趙 欣，歐 劍，李 理

（1.綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽 621000；2.西南科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川 綿陽 621000）

基于EVALPSN的循環(huán)式多轎廂電梯避撞設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

趙 欣1，歐 劍1，李 理2

（1.綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽 621000；2.西南科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川 綿陽 621000）

多轎廂電梯系統(tǒng)作為垂直運(yùn)輸?shù)男路绞?，避免轎廂之間的碰撞成為了其安全運(yùn)行急需解決的重要問題。根據(jù)循環(huán)式多轎廂電梯控制系統(tǒng)的轎廂安全運(yùn)行準(zhǔn)則，分析了循環(huán)式多轎廂電梯系統(tǒng)的避撞控制問題，研究了基于帶有強(qiáng)否定的擴(kuò)展矢量注解的邏輯規(guī)劃方法,設(shè)計(jì)一種電梯轎廂安全避障方法。通過建立了禁止轎廂危險(xiǎn)運(yùn)行的EVALPSN算式，避免了派梯中所選轎廂在井道中發(fā)生碰撞，保證電梯控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的方法針對(duì)循環(huán)式多轎廂斷電梯避撞問題有較好的效果，可有效地保證多轎廂運(yùn)行的安全性。

多轎廂電梯，EVALPSN，避撞，邏輯規(guī)劃

0 引言

現(xiàn)代城市迫于人口和資源的壓力，越來越重視土地資源的利用率，高層建筑層出不窮。隨之而來的客流上下運(yùn)輸壓力不斷加大，傳統(tǒng)的單轎廂電梯很難滿足需要。新的情況下要求電梯設(shè)備占用的空間盡可能少，運(yùn)輸效率盡可能高。多轎廂電梯MCE（Multi-Car Elevator）或一井多梯電梯應(yīng)運(yùn)而生［1-2］，在原有的一條電梯井道一個(gè)電梯轎廂的基礎(chǔ)上在井道中增加多個(gè)電梯轎廂，通過變平面為立體的方法把井道內(nèi)多余的空間利用起來，有效提高垂直交通系統(tǒng)的運(yùn)載效率，緩解了高層建筑大客流的電梯運(yùn)輸壓力。

目前多轎廂電梯分為雙層轎廂電梯DCE（Double-Car Elevator）、循環(huán)式多轎廂電梯CMCE（Circulatory Multi-Car Elevator）和單井道多轎廂電梯SMCE（Single-shaft Multi-Car Elevator）［3-4］。其中，雙轎廂電梯DCE是指在一個(gè)井道中有兩個(gè)轎廂，并且彼此相連。而CMCE和SMCE則是在一個(gè)井道中運(yùn)行多個(gè)彼此不相連的轎廂，區(qū)別在于在一個(gè)井道內(nèi)多個(gè)轎廂是否單方向運(yùn)行。如果是，且相鄰井道內(nèi)轎廂運(yùn)行方向相反；則稱之為循環(huán)式多井道多轎廂電梯系統(tǒng)，否則稱之為單井道多轎廂電梯系統(tǒng)。由于這兩種多轎廂電梯系統(tǒng)在一個(gè)井道內(nèi)要運(yùn)行多個(gè)彼此不相連的轎廂，就帶來一個(gè)重要的安全問題：多轎廂避撞。

多轎廂電梯的問世受到國際上電梯及控制界專家學(xué)者的高度關(guān)注［5］。多轎廂避撞問題成為多轎廂電梯能夠推廣應(yīng)用急需解決的主要問題之一。就目前的研究而言，有硬件和軟件兩種解決方法，文獻(xiàn)［6］在硬件上應(yīng)用傳感器檢測相鄰兩個(gè)轎廂的距離，當(dāng)此距離小于半個(gè)轎廂身位時(shí)判斷要發(fā)生碰撞并使其中一個(gè)減速；文獻(xiàn)［7］將在輸油管道過程控制中得以成功應(yīng)用的EVALPSN安全驗(yàn)證的方法應(yīng)用于多轎廂電梯系統(tǒng)中，研究了單井道多轎廂電梯系統(tǒng)避撞問題，但還沒有對(duì)于循環(huán)式多轎廂電梯系統(tǒng)安全避撞的解決方法。

本文針對(duì)循環(huán)式多轎廂電梯系統(tǒng)，應(yīng)用EVALPSN（Extended Vector Annotated Logic Program with Strong Negation）約束規(guī)劃，建立了EVALPSN算式，采用軟件的方法解決了其避撞問題。

1 EVALPSN邏輯規(guī)劃

EVALPSN稱之為帶有強(qiáng)否定的擴(kuò)展矢量注釋的邏輯規(guī)劃，是一種可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)智能控制的約束推理方法。

