电梯客流量模拟方法研究

时间：2023-02-22 13:16:15

关键字：电梯客流群控

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[导读]摘要:分析了当前电梯运载能力的计算过程,揭示了电梯使用乘客分配不合理和经验公式不准确会对建筑电梯运载能力的计算存在偏差,为此提出了以RC充放电电路为核心的客流生成计算方法,并建立了完整的检验机制。通过实例展示的计算过程可知,所提方法贴合现场实际使用,对电梯群控调度能力、建筑上电梯的预留设计具有一定的借鉴意义。

引言

随着建筑高度的不断增加,建筑内办公或者居住的人员数量也在增加,人员的上上下下均依赖于电梯,如果电梯的配置不足导致运载能力不足,会使居民候梯、乘梯的时间增加,引起投诉,特别是对于高端写字楼等人员密集的场所,电梯的运载能力对于上下班的人员是一件很重要的事情。笔者经历过多个新建建筑由于电梯乘运能力不足而增加或者改造电梯的先例,为此,本文针对如何判别建筑电梯的运载能力提出了一套思路。

1电梯运载能力的传统计算方法

电梯群控调度算法已发展多年,前人做了充分的研究,如《电梯选型、配置与量化》一书详细描述了建筑中电梯配置的选择和具体推导过程。一幢大楼在不同的时间段的交通模式不尽相同,而在不同交通模式下应调整到相应的控制策略(如调整优化目标等)[1],选用合适的群控算法进行派梯决策。当检测到当前的交通模式发生改变时,如果一步预测或多步预测的交通模式发生了同样改变,则改变控制策略,切换到相应的群控算法:否则保持原有控制策略和群控算法。预测的目的是防止因交通模式的临时改变而选取不适当的控制策略,从而选用不恰当的群控算法,降低群控系统性能。

从现实的情况来看,建筑人流量最密集的是早高峰上班时段,人员在半小时内从其他地方回到办公室,时间短,人员多。相比较而言,下班或中间用餐时间,人员的时间可以灵活调配,乘梯密度会有所降低。因此,电梯群控最需要解决的是上班高峰时段的电梯控制问题,人流集中在半小时内,要将80%的人员调度到所在楼层,在很多商务办公楼比较难做到。

计算实例:A项目为商用办公大楼,总建筑面积17000m2,地上15层、地下3层,建筑总高度65m:建筑平面以办公为主,首层为大堂和局部商业,二层为企业配套餐厅,三层至十五层为办公楼。标准层设有4部电梯,其中两台额定载重量1350kg,额定速度2.0m/s:其他两台额定载重量1050kg,额定速度2.0m/s。经现场反馈,每日早高峰需要等待5~10min,影响员工上班时间。传统的交通流量计算过程如下。

1.15min载客率

它是衡量电梯输送能力的主要标志,指大楼电梯在5min内输送乘客的人数和大楼使用电梯总人数的比。在此,将大楼电梯5min内输送乘客的人数叫作5min载客人数,记作CE1,由下式给出:

式中:ru为在一个运行周期内一台电梯的上行载客数:rd为在一个运行周期内一台电梯的下行载客数:N为组电梯台数:RTT为电梯运行周期:r为在一个运行周期内一台电梯载客人数。

当建筑物类型为公寓、办公楼、住宅楼时,r=0.8re:当建筑物类型为酒店时,r=re:当建筑物类型为商场时,r=2re。其中,re为电梯的额定载客人数。

把大楼使用电梯的总人数叫作电梯总使用基数,记作Q。则5min载客率CE计算公式如下:

1.2平均间隙时间

平均间隙时间是指一组运行的N台电梯中,每相邻两台电梯到达基站的时间差统计值,记作AI,用公式表示为:

1.3平均候梯时间

平均候梯时间AwT是指乘客在层站呼叫登记之后,直至电梯轿厢开门、乘客进入为止所经历的时间平均值。平均候梯时间不等于平均间隙时间,在此采用RichardD.Peters的公式:

1.4平均行程时间

平均行程时间是指电梯轿厢从关门起程运行到到达目的站所用时间的统计平均值,记作AP。

对办公楼上班交通的情况,平均行程时间的粗略计算对应公式为:

而对住宅、旅馆、医院以及百货大楼交通的情况,平均行程时间的对应公式为:

推荐标准如表1所示。

利用相关软件,通过计算,得出各项性能参数如表2所示。

从以上计算可以得知,利用传统的客流量分析,与现实使用情况有较大差异,差异的主要原因在于对使用人员流量的真实模拟。

2电梯乘客流量模拟方法思路及计算过程

2.1乘客流量模拟的思路

对于办公场所,通常上班人员会在上班前半小时内到达办公楼,而且越靠近上班时间,人数越多,形成上班高峰。在上班时间过了以后,也会有少量非定时人员进入,在上班后的20min内人员逐渐减少至正常情况。

