学校编码：10384 分类号 密级 学 号：22320051302465 UDC

硕 士 学 位 论 文

智能电梯群控系统的研究与设计

Research and Design of Intelligent Elevator Group Control

System

李 彦 华

指导教师姓名： 陈 伟 副教授

专 业 名 称： 检测技术与自动化装置

论文提交日期： 2 0 0 8 年 5 月

论文答辩时间： 2 0 0 8 年 月

学位授予日期： 2 0 0 8 年 月

答辩委员会主席：

评 阅 人：

2008 年 5 月

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厦门大学学位论文原创性声明

兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。本

人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方

式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。

声明人（签名）：

年 月 日

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厦门大学学位论文著作权使用声明

本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学

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位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。

本学位论文属于

1、保密（ ），在 年解密后适用本授权书。

2、不保密（ ）

（请在以上相应括号内打“√”）

作者签名： 日期： 年 月 日

导师签名： 日期： 年 月 日

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摘 要

随着建筑物向大型化和高层化方向发展，在一幢大楼内往往需要配置几台或多

台电梯，如果这些数台电梯各自单独运行，电梯群的整体运行效率将会不高，也会

极大地浪费能源，因此在电梯群的电气控制系统中必须考虑到如何合理调度分配电

梯的问题。本文正是以厦门一家公司的项目开发为应用背景，对电梯群控系统进行

了研究与设计。

电梯群控系统所要解决的是一个复杂的、具有非线性和不确定性的多目标随机

决策问题。在现代建筑中，电梯群控技术多被采用来调度电梯群的运行，在提高系

统的服务质量和运营效率的同时降低能耗。

本文在借鉴国内外电梯群控相关技术及研究成果的基础上，首先对电梯群控系

统的特性进行了分析，对电梯群控系统进行了多目标规划数学建模，综合考虑侯梯

者的侯梯时间、乘客的乘梯时间和电梯运行的能量损耗三个主要控制目标，提出了

多目标优化群控算法。

由于电梯群控系统具有不确定性和随机性等特点，只利用多目标优化群控算法

无法达到较好的群控效果，还必须依靠由专家知识或经验得到的群控规则才能对电

梯系统进行优化调度，因此，论文对一些群控规则（群控系统的基本控制规则和不

同客流交通模式下的群控规则）进行了讨论。综合多目标优化算法和这些群控规则，

论文阐述了电梯群控系统调度策略的总体设计思想，详细介绍了电梯群控系统调度

算法。

在论文的最后，对电梯群控器的硬件及软件进行了设计。硬件设计中，给出了

各个功能模块的原理电路图，整个过程中特别注意了抗干扰问题；软件设计中，利

用软件系统结构化思想，结合群控系统的需求分析，对软件系统进行了总体设计，

并给出了软件实现流程图。

关键词：电梯群控系统；多目标优化；调度规则；群控调度

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Abstract

With the buildings becoming larger and higher, it’s necessary to equip several

elevators in the building. Operating efficiency of the elevator group system is low if each

elevator runs independently, and which leads to great waste of energy. Therefore, how to

reasonably dispatch elevators must be considered in Elevator Group Control System

(EGCS). In this paper, research and design of EGCS is made with background of the

project development for a corporation in Xiamen.

What EGCS deals with is a stochastic, multi-object decision-making with complex,

no-linear and uncertainty. So the modern building adopts the technology of the elevator

group control to improve the service quality and the operating efficiency, reduce the

energy cost.

Based on summarizing some domestic and overseas research advance of EGCS, first,

the thesis studies the characters of EGCS, proposes a mathematical model for EGCS

based on Multi-objective planning. The multi-objective optimization algorithm for

elevator group is presented, considering the passenger waiting time, the passenger riding

time, the power consumption of the system.

Dues to the stochastic and uncertainty of elevator group system, the effect is not

good if the multi-objective optimization algorithm is individually used in EGCS, the

control rule which is got by expert knowledge or experience is very important. So, some

control rules are described. Considering the multi-objective optimization algorithm and

those control rules, the dispatching method for EGCS is described in detail.

In the end, the design of software and hardware of Elevator Group Controller are

presented. In hardware design, the issue of anti-jamming is specially considered. In

software design, with the analysis method of modularization, all function modules are

abstracted from the requirement of the Elevator Group Control System. Further, the thesis

briefly describes each module’s function, and the software flow chart of Elevator Group

Controller is presented.

