Fondamenti di analisi del traffico

Uno sguardo al motivo per cui dovrebbe essere studiato.

Perché dovremmo studiare l'analisi del traffico?

Un sistema di ascensore è costituito da strade verticali (i vani) e veicoli (le automobili o i taxi) all'interno di un edificio alto, come il sistema di trasporto orizzontale di una città. La funzione ovvia di un sistema di ascensore è quella di trasportare gli occupanti dell'edificio e i visitatori da e verso i diversi piani in modo sicuro, confortevole e, ovviamente, tempestivo. I primi due obiettivi riguardano i professionisti dell'ingegneria della progettazione, installazione e manutenzione nel settore degli ascensori. Il terzo obiettivo è ciò a cui prestano attenzione i proprietari degli edifici, gli architetti, i gestori delle strutture e tutti gli utenti (ad esempio i passeggeri degli ascensori).

Secondo il capitolo 3 di Strakosch GR e Caporale RS (2010), The Vertical Transportation Handbook, 4a edizione, John Wiley & Sons, Hoboken, il compito di fornire il trasporto verticale (VT) è uno studio del tempo e del movimento se il numero di persone che necessitano del servizio ascensore entro un dato periodo di tempo è noto. Tale disposizione abbraccia molte variabili, le più importanti sono i fattori di ingegneria umana e le reazioni umane a più ascensori. Come menzionato in Barney G. e Al-Sharif L. (2016), Elevator Traffic Handbook – Theory and Practice, 2nd Edition, Routledge (2016), esistono due aree principali della progettazione degli ascensori: progettazione ingegneristica e progettazione del traffico. La progettazione sicura e confortevole appartiene all'ingegneria, mentre la progettazione del traffico garantisce che i passeggeri arrivino a destinazione in modo efficiente e puntuale.

La progettazione del traffico implica fondamentalmente la progettazione del sistema di ascensori in modo che possa trasportare il numero richiesto di passeggeri in un tempo specificato e nelle condizioni di prestazione stabilite. Il libro di Barney e Al-Sharif riassume il problema del VT come l'esigenza di spostare un numero specifico di passeggeri dal piano di origine ai rispettivi piani di destinazione, con il tempo minimo di attesa e di viaggio dei passeggeri, utilizzando il numero minimo di ascensori, spazio centrale e costo, nonché la quantità minima di energia. Inoltre, lo scopo dell'ingegneria del traffico ascensoristico è quello di raggiungere un compromesso tra costi e prestazioni ottimizzando un gruppo di parametri. Questa è la missione principale di ogni sistema di ascensori e illustra quanto sia importante per esso l'analisi del traffico.

Tre ulteriori riferimenti sull'analisi del traffico sono: Istituzione istituita per gli ingegneri dei servizi edili (CIBSE) Guida D: 2020 — Sistemi di trasporto negli edifici, Londra; So A. (2019) The Elevator: From Basics to Calculus (digitale), ELEVATOR WORLD; e So A. (2021) The Solutions to the Elevator: From Basics to Calculus (digitale), EW. In effetti, la maggior parte del contenuto di questo articolo è tratto dagli ultimi due libri scritti dal tuo autore.

L'analisi del traffico può essere applicata sia alla progettazione che al funzionamento in tempo reale. Prima di specificare o progettare un sistema di ascensori per un nuovo edificio, è necessario condurre un'analisi del traffico offline in modo che i progettisti possano determinare il numero di ascensori da installare, i piani serviti da ciascuno, la capacità contrattuale (CC) in termini di numero di passeggeri di ciascuno, la velocità nominale o a pieno regime (misurata in piedi al minuto o metri al secondo; 1 m/s ≈ 200 fpm è una buona regola empirica) di ciascuno e i tipi di porte utilizzate (apertura laterale o apertura centrale), ecc. Tale progettazione concettuale generale mediante calcolo è raccomandata dalla norma ISO 8100-32: 2019 - Ascensori per il trasporto di persone e merci Parte 32: Pianificazione e selezione degli ascensori per passeggeri da installare in edifici per uffici, hotel e residenziali. Secondo la norma, ISO-8100 32, ci sono sette passaggi per eseguire il processo di progettazione, che sono nella seguente sequenza:

• a) raccolta dati edilizi e demografici;
• b) scelta del metodo di analisi del traffico;
• c) scelta dei criteri di progettazione;
• d) scelta della configurazione iniziale dell'ascensore (ascensore);
• e) esecuzione dell'analisi del traffico per la configurazione prescelta;
• f) regolazione fine della configurazione;
• g) documentazione di tutti i processi e registrazioni.

