数学建模_电梯的调度问题.doc
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1、- -顶峰模式下高层办公楼电梯调度改善方案摘要电梯调度方案是指在特定的交通状况下,电梯系统应遵循的一组确定控制策略的规那么。对于配有多台电梯的现代高层办公楼,如何建立适宜的电梯运行方式至关重要。本文的目的就是建立合理的调度方案,主要运用概率,运筹学等理论对问题建立相关的数学模型,用matlab等软件对问题进展求解,最终得出最合理的安排及优化方案,已解决高层办公楼电梯拥挤的情况。此题的评价指标有三个,一是排队等待时间,二是电梯运行时乘客在电梯内等待的时间,三是6部电梯将全部员工运送到指定楼层所用的时间,三个评价指标中,排队等待时间与电梯运行时乘客在电梯内等待的时间可以综合为乘客的满意度。对于问题
2、一,首先考虑最简单的情形建立模型一,采用极端假设的方法,不考虑乘客到来的随机性,不考虑乘客的等待时间,在规定的时间内,电梯每次都是满载的,且运送的都是同一层的员工。这样得到一个简化模型,此模型运送完员工所花费的时间是最短的,同时求解出在确定的电梯数量确定的办公人数分布前提下电梯调度的最大运载能力。将所有的人都运到的最短的时间为:1955.5秒。接着对于理想模型实际化建立模型二,以“最后被运送的乘客的等待时间最短为评价标准,以“电梯运行周期与运行总时间之比等于电梯在一个周期内运送的乘客数与乘客总数之比的“比例云那么为依据,对几种常见电梯运行方案建立数学模型,比较其运行效率,得出分段运行方案是符合
3、要求的最优方案。在极端假设条件下的模型的根底上进展改进建立模型三,对所有的楼层进展分段,每个电梯负责特定的楼层,以概率的方法,得出非线性规划方程组,求得最优的分段数,并求出一些表征参数如:总运行时间及运载能力。确定方案的根本分段数后,对于分段运行方案的具体分段方式进展优化计算,建立模型四。由模型三的结果将楼层分为六段为最优,通过模型四可找出了各个区的具体分区点,以电梯运行一次的往返时间为目标函数,建立模型,通过matlab软件对于分段模型分段方法进展模拟运行,以枚举法求解,最终得出多组最优分区,但是各组分区方式的差异并不是很大。问题二要求将数学模型进一步实际化首先应考虑电梯上行下行时的加速度最
4、大速度、乘客上下电梯所用时间和开关电梯门的平均时间。运用物理根底在模型四的根底上,对模型进展了进一步优化。关键字:电梯分段运行方案;计算机模拟电梯运行;非线性规划;matlab软件一、 问题重述1. 问题背景:随着社会经济的开展,电梯在人们的日常生活工作中的作用越来越大,特别在人口高度集中的城市,电梯成为人们生活中不可或缺的一种交通工具。然而,与此同时,在办公场所每天早晚顶峰时期,拥挤的人潮中总能听到对电梯运行速度和调度安排的抱怨,也就是说人们对电梯的效劳质量要求越来越高。对于配套有多台电梯的商务楼,如何安排好各电梯的运行方式,尽量使乘客排队等待时间以及在在电梯内等待时间最短、同时使电梯运送的
5、总时间最短至关重要,成为目前备受关注的问题。2、实际问题探讨:现商业中心有一写字楼,层高22层,设有6部电梯。员工上班前,上班的人员陆续到达,从电梯开场运行,等电梯的大厅非常拥挤,人们等电梯的时间明显增加,为此,写字楼的物业要求一个合理有效的电梯调度方案以满足写字楼内各层员工的需要。根本条件和待解决的问题如下:表1:该写字楼各层办公人数楼层人数楼层人数楼层人数1无9236172002208101391820031771127219200422212272202005130132722120061811427022207719115300823616264根本条件:(1)、楼层参数:共22层;(
6、2)、电梯参数:该写字楼共设有6部电梯,每层楼之间电梯的平均运行时间为3s,每部电梯的容量为20人;(3)、在底层的停留时间为20s,其他楼层平均停留时间为10s,电梯在各层的相应停留时间年内乘梯人员能够完成出入电梯;(4)、分析每个楼层办公人数得出各层人数相差不是很大,假设各层楼办公人数相等,均为218人。问题:(1)、设计一个尽量最优的电梯调度方案,是得在上班前尽可能把各楼层的人快速送到各个目标层楼,提高乘客满意度及电梯运送总时间; (2)、将所建立的模型实际化,使其尽量适用于解决现实的电梯调度问题。二、问题分析考虑到上班时人群由底层分别分散到其他各层的过程与下班时人群由各层集中至底层的过
