Fundamentos del análisis del tráfico

Una mirada a por qué debería estudiarse.

¿Por qué deberíamos estudiar el análisis del tráfico?

Un sistema de ascensores consta de vías verticales (los huecos) y vehículos (los coches o taxis) dentro de un edificio alto, como el sistema de transporte horizontal de una ciudad. La función obvia de un sistema de ascensor es transportar a los ocupantes y visitantes del edificio hacia y desde diferentes pisos de forma segura, cómoda y, por supuesto, oportuna. Los dos primeros objetivos son la preocupación de los profesionales de la ingeniería de diseño, instalación y mantenimiento en la industria del ascensor. El tercer objetivo es a qué prestan atención los propietarios de edificios, arquitectos, administradores de instalaciones y todos los usuarios (es decir, los pasajeros de los ascensores).

Según el Capítulo 3 de Strakosch GR y Caporale RS (2010), The Vertical Transportation Handbook, 4.ª edición, John Wiley & Sons, Hoboken, la tarea de proporcionar transporte vertical (VT) es un estudio de tiempo y movimiento si el número de personas Se conoce quiénes requieren el servicio de ascensor en un período de tiempo determinado. Esta disposición abarca muchas variables, siendo las más importantes los factores de ingeniería humana y las reacciones humanas ante múltiples ascensores. Como se menciona en Barney G. y Al-Sharif L. (2016), Elevator Traffic Handbook – Theory and Practice, 2nd Edition, Routledge (2016), existen dos áreas principales en el diseño de ascensores: diseño de ingeniería y diseño de tráfico. El diseño seguro y cómodo pertenece a la ingeniería, mientras que el diseño del tráfico garantiza que los pasajeros lleguen a sus destinos de manera eficiente y puntual.

El diseño del tráfico implica básicamente el diseño del sistema de ascensores de modo que pueda transportar el número requerido de pasajeros en un tiempo específico bajo las condiciones de desempeño estipuladas. El libro de Barney y Al-Sharif resume el problema del VT como el requisito de trasladar un número específico de pasajeros desde su piso de origen a sus respectivos pisos de destino, con el tiempo mínimo de espera y viaje de los pasajeros, utilizando el número mínimo de ascensores, espacio central y coste, así como la cantidad mínima de energía. Además, el objetivo de la ingeniería de tráfico de ascensores es lograr un compromiso entre coste y rendimiento optimizando un grupo de parámetros. Esta es la misión principal de todo sistema de ascensores e ilustra lo importante que es para él el análisis del tráfico.

Tres referencias adicionales sobre análisis de tráfico son las Institución colegiada de ingenieros de servicios de construcción (CIBSE) Guía D: 2020 — Sistemas de transporte en edificios, Londres; So A. (2019) El ascensor: de lo básico al cálculo (digital), ELEVATOR WORLD; y So A. (2021) Las soluciones del ascensor: de lo básico al cálculo (digital), EW. De hecho, la mayor parte del contenido de este artículo se extrae de los dos últimos libros escritos por el autor.

Traffic analysis can be applicable to both design and real-time operation. Before an elevator system for a new building is specified or designed, traffic analysis has to be conducted offline so that designers can determine the number of elevators to be installed, floors served by each, contract capacity (CC) in terms of number of passengers of each, rated or full speed (measured in feet per minute or meters per second; 1 m/s ≈ 200 fpm being a good rule of thumb) of each and the types of doors used (side opening or center opening), etc. Such general conceptual design by calculation is recommended by ISO 8100-32: 2019 - Lifts for the Transportation of Persons and Goods Part 32: Planning and Selection of Passenger Lifts To Be Installed in Office, Hotel and Residential Buildings. According to the Standard, ISO-8100 32, existen siete pasos para ejecutar el proceso de diseño, los cuales se encuentran en la siguiente secuencia:

• a) recopilación de datos sobre edificios y población;
• b) selección del método de análisis del tráfico;
• c) selección de criterios de diseño;
• d) elección de la configuración inicial del ascensor;
• e) ejecución del análisis de tráfico para la configuración elegida;
• f) ajuste fino de la configuración;
• g) documentación de todos los procesos y registros.