Per quanto riguarda la scelta del metodo di analisi, per i casi più semplici, ad esempio, l'altezza dell'edificio è inferiore a 18 piani serviti da meno di otto ascensori nel gruppo e con un solo piano di ingresso, ecc., un metodo di calcolo basato sul traffico di punta per determinare il la capacità e l'intervallo di gestione di picco sono considerati sufficienti. Per richieste di traffico più complesse e tutti i casi con sistemi di controllo della destinazione, sarà effettuata una simulazione al computer. Nella sezione 5.5 della norma, il metodo di calcolo è un approccio consigliato come punto di partenza per l'analisi del traffico di una configurazione iniziale di ascensore, insieme ad altri approcci come le esperienze dei progettisti, le regole pratiche, ecc. Certamente, il calcolo è ovviamente un approccio più modo coscienzioso di eseguire tale progettazione iniziale.

Dopo che un sistema di ascensore è stato messo in funzione, l'analisi del traffico deve essere eseguita in tempo reale o online affinché il sistema di controllo di supervisione assegni la cabina migliore per rispondere a ciascuna chiamata al piano (una chiamata effettuata all'atrio rispetto a una chiamata in cabina effettuata all'interno del piano). taxi). Inoltre, a ISO-25745 1 e -2 Sulle prestazioni energetiche di ascensori, scale mobili e marciapiedi mobili, l'analisi del traffico mediante simulazione al computer viene utilizzata per stimare il consumo energetico annuale di un ascensore sulla base di alcune misurazioni standard in loco. Ciò che verrà discusso in questo articolo potrebbe essere utilizzato più comunemente in Europa e in Asia, ma il principio funziona effettivamente anche in Nord America. Pertanto, la metodologia dovrebbe, in generale, essere applicabile a livello globale.

Tipi di traffico

Esistono diversi tipi di edifici serviti da ascensori, ovvero commerciali, residenziali, istituzionali e altri come ospedali, tribunali e terminali di trasporto. Quelli che maggiormente richiedono un buon sistema di ascensore possono essere gli edifici adibiti ad uffici, che di solito sono quasi completamente occupati durante i giorni feriali e liberi durante i fine settimana. Ci sono, in generale, quattro tipi principali di traffico in un grattacielo per uffici: picco alto (chiamato anche in entrata), picco basso (chiamato anche in uscita), picco misto per il pranzo e interpiano casuale.

Il traffico intenso è il tipo più importante che deve essere gestito da un sistema di ascensori quando l'edificio è originariamente vuoto la mattina presto e si riempie rapidamente in circa mezz'ora, ad esempio dalle 8 alle 8:30 di un giorno feriale, ecc. ., ad una certa percentuale: ad esempio, 80%. Durante i periodi di punta, gli occupanti di solito arrivano all'atrio principale (chiamato terminal principale, MT), normalmente al piano terra, e richiedono il servizio di ascensore per i piani superiori di destinazione. In questa situazione, i passeggeri salgono su ogni cabina dell'ascensore che arriva all'atrio principale il più pieno possibile. Quindi, la cabina sale e raggiunge diversi piani di destinazione in base alle chiamate effettuate dai passeggeri a bordo fino a quando la cabina rimane libera al piano di inversione più alto, dove poi effettua un viaggio rapido per tornare all'atrio principale. Il traffico di punta si verifica nel tardo pomeriggio, quando gli occupanti lasciano l'edificio dopo l'orario di ufficio. Il flusso di traffico dominante o unico è verso il basso. La maggior parte dei passeggeri provenienti da piani diversi raggiungono la stessa destinazione, ovvero la MT, e lasciano l'edificio. Rispetto al traffico di punta, il traffico di punta tende ad essere più breve nella durata, ma il tasso di arrivo è molto più alto.

