没有绳索的电梯：需要多少个竖井和多少个轿厢？

您的作者建立了交通设计原则并描述了与未来系统相关的调度和建模策略。

作者：Stefan Gerstenmeyer 和 Dr. Richard Peters

本文首次在第五届电梯和自动扶梯技术研讨会上发表， www.liftsymposium.org.

目前正在开发的新一代电梯采用磁力线性推进，不需要绳索。 轴是共享的，电梯在两个或多个维度上移动。 将通过增加更多的汽车而不一定是更多的竖井来容纳更高和人口更稠密的建筑物。 规划电梯安装的工程师需要新的方法来评估无绳电梯提供的处理能力和服务质量。 在本文中，通过应用简单的循环时间计算建立了一些交通设计原则。 例如，考虑了穿梭式升降机应用并将其与当前的绳索解决方案进行了比较。 改进周期时间计算需要开发调度策略、安全距离要求的建模和交通仿真模型。 将概述这些领域的进展情况。

在已知的电梯系统中，绳索电梯的数量仅限于一个竖井中的一两节车厢，因为下部车厢的悬挂绳需要绕着上部车厢转向。 [1] 由于绳索所需的空间，在一个竖井中放置两辆以上的汽车受到限制。 此外，在一个竖井中放置两辆以上的车厢会限制交通处理效率，因为所有舱室都更难以为主入口楼层提供服务。 使用轴进行上下行驶意味着汽车需要等到所有汽车都需要反转其行驶方向，这是提高性能的一个制约因素。 使多辆轿厢在至少两个循环的井道中运行，其中一个井道用于向上行驶而另一井道用于向下行驶，从而能够提高性能和井道使用效率。 一个早期的例子是帕特诺斯特，这是循环升降系统的第一个实现。 [2] 连续、缓慢循环的开放式客舱链条，没有舱门或竖井门，对残障乘客的旅行时间、安全和运输都有限制。 假设客舱之间的距离为 3 m，速度约为 0.3 mps[3]，每个客舱有两名乘客，paternoster 的处理能力约为每 60 分钟 5 名乘客。

对于新的安全循环多轿厢升降系统 (MCLS)，安装在竖井中的直线电机提升多个单独和独立的轿厢是主要的使能技术之一。 具有独立移动小车的循环 MCLS 的概念和想法在电梯行业并不新鲜。 [4] 由于存在未解决的技术和经济问题，因此基于技术假设发布了循环电梯系统的简单交通计算。 [5] 讨论了使用无绳索/配重升降机的技术挑战以及提高循环升降机系统效率的机会。 [6] 还分析了包括横向乘客移动的先进二维交通系统。 [7 和 8]

2014 年，目前正在开发的 MCLS 亮相。 [9] 不同的技术创新和解决方案解决了实现循环 MCLS 的技术挑战。 [10] 直线电机在多个轴上推动多个独立移动的小车。 八名乘客的轻型客舱设计可实现经济的系统。 经过认证的安全系统（包括安全制动器）可确保不会发生碰撞。 背包式解决方案引导汽车并使交换器单元能够在竖井之间水平移动汽车。 本文将基于简单的循环时间计算来检查这个现实系统的流量分析，并描述循环时间的约束。

交通概念

随着城际列车和城市交通，不同的横向交通系统存在并作为横向交通概念联系在一起。 与水平交通相比，循环 MCLS 需要适应高层建筑的垂直交通概念。

在垂直交通概念中，循环 MCLS 被用作地面和天空大厅之间的穿梭电梯系统。 [10] 交换单元安装在地面大厅和高空大厅。 图 1 显示了如何将循环 MCLS 包含在垂直运输概念中的示例。 不同的 MCLS (S1) 服务于不同建筑区（1 区和 2 区）的空中大厅。 建筑区域内的当地交通可以由传统的电梯系统提供，例如无机房系统 (L1 b) 或在一个竖井中具有两个独立轿厢的系统 (L1 a)。 后一种解决方案支持区域间直接流量。 带有双地面大堂和双天空大堂 (S2) 的 MCLS 能够在竖井中同时装载两个客舱。 本地组可以通过双层电梯系统 (L2 b) 或在一个竖井 (L2 a) 中具有两个独立轿厢的更灵活的系统来实现。 乘客的水平运输也是可能的，但在本文中没有考虑。