En cuanto a la selección del método de análisis, para casos más simples, por ejemplo, la altura del edificio es inferior a 18 pisos servidos por menos de ocho ascensores en el grupo y con un solo piso de entrada, etc., se puede utilizar un método de cálculo basado en el tráfico pico para determinar el La capacidad y el intervalo de manejo de picos se consideran suficientes. Para demandas de tráfico más complejas y todos los casos con sistemas de control de destino, se realizará simulación por ordenador. En la sección 5.5 de la Norma, el método de cálculo es un enfoque recomendado como punto de partida del análisis del tráfico de una configuración inicial de ascensor, junto con otros enfoques como las experiencias de los diseñadores y las reglas generales, etc. Ciertamente, el cálculo es obviamente un método más forma concienzuda de realizar dicho diseño inicial.

Después de que un sistema de ascensor se pone en funcionamiento real, se debe realizar un análisis de tráfico en tiempo real o en línea para que el sistema de control de supervisión asigne la mejor cabina para responder a cada llamada de rellano (una llamada realizada en el vestíbulo frente a una llamada de cabina realizada dentro del taxi). Además, en ISO-25745 1 y -2 sobre el rendimiento energético de ascensores, escaleras mecánicas y pasillos rodantes, se emplea el análisis del tráfico mediante simulación por ordenador para estimar el consumo anual de energía de un ascensor basándose en alguna medición estándar in situ. Lo que se va a analizar en este artículo puede que se utilice más popularmente en Europa y Asia, pero el principio también funciona en América del Norte. Por lo tanto, la metodología debería, en general, ser aplicable globalmente.

Tipos de tráfico

Existen diferentes tipos de edificios atendidos por ascensores, a saber, comerciales, residenciales, institucionales y otros como hospitales, juzgados y terminales de transporte. Los que más exigen un buen sistema de ascensores pueden ser los edificios de oficinas, que suelen estar casi completamente ocupados entre semana y vacíos los fines de semana. En general, existen cuatro tipos principales de tráfico en un edificio de oficinas de gran altura: pico ascendente (también llamado entrante), pico descendente (también llamado saliente), pico mixto durante el almuerzo y entre pisos aleatorio.

El tráfico pico es el tipo más importante que debe manejar un sistema de ascensores cuando el edificio está originalmente vacío temprano en la mañana y se llena rápidamente en aproximadamente media hora, digamos de 8 a 8:30 am en un día laborable, etc. ., hasta un determinado porcentaje: por ejemplo, el 80%. Durante las horas pico, los ocupantes generalmente llegan al vestíbulo principal (llamado terminal principal, MT), normalmente en la planta baja, y solicitan servicio de ascensor hasta los pisos superiores de destino. En esta situación, los pasajeros suben a cada cabina de ascensor que llega al vestíbulo principal lo más lleno posible. Luego, la cabina sube y llega a diferentes pisos de destino según las llamadas realizadas por los pasajeros a bordo hasta que la cabina queda vacía en el piso de inversión más alto, donde luego realiza un viaje rápido de regreso al vestíbulo principal. El tráfico de menor actividad se produce al final de la tarde, cuando los ocupantes abandonan el edificio después del horario de oficina. El flujo de tráfico dominante o único es descendente. La mayoría de los pasajeros de diferentes pisos llegan al mismo destino, es decir, el MT, y abandonan el edificio. En comparación con el tráfico en las horas punta, el tráfico en las horas punta tiende a ser más corto en duración, pero la tasa de llegada es mucho mayor.

