流量分析基础知识

看看为什么应该研究它。

为什么要研究流量分析？

电梯系统由高层建筑内的垂直道路（竖井）和车辆（轿厢或出租车）组成，就像城市的水平交通系统一样。 电梯系统的明显功能是安全、舒适、及时地运送建筑物居住者和访客往返于不同楼层。 前两个目标是电梯行业设计、安装和维保工程专业人士所关心的。 第三个目标是建筑物业主、建筑师、设施管理者和所有用户（即电梯乘客）所关注的。

根据 Strakosch GR 和 Caporale RS (3)《垂直交通手册》第 2010 版，John Wiley & Sons，Hoboken 的第 4 章，提供垂直交通 (VT) 的任务是时间和运动研究之一，如果人数谁在给定时间内需要电梯服务是已知的。 这样的规定包含许多变量，其中最重要的是人体工程因素和人类对多部电梯的反应。 正如 Barney G. 和 Al-Sharif L. (2016)，电梯交通手册 – 理论与实践，第二版，Routledge (2) 中提到的，电梯设计有两个主要领域：工程设计和交通设计。 安全舒适的设计属于工程，而交通设计则保证乘客高效、准时地到达目的地。

交通设计主要涉及电梯系统的设计，使其能够在规定的性能条件下，在规定的时间内运送所需数量的乘客。 Barney 和 Al-Sharif 在书中将 VT 问题总结为，要求将特定数量的乘客从起始楼层运送到各自的目的地楼层，并以最短的乘客等待和出行时间，使用最少数量的电梯、核心空间和成本以及最低能量。 此外，电梯交通工程的目标是通过优化一组参数来实现成本和性能之间的折衷。 这是每个电梯系统的核心任务，也说明了交通分析对其的重要性。

有关流量分析的另外三个参考文献是 英国特许屋宇装备工程师学会 （CIBSE）指南 D：2020 — 建筑中的交通系统，伦敦；So A.（2019）电梯：从基础到微积分（数字版），电梯世界；以及 So A.（2021）电梯解决方案：从基础到微积分（数字版），EW。事实上，本文的大部分内容都摘录自作者最近写的两本书。

交通流量分析既适用于设计阶段，也适用于实时运行阶段。在为新建建筑确定电梯系统规格或进行设计之前，必须进行离线交通流量分析，以便设计人员能够确定要安装的电梯数量、每部电梯服务的楼层数、每部电梯的载客量（CC）、每部电梯的额定速度或满速（以英尺/分钟或米/秒为单位；1 米/秒 ≈ 200 英尺/分钟是一个不错的经验法则）以及所使用的门类型（侧开门或中开门）等。ISO 8100-32:2019《客货运输电梯 第 32 部分：办公楼、酒店和住宅楼客用电梯的规划和选择》推荐了这种基于计算的总体概念设计方法。根据该标准， ISO 8100-32，执行设计过程有七个步骤，按以下顺序排列：

• a) 收集建筑数据和人口；
• b) 流量分析方法的选择；
• c) 设计标准的选择；
• d) 初始电梯（电梯）配置的选择；
• e) 对所选配置执行流量分析；
• f) 配置的微调；
• g) 所有过程和记录的文件记录。

在分析方法的选择上，对于较简单的情况，如建筑高度小于18层、群内电梯数量少于5.5台、只有一层入口层等，可采用基于上行高峰客流量的计算方法来确定上峰处理能力和间隔被认为是足够的。 对于更复杂的交通需求以及所有有目的地控制系统的情况，都需要进行计算机模拟。 在标准第 XNUMX 节中，计算方法是一种推荐方法，可与设计人员的经验和经验法则等其他方法一起作为初始电梯配置流量分析的起点。当然，计算显然是一种更有效的方法。认真地执行这种初始设计。

电梯系统投入实际运行后，必须实时或在线进行客流量分析，以便监控系统分配最佳轿厢来应答每个层站呼叫（大厅呼叫与电梯内呼叫）出租车）。 此外，在 ISO 25745-1 和-2 在《电梯、自动扶梯和自动人行道的能源性能》中，采用计算机模拟进行的交通分析，根据一些标准的现场测量来估算电梯的年度能耗。 本文将要讨论的内容可能在欧洲和亚洲更流行，但该原理实际上也适用于北美。 因此，该方法通常应该在全球范围内适用。