Keyword: EGCS；Multi-objective Optimization；Scheduling Rule；Elevator Group

Scheduling

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目 录

第一章 绪论 ................................................................................................... 1

1.1 电梯群控系统概述 ............................................................................................... 1 1.2 国内外电梯群控系统研究发展概况 ................................................................... 2

1.2.1 电梯群控系统的发展过程.......................................................................... 2 1.2.2 电梯群控系统的发展趋势.......................................................................... 4

1.3 选题背景及意义 ................................................................................................... 5 1.4 本文的主要研究内容 ........................................................................................... 5

第二章 电梯群控系统的理论基础 ............................................................... 7

2.1 电梯群控系统的特性分析 ................................................................................... 7 2.1.1 电梯群控系统中的多目标性...................................................................... 7 2.1.2 电梯群控系统中的不确定性...................................................................... 8 2.1.3 电梯群控系统中的非线性.......................................................................... 9 2.1.4 电梯群控系统中的扰动性.......................................................................... 9 2.1.5 电梯群控系统中的不完备性...................................................................... 9

2.2 电梯群控系统的性能评价 ................................................................................. 10 2.3 群控系统客流交通模式分析 ............................................................................. 11

2.3.1 上行高峰交通模式.................................................................................... 11 2.3.2 下行高峰交通模式.................................................................................... 12 2.3.3 随机层间交通模式.................................................................................... 12 2.3.4 空闲交通模式............................................................................................ 13

2.4 电梯群控技术 ..................................................................................................... 13 2.4.1 专家系统在电梯群控系统中的应用........................................................ 13 2.4.2 模糊控制在电梯群控系统中的应用........................................................ 14 2.4.3 神经网络在电梯群控系统中的应用........................................................ 14 2.4.4 遗传算法在电梯群控系统中的应用........................................................ 15 2.4.5 计算机网络技术在电梯群控系统中的应用............................................ 15 2.4.6 电梯交通配置CAD ................................................................................... 16 2.4.7 电子新技术在电梯群控系统中的应用.................................................... 16

第三章 电梯群控系统总体设计 ................................................................. 17

3.1 总体结构 ............................................................................................................. 17 3.2 系统功能 ............................................................................................................. 18

第四章 基于多目标优化的群控调度算法 ................................................. 20

4.1 多目标优化问题概述 ......................................................................................... 20 4.1.1 多目标规划的数学模型............................................................................. 20 4.1.2 多目标规划的解集..................................................................................... 21 4.1.3 多目标规划问题的一般解法..................................................................... 22

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4.2 多目标优化群控系统建模 ................................................................................. 24 4.2.1 电梯群控系统模型的理想化假设............................................................ 24 4.2.2 决策变量.................................................................................................... 25 4.2.3 目标函数.................................................................................................... 26 4.2.4 约束条件.................................................................................................... 28 4.2.5 多目标优化群控系统模型的求解............................................................ 28

4.3 电梯群控系统调度算法 ..................................................................................... 30 4.3.1 电梯群控系统调度策略............................................................................ 30 4.3.2 电梯群控系统基本控制规则.................................................................... 32 4.3.3 多目标优化群控算法在不同交通模式中的应用.................................... 34 4.3.4 群控调度算法流程.................................................................................... 40

第五章 电梯群控器硬件设计 ..................................................................... 41

5.1 电梯群控器的总体设计 ..................................................................................... 41 5.2 电梯群控器的硬件组成 ..................................................................................... 42

5.2.1 单片机部分以及串行编程模块................................................................ 42 5.2.2 电源模块.................................................................................................... 43 5.2.3 CAN通信模块 ............................................................................................ 44 5.2.4 液晶显示和按键电路................................................................................ 45 5.2.5 时钟电路模块............................................................................................ 47 5.2.6 RS-232 通信电路 ....................................................................................... 48

5.3 硬件抗干扰措施 ................................................................................................. 49 5.3.1 干扰的来源................................................................................................ 49 5.3.2 应对措施.................................................................................................... 50

第六章 电梯群控器软件设计 ..................................................................... 52

6.1 软件需求 ............................................................................................................. 52 6.2 系统软件结构设计 ............................................................................................. 53

6.2.1 总体结构设计............................................................................................ 53 6.2.2 群控系统总控模块设计............................................................................ 54 6.2.3 群控调度分配模块设计............................................................................ 55 6.2.4 群控状态及通信状态显示模块设计........................................................ 55 6.2.5 单梯运行状态显示模块设计.................................................................... 55 6.2.6 通信管理模块设计.................................................................................... 56 6.2.7 参数设置模块设计.................................................................................... 56

6.3 群控系统软件实现 .............................................................................................. 56 6.3.1 群控系统主程序的实现............................................................................ 56 6.3.2 群控系统中断程序的实现........................................................................ 57

6.4 群控调度分配算法的实现 ................................................................................. 57