矢量注釋指在EVALPSN中每個(gè)矢量明確對(duì)應(yīng)一個(gè)注釋［8-10］。例如（a，b）是一個(gè)矢量，μ是一個(gè)注釋，那么在EVALPSN中一個(gè)矢量注釋的格式為［（a，b），μ］。其中（a，b）部分的范圍為（0，0）到（n，n）?？勺⑨尩念悇e為未知，事實(shí)，約束，無約束，可變等等。

擴(kuò)展矢量注釋指在矢量注釋的基礎(chǔ)上增加一位擴(kuò)展字母。設(shè)p是一位擴(kuò)展字母，［（a，b），μ］是一個(gè)矢量注釋，那么在EVALPSN中一個(gè)矢量注釋的格式為p：［（a，b），μ］。

否定在EVALPSN中指矢量┐1邏輯變換和注釋┐2邏輯變換。

矢量┐1邏輯變換的形式為┐1（a，b）=（b，a）。

注釋┐2邏輯變換的形式分為兩種：

具體選擇是要根據(jù)不同注釋字母意義的定義來選擇邏輯變換式。

在實(shí)際問題中，往往不是非正即負(fù)的邏輯關(guān)系，可能發(fā)生多種情況，強(qiáng)否定（～）在EVALPSN中指若L為一個(gè)擴(kuò)展矢量注釋，表示一種情況，那么除L情況外的所有可能情況表示為～L，是L的強(qiáng)否定。

設(shè)L0…Ln都是擴(kuò)展矢量注釋，則LE=L1∧…∧Li∧～Li+1…∧～Ln→L0，該式稱為EVALPSN算式，可以實(shí)現(xiàn)約束、禁止和允許等功能。

2 循環(huán)式多轎廂電梯避撞算法

本文應(yīng)用EVALPSN的約束能力驗(yàn)證循環(huán)式多轎廂電梯系統(tǒng)的安全性。并設(shè)定循環(huán)式多轎廂電梯系統(tǒng)運(yùn)行的安全準(zhǔn)則：

①只能垂直運(yùn)動(dòng)并且不能超越前一個(gè)轎廂。

②每個(gè)電梯井中的轎廂只能沿同一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。

本文研究的循環(huán)式多轎廂電梯系統(tǒng)，乘客在門廳按目的地樓層按鈕進(jìn)行呼叫（即已知目的地樓層），并且相鄰兩個(gè)井道內(nèi)轎廂的運(yùn)行方向相反，實(shí)現(xiàn)循環(huán)運(yùn)行，如圖1所示。

圖1 循環(huán)式電梯系統(tǒng)示意圖

根據(jù)安全運(yùn)行準(zhǔn)則，建立 EVALPSN算式（clause）L1∧…∧Li∧～Li+1…∧～Ln→L0（其中L1到Ln為條件，L0為結(jié)果）。約束循環(huán)式多轎廂電梯兩種危險(xiǎn)運(yùn)行方式。一種是在上行（下行）電梯井中下行（上行），如圖2所示。另一種是在設(shè)置的接梯路線上有前面的轎廂停靠或要?？吭谠撀肪€中間，如下頁圖3所示。

圖2 第一種運(yùn)行方式示意圖

圖3 第二種運(yùn)行方式示意圖

設(shè)擴(kuò)展矢量注釋LYX表示轎廂運(yùn)行是否符合井道規(guī)定方向：

ci表示第i個(gè)轎廂，t表示在t時(shí)刻，μ1∈{s，p，d}，p（stopping）表示轎廂正在?？?，s（same）表示轎廂運(yùn)行方式與所在井道規(guī)定的運(yùn)行方式相同，d（different）表示轎廂運(yùn)行方向與所在井道規(guī)定的運(yùn)行方向不同，μ1∈{α，β}，α表示事實(shí)，β表示禁止。例如LYX（c2，t）：［s，α］表示2號(hào)轎廂在t時(shí)刻的運(yùn)行方向與所在井道的規(guī)定方向相同。

設(shè)擴(kuò)展矢量注釋LYX表示電梯響應(yīng)：

其中，DZc-d表示呼叫地址，即從c層到d層樓的呼叫信號(hào)，μ3∈{y，n}，y（yes）表示電梯響應(yīng)該呼叫信號(hào)，n（no）表示不響應(yīng)。例如LYX（DZ3-7，c2）：［n，β］表示2號(hào)轎廂不響應(yīng)從3層到7層的呼叫信號(hào)。

