模拟建筑物摇摆对高层电梯影响的计算环境

作者：Jaakko Kalliomäki、Jarkko Saloranta、Joonas Sorvari、Sakari Mäntylä、Mikko Puranen

本文首次以虚拟形式在 12 年 2021 月的第 XNUMX 届电梯和自动扶梯技术研讨会上发表，并在研讨会网站上打印： Liftsymposium.org.

关键词： 高层电梯、摇摆、交通、模拟

抽象

在强风条件下，高层建筑会受到摇晃，这对保持乘客的舒适性和安全性提出了挑战。 可能需要降低电梯性能，甚至在恶劣条件下可能需要暂停电梯服务； 然而，由于电梯是建筑物的一项关键服务，其性能的任何降低都可能导致大量收入损失。 因此，一方面强烈要求在安全的前提下最大限度地提高电梯服务的可用性，另一方面，提前展示防晃措施对电梯系统性能的影响。 本文解释了如何基于分段方法构建在建筑物摇摆条件下对升降系统进行建模的计算环境。 第一部分由主电梯模型组成，该模型利用建筑物和电梯数据，并能够根据记录或模拟的电梯呼叫运行电梯。 它还实现了从实时绳索摇摆计算器接收到的操作模式。 该模型构成环境的第二部分，它根据记录或模拟的建筑物运动和主模型中的汽车位置计算绳索振幅，并确定适当的操作模型。 第三部分由为实时计算模型提供预先计算的放大数据的绳索摇摆分析工具、作为结果验证参考的全尺寸绳索摇摆模拟工具和建筑物运动计算器组成。 所有模拟都基于物理事件的建模。 该环境可用于预测未来建筑物的电梯系统性能并测试不同摇摆控制策略的效率，结果的可视化允许高层建筑项目中的各方之间进行有效沟通。

1. 引言

建筑更高的趋势与创造超细建筑的趋势相结合。 这种后来的趋势是由城市中心的高土地价值、稀缺的可用性、工程技术的发展和审美趋势推动的。^[1] 高层和细长建筑的趋势在保持良好的电梯服务同时保持乘客的高舒适度和安全性方面提出了独特的挑战。 这个问题特别具有挑战性，因为它涉及多个学科，例如电梯的机械、电气和控制系统设计、电梯交通规划、风力工程和建筑结构工程。

Robert S. Caporale 在 2000 年的论文中描述了电梯工程师解决绳索摇摆的传统方法所面临的挑战；^[2] 升降机绳索中的绳索摇摆被硬件抑制，或者升降机的速度被软件降低。 硬件解决方案的缺点是在轿厢和配重侧有效阻尼悬挂和补偿绳索需要复杂的布置，其生产、安装和维护成本很高。 软件降低速度，并最终在恶劣条件下停止电梯服务，可能导致收入损失，并使建筑物的区域变得不那么理想，对建筑物所有者来说也没有价值。 总之，Caporale 预计硬件阻尼策略将成为首选方案，但作者的经验表明，软件解决方案已成为行业标准。

从那时起，已经发表了模拟高层电梯系统动态响应的不同方法，例如 Rafael Sánchez Crespo 等人，^[3] 并且减少基于软件的解决方案的影响的工作一直持续到今天。 例如，提出了一种旨在优化乘客乘坐舒适度、交通和建筑以及绳索摇摆的方法，^[4] 以及一种根据轿厢位置实时估计绳索摇摆的方法，以最大限度地减少对电梯系统性能的影响。^[5] 但是需要一种方法来测试和证明不同摇摆控制策略的有效性，并帮助不同领域的专家进行交流。

本文描述了如何从段构建计算环境以实现这些目标。 可以使用数学模型再现建筑物运动数据，并根据绳索、电梯系统和建筑物的物理特性生成绳索放大数据。 电梯和建筑物属性也用于填充电梯运行信息。 然后基于这些变量计算绳索摆动幅度。 作为最后一步，处理后的数据可以导出为各种输出格式。

