设备的兼容性[10].

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[5]付丽君,周崇.电梯群控系统的最优调度仿真[J].计算机仿真,2012,29(4):263-367.

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(责任编辑：刘岩)

作者简介：蔡晓霞(1978—)，女，浙江天台人，副教授，硕士，研究方向为设备远程智能维护与智能控制，E-mail:caixiaoxia@sxvtc.com.

基金项目：绍兴市科技局基金资助项目(2013B70023)

收稿日期：2013-10-13