類比城市消防的艦船滅火救援路徑優(yōu)化方法探索

丁曉春，魏周君

(1.上海市消防局，上海 200050;2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司公司第七二六研究所，上海 201108)

0 引言

隨著現(xiàn)代艦船自動(dòng)化程度的提高，設(shè)備配置數(shù)量劇增，且往往運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)、功率大、負(fù)荷強(qiáng)。由于戰(zhàn)略要求，艦船時(shí)常需要作為獨(dú)立的航行體在遠(yuǎn)洋長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行任務(wù)，這就決定了艦船在面對(duì)各種火災(zāi)突發(fā)事故時(shí)必須立足于“自救”，依靠自身力量來應(yīng)對(duì)危險(xiǎn)。20世紀(jì)主要海軍國(guó)家共發(fā)生518起艦艇 (包括航母)事故，其中沉沒事故242起、受損事故276起，沉沒事故中由于火災(zāi)和爆炸造成的約占37%，而在受損事故中由于火災(zāi)和爆炸造成的占50%［1］。因此，為了減少艦船火災(zāi)造成的損失，艦上人員必須要在第一時(shí)間展開消防行動(dòng)，實(shí)施及時(shí)、有效、有序的應(yīng)急處置措施。而保障這些行動(dòng)實(shí)施的一個(gè)至關(guān)重要環(huán)節(jié)就是，如何引導(dǎo)艦上人員以最短的時(shí)間、最優(yōu)的路徑直達(dá)火災(zāi)區(qū)域?qū)嵤缁鹁仍?/p>

同樣，滅火救援路徑的有效規(guī)劃在城市消防中也是一個(gè)關(guān)鍵的問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)［2］，2011年，上?；馂?zāi)形勢(shì)總體穩(wěn)定，未發(fā)生重大以上火災(zāi)事故。全年共發(fā)生火災(zāi)5813起，累計(jì)造成43人死亡，46人受傷，直接財(cái)產(chǎn)損失11000.4萬元，同2010年相比有不同的變化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全市、中心城區(qū)以及市郊區(qū)域四項(xiàng)指數(shù) (火災(zāi)起數(shù)、死亡數(shù)、傷人數(shù)、火災(zāi)損失)如表1所示。

表1 2011年上海市分區(qū)域火災(zāi)四項(xiàng)指數(shù)表Tab.1 The 4 index of 2011's fire disaster in shanghai

由表1可知，上海市市郊區(qū)域無論在死亡人數(shù)、受傷人數(shù)還是在火災(zāi)損失上均占較大比重。據(jù)上海消防接處警數(shù)據(jù)不完全分析，上海市郊區(qū)域消防站消防力量從消防站接警出發(fā)到到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間一般在15 min，而中心城區(qū)消防站則僅需10 min?；馂?zāi)損失的波動(dòng)性與火災(zāi)的持續(xù)時(shí)間、燃燒物類別、過火面積等因素有關(guān)，但如果在火災(zāi)發(fā)生后的短暫時(shí)間內(nèi)，消防力量能有效地到場(chǎng)控制火勢(shì)，則火災(zāi)損失會(huì)大大減少。如何能在火災(zāi)案情發(fā)生的第一時(shí)間及時(shí)有效地部署警力，安排救援方案，及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)是火災(zāi)救險(xiǎn)的關(guān)鍵。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50313－2000《消防通信指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，消防通信指揮系統(tǒng)必須建立消防地理信息系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)滅火救援接處警過程中，利用地理信息系統(tǒng)方便地實(shí)現(xiàn)快速定位和查詢分析、出動(dòng)方案編制、移動(dòng)指揮和動(dòng)態(tài)跟蹤以及現(xiàn)場(chǎng)信息服務(wù)和輔助決策等功能。