虽然这种计算环境的不同方面已经在其他地方进行了研究，但结合不同的元素可以快速模拟不同类型的配置变化，并直观地评估它们对电梯系统性能的影响。 如果此类信息可用，还可以通过用实际记录的数据替换一些计算元素来提高模拟的准确性。

2. 计算环境

计算环境是一个将多个计算元素组合在一起的上下文，可以创建可视化，说明输入参数或边界条件变化的影响。

2.1 动态变化的电梯运行

建立新计算环境的主要原因之一是电梯运行会根据建筑物运动、计算的绳索摇摆和选择的运行模式而动态变化。 例如，降低提升速度是缓解绳索摇摆问题的一种常用方法，并且可以根据计算出的绳索幅度来做出降低提升速度的决定。 反过来，速度降低会影响可以服务的呼叫顺序，以及随后的绳索摇摆如何演变。

此外，即使有不同类型的工具可用于评估电梯流量，流量分析传统上侧重于高峰流量和电梯的处理能力。^[6] 因此，这些工具的目标是估计电梯在正常运行模式下所需的速度和数量，因此不适合模拟建筑物摇摆条件下的电梯运行。 此外，交通分析通常会忽略服务电梯。 服务电梯更可能服务于存在绳索共振的楼层，并且可能被分配为消防和疏散电梯，在这种情况下，即使在极端摇摆条件下也必须确保基本安全。

2.2 环境结构

计算环境的结构如图 1 所示。计算摇摆环境的输入是建筑物运动数据 (2)，它包括建筑物的加速度和振幅水平； 电梯数据 (3)，由电梯组件的质量和长度组成； 建筑数据 (4)，包括建筑特征，例如自然频率和信息，例如服务楼层的数量和位置； 和电梯呼叫数据 (5)，这是分配给电梯的呼叫日志。 或者，可以使用建筑物运动计算器 (1) 人工填充建筑物运动，并在计算环境中使用主电梯模型 (8) 来填充呼叫数据。

建筑运动数据和建筑数据通常是从建筑商的风能工程顾问处获得的。 从电梯工程团队收到初步的电梯数据。 这些数据集的简化摘要如表 1 所示。电梯呼叫数据可以从电梯监控系统中提取，例如 KONE E-Link。

建筑物的电梯数据、楼层信息和自然频率被馈送到建筑物摇摆分析工具 (6)，该工具生成实时摇摆计算器 (7) 所需的绳索放大数据 (9)。

主模型 (8) 负责电梯操作。 它利用建筑物 (4) 和呼叫数据 (5) 来计算电梯运行数据（即电梯的速度和位置）。 主模型将电梯运行数据提供给实时摇摆计算器 (9)，该计算器根据预定义的摇摆幅度阈值返回电梯运行模式。 主模型在下一个可能的时间步更改操作模式，并将新的速度和位置信息反馈给实时摇摆计算器，从而再次启动循环。

电梯运行数据的日志也可以发送到全尺寸绳索摇摆模拟器（10）进行验证。 理论上，完整的绳索摇摆模拟器提供与上述计算环境完全相同的信息，但它需要大量的处理器容量。 计算环境已针对性能进行了优化，因此可以在合理的时间内进行广泛的模拟。

3. 计算环境的要素

3.1 主要模型和电梯呼叫生成器

主电梯模型的目的是复制实际电梯控制器的功能。 它控制电梯的加速度和目标速度，分配不同的驱动配置文件，并在每个时间步计算汽车的位置。 此外，主模型是负责根据摇摆控制器的要求在下一个可能的时间步根据其优先级实施操作模式的实体。 例如，电梯控制器只有在完成当前呼叫服务后才能启动电梯停车模式。

主模型利用建筑物的楼层特征（类型和位置）和存储的电梯呼叫数据来模拟电梯的运行，这些数据可以是来自现有建筑物的实际数据，也可以是由交通产生的未来建筑物的数据仿真软件。 备选地，主模型内的电梯呼叫生成器可以基于给定的概率分布（例如，到主楼层或来自主楼层的一半呼叫）填充随机呼叫，或者可以重新利用来自先前模拟的呼叫数据用于比较目的。