設(shè)擴(kuò)展矢量注釋表示呼叫信號(hào)：

其中μ4∈{y，n}，y（yes）表示有呼叫信號(hào)，n（no）表示沒有，例如：LHJ（DZ3-7，t）：［y，α］表示在t時(shí)刻有從3層到7層的呼叫信號(hào)。

約束條件1：運(yùn)行方向約束YS1

轎廂的運(yùn)行方向應(yīng)該與所在電梯井道規(guī)定方向相同，運(yùn)行方向約束：YS1：［（m，0），β］可以列寫為：

如圖4所示。

圖4 第1種約束運(yùn)行方式示意圖

約束條件2：運(yùn)行方式約束YS2

YS2主要約束后一轎廂超越前一轎廂的行為。例如在t時(shí)刻，轎廂ci要響應(yīng)從c層到d層的呼叫信號(hào)，若有其他前面的轎廂cj正在響應(yīng)中間樓層的呼叫信號(hào)，或有轎廂正?？吭谥虚g樓層，那么該響應(yīng)將被禁止。運(yùn)行方式約束YS2：［（n，0），β］可以列寫為：

圖5 第2種約束運(yùn)行方式示意圖

描寫，運(yùn)行方式約束效果如圖5所示。

因此，循環(huán)式多轎廂電梯避撞的約束EVALPSN算式為：

通過式（6）來保證循環(huán)式多轎廂電梯系統(tǒng)安全運(yùn)行。

3 實(shí)驗(yàn)與仿真分析

分析實(shí)例信息數(shù)據(jù)如圖6所示。在規(guī)定方向?yàn)樯闲械碾娞菥乐?，假設(shè)有3個(gè)電梯轎廂c1，c2和c3分別處在第5、3和1層。其中c1正在響應(yīng)第10層的呼叫信號(hào)。

圖6 實(shí)例信息圖

隨機(jī)產(chǎn)生一組10個(gè)呼叫信號(hào)，檢驗(yàn)其適應(yīng)度函數(shù)值，函數(shù)值越大表示該轎廂越適合響應(yīng)，函數(shù)值若為0，則代表不能響應(yīng)，在本實(shí)驗(yàn)中就表示為可能發(fā)生碰撞的行為。實(shí)驗(yàn)設(shè)定轎廂1的響應(yīng)時(shí)間為3 s～10 s，分別在3 s，5 s和10 s的時(shí)間點(diǎn)檢驗(yàn)轎廂2的響應(yīng)10個(gè)呼叫信號(hào)的情況，結(jié)果如圖7所示。

圖7 信號(hào)響應(yīng)結(jié)果

可以看出，隨著轎廂1的運(yùn)行，5層到10層的空間不再有障礙，轎廂2能夠響應(yīng)的呼叫逐漸增加，抽取第2，第4，第1個(gè)信號(hào)分別為［3 4］表示3層到4層的呼叫，［4 8］和［6 3］，表明開始是轎廂1在5層，［3 4］信號(hào)因?yàn)闊o障礙運(yùn)行，所以開始就能被響應(yīng)。［4 8］信號(hào)因?yàn)檎系K不能被響應(yīng)，當(dāng)轎廂1到達(dá)8層以后時(shí)才被響應(yīng)。［6 3］信號(hào)因?yàn)榉较蛳喾此砸恢倍疾荒鼙豁憫?yīng)。

實(shí)驗(yàn)將EVALPSN算法應(yīng)用在呼叫信號(hào)登記之前，若呼叫信號(hào)為被約束的危險(xiǎn)運(yùn)行方式，則不應(yīng)被登記，電梯不執(zhí)行派梯響應(yīng)。所以，在實(shí)驗(yàn)仿真中檢測登記信號(hào)可以驗(yàn)證EVALPSN算法的可行性和有效性。

實(shí)驗(yàn)電梯呼叫信號(hào)登記在PLCSM1.0口，呼叫信號(hào)被登記后，SM1.0口數(shù)值由0變?yōu)?，并保持到響應(yīng)該呼叫信號(hào)結(jié)束。

在實(shí)驗(yàn)電梯正常運(yùn)行中，給出3個(gè)呼叫信號(hào)：7層上呼叫，8層下呼叫，12層上呼叫。根據(jù)已知條件，8層下呼叫屬于第一種危險(xiǎn)運(yùn)行方式，12層上呼叫屬于第二種危險(xiǎn)運(yùn)行方式，都應(yīng)該被禁止；7層上呼叫為正常呼叫信號(hào)，應(yīng)該被登記，等待派梯響應(yīng)。那么，在SM1.0口的理想數(shù)據(jù)應(yīng)該如表1所示。

表1 SM1.0的期望值

實(shí)驗(yàn)分別輸入3個(gè)呼叫信號(hào)，檢測結(jié)果如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果