本文以上海市消防信息系統(tǒng)建設(shè)為案例，從滅火救援路徑優(yōu)化的新要求出發(fā)，設(shè)計(jì)研究了一種采用功能模塊化、多層次綜合建庫以及算法設(shè)計(jì)的新系統(tǒng)，并進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)分析，可為大型艦船滅火救援路徑優(yōu)化研究提供方法參考。

1 消防信息系統(tǒng)的新要求

1.1 海量多層次數(shù)據(jù)分析

交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)大大方便了人們的出行，對(duì)于消防來說，也大大提高了出任務(wù)的效率，更多地保證了人民的人身財(cái)產(chǎn)安全。但同時(shí)，隨著交通網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，也對(duì)消防出警提出了新的要求。首先，汽車保有量的急速增加加大了交通壓力，交通擁堵情況增多，這客觀地為消防出警增加了困難，所以，規(guī)劃一條快速、準(zhǔn)確到達(dá)的道路對(duì)出警來說至關(guān)重要;其次，城市交通向立體層次發(fā)展后，對(duì)道路定位導(dǎo)航的準(zhǔn)確性要求提高，如高架上車輛起火，若定位稍有偏差，規(guī)劃路線導(dǎo)航至地面，那么，即使抬頭就能看到火情，也要去尋找高架出入口才能上橋救火，將延誤戰(zhàn)機(jī)。這突破了以往平面道路網(wǎng)的構(gòu)建模式，傳統(tǒng)的平面路徑分析已不能滿足需求，因此需要對(duì)傳統(tǒng)的地面消防路徑規(guī)劃進(jìn)行改進(jìn)，以滿足當(dāng)前的多層次立體式交通網(wǎng)絡(luò)，從而達(dá)到定位準(zhǔn)確，最優(yōu)規(guī)劃的效果。

另外，道路數(shù)據(jù)的急速增加使得路徑規(guī)劃的數(shù)據(jù)量增大，多層次立體交通網(wǎng)絡(luò)的分析增加了算法的復(fù)雜度。在海量且復(fù)雜的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，依然保持算法的高效性同樣也是需要解決的問題。

1.2 數(shù)據(jù)多源化的系統(tǒng)架構(gòu)

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展帶來了計(jì)算機(jī)技術(shù)的二次飛躍。由于互聯(lián)網(wǎng)上共享的信息成爆炸式增長(zhǎng)，使得用戶對(duì)計(jì)算機(jī)的操作從依靠單機(jī)客戶端逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕾嚮ヂ?lián)網(wǎng)提供的各種服務(wù)。這也使得開發(fā)人員對(duì)系統(tǒng)的架構(gòu)進(jìn)行了適應(yīng)性的改變。這種轉(zhuǎn)變對(duì)消防信息系統(tǒng)提出了新的要求:

1)信息多源化

消防信息系統(tǒng)龐大而復(fù)雜，涉及到方方面面的數(shù)據(jù)，如接警數(shù)據(jù)、消防業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、城市基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、交通流量數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)并不來自同一個(gè)管理部門，需要多個(gè)部門協(xié)調(diào)，共同提供。而各個(gè)部門又有自己的一套數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和調(diào)用方式，這都需要系統(tǒng)在接收到相關(guān)信息后進(jìn)行協(xié)調(diào)整理，得到適應(yīng)本系統(tǒng)的格式。

2)目標(biāo)多源化

目標(biāo)的多源化包含2個(gè)方面的需求。一方面，由于消防系統(tǒng)本身的要求，需要提供車輛選擇、中隊(duì)選擇、單車路徑等分析結(jié)果，這些功能雖然本質(zhì)上都是對(duì)最優(yōu)路徑進(jìn)行分析查找，但由于其各自特點(diǎn)，所以在細(xì)節(jié)上需要區(qū)別對(duì)待，體現(xiàn)在程序上就是需要對(duì)功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證其基礎(chǔ)算法通用，并在此之上增加靈活性;另一方面，目前各部門系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)、功能經(jīng)常需要共享合作，因此，在進(jìn)行方法設(shè)計(jì)時(shí)同樣需要考慮到外部調(diào)用的通用性，以適應(yīng)不同需求。