主模型根据电梯呼叫，计算轿厢速度和位置，这取决于电梯的额定加速度和适用的运行模式。 还使用了其他参数，例如计算调用之间总等待时间的加载时间。 与实时摇摆计算相比，汽车位置计算的时间步长必须缩短一个数量级。

3.2 摇摆控制器模型和实时摇摆计算器

摇摆控制器模型收集所需的输入（例如，建筑物加速度、汽车位置），确定合适的操作模式并维护计时器，这些计时器定义了必须维持给定模式的时间。 电梯运行模式选择的目的是在不牺牲乘坐舒适性或乘客安全的情况下最大限度地提高服务率。 Roivainen 等人早些时候已经证明了速度曲线选择和乘坐舒适性之间的相关性。^[4] 这里的重点是在不量化汽车横向振动的情况下限制绳索振幅，以保持高性能水平。

3.2.1 操作模式

在每个给定时间，摇摆控制器都会确定最适合电梯的运行模式。 基本操作模式备选方案按从低到高的优先顺序排列，分别是正常、变速 (VAS)、性能选择 (PES) 和停车 (PARK)。 VAS 驱动配置文件将降低的速度分配给轴的顶部或底部。 PES 配置文件在设定的时间段内将最大行驶速度调整为较低的水平。 PARK 将汽车停放在预定义的停车位置一段时间。 一次只能激活一种模式。 VAS 和 PES 驱动配置文件如图 2 所示。

3.2.2 实时绳索摇摆计算

实时绳索摇摆计算发生在摇摆控制器模型中。 绳索振幅是使用电梯轿厢位置信息、建筑物加速度振幅和每个建筑物加速度周期的绳索特定数据表来估计的。 该方法受到 Arai 等人的论文的启发。^[5]

根据预定义的表格计算绳索振幅的优点是计算轻而快。 这意味着在实际的电梯安装中，这种计算可以由电梯组控制器实时执行，而不会使其资源负担过重，同时考虑到必须针对两种主要建筑模式（x-和y）进行计算- 方向）和每个电梯单独。 在模拟的情况下，有效的计算使得可以在短时间内计算长周期。

3.2.3 建筑加速度幅度

建筑加速度幅度由周期性加速度数据确定。 有效幅度 â 由峰峰值幅度计算得出。 即有效幅度 â 定义为加速期内最高值和最低值之差的一半。 请参见图 3 和图 4。

3.2.4 绳索放大表

绳放大表是一个二维数组，以下记为 A，其中每一行代表一个楼层，每一列代表一个加速周期； 参见图 5 进行说明。 通过求解具有恒定加速度幅度的二阶阻尼波动方程预先计算表值。 当假定绳索张力不会因绳索位移而改变时，所得方程是线性的。 因此，绳幅 u 与加速度幅度成正比，即 u~a. 因此，一旦为单个加速度幅度生成了表格，它就可以通过采用缩放来用于任何加速度幅度。 表格单元格值 A_ij 是所考虑的绳索中的放大系数 j 电梯轿厢静止时的加速时间 i^th 楼层。

以下，假设绳索放大数据表是使用单位加速度幅度生成的。 需要注意的是，计算楼层高度不需要与轿厢着陆高度一致。 图 6 显示了一个数据表。

绳索振幅以离散时间步长更新 t₀, t₁, t₂, . . . 这样 t_n-t_n-1=T. 假设当时 t_n 在行驶方向上，离电梯轿厢最近的楼层是 i^th 地面。 此外，让 在_n)A_ij 是行中的幅度值 i 最接近先前计算的幅度 你（t_n-1). 然后幅度在时间 t_n 计算为

其中幅度增量由下式给出

协调 在_n) 是加速度的幅度 n^th 加速期。 但是，如果先前的幅度高于或等于行中的最大表值 i，幅度呈指数衰减或保持不变：

协调 p_i 是轿厢在楼层位置时的预计算建造周期和绳索周期的比值 F_i 和 是阻尼比值。

3.3 构建运动时间序列计算器

建筑物运动的时间序列数据是通过窄带过程计算的^[7]，[8] 如图7所示。建筑运动 w₀（T） 由高斯白噪声 ξ 计算得出（T） 通过两步过滤。 滤波器由低通滤波器和带通滤波器组成。

