基于物聯(lián)網(wǎng)的自然災害下遠程報警與傷員疏散指揮系統(tǒng)

汪 海，王羽中，汪 源

(1.安徽潤谷網(wǎng)絡科技有限公司，安徽 安慶246001；2.北京天目創(chuàng)新科技有限公司，北京100083)

泥石流、洪澇與干旱等自然災害給人類帶來生命和財產的巨大損失。因此，需要根據(jù)地理位置與天氣現(xiàn)象等相關復雜數(shù)據(jù)，對自然災害進行分析與監(jiān)控。當前監(jiān)控設備只能實現(xiàn)小區(qū)域監(jiān)控，物聯(lián)網(wǎng)技術的出現(xiàn)，為自然災害的監(jiān)控、預警和指揮控制提供了有效途徑?？赏ㄟ^物聯(lián)網(wǎng)的感知網(wǎng)絡進行感知、傳輸網(wǎng)絡實行傳輸以及應用網(wǎng)絡實行詳細的監(jiān)控指揮。目前針對監(jiān)控系統(tǒng)的設計，已有很多相關學者得出了一些有意義的研究結果，但都存在一定的問題，如張劍龍等[1]設計的3G和WiFi的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)傳輸路徑以網(wǎng)絡為主，但是，在自然災害干擾網(wǎng)絡的情況下，系統(tǒng)穩(wěn)定性較低。李量等[2]設計區(qū)域中心模式下AFC設備監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)忽略大數(shù)據(jù)沖擊的情況，導致系統(tǒng)對災區(qū)的監(jiān)控有效性較低。呂海東等[3]設計采用低價的樹莓派嵌入式計算機、異步非阻塞服務器平臺Node.js和集群技術設計全新的過程監(jiān)控系統(tǒng)，具有較高的性能，但是監(jiān)控過程中，服務器數(shù)據(jù)傳輸過于繁瑣，導致時效性不強。

針對相關研究的弊端，本文設計一種新的自然災害下遠程報警物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，從硬件和軟件兩方面著手[4]，實現(xiàn)自然災害的有效預警與監(jiān)控。

1 自然災害下遠程報警物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)硬件設計

在物聯(lián)網(wǎng)的硬件環(huán)境下，系統(tǒng)主要由遠程監(jiān)控及智能判別模塊、云端配置模塊、數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊組成，工作流程為遠程監(jiān)控及智能判別模塊與數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊，將獲取的災害現(xiàn)場信息傳輸?shù)皆贫伺渲媚K，云端配置模塊根據(jù)所獲信息進行遠程報警與下達指令[5]，系統(tǒng)總體結構圖如圖1所示。

圖1 自然災害遠程報警物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)結構圖

(1)遠程監(jiān)控及智能判別模塊：該模塊的任務主要是把實時監(jiān)控到的數(shù)據(jù)、圖像等環(huán)境信息根據(jù)文字、表格、統(tǒng)計圖等方式傳輸?shù)皆贫伺渲媚K，此模塊能為用戶對比不同類別的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)結果后提取關鍵的信息[6]。模塊數(shù)據(jù)和分析結果能夠通過瀏覽器、智能移動設備APP應用、LED等多種模型呈現(xiàn)。系統(tǒng)采用標準的接口規(guī)范，數(shù)據(jù)能夠跨平臺傳輸[7]。該模塊原理圖如圖2所示。

(2)數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊：該模塊主要的任務是采集發(fā)送和傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)[8]。數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊是在自然災害產生現(xiàn)場，基于無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network，簡稱WSN)對自然災害現(xiàn)場信息和其他因素數(shù)據(jù)采集分析，并進行無線遠程發(fā)送的智能模塊[9]。數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊由ZigBee協(xié)議的傳感器網(wǎng)絡、ARM+LINUX模塊、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡通信模塊(3G無線路由模塊或GPRS模塊等有限網(wǎng)絡)等部分組成，該模塊通過ARM+LINUX與Internet對接，把數(shù)據(jù)打包發(fā)送[10]。數(shù)據(jù)采集發(fā)送流程如圖3所示。

