優先權排隊在消防物聯網中的應用

李世斌, 金彥亮, 姚 煒, 趙建龍, 熊 勇

(1.上海大學 通信與信息工程學院，上海 200072； 2.中國科學院 上海微系統與信息技術研究所，上海 200050；3.上海物聯網有限公司，上海 201899)

優先權排隊在消防物聯網中的應用

李世斌1,2, 金彥亮1, 姚 煒3, 趙建龍2, 熊 勇2

(1.上海大學 通信與信息工程學院，上海 200072； 2.中國科學院 上海微系統與信息技術研究所，上海 200050；3.上海物聯網有限公司，上海 201899)

針對消防物聯網系統中消防監控中心收到的火警信息存在延遲，可能導致救火作戰時機延誤的問題，提出了一種火警信息優先傳輸的解決方案；首先，推導出FCFS的M/M/1排隊系統的運行指標；其次，將消防報警信息分為火警報警信息、火警消除信息、故障報警信息和故障消除信息等4個優先級，建立非搶占優先權排隊系統，并推導出各個優先級的運行指標；最后，從平均逗留時間和平均隊長兩個維度，比較了非搶占優先權排隊系統和M/M/1系統的性能;提出的火警信息優先傳輸方案，滿足了火警信息時延小的要求，同時實現復雜度低，為消防物聯網安全信息數據的獲取提供一定的理論支撐。

消防物聯網；優先權排隊；火警；時延

0 引言

目前，我國各級城市大部分建筑都安裝了依據國家標準《火災自動報警系統設計規范》(GB50116-2013)的火災自動報警系統(FAS，Fire Alarm System)，由火災報警監控終端、報警監控通信網、報警監控中心三部分組成。FAS系統實現了基本的火災報警功能。隨著物聯網、大數據等技術的發展，通過網絡化手段實現對建筑消防設施運行的實時監控具備了技術可行性。2015年3月，公安部消防局印發《公安消防“四項建設”三年規劃(2015—2017年)》的通知，明確要求“充分利用云計算、大數據、物聯網等現代信息技術手段，提升信息主導、準確研判、主動防控水平，為轉變戰斗力生成模式、服務消防現實斗爭提供支撐。”因此，傳統的FAS系統需要發展演進，不僅要傳輸火災報警信號，還要傳輸消防設施故障狀態等消防安全信息，通過數據挖掘后對樓宇防火安全等級評估以及進行火災預測等。

在樓宇內部署的消防主機提供火警以及消防設施的狀態信息，是消防物聯網重要數據來源之一。由于發生火災時，系統必須第一時間向消防監控中心報告火警信息，以便提高消防部隊快速反應能力，爭取寶貴時間迅速出警滅火[1]，因此火警信號是延遲敏感信息，相反，故障和設施狀態等信號是非延遲敏感信息。而在消防報警系統中，大部分為故障信號，由于大量的故障信號影響了火警信號的傳輸，從而延誤了最佳救火時機，造成不可挽回的損失。

優先權排隊模型由于其在通信系統中的廣泛應用而成為排隊論研究中的一個熱點，國內外學者開展了大量的研究和實踐。文獻[2]將信號預測優先級排隊算法用于無線接入網中，可以最大限度地減少資源預留延遲和信令開銷，提高了微移動區資源預留的效率和自適應性；文獻[3]將一種基于動態優先級的排隊方案應用在蜂窩網絡多媒體服務中，解決了非優先級數據丟包率高和平均排隊延時長的問題；文獻[4]提出了一種具有優先級排隊規則和服務水平約束的車輛修理緊急服務中心選址模型，該模型可以最大限度的提高服務的覆蓋范圍；文獻[5]針對不斷增加的網絡高速連接的需求，提出一種流水線計數優先指標的隊列管理新方案，該方案保證有大量優先級隊列時可以有效地調度包；文獻[6]針對互聯網中延遲敏感和非延遲敏感的不同服務，提出一種非搶占短分組優先的策略從而確保網絡整體延遲的最小化。

