基于A*算法的智能疏散系統(tǒng)＊

李橙，易勝峰，陳瑋烜，鄧佑雄，李瑋

基于A*算法的智能疏散系統(tǒng)＊

李橙1，易勝峰1，陳瑋烜1，鄧佑雄2，李瑋1

（1.四川大學(xué)電子信息學(xué)院，四川 成都 610065；2.深圳康佳信息網(wǎng)絡(luò)有限公司，廣東 深圳 518000）

目前大型商場、生產(chǎn)大樓、寫字樓人流密度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在火災(zāi)等場景下，單一、傳統(tǒng)的疏散方案很可能造成重大財產(chǎn)損失與人員傷亡。提出了一種智能疏散系統(tǒng)，通過基于算法的疏散路徑生成算法，根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)和火災(zāi)的具體情況進(jìn)行疏散路徑規(guī)劃，高效地疏散人群。與傳統(tǒng)疏散方案相比，能夠大大提高疏散系統(tǒng)的安全性、可靠性，有效地減少災(zāi)害造成的損失。

應(yīng)急疏散；火災(zāi)疏散；智能消防；路徑規(guī)劃

1 引言

自2017年以來，國家公安部消防局已多次在各會議和通知中表示要建設(shè)智慧消防，強(qiáng)化高層建筑火災(zāi)防控工作, 推動“傳統(tǒng)消防”向“現(xiàn)代消防”轉(zhuǎn)變，推動消防工作科技化、信息化、智能化[1]。在國家的政策驅(qū)動下，智能消防的前景日益廣闊。

隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，大型商場、生產(chǎn)大樓、寫字樓等大型建筑物越來越多。此類大型建筑物由于人流密度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在發(fā)生火災(zāi)時疏散難度較大，因此火災(zāi)發(fā)生時的應(yīng)急疏散措施顯得尤為重要[2]。然而，國內(nèi)現(xiàn)今已有的火災(zāi)疏散方式大多采用單一的指向安全通道簡單提示及簡單的警報響鈴，此種疏散方式在能見度不高、濃煙密布、場面混亂的現(xiàn)實(shí)火場無法提供明確的疏散指示，并且無法根據(jù)建筑中不同位置區(qū)域的火場情況進(jìn)行靈活變通，往往無法對人群起到良好有序的疏散指示作用。

針對上述問題，本文提出了一種智能疏散系統(tǒng)，在建筑物發(fā)生火災(zāi)時，利用算法實(shí)時規(guī)劃最優(yōu)疏散路徑，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)及起火點(diǎn)分布情況，對不同區(qū)域通過應(yīng)急廣播和有方向指示的疏散指示燈進(jìn)行針對性疏散提示，從而達(dá)到快速、靈活、高效地疏散人群與減少人員傷亡、財產(chǎn)損失的目的。

2 智能疏散系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、控制主機(jī)、指揮發(fā)布模塊、應(yīng)急可視化平臺、備用應(yīng)急電源組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，數(shù)據(jù)采集模塊收集火場信息與安全疏散信息，將數(shù)據(jù)傳入控制主機(jī)，控制主機(jī)經(jīng)過數(shù)據(jù)分析后規(guī)劃最佳逃生路徑并開啟備用電源，同時控制指揮發(fā)布系統(tǒng)中的應(yīng)急疏散燈具與應(yīng)急疏散廣播分別進(jìn)行疏散路徑方向指示與MP3疏散語音指示，并由指揮發(fā)布模塊通過GPRS將應(yīng)急疏散信息上傳消防部門，以便消防部門有針對性地采取更高效的疏散與救援手段。此外，應(yīng)急可視化平臺將應(yīng)急疏散情況可視化，方便實(shí)時進(jìn)行人機(jī)交互指揮人群。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)平時可作樓宇的背景音樂與廣播系統(tǒng)，播出背景音樂、話筒廣播等。并可根據(jù)背景音樂與廣播系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行日常維護(hù)。此外，本系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)實(shí)時巡檢功能，為隨時可能發(fā)生的應(yīng)急事件運(yùn)行提供了保障。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計前提

