基于STM32的火災逃生路徑動態(tài)規(guī)劃

凌峻

摘要

針對住宅樓火災逃生路徑無實時規(guī)劃和逃生成功率較低的情況，設計動態(tài)實時的逃生路徑指示系統(tǒng)，根據(jù)傳感器對火災現(xiàn)場的實時探測，采用改進的多參數(shù)Dijkstra動態(tài)優(yōu)化算法計算最短路徑，按照最優(yōu)最快原則指揮火災逃生模擬仿真數(shù)據(jù)顯示，能改進火災逃生效果.

【關鍵詞】Dijkstra算法 火災逃生 動態(tài)規(guī)劃

1 引言

目前廣泛應用的火災報警系統(tǒng)，通過前端火災報警探測器檢測煙霧濃度或溫度變化等，推斷是否發(fā)生火災并給予警報。對于火災逃生路徑選擇問題，部分學者研究了平面建筑的路徑優(yōu)化算法。對于高層建筑的火災逃生路徑選擇問題，部分學者研究了綜合火場逃生系統(tǒng)設計情況。本文根據(jù)住宅樓的實際情況，使用實時路徑優(yōu)化算法，設計動態(tài)逃生路徑，指揮人群分散、快速、高效逃生。

2 系統(tǒng)結構設計

目前住宅樓實際情況是，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施有限，逃生方式簡單及逃生經(jīng)驗缺失，嚴重依賴單向固定逃生路徑標識，容易出現(xiàn)踩踏和堵塞事故，逃生效率低。

2.1 工作原理

在各個逃生通道特別是通道的連接處設置一維逃生標識，可顯示左右或上下一維信號，各信號協(xié)同指示逃生路徑，例如樓梯、走廊等。在不同的環(huán)境因素運用不同的傳感器，多套傳感器系統(tǒng)采集火場環(huán)境因素并匯總至單片機。單片機計算火災現(xiàn)場逃生路徑，并將逃生信號發(fā)生至逃生標識，通過有線或無線方式通訊上位機，接收火場配置變化因素。上位機結合多處數(shù)據(jù)進行最優(yōu)化分析以規(guī)劃逃生路線，以使其合理化，同時使調(diào)度人員能夠?qū)τ诨馂沫h(huán)境數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，接收管理人員指令。

2.2 系統(tǒng)結構

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

軟件構成：利用單片機開源硬件平臺結合各類傳感器，使用無線模塊完成對傳感器等數(shù)據(jù)的采集與處理，利用存儲的路徑規(guī)劃算法以及優(yōu)化算法，實時計算逃生路徑;使用無線路由模塊，單片機連接上位機電腦，實時顯示火災現(xiàn)場數(shù)據(jù)及規(guī)劃的線路信息。系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

該結構設計有諸多考慮。在沒有外界管理員或上位服務器輔助，傳感器連接單片機也能夠獨立自主的完成線路規(guī)劃。逃生效果計算可以實時計算逃生的人數(shù)以及逃生人群感覺效果，在計算逃生路徑時予以綜合考慮。上位機可通過多處數(shù)據(jù)整合規(guī)劃出更全面完善的逃生方案，同時監(jiān)測人員可將人為的路線規(guī)劃發(fā)送至單片機，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實際情況。

3 單片機控制下的逃生路徑實時動態(tài)規(guī)劃

路徑節(jié)點：根據(jù)住宅樓的結構特點，將逃生路徑中的關鍵點作為逃生節(jié)點，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)點編號。各個住宅單元，安裝火災報警探測器，連接總控單片機，向單片機發(fā)送感應數(shù)據(jù)，每一個出口作為一個獨立的節(jié)點;樓層的公共通道（走廊或樓梯），安裝逃生方向指示牌，接收單片機逃生方向指示信號。

節(jié)點的安全指數(shù)：每個節(jié)點都有一個動態(tài)調(diào)整的安全指數(shù)S_ij（0<=i，j<=n，0<=S_ij<=1），用于計算最優(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)點的溫度、CO濃度等;救援人員配備;特殊逃生措施等。