消防物聯網中，消防主機的各類信號通過工控機處理后由網關傳輸到云平臺。為保證火警信息能第一時間發送到云平臺，本文建立非搶占優先權排隊模型，將火警信息放入高優先權隊列，將故障等其他信息放入低優先權隊列，推導和分析了平穩狀態下系統各優先級的平均逗留時間和平均隊長，將它們同基于FCFS的M/M/1系統的運行指標相對比，結果證明非搶占優先權排隊可以提高火警信息的快速響應能力，同時保證了故障等狀態信息的正常傳輸，提高了系統整體性能。

1 M/M/1排隊

排隊論中M/M/1模型具有重要意義，因為這種排隊模型在實際工作中經常遇到。該模型具有以下規則：

規則1：顧客按參數為λ的泊松分布到達。

規則2：服務臺為每個顧客服務的時間為負指數分布，平均服務率為μ。

規則3：系統只有一個服務臺，先到先服務。

規則4：隊列容量無限，顧客源數量無限。

由此可得到其狀態流圖如圖1所示，圖中狀態k表示系統中有k個顧客，服務臺正忙著，且有k-1個顧客排隊等待。

圖1 M/M/1模型的狀態流圖

由文獻[7]得知：平穩時系統內有k個顧客的概率為:

pk=ρk(1-ρ)

(1)

1)系統內顧客的均值(包括正被服務和排隊等候的顧客)

(2)

2)系統內排隊等候的平均顧客數

(3)

3)顧客在系統中的平均等待時間

W(t)=P(w≤t)=P(w=0)+P(0

1-ρ·e-μ(1-ρ)t(t>0)

(4)

其密度函數為：

(5)

因此可得平均等待時間為：

(6)

4)顧客在系統中的平均逗留時間(等待時間加服務時間)

Ws=E[w+V]=

(7)

2 消防報警主機信息優先權排隊模型

如圖2 所示，消防單位的所有自動報警主機通過串口與一臺工控機相連，工控機對報警信息進行處理，然后通過網關將信息傳輸到遠程消防監控中心服務器。消防監控中心對數據進行分析處理后，提供給業主/物業、維保部門以及消防部門進行使用。

圖2 消防主機信息上報示意圖

自動報警主機中的報警信息分為火警信息和故障信息兩大類，基于事件緊急情況考慮，消防監控中心要優先收到火警信息。因此先到先服務的M/M/1排隊模型已不能滿足系統的需求，本文提出火警報警信息優先傳輸方案，將火警信息和故障信息劃分為不同的等級區分服務。火警又分為火警報警信息和火警消除信息兩類，同樣故障也分為故障報警信息和故障消除信息兩類，因此系統將需要傳輸的信息分為4個等級。火警報警信息享有最高優先級，其次是火警消除信息，再次是故障報警信息，最低優先級為故障消除信息。具體傳輸方案步驟如下：

1)信息分類：由工控機識別來自自動報警主機中的報警信息并歸類，火警報警信息歸為第一優先級，火警消除信息歸為第二優先級，故障報警信息歸為第三優先級，故障消除信息歸為第四類。

2)信息排隊：在工控機內存中，各優先級的信息按照時間先后順序各自排序，整體按照第一優先級、第二優先級、第三優先級和第四優先級形成一條隊列，其中，第一優先級的排在最前。最近發生的信息排在所在優先級隊列最后。

3)信息傳輸：在工控機內存中的隊列依次通過通信網關發送。

根據以上傳輸方案，可建立消防報警主機信息優先權排隊模型，具體服務規則如下：

規則1：單服務臺。

規則2：顧客到達系統服從參數為λi的泊松分布，λ1表示第一優先級顧客的平均到達率，λ2表示第二優先級顧客的平均到達率，λ3表示第三優先級顧客的平均到達率，λ4表示第四優先級顧客的平均到達率。

