基于群體自適應(yīng)的智能樓宇火災(zāi)救難系統(tǒng)

(馬鞍山師范高等專(zhuān)科學(xué)校軟件工程系，安徽 馬鞍山 243041)

0 引 言

場(chǎng)景一：智能樓宇內(nèi)部安裝了防災(zāi)設(shè)備和系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都在專(zhuān)門(mén)軟件運(yùn)行之下發(fā)揮作用。軟件的核心功能就是偵測(cè)煙霧、溫度、濕度等數(shù)據(jù)，并判斷是否發(fā)生火災(zāi)，如果確定為火災(zāi)則在第一時(shí)間內(nèi)開(kāi)啟響應(yīng)流程，包括自動(dòng)打開(kāi)滅火器、開(kāi)啟消防水栓等。消防系統(tǒng)在工作中通常更多地依靠有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。但是現(xiàn)實(shí)中火災(zāi)也會(huì)損壞傳輸線路和防災(zāi)設(shè)備，另外線路和設(shè)備自身也存在老化問(wèn)題，從而中斷防災(zāi)系統(tǒng)的工作。此時(shí)，需要傳感器主動(dòng)開(kāi)啟無(wú)線網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到無(wú)線工作模式，繼續(xù)實(shí)施自動(dòng)救災(zāi)。

在上述場(chǎng)景中，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，如果線路老化或部分設(shè)備出現(xiàn)故障，導(dǎo)致有線傳輸網(wǎng)絡(luò)不通、系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行，此時(shí)只是等待救援人員來(lái)維修以恢復(fù)系統(tǒng)，將會(huì)錯(cuò)失最佳救援時(shí)機(jī)。智能樓宇火災(zāi)救難系統(tǒng)必須具備一定的自適應(yīng)能力[1]，能夠感知火災(zāi)的發(fā)生，當(dāng)線路或設(shè)備失效時(shí)能夠主動(dòng)進(jìn)行重配置，啟用新的工作模式，確保能及時(shí)開(kāi)展救災(zāi)。

1 群體自適應(yīng)有關(guān)概念

1.1 自適應(yīng)及自適應(yīng)軟件

自適應(yīng)(Self-Adaption)，在軟件工程領(lǐng)域，是指軟件在投入運(yùn)行的過(guò)程中能自我感知環(huán)境的變化、需求的變更和自身狀態(tài)的改變，對(duì)感知的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析和處理，對(duì)比常態(tài)下的數(shù)據(jù)，在二者不一致或在超過(guò)閾值時(shí)，對(duì)軟件本身結(jié)構(gòu)或行為進(jìn)行調(diào)整，或者啟動(dòng)軟件新的工作模式，繼續(xù)保持運(yùn)行狀態(tài)，從而滿足用戶要求的功能和性能，或完成既定的任務(wù)。自適應(yīng)軟件(Self-Adaptive Software)，是指具有自適應(yīng)能力的軟件系統(tǒng)。在整個(gè)軟件生命周期中，自適應(yīng)軟件能夠通過(guò)檢測(cè)用戶需求的調(diào)整、周?chē)h(huán)境的變化、以及軟件自身的缺陷或錯(cuò)誤，啟動(dòng)新的工作模式，或調(diào)整軟件的行為和結(jié)構(gòu)，使得軟件保持在運(yùn)行狀態(tài)，并適應(yīng)內(nèi)部和外部的變化。動(dòng)態(tài)自適應(yīng)軟件在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，能夠不依靠外力而僅僅通過(guò)自身行為和結(jié)構(gòu)的調(diào)整，來(lái)適應(yīng)用戶需求變更、運(yùn)行環(huán)境變化，并不斷修正自身缺陷以提高系統(tǒng)的可信度[2]。

1.2 個(gè)體自適應(yīng)和群體自適應(yīng)

隨著網(wǎng)絡(luò)的普及，大部分軟件都是網(wǎng)構(gòu)軟件(基于Internet(互聯(lián)網(wǎng))的軟件)，朝著并行、異構(gòu)的和分布式的方向發(fā)展。在分布式計(jì)算環(huán)境下，系統(tǒng)是由一個(gè)個(gè)結(jié)點(diǎn)構(gòu)成的。結(jié)點(diǎn)可以是軟件組件，也可以是硬件設(shè)備。個(gè)體自適應(yīng)指的是只涉及到單個(gè)結(jié)點(diǎn)的自適應(yīng)。也就是說(shuō)個(gè)體自適應(yīng)僅僅限于單個(gè)結(jié)點(diǎn)范圍。群體自適應(yīng)指的是涉及到多個(gè)結(jié)點(diǎn)的自適應(yīng)。群體自適應(yīng)由多個(gè)結(jié)點(diǎn)相互配合完成，這些結(jié)點(diǎn)具有相近的結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理，也可能具有不同的工作目標(biāo)和管理策略。