圖2 遠程監(jiān)控及智能判別模塊結構圖

圖3 數(shù)據(jù)采集發(fā)送流程

(3)云端配置模塊：云端配置模塊作為自然災害遠程報警物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的控制終端，具有高度的自動化計算能力，可以統(tǒng)籌規(guī)劃，分析出最好的預警方案，指示用戶處理各種自然災害應急事件[11]。全部的端點站分別使用差異連接方法與云端鏈接，并匯聚到系統(tǒng)控制中心，控制中心根據(jù)功能定位的差異，為不同端點站匹配相應的設備和軟件。服務器不停的查詢目前的設備狀態(tài)，同時更新自身的數(shù)據(jù)庫，分析目前時段上應急設備的全部狀態(tài)。每個設備/系統(tǒng)/部門上傳的信息都會被服務器標識存儲在后臺磁盤里，能夠隨時調用查詢[12]。云端配置模塊的網(wǎng)絡規(guī)劃圖如圖4所示。

圖4 云端配置模塊結構圖

對于操作人員來說，全部后臺處理都具有保密性，不對外可見，操作人員遵循上級指揮中心下發(fā)的指令進行處理即可，執(zhí)行任務時的需要向云頂提出申請，系統(tǒng)中心在審核之后能夠下達回應的指令[13]。

1.2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要體現(xiàn)在傷員在災害環(huán)境下的應急疏散調度上，在硬件監(jiān)控信息的約束下，實現(xiàn)第一時間遠程調度，組織疏散救援。

(1)模型假設

模型構建中存在如下假設：

①在災害現(xiàn)場的傷員與車輛疏散過程是被動疏散，自助疏散的車流與人流忽略不計。

②在全部疏散過程里，交通未出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象。該假設是在自然災害突發(fā)以后，對受災區(qū)實行交通管制。

③疏散車輛是單一車種，也稱救護車，疏散目的地是以醫(yī)院為主。

④各輛救護車中配有RFID標簽，待處理的傷員也標有RFID標簽。所以，兩者可以實時的和調度中心進行信息溝通。A1是1輛救護車能夠疏散的重傷員數(shù)目，A2是1輛救護車能夠疏散的輕傷員數(shù)目。

A1=2A2。

(1)

⑤針對不一樣的傷員，單位疏散成本，也稱救護車把1個傷員在危險點疏散至醫(yī)院途中耗費的成本用Bu來表示，B1代表重傷員的疏散成本，B2代表輕傷員的疏散成本，且有：

B1=2B2。

(2)

⑥針對不一樣的傷員、單位滯留成本，Cu為1個傷員在受傷至救護車救援的過程里耗費的成本，Cu是隨著時間遞增的函數(shù)。C1是重傷員的單位疏散成本，C2是輕傷員的單位疏散成本，t為時段，u為傷員數(shù)量；T為所用最大時間，則有：

(3)

⑦各個疏散時段開始時，疏散車輛整體都處于空載狀態(tài)，并在醫(yī)院出發(fā)實行疏散；在各個時段，醫(yī)院的容量Yit等于或者不小于這個時段疏散出來的傷員數(shù)目，即：

(4)

⑧在各個時段，由于傷員疏散具有緊迫性，要求各車在道路(i,j)上最多停滯1回，即各車在道路(i,j)上的疏散方案最多實行1次，它的停滯次數(shù)CSm(i,j)t是0～1的變量，當中：

表1 節(jié)點與道路在各個階段的容量和傷員數(shù)量

CSm(i,j)t={1,0}。

(5)

t時段中第m輛車在道路(i,j)上停滯則CSm(i,j)t=1，否則CSm(i,j)t=0。

(2)目標函數(shù)為：

(6)

(3)目標函數(shù)的約束條件是：

(7)

(8)

