電梯選型配置系統(tǒng)—LIFT Version 1.0開發(fā)與應(yīng)用

趙 珂 陳 亮

(1.北京市西城區(qū)特種設(shè)備檢測所 北京 100055)(2.北京市豐臺區(qū)特種設(shè)備檢測所 北京 100161)

1 電梯交通配置簡介

我國大多數(shù)建筑在設(shè)計階段主要采用公式計算或按經(jīng)驗來配置電梯系統(tǒng)，這種方法只能近似估計電梯系統(tǒng)的性能，因而已無法滿足為現(xiàn)代高層建筑配置電梯系統(tǒng)的要求。如何通過科學(xué)的方法來為建筑物選擇電梯的數(shù)量、電梯額定載重量、電梯速度，為電梯分配服務(wù)樓層(分區(qū)方法)，設(shè)置電梯運行調(diào)度方式來滿足用戶對電梯系統(tǒng)的需求是電梯交通配置系統(tǒng)要完成的工作。

1.1 衡量電梯交通系統(tǒng)性能的主要參數(shù)

5min運送乘客數(shù)——P5：5min被運送乘客人數(shù)的平均值。

5min運載能力——HC5：5min電梯群組運送人數(shù)的平均值占該組電梯服務(wù)的所有樓層總?cè)藬?shù)的百分比，HC5=P5/(每組電梯服務(wù)樓層總?cè)藬?shù))。

平均候梯時間——AWT：從乘客登記呼梯信號(或加入候梯隊列)開始，直到提供服務(wù)的電梯門在該起始樓層開始打開這段時間。

平均間隙時間——AI：電梯群組中，每相鄰兩臺電梯到達(dá)基站的時間差統(tǒng)計值。

長時間候梯率——LW：候梯時間超過90s以上的乘客所占的比例。

1.2 電梯系統(tǒng)配置流程

電梯不是一般意義上的產(chǎn)品，是根據(jù)建筑的需求量身定做的工程系統(tǒng)，不同類型的建筑對電梯系統(tǒng)需求不同，即5min運載能力和平均候梯時間有所不同。在為建筑物設(shè)計電梯系統(tǒng)時首先要確定期望的5min運載能力和平均候梯時間，然后根據(jù)這兩個指標(biāo)來確定可以與之匹配的電梯數(shù)量、電梯載重量和電梯速度，具體流程如圖1所示。

圖1 電梯系統(tǒng)配置流程圖

1.3 仿真法和計算法的差異

進(jìn)行電梯系統(tǒng)配置時，核心的一步是獲取當(dāng)前電梯配置下系統(tǒng)能達(dá)到的5min運載能力和乘客的候梯時間，設(shè)計者根據(jù)這兩個指標(biāo)來判斷當(dāng)前電梯配置是否滿足要求，如不滿足則需調(diào)整電梯配置，重復(fù)這一步驟直到滿足為止。目前，可以通過兩種方法獲取以上兩個指標(biāo)，一種是根據(jù)電梯計算公式計算得到，另一種是應(yīng)用計算機(jī)仿真技術(shù)模擬電梯的運行情況，通過統(tǒng)計一段時間內(nèi)乘客的數(shù)據(jù)來得到。

在仿真法中真實的客流由虛擬的客流代替，這個虛擬的客流由隨機(jī)發(fā)生器建立，然后被載入到一個與實際電梯控制系統(tǒng)完全相同的調(diào)配運算模型里。因此，該結(jié)果可以針對各種不同的交通狀況而得出，并能最大程度上反映出電梯在真實運行時的表現(xiàn)。

相反，計算法僅是基于少數(shù)有限的交通運行狀況的公式而得出。這些公式僅反映了理想的假設(shè)情況而非電梯群組的實際運行表現(xiàn)。通過研究發(fā)現(xiàn)計算法所得到的結(jié)果較之仿真法得到的結(jié)果是過于樂觀的。

此外，在使用上計算法較仿真法而言存在以下局限性：首先，計算法不支持電梯服務(wù)地下樓層的情況，如果有地下樓層則只能用仿真法進(jìn)行分析；其次，計算法要求電梯組中每部電梯的參數(shù)(速度、載重量)要完全相同才能計算，而仿真法無此限制；再其次，計算法要求除快速通行區(qū)(如有)外電梯服務(wù)的樓層應(yīng)連續(xù)，而仿真法可以靈活的設(shè)置電梯需要服務(wù)的樓層并無此限制；最后，計算法不能得到確切的平均候梯時間，只能用平均間隔時間來近似估算，而仿真法可以通過統(tǒng)計仿真時虛擬客流的候梯時間得到確切的平均候梯時間。

通過上述分析可以看出，仿真法相比計算法有十分突出的優(yōu)勢，但把計算法所用公式程序化后，用計算法分析電梯系統(tǒng)的速度要明顯優(yōu)于仿真法。在實際項目中可以把兩種方法結(jié)合使用，首先使用計算法進(jìn)行粗略配置，然后在此基礎(chǔ)上使用仿真法進(jìn)行精確配置。