2 應(yīng)對(duì)策略

為解決上述問題，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用功能模塊化、多層次綜合建庫以及算法設(shè)計(jì)3個(gè)方面來具體應(yīng)對(duì)，滿足消防信息系統(tǒng)的要求。

2.1 功能模塊化

針對(duì)數(shù)據(jù)來源多，功能應(yīng)用目標(biāo)多的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用了將功能模塊化的方法 。這種方法類似于“搭積木”，將每個(gè)功能包裝成一個(gè)“積木塊”，而整個(gè)系統(tǒng)就是由一個(gè)一個(gè)的“積木塊”組合而成。這樣做的好處，一是每個(gè)模塊相對(duì)獨(dú)立，外部來源數(shù)據(jù)統(tǒng)一交由系統(tǒng)來調(diào)度，模塊只負(fù)責(zé)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理;同樣，輸出固定格式的輸出數(shù)據(jù)，也無需考慮數(shù)據(jù)輸出后的具體用途;二是一旦系統(tǒng)出現(xiàn)問題，很容易進(jìn)行跟蹤和定位，迅速找出出現(xiàn)問題的模塊，進(jìn)行調(diào)試維護(hù)。并且在調(diào)試過程中，由于模塊相互間的獨(dú)立性，其他模塊并不影響使用，而使維護(hù)成本降至最低。

網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的系統(tǒng)特點(diǎn)是“瘦客戶端”，即將壓力轉(zhuǎn)移至服務(wù)器，而在客戶應(yīng)用端僅需簡(jiǎn)單的瀏覽器即可，一切均通過服務(wù)調(diào)用的方式從服務(wù)器端獲取。這樣做降低了對(duì)客戶端硬件的要求，并且隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，在可移動(dòng)性上的優(yōu)勢(shì)也日漸明顯。為了適應(yīng)這種發(fā)展趨勢(shì)，并且針對(duì)未來可能存在的為其他系統(tǒng)調(diào)用的情況，系統(tǒng)將各模塊包裝成WebService的服務(wù)模式，客戶端通過調(diào)用服務(wù)的方式從服務(wù)器端獲得相應(yīng)的功能分析結(jié)果。

2.2 多層次立體交通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫建庫

1)空間拓?fù)?/p>

立體道路網(wǎng)絡(luò)對(duì)交通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)帶來了新要求。傳統(tǒng)平面交通網(wǎng)絡(luò)在僅考慮物理連通性時(shí)，只需要在道路交匯口處進(jìn)行道路拓?fù)浯驍?，保持路段連通即可。若考慮到道路名稱等屬性信息，則還需要在道路屬性變更處 (如道路名稱改變處)進(jìn)行拓?fù)浯驍?，保證每條路段的屬性信息唯一。但立體交通網(wǎng)絡(luò)打破了這種簡(jiǎn)單拓?fù)潢P(guān)系，如圖1所示。

圖1 多層次立體交通網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Multi-level 3－D transportation network

從道路線來看，圖1中高架道路交叉口處與地面道路多處相交和自交。但從實(shí)地影像可以清晰地看出，高架道路是在地面道路上方穿過，而高架本身也是由多層高架、上下匝道和地面道路組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，拓?fù)潢P(guān)系從投影上看十分復(fù)雜。為此，在建立導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫時(shí)，引入虛交點(diǎn)概念，制訂規(guī)則來構(gòu)建立體交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 虛交點(diǎn)與實(shí)交點(diǎn)示意圖Fig.2 The schematic diagram of real and virtual intersection

虛交點(diǎn)，即2條道路在視覺上相交，但現(xiàn)實(shí)中并不相交的虛擬交點(diǎn)，如圖2中圓形點(diǎn)所示。實(shí)交點(diǎn)，即相對(duì)于虛交點(diǎn)而言，為道路在現(xiàn)實(shí)中的真實(shí)交點(diǎn)，如圖2中三角形點(diǎn)所示。在構(gòu)建立體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r(shí)，訂立規(guī)則:道路在實(shí)交點(diǎn)處必須打斷，在虛交點(diǎn)處不可打斷，以此來保證道路網(wǎng)的拓?fù)湔_性。