Il traffico di punta misto per l'ora di pranzo si verifica durante l'ora di pranzo, quando i passeggeri lasciano l'ufficio e scendono all'MT per uscire dall'edificio per pranzo, mentre entrano nell'edificio all'MT per tornare ai propri uffici dopo pranzo. Molto spesso ci sono ristoranti ai piani inferiori o superiori dell'edificio, rendendo il traffico più complesso. Questo traffico misto prevede arrivi e partenze passeggeri simultanei di traffico in salita e in discesa con un traffico interpiano limitato. Negli edifici moderni, il traffico di punta misto dell'ora di pranzo diventa gradualmente la situazione più difficile da gestire. Negli edifici occupati da un unico inquilino, è possibile assegnare orari diversi per l'inizio del pranzo tra i reparti per ridurre la domanda di passeggeri. Negli edifici occupati da inquilini diversi, gli orari del pranzo sono distribuiti automaticamente ma più concentrati: ad esempio, alcuni da mezzogiorno alle 1:12, altri dalle 30:1 alle 30:XNUMX. Il traffico interpiano casuale si verifica in qualsiasi momento durante l'orario lavorativo in cui viaggiano i passeggeri. tra piani diversi, invece di uscire o entrare nell'edificio. Di solito questo tipo di traffico non è considerato grave negli edifici adibiti ad uffici. La storia cambia però se si considerano gli edifici istituzionali, come ad esempio gli edifici didattici universitari con aule su piani diversi.

Questo articolo riguarda i fondamenti; la nostra discussione è ancora basata sulla considerazione del traffico di punta.

Parametri coinvolti nell'analisi del traffico di punta

Il dato più importante da raccogliere per primo è la domanda di passeggeri, che di solito è rappresentata da una certa percentuale della popolazione totale possibile dell'edificio entro un sottoperiodo di 5 minuti in condizioni di picco, ad esempio dall'11% al 15%. Successivamente viene adottato il concetto di “capacità di movimentazione di 30 minuti”. Se ad esempio si utilizza un valore del 13%, durante la mezz'ora di punta mattutina viene riempito il 6 x 13% ≈ 80% dell'intero edificio. Si tratta di un'ipotesi di tasso di arrivo costante. Ma nel settore è generalmente accettato che i passeggeri entrino in un ascensore secondo il processo di probabilità di Poisson. L'ipotesi è che la probabilità, pr(n), di n chiamate di atterraggio (una chiamata di atterraggio per passeggero) registrate entro un intervallo di tempo, T, per un tasso medio di arrivo, (in numero di passeggeri che arrivano al secondo), è data dall'equazione (1).

Utilizzando un'ipotesi di tasso di arrivo costante, il numero di passeggeri che arrivano al terminal principale durante le ore di punta, P= INT. Qui, INT è chiamato intervallo di picco, che è il tempo medio tra due arrivi consecutivi dell'ascensore all'MT per far salire i passeggeri in attesa. Se la capacità contrattuale della cabina dell'ascensore è pari o superiore a P, in linea di principio non dovrebbe esserci alcuna coda in attesa al MT.

Altri parametri necessari includono il numero di piani dell'edificio, N (N non include la MT, a cui viene assegnato 0 F; in Nord America, la MT viene solitamente assegnata 1 F); altezza del pavimento, df (qui assunta uniforme); velocità nominale, v (misurata in m/s); tempo di volo a un piano, tf(1) (tempo impiegato dalla cabina per percorrere un piano, da una fermata all'altra, escluso il funzionamento delle porte); orari di apertura e chiusura porte, to e tc; tempo di trasferimento del passeggero, tp (la media tra il tempo di imbarco e il tempo di uscita di un passeggero dentro e fuori dalla cabina).

RTT, intervallo e capacità di gestione massimi

Il tempo di andata e ritorno (RTT) è il concetto più importante nell'analisi del traffico, in particolare se riferito a condizioni di punta. L'intero processo è mostrato nella Figura 1 estratta dalla Guida CIBSE D: 2020. La linea continua mostra la posizione istantanea di una cabina dell'ascensore, con l'asse y che rappresenta la sua posizione, in numero di piano, attorno all'edificio, e l'asse x che rappresenta il tempo. MT rappresenta "0° piano", l'atrio al piano terra. Il primo piano superiore è il “1° piano” e l’ultimo piano è “l’ennesimo piano”. La pratica che N non includa il piano terra è principalmente dovuta alla comodità di derivare la formula, che è leggermente diversa dalla normale nomenclatura negli Stati Uniti. In un'analisi RTT più universale che include diversi tipi di traffico in un'unica formula, la discussione di cui qui esula dallo scopo, diventa più conveniente adottare il piano terra al 1F.

