毕业设计(论文)基于改进遗传算法的电梯群控系统设计及其MATLAB仿真.doc
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1、基于改进遗传算法的电梯群控系统设计及其MATLAB仿真(南京航空航天大学自动化学院0307102班,江苏,南京,211100)摘要在倡导节能减排,建设节约型社会的中国,随着高层建筑的不断发展,人们对电梯服务质量提出越来越高的要求,单台电梯往往不能满足建筑物内的交通需要。为了缩短人们的候梯时间,减少能量损耗,需要合理安装多台电梯并进行集中统一的控制,这种多台电梯的优化调度系统就是电梯群控系统(EGCS)。本文以电梯群控系统作为研究对象,以减少候梯时间、减少乘梯时间、节约能耗为目的,对电梯群控系统的派梯策略进行了深入的研究,提出了一种基于改进遗传算法的电梯群控调度方法。通过对电梯群控系统交通过程的
2、分析,建立电梯群控客流模型,采用MATLAB语言进行仿真,建立模拟仿真系统。仿真结果证明改进遗传算法的有效性。关键词:电梯群控,多目标优化,遗传算法,MATLAB仿真目录基于改进遗传算法的电梯群控系统设计及其MATLAB仿真1沈东东,白泽华,李宇1(南京航空航天大学自动化学院0307102班,江苏,南京,211100)1摘要1关键词:电梯群控,多目标优化,遗传算法,MATLAB仿真1目录2第一章绪论41.1电梯群控系统概述41.2电梯群控的起源与发展41.3国内外研究现状51.4课题的目的和意义51.5本课题研究的主要内容61.6本章小结7第二章电梯群控系统82.1 电梯群控系统的相关概念82
3、.2 电梯群控系统的系统特性92.2.1 电梯群控系统的多目标性92.2.2 电梯群控系统的不确定性122.2.3 电梯群控系统的非线性122.2.4 电梯群控系统的扰动性122.2.5 电梯群控系统的不完备性132.3 电梯群控系统的交通模式132.2.1 上行高峰交通模式132.2.2 下行高峰交通模式132.2.3 层间交通模式132.2.4 空闲交通模式142.4 电梯群控系统的常用调度原则142.5 本章小结14第三章基于改进遗传算法的电梯群控调度策略153.1 遗传算法简介153.1.1基本遗传算法概念描述153.1.2 基本遗传算法流程163.1.3 遗传算法的基本操作183.2
4、 电梯群控功能指标评价函数183.2.1 候梯时间评价函数203.2.2 乘梯时间评价函数223.2.3 轿厢内乘客人数评价函数233.2.4 系统能耗评价函数233.3 基于改进遗传算法的电梯群控系统的设计243.3.1 编码253.3.2 生成初始种群263.3.3 适应度函数设计273.3.4 选择操作283.3.5 交叉操作293.3.6 变异操作313.3.7 控制参数的选择323.3.8 算法终止准则333.4 遗传算法优化调度程序设计343.5 本章小结35第四章电梯群控系统的整体设计与仿真364.1 仿真假设364.2 客流模型产生模块374.2.1 乘客到达时间374.2.2
5、 乘客的起始密度向量和起始目标矩阵384.2.3 确定乘客的起始楼层424.2.4 确定乘客的目标楼层434.2.5 客流仿真流程图444.3电梯模型454.4 仿真结果464.4.1 奇偶层控制464.4.2 高低层控制464.4.3 遗传算法控制46第五章各种调度算法的比较分析47第六章总结与展望476.1 论文总结476.2 论文展望48致谢49参考文献50第一章 绪论1.1 电梯群控系统概述在倡导节能减排,建设节约型社会的中国,随着高层建筑的不断发展,人们对电梯服务质量提出越来越高的要求,单台电梯往往不能满足建筑物内的交通需要。为了提高电梯的运载能力和改善电梯的服务效率,通常将多台电梯
6、安装在一起,构成电梯群。对电梯群实施优化调度的算法和程序,被称之为电梯群控策略。电梯群和电梯群控策略一起组成电梯群控系统(Elevator Group Control System,简称EGCS)。1.2 电梯群控的起源与发展电梯群控系统从二十世纪四十年代在美国出现,至今已经发展了几代。从最初使用继电器,接着集成电路,集成电路使系统具有较复杂的功能,直到今日发展成为应用计算机的现代电梯群控阶段。其发展情况见表1-1。表1-1 电梯群控的发展1.3 国内外研究现状我国对于电梯控制技术的研究同国外相比处于比较落后的状态,直到1986年,国内才开始对电梯配置理论和电梯系统特性进行研究,90年代以后才