2 群體自適應(yīng)研究方法

2.1 Auxo模型

Auxo模型是一種軟件自適應(yīng)概念模型，它既涵蓋了個(gè)體自適應(yīng)又包含了群體自適應(yīng)，特殊情況下還允許第三方對(duì)軟件的自適應(yīng)能力進(jìn)行在線調(diào)整，以滿足環(huán)境開(kāi)放和行為異構(gòu)[3]。

軟件自適應(yīng)基本周期中，個(gè)體層面上的直接映射就是Auxo個(gè)體自適應(yīng)過(guò)程，包括由環(huán)境和狀態(tài)感知引起的個(gè)體決策以及由參數(shù)或結(jié)構(gòu)調(diào)整引起的個(gè)體決策。在這兩個(gè)過(guò)程中，分別對(duì)應(yīng)環(huán)境和狀態(tài)數(shù)據(jù)以及行為調(diào)整動(dòng)作。Auxo個(gè)體自適應(yīng)過(guò)程如圖1所示。

圖1 Auxo個(gè)體自適應(yīng)過(guò)程

軟件自適應(yīng)基本周期中，在個(gè)體自適應(yīng)過(guò)程基礎(chǔ)之上，引入群體感知和群體決策等來(lái)對(duì)個(gè)體行為進(jìn)行改變，獲取群體狀態(tài)和環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)群體自適應(yīng)。所以，群體自適應(yīng)離不開(kāi)個(gè)體自適應(yīng)，只有發(fā)生個(gè)體自適應(yīng)才能實(shí)現(xiàn)群體自適應(yīng)。Auxo群體自適應(yīng)過(guò)程如圖2所示。

圖2 Auxo群體自適應(yīng)過(guò)程

2.2 群體自適應(yīng)在火災(zāi)救難系統(tǒng)中的解決方案

場(chǎng)景二：當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，智能樓宇內(nèi)部的火災(zāi)救難系統(tǒng)提供如下救災(zāi)支持：支持一，消防員攜帶平板電腦、智能手機(jī)等移動(dòng)終端進(jìn)入火災(zāi)樓宇，這些移動(dòng)終端立即顯示出建筑物結(jié)構(gòu)圖、建筑設(shè)計(jì)圖、建筑材料強(qiáng)度信息、火源點(diǎn)、安全出口路線等信息，同時(shí)設(shè)備快速計(jì)算并顯示當(dāng)前最安全和最高效的搜索路線；支持二，消防員的移動(dòng)終端在此時(shí)可以作為系統(tǒng)中的結(jié)點(diǎn)，發(fā)揮無(wú)線鏈路和中繼的作用，能夠隨人員移動(dòng)而改變顯示信息，從而快速收集安防系統(tǒng)無(wú)法覆蓋的區(qū)域信息。

圖3 智能樓宇火災(zāi)救難系統(tǒng)

圖4 參數(shù)調(diào)整的ThresholdAdjust策略連接子

圖5 結(jié)構(gòu)調(diào)整的FloorSelection策略連接子

消防員移動(dòng)終端上的軟件自適應(yīng)就是個(gè)體自適應(yīng)，這種個(gè)體自適應(yīng)能夠通過(guò)加載某些組件或構(gòu)件來(lái)對(duì)自身進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)每個(gè)消防員移動(dòng)終端都加入到智能樓宇系統(tǒng)中時(shí)，就構(gòu)成一個(gè)較大的群體，其實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)就是群體自適應(yīng)。每個(gè)個(gè)體自適應(yīng)都是群體自適應(yīng)有機(jī)組成部分。基于Auxo概念模型的實(shí)現(xiàn)以上群體自適應(yīng)過(guò)程如下：

(1)當(dāng)消防員進(jìn)入智能樓宇時(shí)，群體感知環(huán)節(jié)立即檢測(cè)到這一行為。

(2)群體自適應(yīng)設(shè)備立即做出群體聚合決策，邀請(qǐng)進(jìn)入智能樓宇的每個(gè)消防員移動(dòng)終端加入到群體。

(3)進(jìn)入智能樓宇的消防員移動(dòng)終端收到群體自適應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施所發(fā)通知，可以通過(guò)個(gè)體決策接受加入群體的邀請(qǐng)。

(4)進(jìn)入智能樓宇的消防員移動(dòng)終端從群體自適應(yīng)設(shè)備處獲取必要的組件或構(gòu)件，同時(shí)通過(guò)執(zhí)行結(jié)構(gòu)適應(yīng)動(dòng)作以加載這些組件或構(gòu)件，最終成為智能樓宇救災(zāi)系統(tǒng)中的成員。

3 智能樓宇火災(zāi)救難實(shí)驗(yàn)

在場(chǎng)景一和場(chǎng)景二描繪的情形基礎(chǔ)之上，進(jìn)行智能樓宇火災(zāi)救難實(shí)驗(yàn)。通過(guò)進(jìn)入樓宇的消防員所攜帶的PDA(Personal Digital Assistant，又稱(chēng)為掌上電腦)、智能手機(jī)和筆記本電腦，以及分布在樓宇各處的基于iMote2高性能無(wú)線智能傳感器等多種異構(gòu)設(shè)備，裝載設(shè)備運(yùn)行軟件，搭建了模擬的智能樓宇火災(zāi)救難系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)從多個(gè)角度驗(yàn)證Auxo自適應(yīng)概念模型對(duì)個(gè)體自適應(yīng)和群體自適應(yīng)的支持。