規則3：服務臺為每一級別的顧客服務的時間均服從參數為μ的負指數分布。

規則4：當優先級高的顧客到達系統時，發現服務臺正忙著，它不能搶占服務臺，而只能在比它低一級優先級顧客前面排隊等待服務。

圖3 M/M/1非搶占優先權排隊模型圖

下面求平穩狀態時，各優先級排隊的運行指標。

1)火警報警信息隊列：

當新到達的顧客為第一優先級顧客，即火警報警信息時，它在系統中的平均等待時間由兩部分組成：

一部分是正在排隊等待服務的所有第一優先級顧客平均服務時間之和T1。記排隊等待的火警報經信息平均個數為Lq1，則：

(8)

其中:Wq1為平均排隊等待時間。

這樣，可得：

(9)

所以平均等待時間為：

(10)

根據Little公式[10]：

可得第一優先級顧客，即火警報警信息在系統中的平均逗留時間為：

(11)

平均等待隊長為：

(12)

平均隊長(等待顧客加上服務臺正在服務的顧客)為：

(13)

2)火警消除信息隊列：

當新到達的顧客為第二優先級顧客，即火警消除信息時，它的等待時間有三部分組成。

第一部分是正在排隊等待服務的第一和第二優先級顧客的平均服務時間之和T1：

T1=ρ1Wq1+ρ2Wq2

(14)

第二部分為等待正在服務的服務臺空出的平均時間：

(15)

第三部分為在新的第二優先級顧客排隊等待期間，陸續到達的第一優先級顧客優先插隊造成的平均耽誤時間之和T3：

T3=ρ1Wq2

(16)

聯合式(14)～(16)得：

(17)

整理得平均等待時間為：

(18)

根據Little公式可得，第二優先級顧客，即火警消除信息在系統中的平均逗留時間為：

(19)

平均等待隊長為：

(20)

平均隊長(等待顧客加上服務臺正在服務的顧客)為：

Ls2=λ2Ws2

(21)

3)故障報警信息隊列：

與第二優先級顧客隊列相似，第三優先級顧客，即故障報警信息的等待時間也有三部分組成，T2同第二優先級顧客隊列的T2一樣，T1和T3如下：

T1=ρ1Wq1+ρ2Wq2+ρ3Wq3

(22)

T3=Wq3(ρ1+ρ2)

(23)

所以:

(24)

得到第三優先級顧客，即故障報警信息平均等待時間為：

(25)

同樣，根據Little公式，可以得到故障報警信息的另外3個運行指標。

4)故障消除信息隊列：

由公式(10)、(18)、(25)，可得到第四優先級顧客平均等待時間如下：

(26)

與通過計算T1、T2、T3求得的平均等待時間一致，證明公式(26)是正確的。根據Little公式可求得第四優先級顧客，即故障消除信息隊列的平均逗留時間、平均等待隊長和平均隊長。

3 模型數值分析

消防單位的自動報警主機通過串口與工控機相連，工控機對報警信息進行處理，然后通過網關將信息傳輸到遠程服務器，對一些大型建筑體，包含有十臺以上消防主機，這些消防主機的報警信息匯總到同一臺工控機上，消防單位平均每秒產生2條報警信息。在消防主機報警信息中，一般20%為火警信息，80%為故障信息。網關采用GPRS通信信道，每秒可以傳送3條報警信息。模型參數如表1所示。

表1 模型參數表

根據以上參數，可以得到M/M/1隊列和非搶占優先級隊列中各個優先級的運行指標結果如表2所示。

表2 μ=3,λ=2時的運行結果

從表2中可以看出，第1優先級和第2優先級的火警信息的平均逗留時間相對于M/M/1隊列降低了40%，平均隊長更是遠遠小于M/M/1隊列，達到了火警信息基本上不用排隊就能發送出去的良好效果。雖然第4優先級的故障信息的平均逗留時間相對于M/M/1隊列增加了40%，但故障信息為非時延敏感信息，因此在系統可以接受的范圍之內。令μ=3，λ為變量得到平均逗留時間對比圖如圖4所示，平均隊長對比圖如圖5所示。