7、对电梯系统的态特性进行研究规划朱德文,梁质林.建筑设计电梯选型与配置实用指南.北京:机械工业出版社,2005,发表的关于电梯群控系统的论文多属概括性原理性内容。总的来说,国外的电梯行业起步较早,因此对电梯的各种技术的研究也较早。布尔斯工程师研究会的Robert S. Caporale等人投入了十年的时间共同开发了命名为“Eletran”,的电梯交通分析程序-ELEVATETM,它适应于所有建筑的电梯系统。ELEVATETM是一种综合的电梯交通分析软件包,电梯系统设计人员可以利用该软件全面研究各种可能的电梯系统配置,然后确定能够为乘客提供有效的输送能力和高质量服务的最佳电梯控制方式。ELEVAT
8、E能够随机选取电梯系统的参数,如开关门时间、加速度、加速度的变化率、轿厢启动时间、乘客输入时间、乘客重量等等朱德文.现代电梯群控系统和人工智能技术.基础自动化,1998,16(5):1-5。1.4 课题的目的和意义在倡导节能减排,建设节约型社会的中国,随着高层建筑的不断发展,人们对电梯服务质量提出越来越高的要求,传统的电梯控制方式已不能满足人们的需求。同时目前大多楼宇中已布置的电梯系统已不能满足社会的要求,急需对其进行现代化改造。这一切都使得市场对EGCS的需求越来越大,也越来越迫切。从控制技术研究的角度看,国外已有的先进控制技术,很多都掌握在各个大电梯公司手中,其核心技术是不公开的,而国内在
9、这些方面的研究还有相当大的差距。尽快学习和掌握这些先进的控制技术,对国内电梯工业以及其它行业的发展会有极大的促进作用。调度方法是电梯群控系统的核心,它直接影响到各台电梯的运行和电梯系统服务的优劣。随着人工智能理论的蓬勃发展,目前多种智能算法已作为电梯调度方法,如基于模糊模型的电梯调度方法、基于知识的电梯调度方法、基于神经网络的电梯调度方法和基于遗传算法的电梯调度方法。目前我国大多数是利用模糊神经网络技术解决群控调度问题,而关于遗传算法应用到电梯群控理论鲜有人研究。由于遗传算法在搜索最优解时具有搜索不依赖于梯度信息,在搜索过程中自动获取和积累有关搜索空间的知识,并自适应地控制搜索过程,算法简单、
10、通用、鲁棒性强,适用于并行分布处理等特点,使它在电梯群控理论方面具有非常广泛的应用前景。因此,本课题研究遗传算法作为电梯调度算法,并提出了一种基于改进遗传算法的电梯群控系统。1.5 本课题研究的主要内容本课题主要内容如下:1.简要介绍了电梯群系统的起源和发展,国内外现状及存在问题。2.介绍了电梯群控系统的系统特性,交通模式和常用的调度原则 3.介绍了遗传算法的基本原理,通过目标函数对其问题进行优化体现出算法的优越性。4.通过对电梯群控系统交通过程的分析,建立电梯群的客流模型。5.设计了一种基于改进遗传算法的群控多目标优化算法。以减少乘客的平均候梯时间、减少乘客的平均乘梯时间、均衡电梯拥挤度以及
11、减少电梯群控运行能量损耗等作为主要的优化目标,采用组合优化法将几个目标进行加权组合,构造群控系统的评价函数,利用遗传算法对该评价函数进行求解,得出最优派梯方案。6.通过改变遗传算法的变异率和交叉率来收敛速度,以及收敛于系统的最优解。7.完成软件仿真设计,充分考虑电梯自身特性、配置参数,以电梯群的客流模型输入模拟乘客,采用MATLAB语言编写了仿真程序。另外设计了分别以奇偶层控制和高低层控制为电梯群控的调度算法,并编制算法程序,在相同的建筑物参数和电梯配置参数条件下,分别对其进行仿真,得出乘客平均候梯时间、最大候梯时间、长时间候梯率、平均乘梯时间、运行次数等反映电梯服务质量的参数。1.6 本章小