最小可能循环时间

MCLS在特定时间内可以运送的到达特定大厅的乘客数量可以通过离开满舱的数量来计算。 两辆车之间的时间就是周期时间。

周期

MCLS 中的循环时间是两辆后续车辆出发或到达之间的时间。 它也可以定义为两辆随后的轿厢以相同速度和相同方向通过竖井中特定位置的时间。

图 2 显示了两辆后续汽车 D 随时间变化的垂直位置_汽车1(t) 和 D_汽车2(t)。 两辆车都在第一个竖井中向上行驶，在 100 m 处的顶层换乘竖井，然后在第二个竖井中向下行驶。 1 号轿厢已转入下行竖井，2 号轿厢到达上行竖井 100 m。 在底层，车厢又在换井。 两辆车都在 50 米的中间楼层向各个方向停靠。 车厢 1 和车厢 2 之间的时间是循环时间。

为了更好地概览，未显示在 MCLS 中行驶的其他车辆的位置。 由于在汽车的完整往返行程中，最短可能的循环时间受到最短距离的限制，因此需要详细考虑危急情况。 很明显，同一时间只有一辆车可以在特定位置。 如果汽车正在行驶，它们会不断改变位置，使下一辆车可以使用该位置。 如果汽车处于静止状态，则在汽车位于该位置的时间内，该位置只能有一辆汽车。 为了找到整个往返行程中可能的最短循环时间，需要详细分析汽车的停靠点。

安全距离约束

要定义 MCLS 中汽车之间的最小可能循环时间，需要考虑安全距离限制。 在正常运行期间，汽车之间的任何时候都必须保持最小距离。 控制系统负责在 5 分钟内优化处理能力。 (HC5) 和服务质量需要考虑这个最小距离。 在违反安全距离的情况下，经过认证的安全系统会触发汽车紧急停止。 此外，通过启用汽车的受控停止，控制系统可以监控汽车的位置和运动，并在意外情况下使汽车减速，而不会触发紧急停止。 汽车的受控停止包括与正常运行率相同或更高的急动率和减速率。

可以随时计算受控减速的停止距离和停止点。 [11] 如果违反了轿厢之间的任何最小距离，可以通过执行受控减速来停止轿厢。 图 3 显示了汽车在具有额定减速值的自发控制减速后随时间变化的位置 (D(t)) 和停止点 (DSP(t))。 如果电梯在减速到50米水平（10-16秒）的过程中，如果使用额定的减速度和加加速度值，自发控制减速不能提前停止轿厢。 如果在加速过程结束（5-6 秒）期间开始自发减速，同时通过负加速度降低加速度，则停止点也是恒定的。 受控减速度也可以使用更高的减速度和加加速度值进行操作。 为了计算另一辆车的安全位置，需要将包括车高在内的最小距离添加到停止位置。

器

为了分析交换单元的停靠点，需要考虑交换单元的设计和竖井之间的车辆交换过程。 该分析基于背包解决方案，包括线性电机和汽车引导。 [10] 轴元件能够旋转 90°。 汽车可以水平移动。 由于机舱处于直立位置，乘客可以在旋转过程中装卸。 图 4 显示了交换器单元功能的一个简单示例。

最小可能循环时间的计算

分析了在最小可能循环时间 (tCy) 期间涉及瓶颈的情况。 这包括在交换器单元的停靠点和两节车厢相继停靠的中间停靠点。

交换器着陆的循环时间

乘客装卸的交换器着陆 (tCyEx) 的最小循环时间可以用公式 1 计算。机舱停留时间 (tStand) 期间的乘客转移可以与交换器准备时间 tEx（旋转轴元件）用于以下水平或垂直运动：

^tC_yE_x=t_r +最大值（^t站， ^t例) + ^t深度 + ^t例如（等式 1）

在前车/前车离开交换器单元后（^tDep)，下一车到站时间(^tArr) 是在交换器单元为下一辆车做好准备后一辆车到达所需的时间 (^t前任）。 汽车到达时间长（^tArr) 可以在前一车/前车离开交换器着陆后启用交换器的并行准备。

站立时间 (tStand) 由公式 2 计算，包括乘客换乘时间 (tp)、轿厢平均乘客人数 (P) 和开门时间（开门时间：to，门停留时间：tdwell，关门时间：tc ）。

^t_站 = ^t_o + ^t_住 + ^t_c        （公式2）

中间层的循环时间（均停止）

中间楼层的最短循环时间，随后两辆车停在同一楼层（^t_CYF2) 可以用公式 3 计算。 前车 1 出发和后车 2 到达之间的时间（起停时间） ^t_s2s) 取决于停车距离和轿厢之间的最小距离，如图 5 所示。 轿厢 1 与轿厢 2 相关的安全位置用 D2SfP(t) 表示，并取决于位置、具有额定值的受控减速的停止点2 号车和 2 号车和 1 号车之间的附加最小距离。安全位置不得接触 1 号车的位置。

^t_CYF2 = ^t_站 + ^t_s2s   （公式3）

^t_Cy = ^{最大值 (t}_赛克斯,^t_CYF2) (等式 4)