2 電梯選型配置系統(tǒng)——LIFT Version 1.0

電梯選型配置系統(tǒng)——LIFT Version 1.0是一款用于電梯選型與配置的輔助分析軟件。系統(tǒng)應(yīng)用計算機(jī)仿真技術(shù)和改進(jìn)了的電梯統(tǒng)計公式，包含了仿真法和計算法兩種分析方法，可以分析包括電梯運載能力、乘客候梯時間、乘客乘梯時間在內(nèi)的多項電梯系統(tǒng)性能指標(biāo)。

2.1 開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)在Windows XP平臺上使用Visual Basic語言開發(fā)而成，具有可視化的操作界面。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電梯選型配置系統(tǒng)——LIFT Version 1.0由主界面、基本數(shù)據(jù)模塊、計算模塊、仿真模塊、工具模塊和數(shù)據(jù)分析模塊組成，并具有保存、打印等通用軟件功能。

2.3 主界面(見圖2)

圖2 主界面

主界面由菜單欄、工具欄和顯示窗口組成，用戶操作菜單欄、工具欄可以進(jìn)入基本數(shù)據(jù)模塊、分析模塊、工具模塊，顯示窗口用于顯示計算分析報告或仿真分析報告。

2.4 基本數(shù)據(jù)模塊

用戶點擊主界面菜單欄中的基本數(shù)據(jù)菜單進(jìn)入基本數(shù)據(jù)模塊后，根據(jù)系統(tǒng)提示輸入建筑物數(shù)據(jù)、電梯數(shù)據(jù)和乘客數(shù)據(jù)，見圖3、圖4、圖5，系統(tǒng)會自動建立用于仿真分析或計算分析的系統(tǒng)模型。

圖3 建筑物數(shù)據(jù)界面

圖4 電梯數(shù)據(jù)界面

圖5 乘客數(shù)據(jù)界面

2.5 計算模塊(見圖6)

圖6 計算法界面

使用計算模塊分析電梯系統(tǒng)的平均間隙時間AI、5min運載能力HC5是以計算電梯運行周期RTT為基礎(chǔ)進(jìn)行的，在計算電梯運行總時間Trun時考慮了加速度和加加速度對其的影響，所用主要公式如下所示。

主要公式：

式中：RTT——電梯運行周期，是指乘客從基站進(jìn)入轎廂算起，到乘客離開轎廂到達(dá)各個目的樓層后，轎廂又返回到基站所用的時間。

Tdoor——一個運行周期內(nèi)開關(guān)門總時間。

Tinout——一個運行周期內(nèi)乘客進(jìn)出電梯總時間。

Trun——一個運行周期內(nèi)電梯運行總時間。

Loss——損耗率。

NL——電梯總臺數(shù)。

Pup——電梯上行時轎廂內(nèi)乘客數(shù)量。

Pdown——電梯下行時轎廂內(nèi)乘客數(shù)量。

Ueff——電梯有效使用人數(shù)(電梯總使用基數(shù))。

AI——間隔時間。

P5——5min運載乘客數(shù)。

HC5——5min運載能力。

2.6 仿真模塊

仿真模型分為以下三個層次進(jìn)行設(shè)計：

● 2.6.1 第一層——總控程序

總控程序是仿真模型的最高層，負(fù)責(zé)安排各事件的發(fā)生時間，并確保在事件發(fā)生的時候完成正確的操作，也就是說第一層對第二層實施控制。

總控程序流程如圖7所示，仿真開始前，首先調(diào)用客流產(chǎn)生程序生成一組虛擬的客流，然后初始化全局變量，設(shè)置仿真開始時間和結(jié)束時間。仿真開始后，總控程序會以0.1s為固定步長循環(huán)調(diào)用乘客到達(dá)處理程序、外呼信號分配程序，并根據(jù)電梯的狀態(tài)選擇相應(yīng)的程序完成對電梯的各項控制，直至到達(dá)仿真結(jié)束時刻仿真結(jié)束。

圖7 總控程序流程

● 2.6.2 第二層——基本模型單元的處理程序

1)客流產(chǎn)生程序：客流模型的建立包括乘客的到達(dá)時間、乘客到達(dá)的起始層分布和到達(dá)的目的樓層分布?？土鳟a(chǎn)生程序會根據(jù)客流模型和交通模式產(chǎn)生一組客流，乘客的到達(dá)時間符合Poisson分布，乘客起始層和目的層均按各自的分布函數(shù)用Monte Carlo法產(chǎn)生。

2)乘客到達(dá)處理程序：虛擬乘客到達(dá)候梯廳后，此段程序負(fù)責(zé)把乘客加入候梯隊列并完成呼梯登記。

3)外呼信號分配程序：單臺電梯采用傳統(tǒng)集選控制方式，多臺電梯采用基于最小等待時間的群控方式來為每臺電梯分配要應(yīng)答的外呼信號。

4)待機(jī)程序：當(dāng)電梯沒有要應(yīng)答的外呼和內(nèi)選信號處于待機(jī)狀態(tài)時，待機(jī)程序循環(huán)檢測電梯服務(wù)列表，檢測到電梯有外呼或內(nèi)選信號要應(yīng)答時，電梯結(jié)束待機(jī)狀態(tài)。