12、结本章首先介绍了电梯群控系统的概念,然后介绍了群控电梯的起源,发展和现状,最后介绍了本课题研究的目的、意义和主要内容。第二章 电梯群控系统2.1 电梯群控系统的相关概念1.电梯群由安装在一起的许多台电梯组成,它们使用共同的信号系统并由同一个监控系统进行控制。2.电梯群控系统电梯群控系统是一种控制装置,它指挥着一组相互联接的电梯群,以提高电梯系统的性能。3.层站召唤也称呼叫,是乘客在楼层发出的召唤信号。4.调度策略用于确定由哪台电梯去响应层站召唤的规则或算法。5.轿内指令乘客进入轿厢内所设定的目的楼层信号。6.候梯时间从乘客到达层站按下召唤按钮至某台电梯到达该层站并开门让乘客进入轿厢所用的时间。
13、7.乘梯时间从乘客进入轿厢接受服务至到达目的楼层离开轿厢所用的时间。8.服务质量即电梯系统的服务性能,一般以乘客的平均候梯时间、最大候梯时间、平均乘梯时间、最大乘梯时间等指标来评价。2.2 电梯群控系统的系统特性电梯群控问题实际上是对多台电梯的调度问题,其复杂性表现在电梯群控系统所固有的多目标性、不确定性、非线性和信息的不完备性。2.2.1 电梯群控系统的多目标性电梯群控可以满足不同的服务目标,实现电梯群控的多个目标的最优控制,主要评价指标如下:(1)平均候梯时间(Average Waiting Time)要求短乘客的候梯时间是指从乘客按下层站呼梯按钮到应召电梯到达该层为止经过的时间。平均候梯
14、时间是某段时间内所有乘客的候梯时间的平均值,是一个时间统计平均量,是评价电梯群控系统性能好坏的重要性能指标之一。(2)长时间候梯率(Long Waiting Percent)要求低当乘客的候梯时间超过60秒时称为长时间候梯;长时间候梯率是指一段时间内发生长时间候梯的乘客数与乘客总数的百分比。影响候梯时间的主要因素有电梯的速度、配置台数、召唤的频繁程度等,统计表明,乘客的心理烦躁程度与候梯时间的平方成正比。当候梯时间超过60秒,即出现所谓的长时间候梯时,其心理烦躁程度急剧上升,所以应尽量减少长时间候梯事件的发生。(3)系统能耗(Power Consume)要求低单台电梯的能耗与所选的电梯的驱动方
15、式、机械性能有关。影响电梯能耗的因素主要有:电梯停靠的次数、加减速的距离以及电梯运行的总距离。对电梯而言,电梯全速运行时的能耗也远低于加减速时的能耗,其轿箱自重一般大于轿箱内额定容量乘客的重量。因而电梯群起停次数越多,加减速距离越长,运行距离越长,特别是空载或少载距离越长,电梯群总体能耗也就越大。对电梯群控系统而言,电梯型号已经确定,单台电梯起停的能耗就已经确定,所以电梯群控系统节能,主要依靠群控系统合理的安排与调度电梯群对呼梯信号的响应,减少电梯群总体起停次数,提高电梯轿箱的总体利用率,以减少电梯空载或少载运行距离,特别是杜绝电梯的无效起停,从而可以达到延长电梯寿命和节能能源的效果。(4)平
16、均乘梯时间(Average Riding Time)要求短乘客的乘梯时间是指乘客进入电梯轿箱到乘客到达目的层,离开电梯为止经过的时间。乘客乘梯时间的增长往往会使乘客感到不舒服,统计表明乘客乘梯的烦躁程度与乘梯时间的平方成正比。若去顶层的的乘客的乘梯时间大于90秒,就会对乘梯变得极其不耐烦,所以乘客的乘梯时间应保持在一定的时间限度内。(5)客流的输送能力(Transportation Ability)要求高提高电梯的输送能力是电梯群控的重要目的之一。客流的输送能力一般用30分钟输送乘客的人数来衡量。输送能力不足往往会造成乘客的拥挤,平均候梯时间长等不良性能。特别是在上行高峰期,客流密度极大,需要
17、电梯系统迅速将乘客送往各目的层。由于电梯的速度加速度受人的生理因素的限制,仅仅靠提高电梯的速度来提高运输能力,显然是不可能的,而大楼一旦建好,电梯的数目也就相应确定,因而输送能力的提高只能通过改进电梯调度算法使乘客的目的层相对集中,减少电梯的停靠次数、以及充分利用轿箱的载重空间来达到目的。(6)轿箱的拥挤度(Car Crowding)要求低轿箱内拥挤度的增大给乘客带来的不便是显而易见的。一般以轿箱内乘客人数占额定载重量的百分比来衡量,拥挤的轿箱有时会使乘客难以忍受。轿箱内乘客的数量一般也是随着电梯停靠次数的增加而增加。同时,轿箱拥挤,往往也伴随着乘梯时间增长。(7)预测轿箱到达时间准确率(Fo
