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

（1.四川大學電子信息學院，四川 成都 610065；2.深圳康佳信息網(wǎng)絡有限公司，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)復雜，在火災等場景下，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)和火災的具體情況進行疏散路徑規(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，有效地減少災害造成的損失。

應急疏散；火災疏散；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智慧消防，強化高層建筑火災防控工作, 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)復雜，在發(fā)生火災時疏散難度較大，因此火災發(fā)生時的應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)生火災時，利用算法實時規(guī)劃最優(yōu)疏散路徑，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)及起火點分布情況，對不同區(qū)域通過應急廣播和有方向指示的疏散指示燈進行針對性疏散提示，從而達到快速、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)總體設計

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

當火災發(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，控制主機經(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)中的應急疏散燈具與應急疏散廣播分別進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，應急可視化平臺將應急疏散情況可視化，方便實時進行人機交互指揮人群。

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)的運行狀態(tài)進行日常維護。此外，本系統(tǒng)還可實現(xiàn)實時巡檢功能，為隨時可能發(fā)生的應急事件運行提供了保障。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 硬件結(jié)構(gòu)設計前提

應根據(jù)具體建筑物確定的建筑物地圖進行硬件設計。對本系統(tǒng)所應用建筑物進行合理的區(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)布模塊中各部件進行編號，各部件編號須一一對應，以便系統(tǒng)控制。建筑物地圖應包括建筑物中各區(qū)域與各疏散通道的位置及對應編號、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、響應快、穩(wěn)定性好、壽命長、驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點[3]，因此被廣泛應用于煙霧、可燃氣體的探測。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行實時記錄和上傳，用于實時指揮與監(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急部門的包括火災、地震或其他應急安全事件在內(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。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)框圖

3.3 控制主機

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

應事先將建筑物每層的結(jié)構(gòu)框圖導入控制主機中，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編號信息的矩陣。當火災發(fā)生時，控制主機接收來自數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)，并進行數(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情況下向火焰、煙霧較少的區(qū)域疏散，同時打開備用應急電源，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)布模塊對人群進行最優(yōu)疏散路徑指示。此外，控制主機還按照優(yōu)先級從高到低依次為上級應急信息、話筒音源、疏散警報、背景音樂的順序進行音源切換，并選擇當前音源中優(yōu)先級最高的音源在指揮發(fā)布模塊中進行發(fā)布。

3.4 指揮發(fā)布模塊

指揮發(fā)布模塊由應急疏散指示燈具、應急廣播系統(tǒng)、GPRS模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。應急廣播系統(tǒng)由應急廣播揚聲器與語音模塊組成。應急疏散燈具為帶有方向指示的應急照明燈。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更換語音的麻煩，將SPI-flash模擬成U盤，既方便又能滿足應急疏散廣播的需要[4]。GPRS通信技術(shù)具有傳輸速率快、傳輸距離遠、組網(wǎng)簡單等特點，控制主機通過串口與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 應急可視化平臺

應急可視化平臺結(jié)構(gòu)如圖4所示。應急可視化平臺為一種人機交互軟件，與控制主機聯(lián)動，包括顯示屏，可將應急疏散情況可視化。將建筑物地圖導入控制主機后，控制主機將會根據(jù)各傳感器、攝像頭反饋的信息在建筑物地圖上標示建筑物中各區(qū)域與疏散通道的著火情況、應急疏散指示燈具與應急廣播系統(tǒng)的實時巡檢情況，并顯示在應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 應急可視化平臺結(jié)構(gòu)框圖

3.6 備用應急電源

備用應急電源可以由控制主機控制，在系統(tǒng)未檢測到著火時關閉，檢測到著火時由控制主機打開，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，防止因火災導致斷電影響系統(tǒng)正常運行。

4 系統(tǒng)軟件設計

在本系統(tǒng)軟件設計中，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)與預設閾值比較，出現(xiàn)異常時立即獲取對應位置，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)布模塊進行指示。系統(tǒng)軟件設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)的設計依據(jù)安全疏散的基本原則和科學的理論基礎，能夠在火災發(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、話筒實時等多種方式進行疏散指示，可靈活應對多種復雜的火災現(xiàn)場情況，并且能夠?qū)崿F(xiàn)與上級消防部門聯(lián)動，具有很強的系統(tǒng)整體性與實用性。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)而言有更強的穩(wěn)定性和更高的實用性，在眾多應用場景中都能夠有廣泛的運用，能夠?qū)ξ磥碇袊鴮崿F(xiàn)消防智能疏散指示提供一定的參考。

圖5 軟件設計核心部分流程圖

圖6 系統(tǒng)整體方法流程圖

［1］關于全面推進“智慧消防”建設的指導意見［J］.中國消防，2017（21）：61-64.

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

［3］嚴琳.基于單片機的家庭安防報警器的設計［J］.數(shù)字化用戶，2018，24（2）：36.

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

［5］羅漢杰，林義尚，周杰，等.基于A*算法的無人機路徑規(guī)劃研究及分析［J］.現(xiàn)代計算機，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。

四川大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（編號：202010610046）；四川大學2017年電子信息學院教學改革研究項目（編號：12）；四川大學第二批研究生課程建設項目（編號：2016KCJS109）

〔編輯：嚴麗琴〕