Il processo inizia quando un taxi vuoto arriva all'MT. Le porte (sia del piano che della cabina) vengono aperte e i passeggeri iniziano a caricare la cabina. Dopo che la cabina è stata riempita, le porte dell'auto vengono chiuse. La cabina inizia ad accelerare, decelerare e livellare fino alla prima fermata, che nella Figura 1 è indicata come il secondo piano. Alcuni passeggeri escono dalla cabina e la cabina prosegue fino alla fermata successiva, fino al piano di inversione più alto, H. , è raggiunto. Dopo ogni arresto, è necessario del tempo affinché le porte si chiudano, l'ascensore acceleri, raggiunga o meno la velocità nominale, deceleri, quindi raggiunga la fermata successiva e le porte si aprano nuovamente. Ci sono un numero S di fermate durante questo viaggio verso l'alto (Figura 1). Al piano Hth (H varia da viaggio a viaggio ma è costante statisticamente quando si considerano molti viaggi), la cabina diventa libera e fa un viaggio espresso fino alla MT. Durante questo viaggio espresso le porte sono chiuse; la cabina accelera in discesa, raggiunge la velocità nominale, decelera quando si avvicina ed infine si posiziona all'altezza della MT; e le porte si aprono per accogliere un altro gruppo di passeggeri. L'intero processo è chiamato “andata e ritorno” e il tempo totale impiegato è chiamato tempo di andata e ritorno, RTT. Può essere stimato mediante l'equazione (2) sommando la durata temporale di tutti i componenti di un viaggio di andata e ritorno. Ad esempio, il tempo totale impiegato dai passeggeri P (da 0.8 CC a 1.0 CC durante l'orario di punta) per entrare nella cabina=Ptp e il tempo totale impiegato per uscire dalla cabina=Ptp. Per ogni fermata, le porte vengono aperte una volta impiegando to secondi e le porte vengono chiuse una volta impiegando tc secondi. Si presuppone che sia necessario mezzo piano affinché la cabina acceleri fino alla velocità nominale e mezzo piano per decelerare, quindi il tempo totale per tale accelerazione o decelerazione = tf(1) per ciascuna fermata. tf(1) deve essere fornito dal produttore, ma tv (il tempo impiegato dalla cabina per percorrere un piano alla velocità nominale) può essere calcolato conoscendo df e v. Ci sono S fermate superiori più la fermata alla MT.

L'intero o una parte dell'edificio è servito da un gruppo di L numero di ascensori (chiamato banca o gruppo). Se tali L ascensori sono distribuiti uniformemente nell'edificio, per ogni RTT/L secondi, un taxi arriva alla MT e trasporta, in media, un numero P di passeggeri. Questa durata di tempo è chiamata intervallo di picco (UPPINT), data dall'equazione (3). Pertanto, in un sottoperiodo di 5 minuti (300 s), il numero totale di passeggeri che può essere gestito dal sistema di ascensori, chiamato capacità di movimentazione di picco (UPPHC), può essere dato dall'equazione (3).

È auspicabile che tale UPPHC di un alto edificio per uffici, diviso per la popolazione totale possibile dell'edificio, dia l'11-15% durante il sottoperiodo di 5 minuti entro il periodo di picco di 30 minuti. Ovviamente sono desiderabili un UPPINT breve e un UPPHC elevato. Tornando all'equazione (3), entrambi gli obiettivi dipendono molto dal valore di RTT, più piccolo è, meglio è.

Cinematica dell'ascensore

L'ipotesi che un solo piano sia sufficiente affinché la cabina acceleri da ferma alla velocità nominale e poi deceleri di nuovo fino a fermarsi è valida solo per ascensori a bassa velocità, diciamo 1 m/s o inferiore. La Figura 2, estratta da Peters R. (1995), "Ideal lift kinematics - complete equations for plotting optimal motion", Elevator Technology 6, Proc. Elevcon 1995, pp. 175, mostra le curve velocità-tempo di tre casi. Potrebbero essere necessari 6 secondi affinché la cabina raggiunga la velocità nominale di 2.5 m/s, e questo corrisponde già a un salto di due piani.