交通类型

有电梯服务的不同类型的建筑物，即商业、住宅、机构以及医院、法院和交通枢纽等其他建筑物。 最需要良好电梯系统的可能是办公楼，这些办公楼通常在工作日几乎满员，而在周末则空置。 高层写字楼的客流量一般有四种主要类型：上高峰（又称呼入）、下高峰（又称呼出）、午餐混峰和随机层间。

上行高峰交通是电梯系统处理的最重要的类型，当建筑物在清晨空置时，大约半小时内很快就被填满，例如工作日的上午 8 点至 8:30 等。 .，达到一定的百分比：例如80%。 在上行高峰期间，乘客通常会到达主大厅（称为主航站楼，MT）（通常位于底层），并请求电梯服务前往其上层目的地楼层。 在这种情况下，乘客尽可能挤满到达主大厅的每部电梯。 然后，出租车根据乘客的叫车指令向上行驶，到达不同的目的地楼层，直至最高反转楼层出租车空出，然后快速返回主大厅。 交通高峰期出现在下午晚些时候，此时居住者在办公时间后离开大楼。 主要或唯一的交通流是向下的。 大多数来自不同楼层的乘客都会到达同一目的地，即MT，然后离开大楼。 与上行高峰相比，下峰客流的持续时间往往较短，但到达率却较高。

午餐混峰交通发生在午餐时段，乘客离开办公室并下到 MT 退出大楼吃午餐，同时也会在午餐后从 MT 进入大楼返回办公室。 很多时候，建筑物的底层或顶层都有餐馆，使得交通更加复杂。 这种混合交通具有乘客同时到达和离开的上行和下行交通，但楼层间的交通有限。 在现代建筑中，午餐混峰交通逐渐成为最难处理的情况。 在单一租户占用的建筑物中，可以在部门之间分配不同的午餐开始时间，以减少乘客需求。 在不同租户占用的楼宇中，午餐时间自动分配，但较为集中：例如，有的中午至下午1点，有的中午12:30至1:30。乘客出行时，在工作时间内，楼层间的交通随时会发生随机现象。不同楼层之间，而不是离开或进入建筑物。 通常，这种类型的交通在办公楼中并不被认为是严重的。 然而，如果考虑机构建筑，例如在不同楼层设有讲堂的大学教育建筑，情况就不同了。

这篇文章是关于基础知识的； 我们的讨论仍然是基于上行高峰流量的考虑。

上行峰值流量分析涉及的参数

乘客需求是首先要收集的最重要的数据，通常用高峰情况下5分钟内该建筑物可能总的人口的一定百分比来表示，例如11％至15％。 然后，采用了“30分钟处理能力”的概念。 例如，如果使用13%的数字，则在早上的半小时高峰时段内，整个建筑物的6 x 13% ≈ 80%被占用。 这是恒定到达率假设。 但业内普遍认为乘客按照泊松概率过程进入电梯系统。 假设对于平均到达率（每秒到达的乘客数量），在时间间隔 T 内记录 n 个着陆呼叫（每位乘客一次着陆呼叫）的概率 pr(n) 为由方程（1）给出。

通过使用恒定到达率假设，上行高峰期间到达主航站楼的乘客数量 P= INT。 这里，INT称为上行高峰间隔，是连续两部电梯到达MT并接载在那里等候的乘客之间的平均时间。 如果电梯轿厢的合同容量等于或大于P，则原则上不应在MT处排队等候。

其他需要的参数包括建筑物的层数N（N不包括MT，MT分配为0F；在北美，MT通常分配为1F）； 楼层高度，df（此处假设统一）； 额定速度，v（以米/秒为单位测量）； 单层飞行时间，tf(1)（驾驶室行驶一层、停到停的时间，不包括门操作）； 开门和关门时间 to 和 tc； 乘客换乘时间，tp（乘客进出驾驶室的上车时间和下车时间的平均值）。

上行高峰 RTT、间隔和处理能力

往返时间 (RTT) 是流量分析中最重要的概念，特别是在高峰状态时。 整个过程如图 1 所示，摘自 CIBSE Guide D: 2020。实线显示电梯轿厢的瞬时位置，y 轴代表其在建筑物周围的楼层数，x 轴代表电梯轿厢的位置。代表时间。 MT 代表“0 楼”，即底层大厅。 上一层为“1 楼”，最上层为“N 楼”。 N不包括底层的做法主要是为了方便推导公式，这与美国的正常命名法有点不同。在一个更通用的RTT分析中，将不同类型的流量包含在一个公式中，讨论这超出了这里的范围，采用1F的底层会更方便。