18、recast Accuracy)要求高很多电梯配有电梯到达时间显示系统,如果预测时间不准确,会造成乘客的不安和烦躁,也会降低系统的整体性能。(8)电梯内乘客满意度(Average Passeager Satisfaction)要求高电梯内乘客满意度是多个因素综合出来的一个不可测指标,它通过乘梯时间、轿箱内拥挤度、乘梯起停次数可以反映出来。由上述分析可知电梯群控系统是一个多目标控制系统,而且各个目标之间是相互矛盾、相互制约的,如拥挤度要求小,会使平均候梯时间增长;平均候梯时间短则会使长时候梯发生率高。所以各个指标之间的相互平衡成为电梯群控系统的控制难点。本文正是基于群控系统对侯梯时间、乘梯时间以
19、及电梯能量损耗等提出的不同要求,采用多目标优化的方法,建立了电梯群控的系统模型。2.2.2 电梯群控系统的不确定性电梯交通系统存在着大量的不确定性:(1)各层站的乘客数是不确定的。(2)呼梯者的目的层是不确定的。(3)呼梯信号的产生层是不确定的。(4)建筑物内与环境因素有关的、变化的交通状况是不确定的。例如,建筑物的结构规模和内部使用者的变化等。这些不确定性的存在给电梯群控系统确定交通模式预测轿箱到达目的层时间造成极大困难,使系统不能对某一特定状况给出最优控制。2.2.3 电梯群控系统的非线性电梯交通系统存在着大量的非线性:(1)对同一组厅呼,在不同的时间标度下,轿厢的分配是不同的,轿厢分配的
20、变化是不连续的。(2)所能分配的轿厢数目是有限的,受系统所有轿厢数目限制。(3)轿厢容量是有限的,当轿厢容量达到饱和点时,轿厢会不停而过。(4)轿厢会在运行中频繁改变方向。2.2.4 电梯群控系统的扰动性电梯群控系统还不可避免地具有不确定的随机干扰,如:(1)乘客可能登记了错误的厅层呼叫造成不必要的停站。(2)乘客可能登记了错误的目的层造成不必要的停站。(3)乘客可能错误地造成轿厢门不能关闭,而干扰系统的正常运行等。2.2.5 电梯群控系统的不完备性电梯群控系统存在大量的不完整、不准确信息:(1)电梯轿厢中乘客的人数不能准确的获得,虽然轿箱的底部装有称重装置,但是由于人的个体体重差异较大而不能
21、获得轿箱内乘客人数的准确数据。这会导致对轿厢内拥挤度和对乘客候梯时间的预测不准确,增加系统控制的难点。(2)乘客进出轿厢的时间因个体的差异而不同,同样不能准确获得。(3)乘客进入轿厢前其目的层是不可知的,使对乘客乘梯时间的预测和对其他乘客候梯时间的预测不准确,等等。2.3 电梯群控系统的交通模式2.2.1 上行高峰交通模式 当大楼内的大部分客流是上行方向时,这种情况被定义为上行高峰交通模式。一个电梯系统如能有效地应对上行高峰期的要求,那么,该电梯也可以满足其它交通模式的交通需要,如下行高峰及随机的层间交通要求等。2.2.2 下行高峰交通模式当大部分的客流是下行方向时,这种情况被定义为下行高峰交
22、通模式。2.2.3 层间交通模式在非高峰期,大楼的层间客流交通占主要部分,这种情况被定义为层间交通模式。它是大楼内的一种基本交通状况,存在于一天中的大部分时间,是由人们在大楼中的正常工作而产生的。2.2.4 空闲交通模式在假日、深夜、黎明等情况下,大楼的客流稀少、乘客的到达间隔很长,这种情况被定义为空闲交通模式。这时可以暂停部分电梯的使用,而让少数几部电梯继续服务乘客,有利于集中服务,节约能源。2.4 电梯群控系统的常用调度原则(1)距离优先(2)方向优先2.5 本章小结本章主要介绍了电梯群控系统的相关概念,系统特性,交通模式和常用的调度原则。第三章 基于改进遗传算法的电梯群控调度策略3.1
23、遗传算法简介遗传算法是一类借鉴生物界自然选择和自然遗传机制的随机搜索算法,它由美国Holland教授1975年首先在Adaptation in Natural and Artificial Systems中提出,其主要特点是群体搜索策略和种群中个体间的信息交换、搜索不依赖于梯度信息。它尤其适用于处理传统搜索方法难以解决的复杂和非线性问题。这种算法能在搜索过程中自动获取和积累有关搜索空间的知识,并自适应地控制搜索过程,从而得到最优解或准最优解。由于遗传算法简单、通用、鲁棒性强,适用于并行分布处理,使它的应用范围很广,在组合优化问题求解、自适应控制、机器学习、规划设计和人工生命等领域都有广泛的应用
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