过滤器参数的选择使得建筑物运动 w₀（T） 具有所需的统计特性。 滤波器参数 α 计算为

协调 Ω 相当于建筑物的固有频率，对应带通滤波器的中心频率， δf 是带通滤波器的带宽， A₀ 是与建筑物运动具有相同 RMS 值的谐波正弦时间序列的幅度 w₀（T） 和 S₀ 是白噪声功率谱的常数水平 ξ（T）.

建筑物运动时间序列是使用预定义的 RMS 值、峰均方根比和建筑物固有频率创建的。 峰均值比的值估计为^[9]

协调 T_OBS 对应于观测时间段，在风能工程实践中通常为 600 秒或 3,600 秒。 应该注意的是，获取建筑物运动的峰均方根比的预定义值 w₀（T） 上述窄带过程不能保证时间序列。 但是，通过使用新的随机高斯白噪声 ξ 运行该过程，可以很容易地获得典型的峰值到 RMS 值（T） 时间序列，直到获得所需的值。

3.4 全尺寸仿真模型

全尺寸模型基于二阶阻尼波动方程，通过有限差分法对控制PDE方程进行数值求解。 计算环境中使用的仿真模型是通力内部开发的代码。 已经提出了一种非常相似的方法来解决移动电梯系统的绳索摇摆有限差分法。^[10] 在全尺寸模型中，可以轻松考虑更复杂的事件，例如绳索撞击竖井设备或竖井壁，或第 1 章中提到的硬件解决方案的应用。

全尺寸模型是脚本的集合，它提供了高度的自由度，但也需要有经验的用户对正在研究的问题有深入的了解。 在讨论的计算环境中，全尺寸模型用作参考模型，以确保使用放大数据表的绳索振幅计算逻辑产生准确的结果。

3.5 绳索放大数据表计算

第 3.2 章中描述的绳索放大数据表是使用绳索摇摆分析工具生成的。 该工具采用与全尺寸模型相同的有限差分方法，但它使用专用输入文件并仅运行有限的脚本来生成特定的输出文件。 该工具还用于生成外部绳索摇摆分析报告的计算结果。

在模拟开始时，绳索位移设置为零，建筑物开始以给定周期摇摆 T 单位加速度幅度为1mg。 建筑物的单位加速度幅度设置为电梯专用建筑物加速度计所在的建筑物高度，即通常为机房高度。 电梯轿厢在给定的竖井位置保持静止 F_i 在一次模拟运行期间。 不同绳段的最大绝对位移被记录为时间的函数，并与建造周期一起存储 T 区间作为对应的绳索放大数据表中的一行。 当对所有电梯轿厢位置重复上述模拟时 F_i 对于所研究的电梯，获得了绳索放大数据表。 每个电梯轿厢位置的模拟时间 F_i 需要足够长，以便为每个绳索段找到收敛的最大幅度。

4. 输出

计算环境可以配置为生成各种输出。 本章介绍三个基本输出及其用法。

4.1 模型比较

出于验证目的，电梯运行数据、建筑数据和建筑运动数据可以输入到全尺寸绳索模拟器，该模拟器计算“准确”幅度，然后可以将其与实时提供的“估计”结果进行比较摇摆计算器。 图 8 显示了此类验证之一的结果。 如前所述，可以在基于预定义表（实时模型）和有限差分法（全尺寸模型）的结果之间实现良好的相关性。