El tráfico pico mixto durante el almuerzo ocurre durante el período del almuerzo, cuando los pasajeros salen de su oficina y bajan al MT para salir del edificio para almorzar, mientras también ingresan al edificio en el MT para regresar a sus oficinas después del almuerzo. Muy a menudo, hay restaurantes en los pisos inferiores o superiores del edificio, lo que complica el tráfico. Este tráfico mixto tiene llegadas y salidas simultáneas de pasajeros de tráfico ascendente y descendente con cierto tráfico entre pisos limitado. En los edificios modernos, el tráfico de horas pico mixtas se convierte gradualmente en la situación más difícil de manejar. En edificios ocupados por un solo inquilino, se podrían asignar diferentes horarios para el comienzo del almuerzo entre departamentos para reducir la demanda de pasajeros. En los edificios ocupados por diferentes inquilinos, las horas de almuerzo se distribuyen automáticamente pero están más concentradas: por ejemplo, algunos desde el mediodía hasta la 1:12 p. m. y otros desde las 30:1 hasta la 30:XNUMX p. m. El tráfico aleatorio entre pisos se produce en cualquier momento dentro del horario laboral cuando viajan pasajeros. entre diferentes pisos, en lugar de salir o entrar al edificio. Normalmente, este tipo de tráfico no se considera grave en los edificios de oficinas. Sin embargo, la historia es diferente cuando se consideran edificios institucionales, como edificios educativos universitarios con salas de conferencias en diferentes pisos.

Este artículo trata sobre los fundamentos; Nuestra discusión todavía se basa en la consideración del tráfico pico.

Parámetros involucrados en el análisis del tráfico pico

La demanda de pasajeros es el dato más importante que se debe recopilar primero, que generalmente está representada por un cierto porcentaje de la población total posible del edificio dentro de un subperíodo de 5 minutos en condiciones de máxima actividad, por ejemplo, del 11% al 15%. Luego, se adopta el concepto de “capacidad de manejo de 30 minutos”. Por ejemplo, si se utiliza una cifra del 13%, durante la media hora de mayor actividad de la mañana, se estará llenando 6 x 13% ≈ 80% de todo el edificio. Este es un supuesto de tasa de llegada constante. Pero en la industria, generalmente se acepta que los pasajeros ingresan a un sistema de ascensor según el proceso de probabilidad de Poisson. El supuesto es que la probabilidad, pr(n), de que se registren n llamadas de aterrizaje (una llamada de aterrizaje por pasajero) dentro de un intervalo de tiempo, T, para una tasa promedio de llegada (en número de pasajeros que llegan por segundo), es dado por la ecuación (1).

Al utilizar un supuesto de tasa de llegada constante, el número de pasajeros que llegan a la terminal principal durante las horas pico, P= INT. Aquí, INT se denomina intervalo de subida, que es el tiempo medio entre dos llegadas consecutivas del ascensor al MT para recoger a los pasajeros que esperan allí. Si la capacidad contratada de la cabina del ascensor es igual o mayor que P, en principio no debería haber ninguna cola esperando en el MT.

Otros parámetros necesarios incluyen el número de pisos del edificio, N (N no incluye el MT, al que se le asigna 0 F; en América del Norte, al MT generalmente se le asigna 1 F); altura del piso, df (aquí se asume uniforme); velocidad nominal, v (medida en m/s); tiempo de vuelo de un solo piso, tf(1) (tiempo que tarda la cabina en recorrer un piso, de parada a parada, excluyendo el funcionamiento de las puertas); horarios de apertura y cierre de puertas, hacia y tc; tiempo de traslado de pasajeros, tp (el promedio entre el tiempo de embarque y el tiempo de salida de un pasajero dentro y fuera de la cabina).

