电梯交通分析：分析与模拟

对流量分析的两个主要分类进行了比较和对比，并引用了该领域许多专家的工作。

作者：Albert So 博士和 Lutfi Al-Sharif 博士

交通分析是与电梯系统研究相关的三个关键领域之一，还有驱动器和安全组件。 电梯交通分析是电梯系统规划和设计的基础。 多年来，出现了不同的方法，它们可以大致分为“分析”和“模拟”两类。 本文探讨了这两种方法如何相互补充，以及基于数值方法（实际上是其他两种方法的混合）的第三种方法。

CIBSE 指南 D：建筑中的交通系统 （2010 年版是最新版）已在世界各地（特别是欧洲和亚洲）广泛用作电梯工程师、规划师、建筑师、顾问和代码制定者的有用参考。 这两种方法在本指南的第 3 章中被称为两种模型。 第一个模型使用基于数学公式的计算方法，通常适用于高峰情况。 这种经典模型已经使用了近 80 年，为 90-95% 的设计提供了令人满意的解决方案。 该模型在本文中称为“分析模型”； 在其中，设计人员可以根据可用的方程式手动执行设计。 第二个模型已经使用了超过 45 年，它基于建筑物中电梯运动和乘客动态的离散数字模拟。 在编写指南时，模拟被认为相对较慢，但随着计算机技术的进步，由于更高的处理能力导致更短的模拟时间，模拟的性能出现了巨大的飞跃。

整个模拟过程在指南的第 4 章中介绍。 它从乘客到达层站开始，然后登记他们的层站呼叫，在他们到达时登上电梯并登记他们的轿厢呼叫。 它以乘客在目的地楼层下车结束。 众所周知，模拟本身是一种非常强大的工具。 但是，指南建议，出于以下原因，最佳做法是使用传统的往返时间 (RTT) 计算开始所有设计练习：

• 传统的分析方法已经得到充分证明，并且经受住了时间的考验。 两种方法的结果之间发现的任何差异都可以提醒设计人员注意模拟中的错误。
• 仿真相当复杂，经验不足的设计师很容易犯错误或在不知不觉中遗漏一些东西。
• RTT 计算更容易、更快。 因此，分析方法可以帮助指导设计人员采用值得通过仿真测试的解决方案。

话虽如此，指南赞赏模拟可以在逐次旅行的基础上对电梯运动进行建模，而分析方法则适用于“平均”往返行程。 此外，模拟可以评估乘客等待时间、中转时间、停留时间、大厅时间等，而分析方法仅给出平均间隔。 模拟更接近“现实生活”，因此更直观； 他们可以对监控性能进行建模，最后可以显示各种表格和图形供设计人员参考。

Janne Sorsa 和 Marja-Liisa Siikonen 博士认为多层建筑的电梯规划基于上行峰值 RTT 计算，而其他交通状况则通过电梯交通模拟进行分析。^[16] 在规划不适用标准上行峰值方程的高级电梯系统时，交通模拟也是绝对必要的。 这样的意见符合《指南》。

分析计算

这里有两种方法：即从第一原理推导或从经验公式推导。 正如本文前面所讨论的，分析方法的基础考虑是在上升峰值条件下的 RTT 评估。 此类条件使用最广泛的方程（在 Gina Barney 博士的指南和著作中注明）^[5＆7]）是：

这里，t_v = d_f/v，其中df为楼层间距，v为轿厢额定速度，P为轿厢内乘客人数，t_s （称为“停止时间”）是 t_f(1) + 吨_o + 吨_c - t_v. （吨_f(1) 为单层飞行时间，代表加减速时间，to 为开门时间，t_c 为关门时间。）H 为典型往返的最高反转层； S 是行程的预期停靠站数。 H（首先由 J. Schroeder 派生^[13]) 和 S（最早由 Basset Jones 推导出）^[9]) 如下。

对于 N 层（不包括底层）建筑物周围的非均匀人口分布，U_i 是第 i 层可能的居住人数，其中 i 从 1 到 N。

如果你₁ =U₂ = ..... = U_N = U/N（即建筑物周围的人口均匀分布，总人口， U)，两个方程简化为：

乘客在上行高峰期间从底层或主航站楼到目的地楼层的平均时间称为“上行高峰平均旅行时间” （UPATT），由：

                                                                       可以简化为：

                                                                  当 S >> 1 时。^[14＆15]

乘客从到达主航站楼大厅到在其目的楼层下电梯所花费的平均上行高峰时间（UPAJT)，等于 UPATT 以及高峰平均等待时间， UPAWT. 上面的方程是从第一原理推导出来的，没有来自现场交通调查的任何数据。 上面的等式假设大厅中有充足的乘客供应，并且当电梯到达主大厅接载乘客时，总是有乘客 (P) 可以登上电梯。 必须修改方程以考虑泊松乘客到达过程。

泊松分布是一种离散概率分布，它给出给定数量的事件在固定的时间和/或空间间隔内发生的概率，前提是事件以已知的平均速率发生并且与时间无关。 离散随机变量 (X)，通常是一个整数，表示特定事件的数量，被称为具有正实参数的泊松分布 （λ） 可以由以下等式给出，其中 k = 0, 1, 2, ... . .:

λ 是到达率，以每秒事件数或每秒乘客数为单位。 因此，分布曲线的形状取决于参数的值 λ. 有趣的是，泊松分布的均值和方差都等于 λ.