7、程对称,仅通过对上班顶峰时段的电梯运行情况建立数学模型进展描述即可。对高层楼宇人员流动顶峰时段的几种电梯运行方案进展比较,找到电梯停靠楼层的最正确安排。此题的评价指标有三个,一是排队等待时间,二是电梯运行时乘客在电梯内等待的时间,三是6部电梯将全部员工运送到指定楼层所用的时间,三个评价指标中,排队等待时间与电梯运行时乘客在电梯内等待的时间可以综合为乘客的满意度。首先考虑最简单的情形,不考虑乘客到来的随机性,不考虑乘客的等待时间,在规定的时间内,电梯每次都是满载的,且运送的都是同一层的员工。这样得到了一个简化模型,此模型运送完员工所花费的时间是最短的,同时求解出在确定的电梯数量确定的办公人数分布
8、前提下电梯调度的最大运载能力。根据题目将最理想的条件实际化,分别对于生活中几个常见的电梯运行模式即:随机运行方案、奇偶层运行方案、分段运行方案、随机与分段相结合进展分析比较,得出最优类别电梯运行模型。在人流顶峰的时候,我们采用分段运行的方案。采用分段运行方案,我们需要将整个楼层分为多段,六部电梯依据效劳时间大致一样的原那么平均分配到每个分段,这样花费的时间较少,而电梯运行一个周期的时间也将减少,这时乘客的满意度将大大提高,在各个组内每层都有乘客下的假设前提下,建立模型。问题二要求将数学模型进一步实际化首先应考虑电梯上行下行时的加速度最大速度、乘客上下电梯所用时间和开关电梯门的平均时间。运用物理
9、根底在模型四的根底上,对模型进展进一步优化。三、模型的根本假设1、因为是上班顶峰期,假设员工以足够密集的时间到达;2、早晨上班顶峰期,所有乘坐电梯的员工均为从大厅上行;3、当某一电梯到达时,电梯开门关门和所有准备下电梯的乘客全部走出电梯一共需要10s(一楼20s),不考虑特殊情况发生;4、电梯无任何故障,始终按额定参数运行;5、进入电梯的乘客不存在个体差异,并且进入的乘客不超过额定得承载人数;6、对于这6部同类型的电梯,每个电梯的运行相对独立。四、定义符号及说明,电梯从第一层启动到第r层停靠,再下行到第一层所需的时;电梯往返一周的运行时间电梯最大载客量,为常数20楼层总数每层的办公人数电梯在相
10、邻楼层间的运行时间,为常数3s电梯停靠时供乘客出入电梯的时间,为常数10s运送所有乘客的总时间电梯运行的关于层数r的时间函数关于电梯运行的关于距离s的时间函数,j=1,2,6楼层分点数,为整数,且属于2,21之间,j=1,2,6第j个区域内电梯停靠次数,j=1,2,6第j个区域内楼层的个数,j=1,2,6区域j内的办公人数之和,j=1,2,6第j层的办公人数大楼装备的电梯数量运载能力五、模型建立与求解一问题一1、模型一:极端假设方法下的极端理想模型在电梯满载的情况下,影响电梯的主要因素是电梯的停靠次数和电梯运行一次的高度。而且停靠的次数越少,消耗的时间越少。所以考虑电梯每次运行运载的乘客都为同
11、一层的办公的员工,即:电梯每次只在某一层停靠,从而得出最简化模型。(1) 求电梯运行从第一层到第r层停靠,再下行到第一层所需的时间:上行与下行时间为=,停留时间与共乘客出入时间为,;用matlab软件编程得到如下结果:1/534958138217106211302166401064148818112221363227461170159419118428852127616100201242每层楼需要运行的次数为;Matlab软件计算出的,结果如下:1/569111313171021102106910614131810221038791113151519104118111213161320103由
12、12的计算结果可以得出,用六部电梯电梯每次只将同一层的办公人员送到指定楼层的最短时间为1955.5s2、模型二:常见电梯运行模式的比较由模型一求得的将全部办公人员运送到指定楼层的时间的方法是一种理想状态下的假设,而在实际生活中,很难保证每次乘坐电梯的乘客都是同一楼层,所以如何合理的调控使用现有电梯,提高电梯的效率,尽量较少人流的乘梯的等待时间和乘梯时间,是设计一个切实可行的电梯调度方案的首要任务。、考虑到方案的可行性,首先对于目前常见的集中电梯运行方式进展比较。为了简化描述各种电梯运行模式,我们仅考虑有两台电梯同时独立运行,假设该写字楼每层的办公人数近似相等。电梯调度的实际意义在于尽快疏散大厅