Se è possibile raggiungere la velocità nominale, l'equazione (4) fornisce il tempo totale, TD, necessario per percorrere una distanza, D (misurata in m), conoscendo la velocità nominale (V misurata in m/s), l'accelerazione/decelerazione (A sia per l'accelerazione che per la decelerazione, misurata in m/s2) e jerk nominale (J in m/s3).

L'equazione (4) è valida solo se viene raggiunta la velocità nominale, cioè nei casi (b) e (c) nella Figura 2. E il criterio si basa sull'equazione (5).

Per la maggior parte del tempo, la cabina non riesce a raggiungere la velocità nominale con un salto da un solo piano. Pertanto, è necessaria un'ulteriore correzione temporale nell'equazione RTT (2), la cui discussione va oltre lo scopo di questo articolo.

Piano di inversione più alto (H) e numero previsto di stop (S)

H e S dipendono dalla distribuzione degli occupanti nell'edificio. Ad esempio, se i piani inferiori sono densamente popolati mentre i piani superiori scarsamente, ci aspettiamo di vedere una H inferiore e una S più piccola. Al contrario, H può essere alta, ma S può comunque essere piccola se solo i piani più alti sono densamente popolati . S è maggiore quando l'intero edificio è uniformemente distribuito.

Qui, una distribuzione generale della popolazione per il numero N di piani è data da U1, U2, ..., UN-1, UN dove Ui è la popolazione del piano i-esimo, con i che va da 1 a N. Non c'è popolazione al piano MT perché è il punto di ingresso dei passeggeri all'edificio, non il luogo in cui soggiornano. La probabilità che un passeggero salga in taxi al piano MT e non voglia raggiungere il piano i-esimo è data da 1-Ui/U dove U è la popolazione dell'intero edificio. La probabilità che non ci siano passeggeri in taxi con P passeggeri che desiderano raggiungere il piano i-esimo è data da (1-Ui/U)P. Quindi, la probabilità che almeno un passeggero voglia raggiungere il piano i-esimo, ovvero che si fermi al piano i-esimo, è data da 1-(1-Ui/U)P. S è dato dalla somma di tutte queste probabilità. Per H, si stima prima la probabilità che il taxi non viaggi a nessun piano superiore all'i-esimo piano, seguita dalla probabilità che il taxi non viaggi a nessun piano superiore all'(i-1)-esimo piano. La probabilità che l'i-esimo piano sia il piano più alto per un particolare viaggio di andata e ritorno è la differenza tra le due. H si ottiene quindi moltiplicando i alla probabilità che l'i-esimo piano sia il piano più alto di quel viaggio e sommando tutti questi prodotti insieme. Questi due parametri possono essere stimati mediante l'insieme di equazioni (6).

Per un caso particolare in cui l'intero edificio è popolato uniformemente, U1=U2=...=UN=U/N, H e S possono quindi essere stimati di conseguenza utilizzando il set di equazioni (6). Per dimostrare come H e S siano influenzati in modo significativo dalla distribuzione della popolazione, si fa riferimento alla Tabella 1 di un edificio con N=10. CC (=13 in questo esempio, ovvero P=13*0.8=10.4) influenza anche i valori di H e S, ma in modo meno significativo.

La popolazione totale dell'intero edificio rimane invariata per tutti e cinque gli scenari. Lo scenario 3 è estremo in una popolazione densa ai piani inferiori e quindi il suo H è il più basso. Gli scenari 1 e 2 sono meno estremi nella distribuzione della popolazione e quindi la loro S è maggiore di quella degli altri due scenari. Lo scenario 5 è il più grande S perché l'intero edificio è uniformemente distribuito.