2)道路隔離帶設(shè)置

許多道路為規(guī)范行駛，設(shè)定中央隔離帶，以鐵柵欄或花壇等來隔離對(duì)向行駛的車輛，最基礎(chǔ)最簡(jiǎn)單的隔離帶就是地面的雙黃線。為了方便道路網(wǎng)路徑規(guī)劃，減少算法復(fù)雜情況處理，對(duì)于設(shè)計(jì)有中央隔離帶的道路，統(tǒng)一將其拆分為2條平行道路，分別設(shè)定其行駛方向，避免出現(xiàn)算法計(jì)算時(shí)在隔離帶處掉頭的情況，規(guī)范行駛路線，如圖3所示。

圖3 隔離帶道路轉(zhuǎn)雙線道路Fig.3 Transfer from isolation belt road to two-lane road

3)多層次道路設(shè)計(jì)

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，道路由于其寬度、車道數(shù)、承重、材料、里程等不同而分為不同等級(jí)。在導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的時(shí)候，依然要考慮道路等級(jí)，畢竟道路級(jí)別越高的道路越暢通，載重限高的范圍也比較寬泛，適合消防車緊急出動(dòng)。需要注意的是非地面道路，如高速公路、高架公路、快速路等。非地面道路通常速度快、路面好、級(jí)別高，但存在一個(gè)致命的問題，就是因?yàn)槠潆x開地面，所以靈活性并不好，一旦錯(cuò)過上下出口，就要繞行很遠(yuǎn)的距離。更嚴(yán)重的是，如果出現(xiàn)擁堵，那將寸步難行，沒法補(bǔ)救。因此，必須在道路網(wǎng)絡(luò)里進(jìn)行分類，將非地面道路和地面道路加以區(qū)分，用來在一定條件下設(shè)定非地面道路的可行或限行 (如高架上出現(xiàn)擁堵狀況)。

4)屬性信息設(shè)計(jì)

除道路本身的幾何數(shù)據(jù)和拓?fù)潢P(guān)系，為完善路徑規(guī)劃的細(xì)節(jié)以及考慮到未來數(shù)據(jù)的更新，每條道路路段都附有屬性信息。屬性信息大致分為3類:路段本身信息、交通信息、數(shù)據(jù)庫更新信息。

路段本身信息，即道路本身屬性，如道路名稱，等級(jí)等;交通信息指的是人為附在道路上的相關(guān)信息，如行進(jìn)方向，轉(zhuǎn)彎限制，車輛限制等;數(shù)據(jù)庫更新信息則記錄了路段的采集時(shí)間，歷史更新記錄，更新方式等信息。

2.3 路徑分析功能設(shè)計(jì)

路徑分析功能采用經(jīng)典的Dijkstra算法，并加以優(yōu)化［3］。同時(shí)加入多因素對(duì)道路權(quán)值進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，最終選取最優(yōu)路徑作為結(jié)果返回，具體流程如圖4所示。

首先建立道路關(guān)系的有向圖。將每一個(gè)道路交叉路口看作是圖節(jié)點(diǎn)，路段看做是連接圖節(jié)點(diǎn)的路徑，而道路權(quán)值則代表了穿過路徑所用的成本，其中最簡(jiǎn)單的成本就是道路長(zhǎng)度，路段長(zhǎng)度越長(zhǎng)則通過的成本越高?？紤]到多重因素，則可利用多因子建立綜合評(píng)價(jià)矩陣來確定每條路段的具體成本。