当一辆空出租车到达 MT 时，该过程开始。 门（着陆门和轿厢门）打开，乘客开始向驾驶室装载货物。 驾驶室装满后，车门关闭。 驾驶室开始加速、减速、平层至第一站，即图1中的二楼。部分乘客退出驾驶室，驾驶室继续前往下一站，直至最高反转层H ， 到达了。 任何一站停靠后，电梯关门、加速、是否达到额定速度、减速、平层到下一站、再次开门都需要一定的时间。 在这样的向上行程中，有 S 次停靠（图 1）。 在第 H 层（H 因行程而异，但在考虑许多行程时在统计上是恒定的）楼层，出租车变得空置，并且需要快速行程才能到达 MT。 在此特快旅程中，车门关闭； 驾驶室向下加速，达到额定速度，接近MT时减速，最后与MT平齐； 门打开，欢迎另一群乘客。 整个过程称为“往返”，所花费的总时间称为往返时间，RTT。 它可以通过等式（2）通过将往返的所有组成部分的持续时间相加来估计。 例如，P（高峰期从0.8CC到1.0CC）乘客进入驾驶室的总时间=Ptp，离开驾驶室的总时间=Ptp。 对于每个站点，门在花费 tc 秒后打开，门在花费 tc 秒后关闭。 假设驾驶室加速到额定速度需要半层楼，减速需要半层楼，因此每次停车的加减速总时间=tf(1)。 tf(1)必须由制造商提供，但tv（驾驶室在额定速度下行驶一层的时间）可以通过知道df和v来计算。有S个上部停靠点加上MT处的停靠点。

建筑物的整个或部分由一组 L 部电梯（称为组或组）提供服务。 如果这 L 部电梯均匀分布在建筑物周围，则平均每 RTT/L 秒就有一辆出租车到达 MT 并搭载 P 名乘客。 该持续时间称为上峰间隔 (UPPINT)，由等式 (3) 给出。 因此，在5分钟（300秒）的子周期内，电梯系统能够承载的乘客总数，称为上行高峰承载能力（UPPHC），可由公式（3）给出。

理想的是，高层办公楼的此类 UPHC 除以建筑物的可能总人口数，在 11 分钟上峰时段内的 15 分钟子时段内给出 5-30%。 显然，短 UPPINT 和高 UPHC 是可取的。 回到方程（3），两个目标很大程度上取决于 RTT 的值，越小越好。

电梯运动学

假设轿厢只需上升一层楼即可从静止加速到额定速度，然后再减速至静止，这一假设仅适用于低速电梯，例如速度为 1 米/秒或以下的电梯。图 2（摘自 Peters R. (1995) 的论文“理想电梯运动学——绘制最优运动的完整方程”，载于《电梯技术》第 6 卷，1995 年电梯会议论文集，第 175 页）展示了三种情况下的速度-时间曲线。轿厢达到 2.5 米/秒的额定速度可能需要 6 秒，这已经相当于上升了两层楼。

如果可以达到额定速度，通过了解额定速度（V，以 m/s 为单位测量）、加速度/减速度，方程 (4) 给出行进一段距离 D（以 m 为单位测量）所需的总时间 TD （A 代表加速度和减速度，以 m/s2 为单位测量）和额定加加速度 (J 以米/秒3为单位）。

仅当达到额定速度时，方程（4）才有效，即图2中的情况（b）和（c）。并且标准基于方程（5）。

大多数时候，驾驶室单次跳层无法达到额定速度。 因此，RTT方程（2）中需要进行额外的时间修正，这超出了本文的讨论范围。

最高反转底线 (H) 和预期止损次数 (S)

H 和 S 取决于建筑物周围居住者的分布。 例如，如果下层人口稠密，上层人口稀疏，我们期望看到较低的 H 和较小的 S。相反，如果只有最顶层人口稠密，H 可以很高，但 S 仍然可以很小。 当整个建筑物均匀分布时，S 最大。

这里，楼层数为 N 的总体人口分布由 U1, U2, ..., UN-1, UN 表示，其中 Ui 表示第 i 层的人口数，i 从 1 到 N。MT 上没有人口，因为它是乘客进入大楼的地方，而不是停留的地方。乘客在 MT 上车但不想去第 i 层的概率为 1-Ui/U，其中 U 是整栋楼的人口数。当有 P 名乘客想去第 i 层时，车厢内没有乘客的概率为 (1-Ui/U)P。那么，至少有一名乘客想去第 i 层（即在第 i 层停留）的概率为 1-(1-Ui/U)P。S 是所有这些概率之和。对于 H，首先估计出租车不到达高于第 i 层楼层的概率，然后估计出租车不到达高于第 (i-1) 层楼层的概率。特定往返行程中，第 i 层是最高楼层的概率是这两个概率之差。然后，将 H 乘以 i 将所有这些乘积加在一起，得出第 i 层是该行程最高楼层的概率。 这两个参数可以通过方程组(6)来估计。