Oltre all'uniformità della distribuzione della popolazione, potrebbe esserci un'altra disuniformità, cioè l'altezza del pavimento. Supponiamo che alcuni piani siano più alti di altri. Quindi, è necessario aggiungere ulteriore tempo di viaggio all'equazione RTT (2). La regolazione del valore finale dell'equazione RTT (2) può essere necessaria di tanto in tanto a causa dell'esistenza di tempi di sosta, tempo di preapertura della porta e diversi tempi di ritardo (avvio e livellamento), ecc., la cui discussione è oltre lo scopo di questo articolo.

Un semplice esempio di progettazione

Un edificio per uffici uniformemente popolato (la popolazione su ogni piano è identica a quella degli altri) con 12 piani sopra il terminal principale ha una superficie lorda di 2,000 m2 (21,528 ft2) per piano, un'altezza interpiano uniforme di 4.0 m (13.1 ft) e un'altezza tempo medio di trasferimento dei passeggeri di 1.2 s. Per esperienza o consultando tabelle, la superficie utile è circa l'80% della superficie lorda, ovvero una superficie utile di 2,000*0.8=1,600 mq per piano. Supponiamo che una persona occupi 2 m10 di superficie, ovvero 2 occupanti per piano, con una popolazione totale di 160 abitanti. In base all'esperienza, il tasso di presenza giornaliera è di circa l'1,920%, il che significa che il 80% degli occupanti può essere in ferie, lavorare con orari flessibili o avere visite di servizio. In altre parole, durante la mezz’ora di picco, 20*1920 = 0.8 persone devono essere servite dal sistema di ascensori.

Si presuppone che il tasso di arrivo di ciascun sottoperiodo di picco di 5 minuti all'interno del periodo di picco di mezz'ora sia del 13%. Ciò significa che in ogni sottoperiodo di 5 minuti, 1536*0.13≈200 passeggeri arrivano al terminal principale e richiedono il servizio ascensore.

Per un edificio adibito a uffici, un intervallo di picco accettabile, UPPINT, è di circa 30 s. L'obiettivo ora è progettare un sistema di ascensore in grado di gestire 200 passeggeri in 5 minuti con un intervallo di picco di 30 s.

È stato menzionato in precedenza che di solito si presuppone che P sia compreso tra l'80% e il 100% di CC. In questo caso viene adottata un'ipotesi più conservativa dell'80%. Entro 5 minuti ci sono 300/30=10 intervalli di picco. In ogni intervallo di punta, 200/10=20 passeggeri arrivano al terminal principale e devono essere trasportati da un ascensore. Pertanto, il CC dell'ascensore dovrebbe essere almeno pari a 20/0.8 = 25. La capacità tipica di un ascensore negli Stati Uniti è compresa tra 2100 e 5000 libbre. Un ascensore standard con capacità di 3500 libbre può ospitare un massimo di 26 passeggeri. una buona scelta per il nostro caso. Supponiamo che la velocità nominale sia 350 fpm, cioè 1.78 m/s, e l'apertura centrale sia di 42 x 84 pollici. (tempo di manovra porta = to + tc = 3.3 s), si possono fare le seguenti ipotesi:

• tf(1) = 6 s;
• tutti i tempi di ritardo vengono ignorati;
• P=26*0.8≈21;
• tv=df/v=4.0/1.78≈2.3 s;
• T-tv=3.3+6-2.3=7.0 s;
• tp=1.2 s.

Utilizzando la serie di equazioni (6), H può essere calcolato come 11.8 e S può essere calcolato come 10.1.

• RTT = 2 * 11.8 * 2.3 + (10.1 + 1)*7.0 + 2 * 21 * 1.2 = 182.38 s.
• Se sono installati L=6 ascensori, UPPINT = RTT/L = 182.38/6=30.4 s. Quindi, HC=(300*21)/30.4=207.2.

Sembra che la capacità di gestione sia adeguata mentre l'intervallo di picco è un po' marginale. In pratica, è necessario un altro ascensore di riserva in primo luogo per migliorare l'intervallo di picco, in secondo luogo per fungere da riserva durante il guasto di uno dei due e, in terzo luogo, per aggiungere qui un po' di margine di progettazione come una serie di ulteriori aggiustamenti nell'equazione RTT (2) non sono stati realizzati. Se sono installati ascensori L=7, UPPINT = RTT/L = 182.38/7 = 26 s. Quindi, HC=(300*21)/26=242.3. Il design sembra perfetto ora.