13、等候电梯的办公人员,及时的将他们送往目的地。因此我们将最后被运送的乘客等待时间T作为评判标准,并根据“电梯运行周期与运行总时间之比等于电梯在一个周期内运送的乘客数与乘客总数之比的“比例原那么,将常见运行模式的描述如下:(1) 随机运行方案该方案允许电梯可以在任意层停靠,由于随机运行,两台电梯平均运行周期均为 (2*b*t1+b*t2),共运送乘客2*C人,运送所有乘客共b*m人,所用时间为T,依比例关系可得: (1)解得: (2)(2) 奇偶运行方案该方案要求两台电梯中一台停靠奇数层,另一台停靠第1层和偶数层,这里对b的奇偶性进展讨论:当b为偶数时,b+1为奇数.停靠奇数层的电梯的运行周期为(
14、2*b*t0+b*t1/2),而停靠偶数层的电梯的运行周期为(2*(b-1)*t0+b*t1/2),故运送所有乘客所用时间即为完成运送至奇数层的乘客所用的时间,仿(1)式可得: (3)即 (4)当b为奇数时,b+1为偶数停靠奇数层的电梯的运行周期为(2*(b-1)*t0+(b-1)*t1/2),而停靠偶数层的电梯的运行周期为(2*b*t0+(b+1)*t1/2),故运送所有乘客所用时间即为完成运送至偶数层的乘客所用的时间,仿(3)(4)式可得: (5)(3) 分段运行方案该方案将以(b*n+1)(0n1)层为界分为上下两段,一台电梯运行第1层至第 (b*n+1)层,另一台那么运行第1层,第(b
15、*n+2)层至第(b+1)层,仿(1)分别对上段与下段得出 (6) (7)整理得8910令n=n*时有T1=T2=T*,那么T=T*.由于T1是n的减函数,T2是n的增函数,0nn*时有T2T*T1,即T=T2T*,反之那么有T=TlT*,因此当n=n*时T有最小值,即当 (11)时方案到达最优 (12)(4) 随机与分段相结合的方案该方案同样将以(b*n+1)(0n随机运行方案随机与分段相结合的方案又因为那么即故1n*0.5,此时得:综上考虑电梯的运行效率可得:分段运行方案奇偶层运行方案随机运行方案随机与分段相结合的方案因此我们得出结论:分段运行方案是及时的将所有等待的乘客快速运至目的地,尽
16、快地疏散等候区的乘客的最优方案。3、模型三:极端假设方法下的极端理想模型改进模型基于各个组内每层都有乘客下的分区优化模型,求解出了一个较为合理的电梯调控优化模型,楼层的分区已经确定。电梯的平均往返运行时间RTT,某个电梯效劳区域所含有的楼层数为n,某分区的最低层为b.如图2所示,包含了电梯从一楼出发到第一次停靠时的运行时间I(包括停靠时间),第一次停靠后电梯后续往上运行和停靠的时间,电梯往下运行的时间(包括停靠时间)。设时间I、时间、时间大小分别为X,Y,Z,那么RTT=E(X)+E(Y)+E(Z),下面我们来得到E(X)、E(Y)、E(Z)的表达式。图- 3 电梯运行示意图在时间中,当运行距
17、离为层楼时(其中),也就意味着电梯从第层到第层都没有停靠而在第层电梯停靠,以表示电梯在层和层之间都没有停靠,以表示电梯在第层没有停靠,所以在时间I中电梯运行距离为层楼的概率是:;在时间中,电梯某次上行的运行距离为层楼时(其中),也就意味着电梯在第层和第层有停靠,而在第层和第层之间都没有停靠,且满足,所以时间中电梯上行距离为r层楼的概率是:就有:;因为我们考虑的是乘客在等待条件下上班顶峰期电梯的运行状况,不考虑下行乘客。所以电梯下行时,运行距离为层楼时(其中),也就意味着电梯在第层有停靠,而在第r层以上都没有停靠,所以其概率为:,也就有:;于是我们可以得到电梯往返运行时间为:得到电梯的往返时间以
18、后,我们就可以来确定电梯的调度方案。把能否以尽量少的时间把乘客运送完毕作为确定电梯调度方案优劣的标准,为此来讨论在各种调度方案下电梯运送完毕所有乘客的终止时间,以找出终止时间最早的调度方案。从前文讨论知道,电梯往返时间是电梯效劳区域的最低楼层、楼层数以及电梯平均每次搭乘人数为的函数,为此我们设电梯往返时间当电梯采用不分区调度时,运送完毕个人,需要的平均运送时间近似为:1此平均运送时间护士电梯开场时刻和最后时刻的影响。当电梯采用分区调度时,设分成个区域,每个区域的最低层为,含有的楼层数为,含有的电梯数目为,那么运送完毕去往区域乘客的时间为,于是整个电梯系统运送完毕所有乘客的终止时间。为各个分区中
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