圖4 路徑規(guī)劃流程Fig.4 The flowchart of path planning

道路權(quán)值的綜合評(píng)價(jià)因子有2種類型，一是成本要素;一是限制要素。成本要素表示該要素對(duì)道路起到了加速或阻礙作用，如前文提到的道路長(zhǎng)度;限制要素則是判斷類型，即當(dāng)滿足該條件時(shí)道路可以通行，當(dāng)不滿足該條件時(shí)，道路不可通行，如道路的單行限制，其規(guī)定了道路的車輛行進(jìn)方向，一旦反向，則該道路不可通行;又如轉(zhuǎn)彎限制，當(dāng)路口限制左轉(zhuǎn)行駛時(shí)，則對(duì)于左轉(zhuǎn)車輛來說，該路不通。

因此，在建立評(píng)價(jià)矩陣時(shí)，首先根據(jù)限制要素，判斷通行與否，再利用成本要素確定通行路段的成本，最終根據(jù)矩陣計(jì)算的權(quán)值來規(guī)劃最優(yōu)路徑。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果展示

基于上述方法，最終設(shè)計(jì)算法，設(shè)計(jì)兩點(diǎn)驗(yàn)證其結(jié)果，如圖5所示。

圖5 兩點(diǎn)間路徑規(guī)劃結(jié)果Fig.5 Path planning results between two points

圖5為輸入起點(diǎn)、終點(diǎn)之后得到的兩點(diǎn)間最優(yōu)路徑規(guī)劃結(jié)果。一是圖面上左側(cè)點(diǎn)為起點(diǎn)，右側(cè)點(diǎn)為終點(diǎn)的行進(jìn)路線;二是起始點(diǎn)相反。從結(jié)果路線來看，兩者規(guī)劃出的路線并不相同，雖然看起來起點(diǎn)終點(diǎn)并未移動(dòng)，但該段道路是有中央隔離帶的城市主干道，在數(shù)據(jù)庫中用單方向雙線道路表示，從起點(diǎn)出發(fā)，必須達(dá)到交通路口才可能轉(zhuǎn)彎或掉頭，因此形成了這一狀況，而現(xiàn)實(shí)證明，2條路徑規(guī)劃結(jié)果符合道路網(wǎng)絡(luò)實(shí)際要求。劃方案，并為方案排序，按成本從低到高返回結(jié)果，便于用戶進(jìn)行統(tǒng)籌派車。

圖6 多點(diǎn)路徑規(guī)劃結(jié)果Fig.6 Path planning results between multi-points

4 結(jié)語

本文針對(duì)快速開展消防救援的需要，以上海交通的實(shí)際情況出發(fā)，從系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)庫建設(shè)及算法設(shè)計(jì)方面介紹了消防地理信息系統(tǒng)中路徑規(guī)劃的設(shè)計(jì)方案，并予以實(shí)驗(yàn)展示。在接到火災(zāi)報(bào)警時(shí)，能夠及時(shí)完成多支救援小組到著火點(diǎn)的路徑規(guī)劃，并進(jìn)行排序返回，便于合理配置;對(duì)于各支救援小組，則可以根據(jù)自己所在位置規(guī)劃到著火點(diǎn)的具體路徑，方便行動(dòng)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果和具體應(yīng)用上來看，符合消防救援路徑規(guī)劃的要求。結(jié)合大型艦船實(shí)際情況和條件限制，如通道設(shè)計(jì)、救援優(yōu)先級(jí)、火災(zāi)類型、損管應(yīng)急預(yù)案等，改進(jìn)和完善算法，可有效實(shí)現(xiàn)艦上人員最快、最優(yōu)直達(dá)火災(zāi)區(qū)域?qū)嵤缁鹁仍哪繕?biāo)。

［1］管光東.海戰(zhàn)·事故·艦船破損［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1997.

［2］公安部消防局編.中國(guó)消防年鑒.2012［M］.北京:中國(guó)人事出版社，2012.

［3］朱霽平，茍永華，廖光煊.城市火災(zāi)撲救調(diào)度的最佳路徑分析［J］.火災(zāi)科學(xué)，2002，11(4):201－205.