第二种类型的分析计算属于基于来自现场交通调查或模拟期间收集的数据池的曲线拟合的经验公式类（即，基于统计）。 例如，Barney 建议的 UPAWT 公式代表这种类型：^[6]

这里，UPINT 代表上行峰值间隔； CC 代表汽车的合同容量，P 如前所述。

 模拟

除了用于系统规划和设计之外，仿真还广泛用于评估群控算法。^{[2、8 和 12]} 模拟要么作为时间片模拟实现^[11] 或离散事件模拟^。1] 市场上有不同的模拟器。 作为更详细讨论的示例，一种流行的软件工具是 Elevate。^[10] 在模拟过程中，所有事件都按固定大小的时间片（例如 0.1 秒）推进，并且随着时间的推进，事件发生变化，由计算机程序跟踪。 事件包括不同层站的乘客到达模式：乘客需求、交通模式、登陆呼叫登记、轿厢移动、上下车、轿厢呼叫登记等。当乘客需求由低到高变化时，得到不同的模拟结果。高，但初始条件应保持不变。 而且，模拟应该持续足够长的时间，以使结果足够稳定并可供设计人员使用。 有用的结果可能包括 RTT、处理能力、乘客等待时间（最短、平均或高峰）、乘客旅行时间（最短、平均或高峰）、平均停靠次数、平均最高反向楼层、乘客换乘时间等。

面向对象编程 (OOP) 的艺术已被采用。 在一个对象中，变量和函数都组合在一起，其行为由它所属的类定义。 因此，每个对象都是一个类的“实例”。 在 Elevate 中，有不同的类，例如“建筑类”，它包括层数、层高数组等； “运动等级”由额定速度、额定加速度、电机启动延时等组成； “电梯等级”包括合同容量、开门/关门时间等； “调度器类”由调度器算法、上行登陆呼叫、下行登陆呼叫等组成； “人员等级”由到达楼层、目的地楼层、乘客体重等组成。此外，允许用户将自己的调度算法构建到模拟中以进行性能比较。 预计该仿真工具将来可用于与真实电梯系统并行运行，以对所有交通参数进行基准测试并评估令人满意的性能。

数值方法

任何用于评估电梯群控算法有效性的工具都必须满足以下四个要求：^[3]

• 可重复：原始设计者必须能够在相同系统的多次运行中以相同的参数获得相同的结果。
• 可再现性：其他设计者/用户必须能够得到与群控算法创始人相同的结果。
• 透明：用户应该能够很容易地理解群控算法是如何工作的，它是如何实现的，假设了哪些参数，以及每个参数使用的值。
• 目标：该工具必须是客观的，可以在相似条件下对不同的组控制算法进行比较。

虽然人们普遍认为仿真是评估电梯群控算法有效性的强大工具，并且可以处理最复杂的条件和场景，但它有时无法满足所有这些要求。 进一步，假设该组有 L 部电梯，每部电梯可搭载 P 名乘客。 每个乘客都有一个目的地楼层。 可以证明，唯一可能的解决方案的数量可以

达到   ，这是一个天文数字。^[4] 例如，一栋 10 层楼高、有 12 部电梯、每部电梯可搭载 3.3 名乘客的建筑物可能有高达 10 X XNUMX⁹⁸ 世界上任何超级计算机都无法处理的解决方案。

通过数值方法，^[3] 蒙特卡罗模拟对可能的场景进行采样并处理，最终判断基于启发式或经验法则。 以下步骤概述了如何执行数值方法：

1. 使用随机场景生成器生成新场景，以便将每个乘客随机分配到一个楼层，概率与楼层人口相关联。
2. 对于步骤 1 中生成的每个可能的场景，通过启发式方法或使用随机搜索技术找到最合适的解决方案。
3. 重复步骤1和2，直到考虑了大量场景（比如10,000甚至100,000），仍然兼容一台好的个人电脑的容量。
4. 完成后，将计算所有场景的最佳解决方案的平均值，并将其用作组控制算法的代表性评估。