RTT máximo, intervalo y capacidad de manejo

El tiempo de ida y vuelta (RTT) es el concepto más importante en el análisis del tráfico, en particular, cuando se refiere a una condición pico. Todo el proceso se muestra en la Figura 1 extraída de la Guía CIBSE D: 2020. La línea continua muestra la posición instantánea de la cabina de un ascensor, con el eje y representando su posición, en número de piso, alrededor del edificio, y el eje x representando el tiempo. MT representa el “piso 0”, el vestíbulo de la planta baja. El primer piso superior es el "primer piso" y el piso superior es el "enésimo piso". La práctica de que N no incluya la planta baja se debe principalmente a la conveniencia de derivar la fórmula, que es un poco diferente de la nomenclatura normal en los EE. UU. En un análisis RTT más universal que incluye diferentes tipos de tráfico en una fórmula, la discusión de lo cual está más allá del alcance aquí, adoptar la planta baja en el 1F se vuelve más conveniente.

El proceso comienza cuando llega un taxi vacío al MT. Se abren las puertas (tanto del rellano como del automóvil) y los pasajeros comienzan a subir a la cabina. Una vez llena la cabina, se cierran las puertas del vehículo. La cabina comienza a acelerar, desacelerar y nivelarse hasta la primera parada, que se muestra como el segundo piso en la Figura 1. Algunos pasajeros salen de la cabina y la cabina continúa su camino hasta la siguiente parada, hasta el piso de inversión más alto, H. , es alcanzado. Después de cualquier parada, se necesita un tiempo para que las puertas se cierren, el ascensor acelere, alcance o no la velocidad nominal, desacelere, luego se nivele hasta la siguiente parada y las puertas se abran nuevamente. Hay un número S de paradas durante dicho viaje ascendente (Figura 1). En el piso H (H varía viaje tras viaje pero es constante estadísticamente cuando se consideran muchos viajes), la cabina queda vacía y realiza un viaje rápido hasta el MT. Durante este viaje expreso, las puertas están cerradas; la cabina acelera hacia abajo, alcanza la velocidad nominal, desacelera cuando se acerca y finalmente llega a la altura del MT; y las puertas se abren para recibir a otro grupo de pasajeros. Todo este proceso se denomina “viaje de ida y vuelta” y el tiempo total necesario se denomina tiempo de ida y vuelta, RTT. Puede estimarse mediante la ecuación (2) sumando la duración de todos los componentes de un viaje de ida y vuelta. Por ejemplo, el tiempo total para que P (de 0.8 CC a 1.0 CC durante las horas pico) pasajeros entren a la cabina = Ptp y el tiempo total para que salgan de la cabina = Ptp. Para cada parada, las puertas se abren una vez que pasan segundos y las puertas se cierran una vez que pasan tc segundos. Se supone que se necesita medio piso para que la cabina acelere a la velocidad nominal y medio piso para desacelerar, por lo tanto, el tiempo total para dicha aceleración o desaceleración = tf(1) para cada parada. El fabricante debe proporcionar tf(1), pero tv (tiempo que tarda la cabina en recorrer un piso a la velocidad nominal) se puede calcular conociendo df y v. Hay S paradas superiores más la parada en el MT.

La totalidad o una parte del edificio es atendida por un grupo de L número de ascensores (llamado banco o grupo). Si dichos L ascensores se distribuyen uniformemente por el edificio, por cada RTT/L segundos, un taxi llega al MT y lleva P número de pasajeros, en promedio. Esta duración de tiempo se denomina intervalo de pico (UPPINT), dado por la ecuación (3). Por lo tanto, en un subperíodo de 5 min (300 s), la ecuación (3) puede dar el número total de pasajeros que puede manejar el sistema de ascensor, llamado capacidad de manejo pico (UPPHC).

Es deseable que dicha UPHC de un edificio de oficinas alto, dividida por la población total posible del edificio, dé entre el 11 y el 15 % durante el subperíodo de 5 minutos dentro del período pico de 30 minutos. Obviamente, son deseables un UPPINT corto y un UPPHC alto. Volviendo a la ecuación (3), ambos objetivos dependen en gran medida del valor del RTT, cuanto menor, mejor.