節(jié)點間的通道：節(jié)點之間的通道如走廊、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，計算各個路徑的安全系數(shù)，如下：

將各個傳感器的數(shù)據(jù)按照時間先后連貫起來，動態(tài)增刪節(jié)點和實時修改節(jié)點的安全等級時，動態(tài)更新逃生人員通道內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，采用Dijkstra算法計算逃生路徑，如圖3所示。具體算法如下。

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

（2）尋找上下左右可以到達的節(jié)點，將可以到達節(jié)點作為葉節(jié)點加入到list鏈表中，根據(jù)從起點到達該葉節(jié)點的路徑安全系數(shù)值進行升序排序。

（3）選擇代價最小的葉節(jié)點作為路徑的下一個探測點，檢查這個探測點相鄰能到達的節(jié)點，轉(zhuǎn)到步驟（2），一直循環(huán)到鏈表節(jié)點數(shù)不再增長或者找到目標出口為止。

4 改進的Dijkstra算法

針對大型住宅建筑物疏散路徑規(guī)劃，改進了傳統(tǒng)Dijkstra搜索算法。對于多層建筑物空間進行網(wǎng)格模塊化，定義建筑空間網(wǎng)格節(jié)點和疏散通道的靜態(tài)和動態(tài)屬性，分析樓宇節(jié)點網(wǎng)格模型的建立、空間數(shù)據(jù)的拓撲分析和最優(yōu)路徑規(guī)劃。建立樓宇網(wǎng)格模型，主要包括點線面三種類型，即拐點、中心點、障礙點、弧段、層面等，以出口最速、路徑轉(zhuǎn)折點和交叉點最少為目標函數(shù)，將最短路徑分析的要素從距離延伸到了時間、逃生心理、障礙物、人群密度、煙氣擴散范圍等復雜要素。計算過程如圖4所示。

5 實驗結果

實驗以一棟四層住宅樓為例，利用高級語言計算逃生路徑，根據(jù)建筑物自身結構和火勢蔓延、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表示時間。為了明確計算逃生路徑，將樓梯單獨虛擬作為一層，并將各個單元編號為P_ij（0<=i<=7，0<=j<=9）.用安全系數(shù)矩陣表示各個單元的實時安全系數(shù)值S_ij。

火災發(fā)生在P₀₇/P₀₈/P₁₇/P₂₅/P₂₆/P₂₇/P₂₈/P₂₉/P₃₇/P₄₆/P₄₇/P₄₈共計12個單元，實時計算得到安全系數(shù)矩陣為圖6所示。對于P₀₅單元，計算所得的逃生路徑如圖5中的箭頭所示。

6 結束語

介紹了實時采集火災現(xiàn)場數(shù)據(jù)并實時動態(tài)規(guī)劃逃生路徑的研究結果，有利于火災逃生研究。實測表明，單片機控制算法具有良好的路徑識別能力，響應速度快，穩(wěn)定性好。

參考文獻

[1]周天，陳偉.火災逃生自動誘導系統(tǒng)的研究[J].消防科學與技術，2007，26（02）：181-184.

[2]程振興，徐圓，朱群雄.基于模糊理論的火災逃生路線算法研究與仿真[J].北京化工大學學報（自然科學版），2016，43（04）：115-118.

[3]文世熙，張貴，吳鑫.森林火災逃生路徑網(wǎng)絡決策研究[J].中南林業(yè)科技大學學報，2016，36（09）：62-64.

[4]盧雪燕.人工蜂群算法在高層建筑火災逃生中的應用研究[J].軟件導刊，2014，13（06）：29-31.

[5]杜寶江等.基于蟻群優(yōu)化算法的虛擬火災逃生路徑優(yōu)化[J].軟件導刊，2018，17（04）：71-76.

[6]王曉峰等.基于BIM的動態(tài)逃生路徑算法在非居建筑中的應用[J].消防科學與技術，2014，33（05）：576-579.