总结展望 ....................................................................................................... 59

参考文献 ....................................................................................................... 60

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作者硕士期间发表的论文 ........................................................................ 62

致 谢 ...................................................................................................... 63

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Contents

Chapter1 Introduction .................................................................................. 1

1.1 The brief introduction about EGCS.................................................................... 1 1.2 Survey of progress on EGCS in the world.......................................................... 2 1.3 Backgrounds and sence of this paper.................................................................. 5 1.4 Contents of this paper........................................................................................... 5

Chapter2 The theory basis of EGCS............................................................ 7

2.1 Analysis of the characteristics of EGCS.............................................................. 7 2.2 The performance evaluation of EGCS.............................................................. 10 2.3 Analysis of elevator traffic models..................................................................... 11 2.4 Elevator group control technology .................................................................... 13

Chapter3 The overall design of EGCS....................................................... 17

3.1 Overall structure ................................................................................................. 17 3.2 System function ................................................................................................... 18

Chapter4 Elevator Group Control Dispatching based on multi-objective

optimization .................................................................................................. 20

4.1 The brief introduction about multi-objective programming .......................... 20 4.2 Modeling of EGCS based on multi-objective optimization............................. 24 4.3 Schedule algorithm of EGCS ............................................................................. 30

Chapter5 The hardware design of Elevator Group Controller............... 41

5.1 The overall design of Elevator Group Controller ............................................ 41 5.2 The hardware composition of Elevator Group Controller.............................. 42 5.3 The anti-jamming measures of system’s hardware ......................................... 49

Chapter6 The software design of Elevator Group Controller................. 52

6.1 Software requirement analysis........................................................................... 52 6.2 Structural design of software system................................................................. 53 6.3 System software realization................................................................................ 56 6.4 Software realization of scheduling algorithm in elevator group controller... 57

Summary and expectation........................................................................... 59

References ..................................................................................................... 60

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Published paper of author ....................................................................... 62

Acknowledges ............................................................................................. 63