因此,本文采用RC充放电电路的方式来模拟生成办公客流[3],结合到高峰客流量中,设置RC充放电公式中的上升过程时间常数、下降过程时间常数,模拟设定时间内的高峰客流量,得到模拟的乘客到达率。具体乘客流量如图1所示。

2.2乘客流量的计算方法

一般而言,乘客之间相互影响较弱,基本上不存在外界干扰因素,由此可知在不相交的时间间隔内乘客出现的次数是相互独立的,且该次数仅与时间间隔有关系,因此通常可以认为乘客到达电梯的规律服从泊松过程。对于周期1内到达的乘客数量N服从泊松分布,公式如下:

式中:P(N)为在计数周期1内到达N个乘客的概率:入为单位时间内的平均到达率:1为每个计数周期的持续时间:e为自然对数底数,取2.71828。

根据上述公式可知,当乘客的到达过程符合泊松过程时,乘客依次到达的时间间隔T必须满足负指数分布。推导过程如下:

在[0,1]内没有乘客到达的概率为:

则在[0,1]内至少有一位乘客到达的概率为:

因此,乘客依次到达的时间间隔T是相互独立的,且符合负指数分布的要求。依据负指数分布的性质,接下来可以推算出每一位乘客到达的时间:

假设第i位乘客到达的时刻为Ti>0,第i-1位乘客到达的时刻为Ti-1>0,那么相继到达的两位乘客的时间间隔是:

其中,pi取0和l之间的随机数。

可以得到第i位乘客到达的时刻:

2.3乘客流量模拟变量引入

在乘客流量计算过程中,引入RC充放电过程变量。以早上班高峰为例,大部分职员会在峰值(最大到达率)来临之前乘搭电梯,这相当于充电过程:峰值过后,到达的客流将会快速下降,这与放电过程类似。通过调整入的取值,让整个乘客人流量趋近于RC充放电的波形,开始较为平缓,到了接近上班时间人员最为密集。

式中:Tl为上升过程时间常数:T2为下降过程时间常数。

这里需要注意,T是根据时间变化的变量,Tl、T2是固定值,需要根据不同的建筑特性进行调节,以达到最优的仿真效果。T变量是整个算法的核心部分,通过其变化反映乘客到达时间的变化。

2.4乘客目的楼层的设定

前面已经得到每一个时间点的乘客到达数量,需要在乘客到达后,给予算法到达的楼层以及目的楼层。这类算法已有较多研究基础,本文不再重复。通过测试,目的楼层的给予对乘客流量仿真影响程度可控,因此选择用轮盘法进行仿真。

在上班高峰期间,乘客的到达楼层基本是基站或者一楼。对于目的楼层,根据已经得到的每位乘客具体召梯时间Ti,以不同楼层之间人数的数量比形成权重,将该召梯层分配到各位乘客中去。例如,早高峰乘客的召梯楼层大都在一楼,如果建筑物一共有4层,2至4层的面积比是4:5:6,乘客的目的楼层是2至4层中的某一层,去到2楼的概率是4/14,去3楼的概率是5/14,根据相应的概率可以得到这些乘客的目的层。另外,如果实际建筑中早高峰同时有上下行,可将到达的乘客按比例分配,如10%乘客作为下行乘客,其余乘客为一楼上行乘客。下次10%的乘客,按照面积的比值关系来分配出现的楼层,到达楼层均设置为一楼。

通过这样安排,高峰期间乘客的总数量、每个时刻下乘客的到达情况、召唤目的楼层的情况已经形成完整的客流模型。基于完整的乘客流量,可利用软件系统推导电梯使用过程中的候梯、乘梯时间。

2.5乘客流量模拟系统

完整模拟一个高峰期整体电梯客流量及电梯运行过程,通过记录这些过程数据,可以真实掌握乘客候梯/乘梯、电梯运行的情况。这需要搭建一个系统,包括:

(1)使用上位机进行电梯选型与配置:

(2)模拟客流,根据提供的建筑物信息以及实际容纳的总人数,得到从高峰开始到结束的乘客总数量、乘客召梯时间、召梯楼层以及目的楼层:

(3)将上位机形成的召唤信息传递给硬件设备,形成内外召唤发送给电梯主控制板:

(4)在电梯运行中,通过控制板模拟每台电梯的上下行、开关门,然后将每台电梯状态反馈给上位机监控:

(5)全程结束后统计得到当前电梯选型配置下的运行效率,判断是否符合预期,选出符合客流条件的电梯配置。

系统流程如图2所示。

3乘客流量的实例仿真过程

在A项目中,电梯使用总人数400余人。上升过程时间常数为5(取上升的25min的l/5),下降过程时间常数为l(取下降的5min的l/5),其中时间常数越小,到达率上升或下降的速度越快。模拟了30min内的高峰客流量,模拟的乘客到达率为:0~25min内为到达率逐渐增长的阶段,到达峰值后,25~30min到达率急剧下降,整个高峰时段乘客到达人数410人,大约占到总人数的9成。生成的客流如图3所示。