基于蟻群算法的消防應急照明和疏散指示系統的設計

吳振東

(南寧市建筑規劃設計集團有限公司，廣西 南寧 530002)

在近幾年里，建筑行業發展突飛猛進，大型、高層乃至超高層的建筑物占據了整個市場主體，因此，對這些建筑物的消防設施和應急疏散的要求進一步提高，其中消防應急照明疏散指示系統作為指導人員迅速逃生的關鍵性消防設施，其重要性不言而喻。然而作為傳統的應急照明疏散指示系統存在一定的缺陷，尤其是燈具和疏散指示標志沒有很好的和建筑布局等進行聯系，而是將其作為一個獨立個體，這會導致其只能按照系統設定好的模式投入運行。火災發生時，應急照明燈具和疏散指示標志無法形成最優化的逃生路線；火災蔓延時如果不根據火災發生的位置改變原有疏散方向，很可能將逃生人員帶到危險區域。火災現場的消防安全疏散與火災位置、建筑布局等密切相關，所以消防應急照明和疏散指示系統能夠自動判斷當前危險情況，明確危險位置，設計出一條快捷且安全的疏散路徑，這需要不斷收集各疏散路徑、安全出口的明火、煙霧、應急照明等狀態，形成完整的火災聯動報警信息，經過智能控制器分析判斷，選擇最優的消防疏散規則。

1 基于蟻群算法的疏散路徑分析

1.1 蟻群算法和指示系統之間的聯系

蟻群算法常被用來尋找優化路徑，屬于一種啟發式全局優化算法。其主要分析螞蟻覓食過程，比如在不同環境下，蟻群獲取食物能夠尋找到最短的路徑，能夠根據不同環境做出相應的變化，主要原因在于螞蟻可以釋放一種信息素，所以蟻群算法經常被用來尋找優化路徑。消防應急照明和疏散指示系統的主要目的在于當發生緊急情況時，建筑內人員能夠獲得最短路徑離開危險位置，所以人群在逃跑路線上和蟻群覓食路徑上具有相似性。本文主要設計消防應急照明和疏散指示系統，將蟻群算法應用其中能夠實現較好的應用效果。

1.2 蟻群算法路徑優化分析

假設有只螞蟻的蟻群，將其隨機分布在個不同的位置，每只螞蟻去往另外一個位置時所選擇的路徑主要依據的是信息素濃度，采用()-表示；作為城市的起始信息，這個啟動信息取決于需要解決的問題，驗證值=1。在時刻，螞蟻出發到目標城市的概率為：

(1)

螞蟻在覓食過程中會產生很多信息數據，為了將不必要的信息刪除，假設螞蟻每次路線選擇中經過的位置只會遇到1次，然后更新剩下的信息，繼續刪除舊信息，添加訪問過的新信息素。

(2)

(3)

假設螞蟻選擇的不是該路徑，則：

(4)

在Ant Cycle System模型中，

(5)

在Ant Density System 和ant Quantity System模型中，

(6)

其中，式(5)屬于一種全局信息解決路徑優化問題，這種方式相對于局部信息具有更好的代表性，最終獲得結果更具有科學性。所以，在基于蟻群算法的消防應急照明和疏散指示系統的設計過程中使用式(5)獲得剩余信息濃度。

因此，當選擇基本模型時，通常選擇全局信息，并且根據表達式獲得剩余信息的濃度。篩選出最好的路徑是通過蟻群算法的基礎上來看的。當進化近于降低的時候，指定的進化代數可能會停止計算，分析理論是要通過算法的繁雜度來做的，其中算法的繁雜度為0()，表示周期循環數。

實踐證明，螞蟻在路徑選擇過程中最佳計算方式為全局信息，然后針對另外2種算法為局部信息計算，這種方式的主要優勢在于防止剩余的正增長。

2 消防應急照明和疏散指示系統設計

2.1 系統設計思路和技術解決方案

消防應急照明和疏散指示系統的設計主要目的在于幫助受困者快速找到一條最近且安全的逃生路線，這也是該系統設計的關鍵所在。本文通過基于蟻群算法，將逃生人群用螞蟻進行模擬，分析螞蟻的動態路徑選擇，然后將其應用到消防應急照明和疏散指示系統的路徑優化中。假設一共有只螞蟻，隨機分配在個不同位置，這些螞蟻在覓食過程中會選擇一條最近的路徑，也就是旅行商問題。在消防應急照明和疏散指示系統設計中使用蟻群算法需要遵循以下規則：