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第一章 绪论 1

第一章 绪论

1.1 电梯群控系统概述

随着社会的发展，高层建筑和智能化建筑的不断出现，作为垂直运输工具的电

梯得到了越来越广泛的应用。大型的建筑中，特别是大型办公楼，只有单台电梯不

能很好应付全部客流，因此需要设置几台或多台电梯，但如果多台电梯不能相互协

助，而是并列的各自独立操作，当乘客同时按下几台电梯的层站呼梯按钮时，就可

能会使几台轿厢去应答同一呼梯信号而造成很多空载运行和不必要的停站，致使电

梯的工作效率降低，而且在频繁的需求下会造成轿厢聚集现象。因此，安装在一起

的多台电梯要求单台电梯的控制系统相互联动。另一方面，在类似于办公室楼的大

型建筑物里，上下班的单行客流十分集中，上班时的上行乘客，下班时的下行乘客，

午饭时的上下行乘客非常多，单靠增加电梯的负荷、速度、台数是不能适应这种客

流量的剧烈变化规律的，也难以克服轿厢的频繁往返运行，更无法改善在某段时间

内必然出现的长侯梯现象。解决这些问题的关键在于这群电梯的协调调度，要根据

轿厢内的人数、上下行方向的停站次数、层站及轿厢内的呼梯信号以及轿厢所在位

置等因素，来实时分析实时客流的变化情况，自动选择最适合于客流的情况的输送

方式。因此，除了把安装在一起的多台电梯的控制装置相互连接外，同时还需要装

有自动监控装置。在这样的系统中，层站的召唤按钮对所有并联电梯来说是共有的，

交通流量监控系统能确定梯群中的哪一台电梯去应答层站召唤信号。

在二十世纪四十年代，美国的两大电梯制造公司 Otis 电梯公司和西屋电梯公司

研究了电梯群控方式，它能根据客流情况的变化，高效率的对电梯各层进行充分的

服务。据统计，在为办公室提供的电梯中，群控电梯从 1950 年占 12%增至 1953 年

占 80%。

实践证明，在大型高层建筑中采用电梯群控技术，将使电梯交通系统的服务质

量大为改善，一般可使输送能力提高 15%至 25%。由于实现了自动调度和各层均等服

务，使得乘客等候电梯的时间大大减少，一般可减少 40%至 60%。据研究，乘客的侯

梯心里烦躁程度是与侯梯时间的平方成正比的，如果等侯电梯的时间超过 60 秒，乘

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智能电梯群控系统的研究与设计 2

客的烦躁程度会急剧上升，采用电梯群控将使这种状态大为改善。

1.2 国内外电梯群控系统研究发展概况

1.2.1 电梯群控系统的发展过程

电梯群控系统（EGCS，Elevator Group Control System）是指将安装在建筑物

内的 3 台或 3 台以上的一组电梯作为一个有机整体，使用一个自动控制系统调度每

一台电梯的运行，目的是提高垂直交通系统的运行效率，以较短的候梯时间和运行

时间为乘客提供服务，以提高对乘客的服务质量，并减少能耗。

电梯群控系

统

年份

分配系统

预告系统

自动模块选择系统

（继电器程序控制）

控制系统

集成电路

1971 1975 1982 1988

区域分配系统 呼叫分配系统

区间控制 等待时间预测控制带学习功能的预测

专家系统

预告轿厢到达 即时预告轿厢到达

最短待梯

时间控制

全面评价系统

应用人工智能开始应用计算机

图 1.1 电梯群控系统的发展过程

至今为止，电梯群控的发展过程大致可以分为三个阶段[1]：

第一阶段：1971 年前，使用的控制器件是继电器，轿厢分派方式为区间分派方

式，控制方式采用时间间隔控制。即它根据特定时间段内的交通模式选择与之对应

的运行方式。交通模式分为上行高峰期、下行高峰期、非高峰期等。它适用于两台

或三台电梯组成的梯群，每台电梯靠方向预选控制来操作，这种系统需要单一的层

站召唤系统，每个层站设有一个上行和一个下行按钮。为使梯群中的轿厢沿井道高

度均匀分配，特别是在繁忙的交通需要期间，电梯群控系统以适当的时间间隔从层

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第一章 绪论 3

站楼层发出轿厢，就象公共汽车一样运行，群控系统从响应需求分配轿厢的意义上

说，不依赖层站呼梯信号而工作，而是按照程序从层站楼层分派轿厢，这种控制方

式的缺点是：轿厢在层站需要花费相当多的时间等待分配间隔周期，停在顶层层站

常常是无用的，而且轿厢在等待分配是闲置着。另外，轿厢也频繁地在层站楼层间

进行无目的地运行，且在交通量轻时过多地运行。这种系统的缺点是硬件复杂，可

靠性低，维修困难，效率低，不能进行较复杂的逻辑推理。

第二阶段：从 1971 年至 1975 年，在硬件上采用了集成电路，大大提高了系统

的可靠性，并且更主要的是能从事和进行必须的、较为复杂的逻辑运算。这一时期

轿厢分派方式采用呼梯分配方式，即针对每一个具体的呼梯进行派梯，当一个层站

呼梯信号登记后，系统就会根据交通情况和各轿厢的状态，选择一部轿厢为之服务，

这一派梯方式成为以后各代群控系统的派梯方式。控制方式采用等待时间预测控制，

即根据各轿厢对呼梯信号的响应时间来决定分派哪一轿厢为此呼梯信号服务。但是，

此系统对于预测候梯时间所必需的较复杂的数值计算还不完善。

第三阶段：从 1975 年开始，计算机开始应用于电梯群控系统，就此进入现代电

梯群控系统阶段。在此之前的两个阶段，主要应用数理统计的方法来研究电梯群控

特性，这称之为统计特性。计算机应用后开始研究系统的动态特性，即指用模糊逻

辑、专家系统和人工神经网络等人工智能技术来描述电梯群控的特性，包括非线性、

多目标性、不确定性和扰动性等，从而提高电梯群控系统的整体服务性能，完成电