5)運行控制程序：此段程序根據(jù)S型速度曲線模型實時控制電梯的速度和位置，完成電梯的起動、穩(wěn)速運行和制動平層控制。此外，還包括了截梯控制，即電梯在起動或穩(wěn)速運行階段收到距運行目的層更近的呼梯信號要響應(yīng)時，程序會判斷電梯距呼梯層的距離是否滿足當(dāng)前電梯速度下平穩(wěn)制動的要求，如滿足要求程序會重新規(guī)劃速度曲線應(yīng)答中間層的外呼。

6)等待起動程序：此段程序會根據(jù)電梯要運行的距離(起始層距目的層的距離)計算出一條運行速度曲線，為電梯運行完成各項設(shè)置。

● 2.6.3 第三層——公共子程序

1)仿真參數(shù)設(shè)置程序：本系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)置界面見圖8，在客流產(chǎn)生設(shè)置欄中輸入乘客起點百分比和到達(dá)率后系統(tǒng)會根據(jù)這些參數(shù)產(chǎn)生符合不同交通模式的客流。在電梯服務(wù)設(shè)置欄中可以選擇電梯的基站、容量因子和服務(wù)樓層。在仿真參數(shù)欄中可以設(shè)置仿真次數(shù)和單次仿真時間。在仿真結(jié)果選項欄中可以選擇需要的仿真結(jié)果。

圖8 仿真參數(shù)設(shè)置界面

2)仿真顯示程序：仿真顯示界面見圖9,在此界面中可實時觀察各臺電梯的運行情況,如位置、速度、載荷,還可以顯示每層的外呼和候梯人數(shù)。通過仿真速度選擇按鈕可以控制仿真按正常速度方式或快進(jìn)方式進(jìn)行。

圖9 仿真顯示界面

3)數(shù)據(jù)分析程序：仿真完成后系統(tǒng)會自動統(tǒng)計平均間隙時間、平均候梯時間、平均乘梯時間和輸送乘客總數(shù)。通過生成的候梯時間經(jīng)驗分布函數(shù)曲線、候梯時間直方圖見圖10、圖11，可以更全面的分析候梯時間的分布情況。

圖10 候梯時間經(jīng)驗分布函數(shù)曲線圖

圖11 候梯時間直方圖

3 應(yīng)用實例

北京某建筑設(shè)計院承接的一寫字樓項目的電梯系統(tǒng)使用電梯選型配置系統(tǒng)設(shè)計如下：

1)項目概況：本項目是商業(yè)加辦公的綜合建筑，共26層，B2～B1為地下車庫、1F為寫字樓大堂、2F～6F為商場、7F為設(shè)備層、8F～24F為寫字樓。(以下設(shè)計的電梯系統(tǒng)不服務(wù)商場，商場有單獨的扶梯和電梯服務(wù))

2)樓層數(shù)據(jù)及人員分布情況(見表1)：

表1 樓層數(shù)據(jù)及人員分布

3)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)本項目的特點，依照電梯設(shè)計手冊及相關(guān)規(guī)范所建議電梯系統(tǒng)在早高峰時段(上行高峰時段)平均候梯時間應(yīng)小于45s，5min運載能力應(yīng)大于11%，在電梯設(shè)計中，對于辦公樓全部人員不可能某一天同時在早高峰期出現(xiàn)，故將使用電梯的總?cè)藬?shù)減少5%～10%，本設(shè)計采用95%的總辦工人數(shù)即：1360×0.95=1292人為早高峰時段有效使用電梯的總?cè)藬?shù)。經(jīng)業(yè)主協(xié)商本項目按以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計,(見表2)。

表2 項目標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計表

4)電梯配置方案(見表3)。

表3 電梯配置方案

比較上述兩個方案，按方案2配置電梯可以達(dá)到設(shè)計要求，方案2中7部電梯均不服務(wù)地下車庫，因此需要設(shè)置服務(wù)于B1、B2、1F的轉(zhuǎn)換電梯來解決地下車庫層的交通問題。由于服務(wù)的樓層較少且高度較低，推薦選用2臺1.0m/s,1000kg，服務(wù)B1、B2、1F可滿足要求。

4 結(jié)束語

電梯選型配置系統(tǒng)——LIFT Version 1.0應(yīng)用計算機(jī)仿真技術(shù)并結(jié)合改進(jìn)了的電梯計算公式，可以針對各種不同的交通狀況最大程度上模擬出電梯在真實運行時的表現(xiàn)，為建筑配置電梯提供了更為科學(xué)的依據(jù)，經(jīng)實際項目應(yīng)用效果良好。

1 朱德文,牛志成.電梯選型、配置與量化[M].北京:中國電力出版社,2005.

2 齊歡,王小平.系統(tǒng)建模與仿真[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.