應(yīng)根據(jù)具體建筑物確定的建筑物地圖進(jìn)行硬件設(shè)計。對本系統(tǒng)所應(yīng)用建筑物進(jìn)行合理的區(qū)域劃分與疏散通道確定，并將各區(qū)域與各疏散通道進(jìn)行編號，同時將數(shù)據(jù)采集模塊與指揮發(fā)布模塊中各部件進(jìn)行編號，各部件編號須一一對應(yīng)，以便系統(tǒng)控制。建筑物地圖應(yīng)包括建筑物中各區(qū)域與各疏散通道的位置及對應(yīng)編號、數(shù)據(jù)采集模塊與指揮發(fā)布模塊包含部件的位置及對應(yīng)編號。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊由煙霧傳感器、火焰探測器、攝像頭、人流量計數(shù)器、消防聯(lián)動接口組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。本系統(tǒng)采用MQ-2型煙霧傳感器，其適用于煙霧、液化氣、苯、烷、酒精、氫氣等多種氣體的探測，具有靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、壽命長、驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點(diǎn)[3]，因此被廣泛應(yīng)用于煙霧、可燃?xì)怏w的探測。本系統(tǒng)采用紫外火焰探測器，其是一種對明火中的紫外輻射響應(yīng)的火焰探測器。攝像頭可將建筑物中各區(qū)域與疏散通道的圖像進(jìn)行實(shí)時記錄和上傳，用于實(shí)時指揮與監(jiān)控，人流量計數(shù)器用于統(tǒng)計建筑物中各區(qū)域與疏散通道的人流量。數(shù)據(jù)采集模塊中的煙霧傳感器與火焰探測器用于監(jiān)測建筑物中的煙霧、火焰情況，消防聯(lián)動接口接收來自消防部門等上級應(yīng)急部門的包括火災(zāi)、地震或其他應(yīng)急安全事件在內(nèi)的安全疏散信息，并將火場數(shù)據(jù)與安全疏散信息傳入控制主機(jī)。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)框圖

3.3 控制主機(jī)

控制主機(jī)采用STC15W4K48S4芯片，該芯片具有8通道10位高速AD、四組完全獨(dú)立的高速異步串行通信端口，具有抗干擾能力強(qiáng)、低功耗、易于拓展等特點(diǎn)。

應(yīng)事先將建筑物每層的結(jié)構(gòu)框圖導(dǎo)入控制主機(jī)中，每層的結(jié)構(gòu)框圖包括建筑物中各區(qū)域及疏散通道的位置及對應(yīng)編號、數(shù)據(jù)采集模塊與指揮發(fā)布模塊包含部件的位置及對應(yīng)編號信息的矩陣。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，控制主機(jī)接收來自數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，規(guī)劃各區(qū)域最佳疏散路徑，最佳疏散路徑指對各區(qū)域人群在可安全通往出口的前提下以最短路徑向樓宇外疏散或在樓宇出口無法抵達(dá)情況下向火焰、煙霧較少的區(qū)域疏散，同時打開備用應(yīng)急電源，為數(shù)據(jù)采集模塊與指揮發(fā)布模塊供電，然后控制指揮發(fā)布模塊對人群進(jìn)行最優(yōu)疏散路徑指示。此外，控制主機(jī)還按照優(yōu)先級從高到低依次為上級應(yīng)急信息、話筒音源、疏散警報、背景音樂的順序進(jìn)行音源切換，并選擇當(dāng)前音源中優(yōu)先級最高的音源在指揮發(fā)布模塊中進(jìn)行發(fā)布。

3.4 指揮發(fā)布模塊

指揮發(fā)布模塊由應(yīng)急疏散指示燈具、應(yīng)急廣播系統(tǒng)、GPRS模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。應(yīng)急廣播系統(tǒng)由應(yīng)急廣播揚(yáng)聲器與語音模塊組成。應(yīng)急疏散燈具為帶有方向指示的應(yīng)急照明燈。語音模塊采用JQ8400型號，其芯片能夠靈活地更換SPI-flash內(nèi)的語音內(nèi)容，省去了傳統(tǒng)語音芯片需要安裝上位機(jī)更換語音的麻煩，將SPI-flash模擬成U盤，既方便又能滿足應(yīng)急疏散廣播的需要[4]。GPRS通信技術(shù)具有傳輸速率快、傳輸距離遠(yuǎn)、組網(wǎng)簡單等特點(diǎn)，控制主機(jī)通過串口與GPRS模塊通信，將系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)，快速將安全疏散信息上傳至消防部門。