梯交通整体最优配置。计算机应用于电梯群控系统中，完全发挥了计算机所具有的

进行复杂的数值计算，逻辑推理和数据记录的能力，极大满足了电梯群控系统中复

杂的数值计算和逻辑推理的要求。

现代电梯群控系统的最初一代是 1975 年至 1982 年，这一代电梯群控系统，电

梯到达楼层的预报准确度有了提高，但长候梯时间的发生率很高，控制方式是候梯

时间预测控制。

现代电梯群控系统的第二代是 1982 年至 1988 年，这一代群控系统取得较大发

展。一是系统中加入了对交通需求的学习功能。这一功能提高了对电梯群运行状态

预报的准确率，减小了长候梯发生率。预报准确度的提高，使为层站呼梯信号派梯

后，立即显示所派电梯这一功能实用化。二是这一代群控系统在派梯中使用了综合

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智能电梯群控系统的研究与设计 4

评价系统，如候梯时间、长候梯时间发生率、预报准确性等被作为评价指标。当呼

梯信号发生后，电梯群控系统根据交通情况和梯群的状态，对每个轿厢的多个性能

指标进行综合评价，从中选出最适合的轿厢去响应呼梯信号。对交通需要的学习功

能和综合指标评价系统的使用极大的减少了乘客平均候梯时间、长候梯时间发生率

等。

随着智能建筑的兴起和对电梯群控系统的要求的提高，人工智能技术开始应用

于电梯群控系统中，使电梯群控系统进入到现代群控系统的第三阶段(1988 年至

今)[2]。人工智能技术作为二十世纪的新兴技术，已经在各个领域取得显著成就，对

解决复杂系统的控制问题比传统的控制方法有着无法比拟的优点[3]。这一阶段的电

梯群控系统的智能化程度进一步提高，系统更趋完善，仍在进一步发展之中。

1.2.2 电梯群控系统的发展趋势

1、电梯群控系统智能化[4]

人们对智能化控制的追求是一个持续发展的主题。科技的发展促进了设备智能

化，设备的智能化则为人类的工作生活提供更好的服务。随着智能化技术的不断完

善和发展，电梯系统将拥有更为强大的自适应自学习能力，将能够自行学习运行环

境的参数，真正意义上实现对多种目标的全局优化，整体上实现电梯服务系统的智

能化。

2、电梯群控系统节能化

当今能源的耗费状况不容乐观，电梯作为耗电大户，其能耗状况已经引起人们

的关注。统计数据表明，电梯的能耗约占大楼综合能耗的 3%至 7%，与电梯群控系统

的性能直接相关。因此，节能目标将是电梯群控系统必须考虑的关键目标。

3、电梯群控系统人性化

“以人为本”是现代科技发展的前提之一。将来乘客可以在层站上定制自己所

需的电梯服务要求，群控系统可以为不同楼层的乘客提供个性化服务，同时保证其

他楼层的服务不受影响。

4、电梯群控系统网络化

电梯群控系统将与网络技术紧密结合，用网络把各地的电梯监管起来进行远程

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第一章 绪论 5

监控。

5、群控系统产品革命化

在目前的群控算法理论中，都是在现有一个井道一台电梯的运行模式下进行研

究的，随着电梯技术的发展，如多梯在一个井道运行（直线电机直接驱动轿厢），电

梯轿厢可以在垂直与水平的井道中转运（如 OTIS 发明的奥德赛系统），这种系统中，

将要重现探讨新的智能群控算法理论。

1.3 选题背景及意义

近年来，大量先进的控制技术应用于电梯群控系统，使电梯群控系统的控制特

性得到很大的改善，但仍有不少问题需要进一步研究。国内使用的先进的电梯群控

系统基本上都是国外电梯公司制造的，或由国外电梯公司提供其控制系统部分，而

国内自主版权的控制方法和技术在实际中的应用还比较少，且与国外的先进技术相

比还有较大的差距。从控制技术研究的角度看，国外己有的先进控制技术，很多都

掌握在各个大电梯公司手中，其核心技术是不公开的，而国内在这些方面的研究还

有相当大的差距。同时，现有的电梯控制技术仍存在缺点和不足，如何把更先进的

技术应用于电梯群控之中，以进一步提高现有电梯系统的运行效率，满足乘客的需

求，仍需要进一步探索和研究。鉴于以上原因，国内电梯业及大专院校的许多专家

学者为此展开了广泛深入的研究，也积累了不少成果，但是还不是很理想，电梯群

控系统的应用研究方面工作还需要得到进一步的深入。

本课题来源于横向合作研究项目，是以针对为厦门一家公司开发的电梯项目为

背景进行展开研究。

1.4 本文的主要研究内容

本文的研究内容主要包括：首先分析电梯群控系统的特性，介绍电梯群控系统

的总体设计结构，然后提出了一种群控调度算法，最后，对群控系统的硬件系统和

软件系统的设计分别进行了阐述。主要安排如下：

第一章：绪论。简单介绍了电梯群控产生的背景，国内外研究发展状况，以及

本课题的背景和意义。

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智能电梯群控系统的研究与设计 6

第二章：电梯群控系统的理论基础。介绍了电梯群控系统的特性、性能评价，

对大楼内客流交通状况进行了分析，介绍了当前的一些电梯群控技术。

第三章：电梯群控系统总体设计。简要介绍了本课题所设计电梯群控系统的总

体结构和系统功能。

第四章：基于多目标优化的群控调度算法。此章为本文的重点，以多目标规划

和群控规则为基础，提出了一种基于多目标优化的群控调度算法。

第五章：电梯群控系统硬件设计。对设计的电梯群控器各个部分进行了详细介

绍。

第六章：电梯群控器软件设计。分析了软件需求，进行了系统软件设计，最后

给出了软件实现流程。

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