Cinemática del ascensor

The assumption that one floor is enough for the cab to accelerate from stationary to rated speed and then decelerate back to stationary is only valid for low-speed elevators, say 1 m/s or below. Figure 2, extracted from Peters R. (1995), “Ideal lift kinematics - complete equations for plotting optimum motion,” Elevator Technology 6, Proc. Elevcon 1995, pp. 175, shows the speed-time curves of three cases. It may take 6 s for the cab to achieve the rated speed of 2.5 m/s, and that is already a two-floor jump.

Si se puede alcanzar la velocidad nominal, la ecuación (4) da el tiempo total, TD, necesario para recorrer una distancia, D (medida en m), conociendo la velocidad nominal (V medida en m/s), la aceleración/desaceleración (A para aceleración y desaceleración, medido en m/s2) y sacudida nominal (J en m/s3).

La ecuación (4) sólo es válida si se alcanza la velocidad nominal, es decir, los casos (b) y (c) de la Figura 2. Y el criterio se basa en la ecuación (5).

La mayor parte del tiempo, la cabina no puede alcanzar la velocidad nominal en un solo salto de piso. Por lo tanto, se necesita una corrección de tiempo adicional en la ecuación RTT (2), cuya discusión está fuera del alcance de este artículo.

Piso de reversión más alto (H) y número esperado de paradas (S)

H y S dependen de la distribución de los ocupantes alrededor del edificio. Por ejemplo, si los pisos inferiores están densamente poblados mientras que los pisos superiores están escasamente poblados, esperamos ver una H inferior y una S más pequeña. Por el contrario, H puede ser alta, pero S aún puede ser pequeña si solo los pisos superiores están densamente poblados. . S es mayor cuando todo el edificio está distribuido uniformemente.

Here, a general population distribution of the N number of floors is given by U1, U2, ..., UN-1, UN where Ui is the population of the ith floor, i running from 1 until N. There is no population on the MT because it is where passengers enter the building instead of staying there. The probability of a passenger entering the cab at the MT who does not want to travel to the ith floor is given by 1-Ui/U where U is the population of the whole building. The probability of no passenger inside the cab with P number of passengers who want to travel to the ith floor is given by (1-Ui/U)P. Then, the probability that at least one passenger wants to travel to the ith floor, i.e. a stop at the ith floor, is given by 1-(1-Ui/U)P. S is given by the sum of all these probabilities. For H, the probability that the cab does not travel to any floor higher than the ith floor is first estimated, followed by the probability that the cab does not travel to any floor higher than the (i-1)th floor. The probability that the ith floor is the highest floor for a particular round trip is the difference between the two. H is then obtained by multiplying i a la probabilidad de que el iésimo piso sea el piso más alto de ese viaje y sumando todos estos productos. Estos dos parámetros pueden estimarse mediante el conjunto de ecuaciones (6).

For a special case when the whole building is uniformly populated, U1=U2=...=UN=U/N, H and S can then be estimated accordingly by using equation set (6). In order to demonstrate how H and S are significantly affected by the distribution of the population, Table 1 of a building with N=10 is referred to. CC (=13 in this example, i.e., P=13*0.8=10.4) also affects the values of H and S but less significantly.

La población total de todo el edificio permanece sin cambios en los cinco escenarios. El escenario 3 es extremo en una población densa en pisos inferiores y por tanto su H es el más bajo. Los escenarios 1 y 2 son menos extremos en la distribución de la población y por lo tanto su S es mayor que el de los otros dos escenarios. El escenario 5 tiene el mayor S porque todo el edificio está distribuido uniformemente.

Además de la uniformidad en la distribución de la población, podría haber otra falta de uniformidad, es decir, la altura del suelo. Supongamos que algunos pisos son más altos que otros. Luego, se debe agregar el tiempo de viaje adicional a la ecuación RTT (2). Es posible que de vez en cuando sea necesario ajustar el valor final de la ecuación RTT (2) debido a la existencia de tiempos de permanencia, tiempo de preapertura de la puerta y varios tiempos de retardo (inicio y nivelación), etc., cuya discusión es más allá del alcance de este artículo.

