基于STM32的火災(zāi)逃生路徑動(dòng)態(tài)規(guī)劃

凌峻

摘要

針對(duì)住宅樓火災(zāi)逃生路徑無(wú)實(shí)時(shí)規(guī)劃和逃生成功率較低的情況，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的逃生路徑指示系統(tǒng)，根據(jù)傳感器對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)探測(cè)，采用改進(jìn)的多參數(shù)Dijkstra動(dòng)態(tài)優(yōu)化算法計(jì)算最短路徑，按照最優(yōu)最快原則指揮火災(zāi)逃生模擬仿真數(shù)據(jù)顯示，能改進(jìn)火災(zāi)逃生效果.

【關(guān)鍵詞】Dijkstra算法 火災(zāi)逃生 動(dòng)態(tài)規(guī)劃

1 引言

目前廣泛應(yīng)用的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，通過(guò)前端火災(zāi)報(bào)警探測(cè)器檢測(cè)煙霧濃度或溫度變化等，推斷是否發(fā)生火災(zāi)并給予警報(bào)。對(duì)于火災(zāi)逃生路徑選擇問(wèn)題，部分學(xué)者研究了平面建筑的路徑優(yōu)化算法。對(duì)于高層建筑的火災(zāi)逃生路徑選擇問(wèn)題，部分學(xué)者研究了綜合火場(chǎng)逃生系統(tǒng)設(shè)計(jì)情況。本文根據(jù)住宅樓的實(shí)際情況，使用實(shí)時(shí)路徑優(yōu)化算法，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)逃生路徑，指揮人群分散、快速、高效逃生。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前住宅樓實(shí)際情況是，逃生通道數(shù)量有限，只有一維逃生路徑指示，防火措施以及防火設(shè)施有限，逃生方式簡(jiǎn)單及逃生經(jīng)驗(yàn)缺失，嚴(yán)重依賴單向固定逃生路徑標(biāo)識(shí)，容易出現(xiàn)踩踏和堵塞事故，逃生效率低。

2.1 工作原理

在各個(gè)逃生通道特別是通道的連接處設(shè)置一維逃生標(biāo)識(shí)，可顯示左右或上下一維信號(hào)，各信號(hào)協(xié)同指示逃生路徑，例如樓梯、走廊等。在不同的環(huán)境因素運(yùn)用不同的傳感器，多套傳感器系統(tǒng)采集火場(chǎng)環(huán)境因素并匯總至單片機(jī)。單片機(jī)計(jì)算火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)逃生路徑，并將逃生信號(hào)發(fā)生至逃生標(biāo)識(shí)，通過(guò)有線或無(wú)線方式通訊上位機(jī)，接收火場(chǎng)配置變化因素。上位機(jī)結(jié)合多處數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)化分析以規(guī)劃逃生路線，以使其合理化，同時(shí)使調(diào)度人員能夠?qū)τ诨馂?zāi)環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，接收管理人員指令。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

硬件構(gòu)成：一氧化碳傳感器，監(jiān)測(cè)通道內(nèi)一氧化碳濃度是否適宜逃生;溫度/煙霧傳感器，監(jiān)測(cè)通道溫度/煙霧是否超過(guò)人體承受范圍。系統(tǒng)如圖1所示。

軟件構(gòu)成：利用單片機(jī)開(kāi)源硬件平臺(tái)結(jié)合各類傳感器，使用無(wú)線模塊完成對(duì)傳感器等數(shù)據(jù)的采集與處理，利用存儲(chǔ)的路徑規(guī)劃算法以及優(yōu)化算法，實(shí)時(shí)計(jì)算逃生路徑;使用無(wú)線路由模塊，單片機(jī)連接上位機(jī)電腦，實(shí)時(shí)顯示火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及規(guī)劃的線路信息。系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有諸多考慮。在沒(méi)有外界管理員或上位服務(wù)器輔助，傳感器連接單片機(jī)也能夠獨(dú)立自主的完成線路規(guī)劃。逃生效果計(jì)算可以實(shí)時(shí)計(jì)算逃生的人數(shù)以及逃生人群感覺(jué)效果，在計(jì)算逃生路徑時(shí)予以綜合考慮。上位機(jī)可通過(guò)多處數(shù)據(jù)整合規(guī)劃出更全面完善的逃生方案，同時(shí)監(jiān)測(cè)人員可將人為的路線規(guī)劃發(fā)送至單片機(jī)，如救援人員配備以及障礙物的破拆等因素，以使逃生路徑更加符合火場(chǎng)實(shí)際情況。