F(i,j)kT=HjkT=0；

(9)

(10)

αi(t-1)+βit=Yit；

(11)

(12)

CCSm(i,j)t∈N。

(13)

其中，目標函數(shù)式(6)考量標準是全部疏散過程里的成本最小，詳細流程為：

①CCSm(i,j)t是車輛在道路路徑中停滯耗費的成本，C是常數(shù)，即救護車在道路(i,j)上停滯一次的成本；

③Cuk(Hjkt+F(i,j)kt)是道路與節(jié)點上傷員的滯留成本，當中Hjkt是t時段滯留在危險點j的第k種傷員的數(shù)目，F(xiàn)(i,j)kt是t時段滯留在道路(i,j)上的第k種傷員的數(shù)目。

對于約束公式：約束公式(7)與公式(8)分別是危險點j與道路(i,j)的傷員流量平衡，當中fikt是t時段在危險點j新出現(xiàn)的第k種傷員的數(shù)目，g(i,j)kt是t時段在道路(i,j)上新出現(xiàn)的第k種傷員的數(shù)目。約束公式(9)是疏散時全部傷員都被成功疏散。約束公式(10)是醫(yī)院容量約束，當中βit為t時段醫(yī)院i新加的容量；約束公式(11)是醫(yī)院容量平衡，約束公式(12)是單車容量約束，當中k為不一樣種類傷員使用救護車容量的系數(shù)，1=1,2=2。約束公式(13)是正數(shù)約束。

2 實驗結果分析

2.1 實驗設置

為了驗證本文系統(tǒng)的有效性，以某自然災害現(xiàn)場為實驗地點，在遠程報警物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)響應后，進行緊急疏散救治傷員。事故發(fā)生以后，傷員必須在最短時間內疏散至醫(yī)院并進行治療，并且沒有受傷人員都自主疏散完畢。因此，在疏散時，不用顧及到主動疏散的情況，其次在現(xiàn)場被有效掌控之前，傷員或許會持續(xù)增多。采用在本文系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控調度的救護車對傷員實行疏散，設定一個小規(guī)模的救援情境如圖5所示。

圖5 案例模型網(wǎng)絡示意圖

表1中，醫(yī)院容量與開始時段危險點的傷員數(shù)根據(jù)問題規(guī)模判定；其他數(shù)據(jù)是為隨機數(shù)，n1代表道路中的傷員數(shù)目，n2代表道路的容量。

2.2 仿真結果與分析

采用本文系統(tǒng)對該地的疏散結果如表2和表3所示。

表2 各時段救護車在道路上的停留次數(shù)/次

分析表2和表3可知，表2中每個時段救護車在道路上的停留次數(shù)隨著時段的增多，在時段5時僅在道路3和道路4上停留2次，其他道路上的停留為0，證明救護車的使用在逐漸減少；表3中，隨著時段的增加，危險點的滯留傷員數(shù)為0，證明每個時段的危險點滯留傷員得到全部疏散。由此可證，本文系統(tǒng)可有效對自然災害現(xiàn)場進行遠程報警和傷員疏散，具有較高的應用價值。

3 結 論

本文設計了自然災害下遠程報警與傷員疏散指揮系統(tǒng)，從硬件和軟件兩方面描述其監(jiān)控及疏散過程。實驗結果表明，所設計系統(tǒng)可有效對自然災害進行遠程報警和傷員疏散目前我國自然災害監(jiān)控還存在一定的缺陷，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)基礎建設不雄厚，規(guī)劃較為粗疏，智能化建設較少，對物聯(lián)網(wǎng)技術的使用具有一定的阻礙。

(2)基礎建設不夠先進，現(xiàn)有資源使用不夠充分。

(3)未能有效使用科技人員的信息經(jīng)驗，導致物聯(lián)信息的綜合使用不夠物盡其用。

因此，未來設計自然災害下遠程報警物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)時，應該充分考慮這些缺陷，提高自然災害下遠程報警物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控質量。