对于整栋建筑人口分布均匀的特殊情况，即 U1=U2=...=UN=U/N，此时可使用公式 (6) 估算 H 和 S。为了说明人口分布对 H 和 S 的显著影响，参考了 N=10 的建筑的表 1。CC（本例中为 13，即 P=13*0.8=10.4）也会影响 H 和 S 的值，但影响较小。

在所有五种情况下，整个建筑的总人口保持不变。 场景3在低楼层人口密集的情况下是极端的，因此它的H是最低的。 情景 1 和 2 的人口分布不太极端，因此它们的 S 大于其他两种情景。 场景5最大 S 因为整个建筑是均匀分布的。

除了人口分布的均匀性之外，还可能存在另一个不均匀性，即楼层高度。 假设某些楼层比其他楼层高。 然后，将额外的行驶时间添加到RTT方程(2)中。 由于停留时间、预开门时间和若干延迟时间（启动和平层）等的存在，可能需要不时地调整 RTT 方程（2）的最终值，对此的讨论是超出了本文的范围。

一个简单的设计示例

一座人口均匀（每层人口与其他楼层相同）的办公楼，主航站楼以上 12 层，每层总建筑面积 2,000 平方米（2 平方英尺），统一层间高度为 21,528 m（2 英尺），平均旅客换乘时间为4.0秒。 根据经验或查表，可用面积约为总建筑面积的13.1%左右，即每层可用面积为1.2*80=2,000平方米。 假设0.8人占用1,600平方米建筑面积，即每层2人，总人口为10人。 根据经验，每天的出勤率约为2%，这意味着160%的住户可能正在休假、弹性工作时间或出差。 也就是说，在上行高峰半小时期间，电梯系统需要服务1,920*80=20人。

假设半小时上峰时段内每个5分钟上峰子时段的到达率为13%。 这意味着在每个 5 分钟的子时段内，有 1536*0.13≈200 名乘客到达主航站楼并寻求电梯服务。

对于办公楼，可接受的上行高峰间隔 UPPINT 约为 30 秒。 现在的目标是设计一个电梯系统，能够在 200 分钟内运送 5 名乘客，上行高峰间隔为 30 秒。

之前提到过，P通常被假设为CC的80%到100%。 这里，采用更保守的假设80%。 5 分钟内，有 300/30=10 个上峰时段。 在每个上行高峰时段，200/10=20名乘客到达主航站楼，并且必须由一部电梯承载。 因此，电梯的 CC 至少应等于 20/0.8 = 25。美国电梯的典型载重量为 2100 磅至 5000 磅。标准载重量为 3500 磅的电梯最多可容纳 26 名乘客，对于我们的案例来说是一个不错的选择。 假设额定速度为 350 fpm，即 1.78 m/s，中心开口尺寸为 42 x 84 英寸。 使用门（门操作时间 = to + tc = 3.3 s）时，可以做出以下假设：

• tf(1) = 6 秒；
• 所有延迟时间均被忽略；
• P=26*0.8≈21；
• tv=df/v=4.0/1.78≈2.3秒；
• T-tv=3.3+6-2.3=7.0秒；
• tp=1.2秒。

利用方程组(6)，可计算出H为11.8，S可计算为10.1。

• RTT = 2 * 11.8 * 2.3 + (10.1 + 1) * 7.0 + 2 * 21 * 1.2 = 182.38 秒。
• 如果安装L=6部电梯，则UPPINT = RTT/L = 182.38/6=30.4 s。 那么，HC=(300*21)/30.4=207.2。

看来吞吐能力还算充足，但上峰时段有点边缘。 实际上，首先需要多一台备用电梯来改善上行高峰间隔，其次是在任一电梯发生故障时充当备用电梯，第三，在这里增加一些设计裕度，因为 RTT 方程中需要进行大量额外调整 (2)尚未制作。 如果安装L=7部电梯，则UPPINT = RTT/L = 182.38/7 = 26 s。 那么，HC=(300*21)/26=242.3。 现在看来这个设计很完美。