(1)每條路徑只能走一次，通過使用數據結構控制實現；

(2)在路徑的選擇過程中，蟻群是直接進行選擇，主要通過信息素濃度的高低選擇。

主要是伴隨著路徑的逐漸的增加，當第1只螞蟻通過循環中的其他常識時，是常數，表示螞蟻經過的路程，在計算過程中可能會出現局本最優解，為了避免這種結果，就會調整路徑概率。為了限制正信息量的影響和螞蟻概率的影響，采用了“信息加權值”。

(7)

如果第一只螞蟻在這個循環中經過不同的上式，是常數；是第只螞蟻在這個循環中經過的路徑。螞蟻在選擇路徑時會根據環境的變化而進行自動調整，于是，以位置為起點，條路徑按從高到低排列，按順序存儲在數列中；也就是說，將數組元素[]的值記錄為路徑(,)的編號。

(8)

式中：為位置的選擇路徑；為路徑(,)的信息權重；為應用信息權重。

螞蟻在當前位置去往另外一個位置時存在一定的概率，其公式：

(9)

螞蟻最初通過的路徑分布，收斂度小，于是可以說明路徑之間存在比較大的差異。這種蟻群最優動態路徑分析需要應用到消防應急照明和疏散指示系統的設計中，實現照明和疏散指示的全面控制，為人群逃生提供最優的路徑。火災發生時的密度，是指信息站的濃度。根據信息的權重，調整避難場所的數量，通過計算得出最優的逃跑路線，然后將其路線上的消防應急照明設備打開，幫助受困者快速逃離。通過分析之后，設計了如圖1所示的消防應急照明和疏散指示系統的框架圖。

圖1 消防應急照明和疏散指示系統的框架圖Fig.1 Frame diagram of fire emergency lighting and evacuation indication system

在消防應急照明和疏散指示系統的設計中，應急照明集中控制器作為關鍵部分，其設計圖如圖2所示。其核心部分主要包含控制面板、電源、液晶調試裝置和通信模塊，這些重要模塊共同實現應急照明的控制作用。

圖2 應急照明集中控制器Fig.2 Centralized emergency lighting controller

一般情況下，交流市電通過空氣開關、接觸器接入，作為主電源供電，并通過AC 220 V/DC 24 V充電器電源、DC 24 V電源控制器為相關設備提供直流24 V供電電源；當交流電斷電后，蓄電池投入供電。如果檢測到常用電源電壓恢復，控制器將聯動控制從應急電源恢復到常用電源。應急照明控制器通過控制器的控制，確保市電和應急電源蓄電池之間平穩切換。

2.2 集中電源設計方案

各防火區的疏散照明燈具和疏散指示標志燈通過應急照明集中電源供電，所有輸出接口均可通過地址編碼監視其狀態。電池組、互投設備、整流充電器、導電器等是應急照明集中電源結構的組成部分。雙向投切裝置可確保正常電源與蓄電池備用電源之間的負荷穩定過渡。通過串口連接到控制程序時，將應急電源狀態顯示為實施時間。應急照明分配電裝置一般是設置在防火區域的分配電裝置，為疏散照明燈具和疏散指示標志供電，并進行相關控制。所有的配電設備、疏散照明燈具和疏散指示標志都有單獨的地址代碼，從而能夠實現監控狀態接受的目的，并且實現消防應急照明和疏散指示的控制。對于應急照明分配電裝置的設計，通過分析之后將其設置在集中電源的總線輸出回路上，由開關電源、配電盤、照明控制器等組成。控制人員可以迅速掌握照明設備的故障情況，發送聲光警報信號。

疏散照明燈具和疏散指示標志燈內均未設置蓄電池，而是采用集中電源供電；另外所有的照明燈具都有獨立的地址代碼，于是能夠實現和電腦準確配置，控制每個照明燈具。最后消防應急照明和疏散指示標志中涵蓋非持續和持續的操作模式，其中控制系統可以設計閃光燈、強制點燈、定時點燈等模式。消防應急照明和疏散指示系統中集中電源控制原理如圖3所示。

圖3 集中電源控制原理圖Fig.3 Schematic diagram of centralized power control

3 結語

通過對消防應急照明系統的互動式操作軟件支持，實施建筑物內消防設施的信息分析、動態分布式線路綜合分析，采用算法優化的集中供電集中控制分布式指示系統。與分布式指示系統相比較，基于控制和管理的智能分布式指示系統明顯優于原始單識別照明運行。消防應急照明和疏散指示系統通過使用蟻群算法能夠實現當發生危險時，為受困者找到一條最安全且快捷的逃跑路線，并且該系統能夠根據現場變動的環境進行實時更新，屬于一種動態疏散系統，實時控制相關應急電源、配電裝置和應急照明燈具和疏散指示標志，確保所選最佳逃生路徑的安全開通。