最小循环时间最长的情况是 MCLS 的最小可能循环时间，由等式 (4) 定义。

处理能力

要在垂直交通概念中使用循环 MCLS，有必要了解 HC5。 由于该电梯系统与传统系统不同，已知方程需要适应新系统。

General (将军)

进站乘客的处理能力可以通过使用间隔 (INT) 和每舱乘客数量 (P) 的传统电梯的简单公式计算（公式 5）。 [12] 对于循环 MCLS 也是如此。

         （公式5）

一组循环 MCLS 的间隔 (INT) 由平均循环时间 (tCy) 和 MCLS 的数量 (NS) 定义：

   （公式6）

上行方向上来客的处理能力与任何下行交通或高层之间的交通（例如，空中大厅）无关。 由于现有或额外停靠点的乘客中转时间和上门时间，额外的下行流量将影响客舱的往返时间 (RTT)。 如果舱室的 RTT 发生变化，则需要相应地调整舱室的数量或速度，以保持后续车辆之间的平均循环时间为恒定值。

客舱尺寸

增加客舱尺寸将增加处理能力，特别是在穿梭应用中。 但是，在班车应用中，HC5 不是机舱尺寸的线性函数。 随着乘客换乘时间和循环时间的增加，客舱面积加倍并不会使 HC5 加倍。

双入口

由于处理能力受到乘客装卸时间的限制，双入口大堂（两个大堂相互上方）可以同时装载两个舱室，从而增加了处理能力。 对于循环 MCLS，每个入口层都可能有一个交换单元，可以并行交换两辆车。 现在测量两对汽车之间的循环时间（图 6）； 因此，每个循环时间可以运送两倍的乘客。 循环时间将略有增加，因为与停在单层的单节车厢相比，两节车厢在双大厅/楼层的到达和离开时间更长。

客舱数

循环 MCLS 中的舱室 (NC) 数量取决于 RTT 和循环时间 (tCy)。 可以用以下公式计算：

   （公式7）

图 7 也说明了这一点。它显示了汽车的完整往返行程 (D1(t))。 RTT 除以循环时间并显示循环时间一段时间后轿厢的每个位置。 这些位置等于时间 t = 0 时 MCLS 中其他轿厢的当前位置，如图 7 中 MCLS 的两个轴所示。在双入口配置和轿厢对的情况下，轿厢数量增加了一倍。

只能将整数数量的汽车放入系统中。 如果 RTT 不变并四舍五入汽车数量（公式 7 的结果），实际平均周期时间 (tCyR) 将高于最小可能周期时间（公式 8）。 为了实现相同的处理能力，需要降低 RTT（例如，通过提高汽车的速度）。

  （公式8）

在将舱室数量四舍五入的情况下（公式 7 的结果），平均最小可能循环时间无法减少，因为它被限制为最小值。 需要根据公式 9 增加 RTT 以避免交通拥堵（例如通过降低汽车速度）：

回复时间 = ^N_C * ^t_Cy  （公式9）

服务质量

由于服务质量的主要衡量标准是等待时间，从循环时间和间隔得出的等待时间可能是主要衡量标准。 [12] 但是，还需要考虑行驶时间和停靠次数。 在多车应用中，额外的延迟可以作为质量措施。 [13]

传统绳索电梯的最大 HC5 是在两站穿梭应用中实现的。 RTT 保持在最低限度。 使用 RTT 计算，可以优化服务质量、间隔和等待时间。

对于循环 MCLS，HC5 与停靠点数量无关。 此外，等待时间——例如在主入口处——可以保持在最低限度，但旅途中的额外延误会影响服务质量。 在所有舱室都有相同停靠点的应用中，这些额外的延迟可以通过轿厢同步减少到最低限度或完全避免。 这可以与城市交通的地下列车进行比较。

特定线路的每列火车都有相同的停靠点，停靠时间也相似。 如果一列火车无法通过另一列火车，则可以在系统正常运行期间避免额外的延误。

允许每辆车单独停靠限制了在不牺牲 HC5 的情况下避免这些延迟的选项，因为汽车不能相互通过。 将乘客分配到汽车的更复杂的控制可以帮助改善这种情况。 这需要先进的乘客引导、良好的指示和乘客意识，即从同一层门装载的汽车行驶到不同的目的地楼层。 大多数电梯乘客都没有想到，这可能会让人感到困惑； 这可能是未来的一个选择。