圖3 指揮發(fā)布模塊結(jié)構(gòu)框圖

3.5 應(yīng)急可視化平臺

應(yīng)急可視化平臺結(jié)構(gòu)如圖4所示。應(yīng)急可視化平臺為一種人機(jī)交互軟件，與控制主機(jī)聯(lián)動，包括顯示屏，可將應(yīng)急疏散情況可視化。將建筑物地圖導(dǎo)入控制主機(jī)后，控制主機(jī)將會根據(jù)各傳感器、攝像頭反饋的信息在建筑物地圖上標(biāo)示建筑物中各區(qū)域與疏散通道的著火情況、應(yīng)急疏散指示燈具與應(yīng)急廣播系統(tǒng)的實(shí)時巡檢情況，并顯示在應(yīng)急可視化平臺顯示屏上。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的攝像頭還會將建筑物中各區(qū)域與疏散通道的圖像實(shí)時傳回顯示屏，必要時可通過話筒直接指揮各區(qū)域疏散人群。

圖4 應(yīng)急可視化平臺結(jié)構(gòu)框圖

3.6 備用應(yīng)急電源

備用應(yīng)急電源可以由控制主機(jī)控制，在系統(tǒng)未檢測到著火時關(guān)閉，檢測到著火時由控制主機(jī)打開，用于給數(shù)據(jù)采集模塊與指揮發(fā)布模塊供電，也可以在市電停電時，自動向數(shù)據(jù)采集模塊與指揮發(fā)布模塊供電，防止因火災(zāi)導(dǎo)致斷電影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在本系統(tǒng)軟件設(shè)計中，核心流程為：系統(tǒng)監(jiān)測建筑內(nèi)的火場情況，將傳感器檢測的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)閾值比較，出現(xiàn)異常時立即獲取對應(yīng)位置，利用算法得到各區(qū)域與各疏散通道人群的最佳疏散路徑，然后控制指揮發(fā)布模塊進(jìn)行指示。系統(tǒng)軟件設(shè)計核心部分流程和系統(tǒng)整體方法流程分別如圖5和圖6所示。

本系統(tǒng)采用A*算法實(shí)現(xiàn)最佳疏散路徑的規(guī)劃，A*算法是一種計算圖的最短路徑算法，得益于其啟發(fā)式搜索的特性，搜索速度快、效率高[5]。在本系統(tǒng)所應(yīng)用建筑物中，所有的安全出口和疏散通道連接構(gòu)成為一個圖，則可由A*算法實(shí)現(xiàn)最佳疏散路徑的規(guī)劃。

5 結(jié)束語

基于A*算法的智能疏散系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)安全疏散的基本原則和科學(xué)的理論基礎(chǔ)，能夠在火災(zāi)發(fā)生時快速規(guī)劃最優(yōu)疏散路徑，指揮人群快速、高效地疏散，并能夠以指示燈、語音提示、話筒實(shí)時等多種方式進(jìn)行疏散指示，可靈活應(yīng)對多種復(fù)雜的火災(zāi)現(xiàn)場情況，并且能夠?qū)崿F(xiàn)與上級消防部門聯(lián)動，具有很強(qiáng)的系統(tǒng)整體性與實(shí)用性。本智能疏散系統(tǒng)集監(jiān)測、控制、通信、管理為一體，相較于國內(nèi)外現(xiàn)有的疏散系統(tǒng)而言有更強(qiáng)的穩(wěn)定性和更高的實(shí)用性，在眾多應(yīng)用場景中都能夠有廣泛的運(yùn)用，能夠?qū)ξ磥碇袊鴮?shí)現(xiàn)消防智能疏散指示提供一定的參考。

圖5 軟件設(shè)計核心部分流程圖

圖6 系統(tǒng)整體方法流程圖

［1］關(guān)于全面推進(jìn)“智慧消防”建設(shè)的指導(dǎo)意見［J］.中國消防，2017（21）：61-64.

［2］胡兵.集中控制型消防應(yīng)急疏散系統(tǒng)研究與設(shè)計［D］.南昌：東華理工大學(xué)，2015.

［3］嚴(yán)琳.基于單片機(jī)的家庭安防報警器的設(shè)計［J］.數(shù)字化用戶，2018，24（2）：36.

［4］冷志萍.堆場環(huán)境下的海關(guān)智能查驗車的應(yīng)用開發(fā)［D］.鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2019.

［5］羅漢杰，林義尚，周杰，等.基于A*算法的無人機(jī)路徑規(guī)劃研究及分析［J］.現(xiàn)代計算機(jī)，2020（18）：45-49.

2095－6835（2020）24－0042－03

TU892

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.24.013

李橙（2000—），女，四川大學(xué)本科在讀。

李瑋（1982—），女，博士，副教授，研究方向為激光光束質(zhì)量與超連續(xù)譜激光。

四川大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（編號：202010610046）；四川大學(xué)2017年電子信息學(xué)院教學(xué)改革研究項目（編號：12）；四川大學(xué)第二批研究生課程建設(shè)項目（編號：2016KCJS109）

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