圖5 平均隊長對比圖

從圖4可以看出，采用非搶占優先級排隊模型可以縮短對實時性要求高的火警信息的平均逗留時間，便于消防監控中心盡早發現警情。從圖5中可以看出各個優先級的平均隊長明顯小于M/M/1排隊模型的平均隊長，表明非搶占優先權排隊模型既可以保證火警信息的優先發送又可以保證盡可能多的發送數據，減少隊列中排隊等待的信息個數。因此，在網絡通信中，有實時性和非實時性的多服務要求時，基于優先權排隊模型的網絡性能明顯優于FCFS排隊模型。由于搶占優先權排隊復雜度高于非搶占優先權排隊，占用較多的系統資源，在工程實踐中，算法復雜度也是一個重要的考查指標，因此，我們建立的非搶占優先權排隊模型既滿足了火警信息延遲小的需求又滿足了復雜度低的要求。

4 結束語

本文針對消防物聯網進程中越來越多的消防信息通過網絡進行傳輸，從而造成比較緊急的火警信息時延高的問題，將消防報警信息分為4個不同的優先等級，建立了非搶占優先的排隊系統，提出了火警信息優先的傳輸方案，提高了火警傳輸效率，降低了時延。系統不僅實現了同時對火災和消防設施運行狀態的監控，而且保證了火警的優先處理，為消防物聯網系統的架構設計提供了理論支撐。

[1] 劉 靜．基于ZigBee技術的無線火災報警信息傳輸系統的設計[D]．長沙：中南大學，2007．

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[3]CaiJ．ADynamicPriorityTime-Threshold-BasedQueuingSchemeforCellularMultimediaNetworks[A].InternationalConferenceonWirelessCommunicationsNetworkingandMobileComputing[C]．IEEE，2010：1-4．

[4]CaoLS，LiuZX．Anemergencyservicecenterlocationmodelforvehiclerepairwithpriorityqueuingrulesandservicelevelconstrains[A].IEEE，InternationalConferenceonIndustrialEngineeringandEngineeringManagement[C]．IEEE，2011：1333-1336．

[5]WangH，LinB．Per-flowQueueSchedulingwithPipelinedCountingPriorityIndex[A].HighPerformanceInterconnects[C]．IEEE，2011：19-26．

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[8] 張 旭，劉 聰，胡 勝，等．認知無線電網絡中基于排隊論的集中式頻譜分配策略[J]．計算機應用研究，2015，32(1)：187-190．

[9] 朱廣萍．優先權排隊問題的分析[J]．西南民族大學學報:自然科學版，2004，30(2)：134-137．

[10] 黃業文，吳 紅，王遠世．非強占有限優先權M/M/1排隊系統[J]．計算機工程與應用，2013，49(13)：80-84．

Application of Priority Queuing in FS IOT

Li Shibin1,2, Jin Yanliang1, Yao Wei3, Zhao Jianlong2, Xiong Yong2

(1.School of Communication and Information Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China; 2.Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China;3.Shanghai Internet of Things Company Limited, Shanghai 201899, China)

In view of the delay of the fire information received by the fire monitoring center in the FS IOT, the issue of the time delay of firefighting may be caused, and a solution of the priority transmission of the fire information is put forward. Firstly, the operation indices of M/M/1 queuing system based on FCFS is deduced. Secondly, the fire alarm information is divided into four priorities: fire alarm information, fire eliminate information, fault alarm information and fault eliminate information. The paper establishes the non-preemptive priority queuing system, and derives the operation indices of each priority. Finally, the performance of non-preemptive priority queueing system and M/M/1 system is compares from two dimensions of average length of stay and average queue length. The priority system not only meets the requirement of small time delay, but also has low complexity, which provides a theoretical support for the acquisition of the fire safety information data.

fire system IOT; priority queueing; fire alarm; time delay

2016-11-07；

2016-12-06。

上海市科技創新行動計劃項目(16DZ1200900)。

李世斌(1993-)，男，碩士研究生，主要從事消防物聯網系統的研究。

1671-4598(2017)04-0189-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.04.052

TP393

A