结语

已经讨论了电梯交通分析的三种方法（分析的、模拟的和数值的）。 数值方法可以被认为是有限数量的模拟场景和解析方程之间的合并。 该分析方法已经使用了几十年并且得到了充分证明，赢得了业主、用户、设计师和建筑师的信任。 模拟更真实，更好地反映了服务于真实建筑物的电梯系统实际发生的情况。

目前，由 Siikonen 担任主席的国际标准化组织 (ISO) 技术委员会 (TC) ISO/TC 178/SC/WG6 正在制定 ISO 4190-6 草案，该草案是关于乘客电梯的规划和选择的。用于写字楼、酒店和住宅楼。 很明显，TC 尊重基于上行峰值 RTT 方程和引导模拟的两种计算方法。

2014 年通过模拟的上行峰值流量和实际上行峰值流量的测量数据对上行峰值 RTT 方程进行了验证。^[16] 结果表明，模拟和实际情况都满足了解析上峰理论的假设。 结果表明，只有当方程基于乘客批次而不是单个乘客时，理论上行高峰计算才能准确地代表实际交通量。 在结论中，文章指出必须根据实际的电梯参数和乘客换乘时间进行计算。

最后，您的作者认为计算和模拟在电梯系统交通设计和分析中都是必不可少的。 随着计算机技术的进步，无论是时间片、基于事件还是数值模拟时间都越来越短，而模拟结果可以为我们提供真实可靠的信息，使电梯系统的设计能够处理不同类型的交通状况。 另一方面，在进行模拟之前必须很好地进行快速计算。 我们想引用 Barney 在 2007 年 XNUMX 月的“CIBSE 流量分析与仿真开放论坛报告”中的演讲来结束本文：

“Barney 还担心过度依赖模拟与流量计算。 她认为设计师应该正确理解他们的艺术。 这种理解最好通过进行一些简单的计算来实现。 然而，她确实同意，最终结果应该始终通过模拟来确认，因为计算是精确的数学推导，并且通常与模拟没有相似之处。”

案例
[1] Al-Adem, Mohamed D. 多轿厢电梯系统的离散事件仿真，最后一年的毕业项目，约旦大学，2012 年。
[2] Al-Sharif、Lutfi 和 Al-Adhem，Mohamed D.“使用计算和模拟的电梯交通设计的当前实践”，建筑服务工程研究与技术，卷。 35, No. 4, 2013。
[3] 谢里夫，卢特菲； 侯赛因，M。 马拉克，M。 和 Tuffaha, D. “使用数值方法评估上行峰值组控制算法的性能”，电梯技术 20：2014 年 Elevcon 会议录，国际电梯工程师协会 (IAEE)，2014 年。
[4] 谢里夫，L.； 哈姆丹，J。 胡森，M。 贾伯，Z.； 马拉克，M。 里亚尔，A。 AlShawabkeh, M.; 和 Tuffaha, D. “使用理想化的最佳基准 (IOB) 建立目的地电梯群控制的性能上限”，提交给建筑服务工程研究与技术，2014 年 XNUMX 月。
[5] Barney, GC 和 dos Santos，SM 电梯交通分析、设计和控制，第二版，IEE，Peter Peregrinus Ltd.，伦敦，2。
[6] Barney GC “Uppeak revisited”, Elevator Technology 4: Proceedings of Elevcon 1992, IAEE, 1992。
[7] Barney，GC 电梯交通手册：理论与实践，Spon Press，Taylor & Francis，伦敦，2003 年。
[8] Hakonen, H. 和 Siikonen, M.“电梯交通模拟程序”，电梯技术 17：2008 年 Elevcon 会议录，IAEE，2008 年。
[9] 琼斯，巴塞特。 “电梯可能停靠的次数，”通用电气评论，卷。 26 年 1923 月 XNUMX 日。
[10] 彼得斯，理查德。 “电梯仿真的当前技术和未来发展”，国际电梯工程师杂志，卷。 4, No. 2, 2002。
[11] Peters Research，Elevate：电梯交通分析与仿真软件。 “入门”，第 8 版，2010 年。
[12] 彼得斯，理查德。 “仿真在交通设计和调度员测试中的应用”，北安普顿大学第三届电梯和自动扶梯技术研讨会论文集，2013 年。
[13] Schroeder J. “Personenaufzuege”，Foerden und Heben，卷。 1，1955 年。
[14] 所以，Albert TP 和 Suen，Wilson SM “估计平均旅行时间的新公式”，Elevatori，卷。 31 年第 4 期第 2002 期。
[15] 所以，ATP 和 Suen，WSM“实时电梯交通性能评估”，建筑服务工程，研究与技术，卷。 23, No. 3, 2002。
[16] Sorsa、Janne 和 Siikonen、Marja-Liisa，“理论计算、交通模拟和现实中的上行高峰往返时间”，Elevator Technology 20：Proceedings of Elevcon 2014，IAEE，2014。