由圖8可知，對(duì)于安全呼叫信號(hào)7層上呼叫，SM1.0口在第三秒鐘成功登記，數(shù)值由0變?yōu)?，并在第十秒鐘完成呼叫任務(wù)，重新變?yōu)?；而對(duì)于危險(xiǎn)呼叫信號(hào)8層下呼叫和12層上呼叫則沒有登記，電梯不響應(yīng)此呼叫信號(hào)。由此可以驗(yàn)證，EVALPSN能夠有效地避免在循環(huán)式電梯系統(tǒng)中多轎廂間的碰撞問題。

4 結(jié)語

多轎廂電梯的安全避撞是電梯安全運(yùn)行的前提，是完成電梯的優(yōu)化調(diào)度的重要依據(jù)。本文依據(jù)多轎廂電梯系統(tǒng)控制理論，將EVALPSN應(yīng)用于循環(huán)式多轎廂電梯控制系統(tǒng)。探討了EVALPSN在約束循環(huán)式多轎廂電梯系統(tǒng)避撞的應(yīng)用，建立了EVALPSN算式，提出了一種解決算法。保證了在派梯中所選轎廂運(yùn)行的安全性，避免其在井道中與其他轎廂發(fā)生碰撞。通過實(shí)例的仿真分析，驗(yàn)證了本文方法的有效性及可行性。

參考資料：

［1］Sorsa J，Siikonen M L，Ehtamo H.Optimal Control of Double-deck Elevator Group Using Genetic Algorithm［J］.International Transactions in Operational Research，2003，10（2）：103-114.

［2］Suzuki H.Simulation-based Optimization of Multi-car Elevator Controllers Using A Genetic Algorithm［J］.Transactions of the Society of Instrurrvent and Control Engineers，2004，40（4）：466-473.

［3］Liu J，Wu Y.Overstep Control Analysis for Multi-Car Elevator［C］//Proceedings of 4th International Conference on Modelling，Identification and Control，2012.

［4］ShiraishiK，HamagamiT，HirataH.Multi-carElevatorControl By Using Learning Automaton［J］.IEEJ Transactions onIndustry Applications，2005，125（1）：91-98.

［5］Miyamoto，S Yamaguchi.MceSim：A multi-car Elevator Simulator［J］.IEICE Transactions on Fundarrventals of Electronics，Corrvrrwnications and Corrvputer Sciences，2008，E91-A（11）:3207-3214.

［6］Tanaka S，Watanabe M.Optimization-based Collision Avoidance in Multi-car Elevator Systems［C］//Fukuoka:ICCAS-SICE International Joint Conference，2009.

［7］Nakamatsu K.Intelligent Safety Verification for Multi-car［J］. In Computer Science，2011（6591）：496-505.

［8］Nakamatsu K，Mita Y，Shibata T.An Intelligent Action Control System Basedon Extended Vector Annotated Logic Program and its Hardware Implementation［J］.Intelligent Automation and Soft Computing，2007，13（3）：289-304.

［9］Blair H A，Subrahmanian V S.Paraconsistent Logic Programming［J］.Theoretical Computer Science，1989，68（2）：135-154.

［10］Nakamatsu K，Abe J M，Suzuki A.Annotated Semantics for Defeasible Deontic Reasoning［J］.Iecture Notes in Computer Science，2005，2005：432–440.

［11］da Costa N C A，Subrahmanian V S，Vago C.The Paraconsistent Logics PJ［J］.Mathematical Logic Quarterly，1989，37（9-12）：139–148.

Collision Avoidance Design and Implementation Based on EVALPSN for Circulatory Multi-car Elevator

ZHAO Xin1，OU Jian1，LI Li2
（1.Mianyang Vocational and Technical College，Mianyang 621000，China；
2.School of Computer，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621000，China）

The multi-car elevator system is the new way of vertical transportation.It is the most important safety problem to avoid the cars collision.In this paper，a method has been put forward based on EVALPSN（Extended Vector Annotated Logic Program with Strong Negation），which is constructed by formalizing the system safety properties to be secured.EVALPSN clauses has been built up，a threecar circulatory multi-car elevator system been taken as an example，and the simulation results show that the proposed method has a great effect for the problem of the circulatory multi-car elevator.It can guarantee the safety of multi-car elevator control system.

multi-car elevator，EVALPSN，avoid collisions，logic programming

TP391

A

1002-0640（2015）05-0131-04

2014-03-14

2014-05-21

國家“八六三”基金資助項(xiàng)目（2009AA032906）

趙 欣（1963- ），女，重慶人，副教授，碩士，研究方向：工業(yè)自動(dòng)控制、電氣工程的設(shè)計(jì)與研究及計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)等。