Un ejemplo de diseño simple

Un edificio de oficinas uniformemente poblado (la población en cada piso es idéntica a la de los demás) con 12 pisos sobre la terminal principal tiene una superficie bruta de 2,000 m2 (21,528 pies2) por piso, una altura entre pisos uniforme de 4.0 m (13.1 pies) y una tiempo medio de traslado de pasajeros de 1.2 s. Por experiencia o mediante tablas de referencia, la superficie útil es aproximadamente el 80% de la superficie bruta, es decir, una superficie útil de 2,000*0.8=1,600 m2 por planta. Supongamos que una persona ocupa 10 m2 de superficie, es decir, 160 ocupantes por piso, con una población total de 1,920. Según la experiencia, la tasa de asistencia diaria ronda el 80%, lo que significa que el 20% de los ocupantes pueden estar de licencia, trabajando en horarios flexibles o realizando visitas de servicio. En otras palabras, durante el período de media hora de mayor actividad, el sistema de ascensores debe atender a 1920*0.8 = 1,536 personas.

Se supone que la tasa de llegada de cada subperíodo pico de 5 minutos dentro del período pico de media hora es del 13%. Eso significa que dentro de cada subperíodo de 5 minutos, 1536*0.13≈200 pasajeros llegan a la terminal principal y buscan el servicio de ascensor.

Para un edificio de oficinas, un intervalo de pico aceptable, UPPINT, es de alrededor de 30 s. El objetivo ahora es diseñar un sistema de ascensor que pueda manejar 200 pasajeros en 5 min con un intervalo de subida de 30 s.

Se mencionó anteriormente que generalmente se supone que P es del 80% al 100% de CC. Aquí se adopta una suposición más conservadora del 80%. En 5 minutos, hay 300/30=10 intervalos de pico. Dentro de cada intervalo de horas pico, 200/10=20 pasajeros llegan a la terminal principal y deben ser transportados en un ascensor. Por lo tanto, el CC del ascensor debe ser al menos igual a 20/0.8 = 25. La capacidad típica de un ascensor en EE. UU. es de entre 2100 lb y 5000 lb. Un ascensor estándar con capacidad de 3500 lb puede acomodar a 26 pasajeros como máximo. una buena elección para nuestro caso. Suponga que la velocidad nominal es 350 fpm, es decir, 1.78 m/s, y la abertura central es de 42 x 84 pulgadas. Si se utilizan puertas (tiempo de funcionamiento de la puerta = to + tc = 3.3 s), se podrían hacer las siguientes suposiciones:

• tf(1) = 6 s;
• se ignoran todos los tiempos de retraso;
• P=26*0.8≈21;
• tv=df/v=4.0/1.78≈2.3s;
• T-tv=3.3+6-2.3=7.0 s;
• tp=1.2 s.

Al utilizar el conjunto de ecuaciones (6), H se puede calcular como 11.8 y S se puede calcular como 10.1.

• RTT = 2 * 11.8 * 2.3 + (10.1 + 1)*7.0 + 2 * 21 * 1.2 = 182.38 s.
• Si se instalan L=6 ascensores, UPPINT = RTT/L = 182.38/6=30.4 s. Entonces, HC=(300*21)/30.4=207.2.

Parece que la capacidad de manejo es adecuada mientras que el intervalo de subida es un poco marginal. En la práctica, se necesita un ascensor de repuesto más, primero para mejorar el intervalo de subida, segundo para actuar como respaldo durante la avería de cualquiera de ellos y, tercero, para agregar algo de margen de diseño aquí como muchos ajustes adicionales en la ecuación RTT (2). no se han realizado. Si se instalan L=7 ascensores, UPPINT = RTT/L = 182.38/7 = 26 s. Entonces, HC=(300*21)/26=242.3. El diseño parece perfecto ahora.