基于傳感網的火災逃生智能路徑選擇

任 偉 張金偉

（安徽理工大學 計算機科學與工程學院，安徽 淮南232001）

0 引言

目前，由于高層建筑和大型商務場所人口密集，建筑物內部的構造相對復雜，一旦發生火災，人們在建筑物內向外逃生的難度將大大增加。利用傳感網技術為人們提供一個相對安全的逃生路徑，也可為相關營救部門提供一個準確的營救坐標。當面臨火災緊急情況時，增強逃生人員對自身所處環境態勢的感知范圍是十分重要的，這將有助于減少逃生人員的緊張情緒，降低高層建筑和大型商務場所火災時的傷亡的人數。

1 無線傳感網基本概念

無線傳感器網絡 (Wireless Sensor Network，WSN)，是以數據為中心，集處理與通信功能于一體的分布式自組織網絡。傳感網能夠實時監測和采集網絡分布區域內各種檢測對象的信息，并將這些信息發送到網關節點，以實現復雜的指定范圍內目標檢測與跟蹤，具有快速展開，抗毀性強等特點[1]。

無線傳感器網絡的任務是利用傳感器節點來監測節點周圍的環境，收集相關數據，然后通過無線收發裝置采用多跳路由的方式將數據發送給匯聚節點，再通過匯聚節點將數據傳送到用戶端，從而達到對目標區域的監測。它綜合了計算技術、通信技術及傳感器技術，能夠通過各類集成化的微型傳感器協作地實時監測、感知和采集各種環境信息或被監測對象的信息，這些信息以無線方式傳送，并以自組多跳的網絡方式傳送到用戶終端，從而實現物理世界、計算機世界及人類社會三元世界的連通[2]。

火災危險發生時，建筑物內的電路、網絡設備都很可能會發生中斷，慌亂中人們無法使用手機等智能設備搜索逃生路徑，所以有效的解決辦法是采用克服環境限制的獨立設備，能夠自組網絡、動態更新著火點信息，及時對安全位置給予引導，指示出逃生的最佳路徑。所以將無線傳感網應用于此具有非常重要的意義。

2 路徑選擇算法

解決火災逃生時的智能路徑問題，需要解決三方面問題，分別是火災危險檢測、逃生路徑的搜索和逃生路徑的指示[3]。

2.1 危險檢測

智能路徑選擇系統首先需要對火災危險信號進行定義，之后才能根據檢測到的信號進行危險等級的評估。常見火災危險包括火焰、高溫、煙霧、和CO等有毒氣體，通過傳感器檢測火焰有無，溫度高低，煙霧濃度和有毒氣體濃度，對各個危險信號進行分級。

在檢測危險時，火焰分為兩級，有火焰是的最大值和無火焰的最小值；高溫，煙霧和有毒氣體分為四級，在進行危險評估時，取危險級別最高的信號作為最終危險等級。路徑上節點的危險等級就決定了路徑是否可以逃脫。

在火災發生時，就是要選擇避開危險的路徑，或是危險等級相對低的路徑逃生。

2.2 路徑搜索算法

布置在建筑物內的大量傳感節點構成了傳感網絡，逃生路徑在網絡中表現為從一個節點出發到出口節點的聯通樹，樹的根節點就是該出口節點。當實際建筑中存在多個逃生出口，算法也會生成多個相互獨立不交叉的樹，同樣每個節點都是選擇了對于該節點最佳的逃生出口所在的樹[4]。

逃生路徑的搜索過程即被抽象為傳感網絡連通樹的搜索過程，而搜索的目標是盡可能尋找一條安全快速到達出口位置的路徑，可以抽象為從當前節點到達出口節點的距離最短并且危險等級最低的通路。每個節點都有到達出口節點（根節點）都有表示從自己逃生的最小代價值，這個值由到達出口的最短距離和最大危險等級決定。在系統初始化時，除了根節點之外所有的節點都為最大值（無窮大），而根節點的代價為0。

任意一個非根節點的代價，根據代價函數計算得出，是到它所有相鄰節點的代價的最小值，并以此來決定該節點的父節點。所有非根節點都使用該方法搜索自己的父節點并計算逃生代價，最終生成一顆完整的逃生樹。

當逃生樹穩定時，節點定時發送心跳消息包，確認網絡中其他節點狀態正常，防止節點故障導致網絡失效。

如果有節點的危險等級發生變化，或者發現父節點丟失等網絡狀態改變的情況，該節點重新計算自己的逃生代價，并通知其相鄰節點更新鏈路，重新執行搜索算法，生成新的逃生路徑樹。

上述搜索算法的搜索過程依賴最小逃生代價值，這個值隨著樹的深度增長不斷變大，不會產生回路；當局部狀態發生改變時可以及時更新，并且只需要更新受影響的部分。當網絡中的某些節點失效是也可以很快被其子節點檢測出來從而避免網絡故障。

2.3 逃生路徑指示

當節點搜索到逃生路徑樹之后需要顯示在逃生路徑上，為逃生人員做出指示。節點搜索到其父節點之后，就會點亮父節點所在方向的LED燈，表示沿這個方向就是能夠到達出口的可行路徑。

3 結語

本文通過對各種傳感器節點采集的危險信號分析，計算出危險等級低的最佳逃生路徑，最終快速確定安全逃生指示。研究對于火災時的人員疏散和快速救援有重要意義。

［1］孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網絡[M].北京：清華大學出版社，2005，3－5.

［2］劉志.基于分環多跳的無線傳感網分簇路由算法[J].通信學報,2008,3.

［3］唐勇，周明天，張欣.無線傳感器網絡路由協議研究進展[J].軟件學報,2006,17.

［4］劉阿娜，于宏毅，等.無線傳感器網絡 MAC 協議研究[J].電信科學，2008，24.