Python实现电梯调度系统的工程实践

一、系统架构设计

1.1 核心状态机模型

我们采用三重状态设计：

• IDLE（待命状态）

• UP（上行状态）

• DOWN（下行状态）

状态转换触发条件：

def update_state(self):
    if not self.has_requests():
        self.direction = Direction.IDLE
    elif self.current_floor == 1:
        self.direction = Direction.UP
    elif self.current_floor == self.total_floors:
        self.direction = Direction.DOWN

1.2 请求处理机制

采用双队列结构优化：

class RequestQueue:
    def __init__(self):
        self.up_requests = set()  # 上行请求集合
        self.down_requests = set() # 下行请求集合

二、核心算法实现

2.1 SCAN调度算法

电梯像扫描仪一样往返运动：

def scan_algorithm(self):
    if self.direction == Direction.UP:
        next_floors = [f for f in range(self.current_floor+1, self.total_floors+1)]
    else:
        next_floors = [f for f in range(self.current_floor-1, 0, -1)]
    
    for floor in next_floors:
        if self.should_stop(floor):
            return floor

2.2 多目标优化策略

考虑三个关键因素：

1. 等待时间权重：0.4

2. 能耗系数：0.3

3. 方向一致性：0.3

三、性能优化方案

3.1 时间复杂度对比

算法最好情况最差情况FCFSO(1)O(n²)SCANO(n)O(n)SSTFO(nlogn)O(n²)

3.2 内存优化技巧

使用位图压缩请求记录：

self.request_bitmap = 0  # 32位整数存储请求

def add_request(self, floor):
    self.request_bitmap |= 1 << floor

四、可视化系统实现

4.1 curses控制台渲染

分层绘制策略：

def draw_floor(stdscr, floor, elevator_pos):
    color = curses.COLOR_RED if floor == elevator_pos else curses.COLOR_WHITE
    stdscr.addstr(12-floor, 0, f"[{floor:2d}]", curses.color_pair(color))

4.2 实时数据监控

关键指标展示：

• 平均等待时间

• 请求处理率

• 电梯利用率

五、扩展应用场景

5.1 多电梯协同调度

class ElevatorGroup:
    def __init__(self, num):
        self.elevators = [Elevator() for _ in range(num)]
        
    def dispatch(self, floor):
        return min(self.elevators, key=lambda e: abs(e.current_floor - floor))

5.2 与物联网集成

通过MQTT协议对接：

import paho.mqtt.client as mqtt

def on_message(client, userdata, msg):
    floor = int(msg.payload.decode())
    elevator.add_request(floor)

六、完整测试用例

import unittest

class TestElevator(unittest.TestCase):
    def test_emergency_stop(self):
        e = Elevator()
        e.add_request(5, Direction.UP)
        e.handle_emergency()
        self.assertEqual(e.direction, Direction.IDLE)

七、项目部署指南

1. 开发环境：Python 3.10+

2. 生产部署：

   nohup python elevator_sim.py --floors 12 --speed 1.5 > log.txt &

3. 监控命令：

   watch -n 1 'cat log.txt | tail -n 20'