3.1 場(chǎng)景搭建和自適應(yīng)行為

智能樓宇火災(zāi)救難系統(tǒng)模擬場(chǎng)景：當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，樓宇各處的煙霧濃度和溫度等數(shù)據(jù)由安裝在樓宇多個(gè)位置的高性能智能傳感器iMote2實(shí)時(shí)收集。樓宇內(nèi)每個(gè)樓層都安裝有火警上下文聚合結(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)匯總各個(gè)智能傳感器iMote2收集的數(shù)據(jù)。樓宇中央服務(wù)器根據(jù)上下文聚合結(jié)點(diǎn)匯總的數(shù)據(jù)計(jì)算出當(dāng)前火災(zāi)發(fā)生的概率。如果火災(zāi)發(fā)生的概率超過(guò)閾值，則判斷為發(fā)生火災(zāi)，樓宇中央服務(wù)器立即發(fā)出警報(bào)，開(kāi)啟火警燈。同時(shí)，樓宇中央服務(wù)器給當(dāng)前進(jìn)入樓內(nèi)的每名人員所攜帶的智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備發(fā)送相應(yīng)告警信息。當(dāng)消防員進(jìn)入樓宇后，通過(guò)查看其所攜帶的PDA，就可以準(zhǔn)確知道樓宇火災(zāi)發(fā)生的具體地點(diǎn)。PDA上還會(huì)顯示樓內(nèi)建筑物相關(guān)信息，便于有效實(shí)施救災(zāi)和逃生。智能樓宇火災(zāi)救難系統(tǒng)所模擬的場(chǎng)景如圖3所示。

智能樓宇火災(zāi)救難系統(tǒng)涉及到的軟件自適應(yīng)行為包括群體聚合、環(huán)境驅(qū)動(dòng)的參數(shù)調(diào)整和狀態(tài)驅(qū)動(dòng)的參數(shù)調(diào)整，具體如表1所示。

表1 智能樓宇火災(zāi)救難系統(tǒng)自適應(yīng)行為

3.2 基于Auxo軟件框架的實(shí)現(xiàn)

表1中自適應(yīng)行為通過(guò)如下方式實(shí)現(xiàn)：

(1)群體聚合

系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中一直在監(jiān)視是否有消防員或工作人員進(jìn)入智能樓宇。當(dāng)消防員或其他工作人員進(jìn)入智能樓宇時(shí)，其所攜帶的智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備將自動(dòng)加入到智能樓宇火災(zāi)救難系統(tǒng)中，這一過(guò)程是通過(guò)運(yùn)行于移動(dòng)設(shè)備之上的Auxo單元實(shí)現(xiàn)的，它向智能中央服務(wù)器注冊(cè)所發(fā)現(xiàn)服務(wù)，邀請(qǐng)其加入到智能樓宇火災(zāi)救難系統(tǒng)中。

(2)環(huán)境驅(qū)動(dòng)的參數(shù)調(diào)整

iMote2智能傳感器上運(yùn)行有濕度和溫度感知構(gòu)件，ThresholdAdjust策略連接子將該構(gòu)件名為與SmartBuildingController的構(gòu)件綁定在一起，綁定是通過(guò)構(gòu)件的行為調(diào)整端口進(jìn)行，有效實(shí)現(xiàn)依據(jù)當(dāng)前濕度和濕度等環(huán)境參數(shù)值調(diào)整火警閾值。實(shí)現(xiàn)參數(shù)調(diào)整的ThresholdAdjust策略連接子如圖4所示：

(3)狀態(tài)驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)調(diào)整

Floor1構(gòu)件是否可用或失效需要定期檢查，這一過(guò)程是由FloorSelection策略連接子來(lái)執(zhí)行的。如果Floor1構(gòu)件失效，系統(tǒng)就會(huì)建立從FireDetector到Floor2構(gòu)件的連接。實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)調(diào)整的FloorSelection策略連接子如圖5所示：

4 結(jié) 論

之前的自適應(yīng)軟件研究大多集中于單個(gè)結(jié)點(diǎn)上軟件如何實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)。然而，在分布式計(jì)算環(huán)境下，既需要了解個(gè)體自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)方式，又需要掌握群體自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)方式。在智能樓宇火災(zāi)救難場(chǎng)景中，借助Auxo軟件自適應(yīng)模型，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自適應(yīng)性：智能樓宇火災(zāi)救難系統(tǒng)通過(guò)傳感器收集的數(shù)據(jù)，匯總到各樓層上下文聚合結(jié)點(diǎn)，智能樓宇中央服務(wù)器判斷出是否發(fā)生火災(zāi)，當(dāng)感知到火災(zāi)發(fā)生，如果自身線路和設(shè)備失效，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行重配置，啟動(dòng)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，盡可能保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，最終達(dá)到自動(dòng)救災(zāi)的目的。