3 單片機(jī)控制下的逃生路徑實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)規(guī)劃

路徑節(jié)點(diǎn)：根據(jù)住宅樓的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將逃生路徑中的關(guān)鍵點(diǎn)作為逃生節(jié)點(diǎn)，以P_ij（0<=1，j<=n）表示，其中i表示樓層，j表示該樓層的節(jié)點(diǎn)編號(hào)。各個(gè)住宅單元，安裝火災(zāi)報(bào)警探測(cè)器，連接總控單片機(jī)，向單片機(jī)發(fā)送感應(yīng)數(shù)據(jù)，每一個(gè)出口作為一個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn);樓層的公共通道（走廊或樓梯），安裝逃生方向指示牌，接收單片機(jī)逃生方向指示信號(hào)。

節(jié)點(diǎn)的安全指數(shù)：每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)整的安全指數(shù)S_ij（0<=i，j<=n，0<=S_ij<=1），用于計(jì)算最優(yōu)逃生路徑。影響安全指數(shù)的因素有：人群的逃生心理;節(jié)點(diǎn)的溫度、CO濃度等;救援人員配備;特殊逃生措施等。

節(jié)點(diǎn)間的通道：節(jié)點(diǎn)之間的通道如走廊、樓梯等，有可用和不可用兩種狀態(tài)。

基于最高安全系數(shù)的逃生路徑：在選擇逃生路徑時(shí)，計(jì)算各個(gè)路徑的安全系數(shù)，如下：

將各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)按照時(shí)間先后連貫起來(lái)，動(dòng)態(tài)增刪節(jié)點(diǎn)和實(shí)時(shí)修改節(jié)點(diǎn)的安全等級(jí)時(shí)，動(dòng)態(tài)更新逃生人員通道內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，采用Dijkstra算法計(jì)算逃生路徑，如圖3所示。具體算法如下。

（1）將任意節(jié)點(diǎn)作為起點(diǎn)，加入到list鏈表中，使用list鏈表存儲(chǔ)所有節(jié)點(diǎn)。

（2）尋找上下左右可以到達(dá)的節(jié)點(diǎn)，將可以到達(dá)節(jié)點(diǎn)作為葉節(jié)點(diǎn)加入到list鏈表中，根據(jù)從起點(diǎn)到達(dá)該葉節(jié)點(diǎn)的路徑安全系數(shù)值進(jìn)行升序排序。

（3）選擇代價(jià)最小的葉節(jié)點(diǎn)作為路徑的下一個(gè)探測(cè)點(diǎn)，檢查這個(gè)探測(cè)點(diǎn)相鄰能到達(dá)的節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)到步驟（2），一直循環(huán)到鏈表節(jié)點(diǎn)數(shù)不再增長(zhǎng)或者找到目標(biāo)出口為止。

4 改進(jìn)的Dijkstra算法

針對(duì)大型住宅建筑物疏散路徑規(guī)劃，改進(jìn)了傳統(tǒng)Dijkstra搜索算法。對(duì)于多層建筑物空間進(jìn)行網(wǎng)格模塊化，定義建筑空間網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和疏散通道的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)屬性，分析樓宇節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格模型的建立、空間數(shù)據(jù)的拓?fù)浞治龊妥顑?yōu)路徑規(guī)劃。建立樓宇網(wǎng)格模型，主要包括點(diǎn)線面三種類型，即拐點(diǎn)、中心點(diǎn)、障礙點(diǎn)、弧段、層面等，以出口最速、路徑轉(zhuǎn)折點(diǎn)和交叉點(diǎn)最少為目標(biāo)函數(shù)，將最短路徑分析的要素從距離延伸到了時(shí)間、逃生心理、障礙物、人群密度、煙氣擴(kuò)散范圍等復(fù)雜要素。計(jì)算過(guò)程如圖4所示。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)以一棟四層住宅樓為例，利用高級(jí)語(yǔ)言計(jì)算逃生路徑，根據(jù)建筑物自身結(jié)構(gòu)和火勢(shì)蔓延、逃生環(huán)境等因素，將每一住宅單元的安全指數(shù)S_ij定義如下：

S_ij=f（i，l，t）

i表示樓層，l表示火源距離，t表示時(shí)間。為了明確計(jì)算逃生路徑，將樓梯單獨(dú)虛擬作為一層，并將各個(gè)單元編號(hào)為P_ij（0<=i<=7，0<=j<=9）.用安全系數(shù)矩陣表示各個(gè)單元的實(shí)時(shí)安全系數(shù)值S_ij。

火災(zāi)發(fā)生在P₀₇/P₀₈/P₁₇/P₂₅/P₂₆/P₂₇/P₂₈/P₂₉/P₃₇/P₄₆/P₄₇/P₄₈共計(jì)12個(gè)單元，實(shí)時(shí)計(jì)算得到安全系數(shù)矩陣為圖6所示。對(duì)于P₀₅單元，計(jì)算所得的逃生路徑如圖5中的箭頭所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

介紹了實(shí)時(shí)采集火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)規(guī)劃逃生路徑的研究結(jié)果，有利于火災(zāi)逃生研究。實(shí)測(cè)表明，單片機(jī)控制算法具有良好的路徑識(shí)別能力，響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好。

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