因此，首选具有一个或多个空中大堂的穿梭巴士应用，因为它可以确保在最大可能处理能力的情况下提供良好的服务质量。

穿梭提升系统的比较

与穿梭式升降机应用中的传统双层升降机系统相比，请考虑使用 MCLS。 图 8 显示了比较配置。 该比较基于双层系统的 MCLS 和 RTT 计算的循环时间计算。 将比较不同的行程高度：100、200、300、400、500 和 600 m。

表 1 显示了两种系统的参数。 交通分配是 80% 的进站乘客和 20% 的出站乘客平均分配到两个大厅。 图 9 显示了所选的速度和舱室数量，以及取决于行驶高度的 HC5 和间隔。

多轿厢系统的处理能力是恒定的，与行驶高度无关。 从大约 200 m 的行进高度开始，它将高于比较的双层系统。 随着行程高度的增加，可以看到循环 MCLS 的好处。 为了在 MCLS 的每个行程高度上保持恒定的处理能力，需要根据 MCLS 调整舱室数量 rezCxzCquired，而无需额外的竖井。 在不增加任何井道的情况下，四个双层井道的舱室数量是恒定的。

随着行程高度的增加，两个系统的额定速度都会增加。 MCLS 的速度低于双层甲板的速度。

图 10 比较了两个系统的平均等待时间 (AWT) 和平均传输时间 (ATT)。间隔和等待时间之间的关系很复杂。 [14] 为简单起见，在这些结果中，RTT 计算的 AWT 被视为间隔的 50%。

由于多车的间隔是恒定的，所以AWT也是恒定的。 虽然选择的多车速度低于双层车，但 MCLS 到达目的地的时间提供了更好的值。 这是由于较低的 AWT 和较短的乘客装卸时间造成的。

结语

循环 MCLS 的处理能力基于系统的最小可能循环时间，本文对此进行了讨论和定义。 如果 MCLS 的平均 RTT 增加，则必须调整汽车的数量，以保持尽可能短的循环时间和恒定的处理能力。 为了在没有交通拥堵的情况下实现尽可能短的循环时间，还调整了速度。 需要计算并考虑安全距离和停止距离，以计算可能的最小循环时间的合理值。 基于循环时间和 RTT 计算，循环 MCLS 和双层系统与穿梭应用中的不同行驶高度进行了比较。 MCLS 通过向系统添加更多汽车，随着行驶高度的增加，为处理能力和 AWT 提供恒定值。 此外，短周期时间可实现短 AWT。 这些值需要通过模拟来证明。 高级控制算法还可以启用其他 MCLS 应用程序。

案例

[1] Thumm, G. “电梯处理能力的突破”，电梯技术 14，2004 年 Elevcon 会议录，国际电梯工程师协会 (IAEE)，2004 年。
[2] 电梯世界。“电梯博物馆——时间轴” theelevatormuseum.org/timeline.php2015。
[3] Strakosch, G. 和 Caporale, R，垂直运输手册，第四版。 John Wiley & Sons, Inc.，新泽西州霍博肯，2010 年。
[4] “电梯运转”，《电梯世界》第 XLII 卷，1996 年 XNUMX 月。
[5] Jappsen, H.“面向 21 世纪的高层电梯”，电梯技术 12，2002 年 Elevcon 会议录，IAEE，2002 年。
[6] Godwin, A.“21 世纪的循环运输（没有‘美丽的’配重！），”电梯技术 18，2010 年 Elevcon 会议录。IAEE，2010 年。
[7] So, A., Al-Sharif, L. 和 Hammoudeh, A. “大型建筑中可能的二维电梯交通系统的分析”，电梯技术 20，2014 年 Elevcon 会议录，IAEE，2014 年。
[8] So, A., Al-Sharif, L. 和 Hammoudeh, A. “简化的二维电梯系统的交通分析”，建筑服务工程研究与技术。
[9] 蒂森克虏伯电梯公司。 “电梯新时代彻底改变高层和中层建筑，” Urban-hub.com/ideas/new-era-of-elevators-to-revolutionize-high-rise-and-mid-rise-construction2014。
[10] Jetter, M. 和 Gerstenmeyer, S.“下一代垂直运输系统”向 CTBUH 2015 年纽约会议论文集提交了文章，纽约，2015 年。
[11] Gerstenmeyer, S. 和 Peters, R.，“多车升降机的安全距离控制”，研究文章，草稿，未发表，2015 年。
[12] 英国屋宇装备工程师特许学会。 CIBSE 指南 D：2010 年建筑运输系统，伦敦，2010 年。
[13] Smith, R. 和 Gerstenmeyer, S.“等待时间、行程时间和服务质量回顾”，电梯和自动扶梯技术研讨会，英国北安普顿，2013 年。
[14] Peters, R. “仿真在交通设计和调度员测试中的应用”，电梯和自动扶梯技术研讨会，英国北安普敦，2013 年。