4.2 用于分析的数值数据

计算环境产生的数值数据使用行程为 200 m、额定速度为 8 m/s 和 34 次着陆的示例升降机进行演示。 电梯在 PES 或 PARK 中花费的最短时间分别为 10 分钟和 15 分钟。 分析了两种情况：一种是电梯在最低层和最高层之间作为穿梭服务运行，另一种是也有中间楼层，电梯提供随机呼叫。 假设在电梯停止的层站总等待时间为 180 秒或 10 秒，则进一步评估了这两种情况。 结果以三个条件呈现：“理想”代表不存在摇摆控制特征的情况； “旧”代表摇摆控制仅基于建筑物加速度的情况； 和“新”代表摇摆控制基于实时绳索振幅计算的情况。 结果列于表 2。

4.3动画

主模型可以直接创建动画来可视化来自计算环境的数值数据。 图 9 显示了一种简单而有效的方法来演示绳索摇摆问题的不同方面之间的相关性。 左上角显示了轿厢和对重在每个时间步的相对位置，右上角显示了建筑物的加速度，底部显示了计算得到的每个绳段的绳幅。

5。 讨论

Caporale 在他的论文中预测，机械对策将胜过软件解决方案，因为客户将超过较高的初始费用，而不是电梯系统性能的降低。 根据作者的经验，开发并没有像 Caporale 预期的那样进行。 造成这种情况的原因有很多——最明显的是基于软件的控制系统的快速发展。 此外，建筑技术的进步使建筑物对摇摆不那么敏感。 不太明显的原因之一是缺乏可用于向客户轻松展示不同摇摆控制策略（无论是基于软件还是基于硬件）有效性的工具。 这种缺陷使客户没有适当的理由在短期投资成本和长期盈利能力之间做出决定。

用于模拟建筑物摇摆对高层电梯影响的计算环境的引入消除了这一缺点，并为客户提供了做出明智决策的可能性。 结果的可视化还允许高层建筑项目的不同方之间进行有效的沟通，他们可能对电梯工程的复杂性没有深入的了解。 对于电梯工程师来说，计算环境可以在不同类型的建筑物和不同的天气条件下测试和改进不同的摇摆控制策略。

需要这些类型的工具来满足对超高超细建筑的日益严格的期望。

也可以参考： 高层绳索摇摆控制

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案例

[1] S. Marcus，“新超级：纽约的超细长塔”，芝加哥，2015 年。

[2] RS Caporale，“建筑物摇摆对升降索和电缆的影响”，垂直运输评论， Elevator World 公司

[3] RS Crespo、S. Kaczmarczyk、P. Picton、H. Su 和 M. Jetter，“高层电梯系统的建模和仿真，以预测其组件之间的动态相互作用”，电梯和自动扶梯技术研讨会，北安普顿，2013 年。

[4] G. Roivainen、J. Saloranta、M. Ruokokoski、J. Kalliomäki 和 V. Sreenath，“超高层电梯的瞬态动态计算”，北安普顿，2018 年。

[5] Y. Arai、K. Tanaka、J. Koizumi 和 S. Sasaki，“抗震设计在摩天大楼电梯中的应用”，电梯技术 22，Elevcon 2018 论文集，第 22 届国际垂直运输技术大会，柏林，国际电梯工程师协会，2018 年。

[6] GS Strakosch 和 RS Caporale，垂直运输手册，第 4 版，纽约：John Wiley & Sons, Inc.，2010 年。

[7] JW Larsen、R. Iwankiewicz 和 SKR Nielsen，“通过蒙特卡罗模拟对风力涡轮机翼进行非线性随机稳定性分析”，概率工程。 机甲。 22, 181-193., 2007.

[8] S. Kaczmarczyk、R. Iwankiewicz 和 Y. Terumichi，“谐波和随机激励下非静止电梯补偿绳索系统的动态行为”，物理学杂志：第 181 届会议系列，2009 年。

[9] AG Davenport，“关于随机函数最大值分布的注释，适用于阵风载荷。”，土木工程学院学报，28(2):187-196，1964。

[10] H. Kimura、H. Ito 和 T. Nakagawa，“电梯绳索的振动分析——随时间变化的绳索的强制振动”，环境与工程杂志。 卷。 2，第 1 期，第 87-96 页，2007 年。

[11] P. Andrew 和 S. Kaczmarcyk，电梯系统工程，移动： Elevator World, 公司, 2011.