(茅臺(tái)學(xué)院釀酒工程自動(dòng)化系，貴州 遵義564500)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，大空間建筑數(shù)量日益增多，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面相對(duì)于疏散要求具有一定的局限性。一旦發(fā)生火災(zāi)，易導(dǎo)致傷亡事件。深究其發(fā)生原因，除了主要的火災(zāi)發(fā)生外，建筑自身的安全疏散設(shè)計(jì)不合理、疏散管理不規(guī)范也成為更為重要的因素[1][2]。建筑中布置的疏散指示彼此是獨(dú)立的，沒(méi)有信息傳輸功能，不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)管與控制。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，傳統(tǒng)的疏散指示系統(tǒng)不能做出正確判斷和不能采取合理有效的疏散路徑方向指示，從而無(wú)法為疏散人群提供安全有效的疏散路徑指示。ZigBee是基于IEEE802.15.4的一種WLAN協(xié)議。它具有通信距離短、傳輸延時(shí)小、能源功耗小、建設(shè)成本低等優(yōu)點(diǎn)。多個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)可以自組網(wǎng)形成具有數(shù)據(jù)采集、收發(fā)和處理能力的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。

文章利用ZigBee技術(shù)，在改進(jìn)Dijkstra算法的基礎(chǔ)上，針對(duì)大空間建筑設(shè)計(jì)出一種智能疏散指示系統(tǒng)。使疏散指示標(biāo)志與疏散照明設(shè)備能正常、安全、準(zhǔn)確、迅速發(fā)揮作用，減少疏散時(shí)間，提高疏散效率，降低火災(zāi)事故造成的人員傷亡，并在大空間建筑的運(yùn)維、管理及拓展應(yīng)用等消防管理中發(fā)揮積極有效的作用。

1 整體設(shè)計(jì)

基于ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)出的大空間建筑智能疏散指示系統(tǒng)主要有三種設(shè)備構(gòu)成：一是ZigBee協(xié)調(diào)器。它是整個(gè)疏散指示系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的核心，主要負(fù)責(zé)啟動(dòng)系統(tǒng)、配置整個(gè)網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)正常工作，保持網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備間的通信。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)只存在一個(gè)的ZigBee協(xié)調(diào)器，連接多個(gè)不同區(qū)域的ZigBee路由器。管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的所有ZigBee疏散終端。二是ZigBee區(qū)域路由器。它的功能是協(xié)助ZigBee疏散終端申請(qǐng)入網(wǎng)、進(jìn)行數(shù)據(jù)跳轉(zhuǎn)和相互通信。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)范圍大時(shí)，可將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中劃分多個(gè)區(qū)域，分別布置ZigBee區(qū)域路由器。三是ZigBee疏散終端。該設(shè)備實(shí)現(xiàn)探測(cè)報(bào)警、疏散指示和疏散照明功能，并與網(wǎng)絡(luò)上其他疏散終端相互通信，實(shí)時(shí)指示安全優(yōu)化的疏散路徑。

位于不同區(qū)域的若干ZigBee疏散終端實(shí)時(shí)采集其周圍環(huán)境火災(zāi)相關(guān)信息，然后將信息發(fā)送給本區(qū)域內(nèi)的ZigBee路由器。區(qū)域路由器對(duì)ZigBee終端信息進(jìn)行匯總，再輸送至本系統(tǒng)中的ZigBee協(xié)調(diào)器。ZigBee協(xié)調(diào)器不僅可以收集網(wǎng)絡(luò)中所有ZigBee疏散終端傳輸過(guò)來(lái)的信息，同時(shí)還可以針對(duì)這些信息作出簡(jiǎn)單處理，然后通RS232串口將信息傳送給應(yīng)急疏散服務(wù)器。當(dāng)應(yīng)急疏散服務(wù)器接收到發(fā)送過(guò)來(lái)的火災(zāi)信息后，系統(tǒng)會(huì)對(duì)火災(zāi)區(qū)域中ZigBee疏散終端位置進(jìn)行標(biāo)識(shí)和編碼，利用改進(jìn)的Dijkstra最短路徑算法實(shí)時(shí)地生成安全優(yōu)化的疏散路徑信息，并回傳給系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中所有ZigBee疏散終端，疏散終端根據(jù)收到的疏散路徑驅(qū)動(dòng)其疏散照明和動(dòng)態(tài)疏散指示進(jìn)行智能引導(dǎo)。監(jiān)測(cè)中心用戶通過(guò)管理終端實(shí)時(shí)地查看ZigBee疏散終端周圍的狀態(tài)，也可以通過(guò)發(fā)送控制命令(單播或者廣播的形式)遠(yuǎn)程控制整個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速疏散與救援。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 大空間建筑智能疏散指示系統(tǒng)的系統(tǒng)的原理圖

2 硬件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)布局

2.1 ZigBee疏散終端

ZigBee疏散終端由疏散照明、動(dòng)態(tài)疏散指示、電源驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、CC2530 ZigBee 芯片、MQ-2煙感器、DS18B20溫感器、RH-iVS1120人群密度檢測(cè)裝置、TSL2561光感器及RF天線組成。ZigBee疏散終端利用煙感器、溫感器、光感器、人群密度檢測(cè)裝置等傳感器采集大空間建筑室內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)相關(guān)參數(shù)，經(jīng)過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器傳遞給終端核心MCU。MCU將數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳遞到系統(tǒng)中的應(yīng)急疏散服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時(shí)信息處理。同時(shí)，MCU接收來(lái)之服務(wù)器發(fā)出的控制指令，根據(jù)指令驅(qū)動(dòng)電源模塊來(lái)控制疏散照明與動(dòng)態(tài)疏散指示的工作狀態(tài)(低功耗休眠、亮狀態(tài)、指示方向)。多個(gè)ZigBee疏散終端通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，形成安全的疏散路徑指示。動(dòng)態(tài)疏散指示可根據(jù)火災(zāi)實(shí)時(shí)信息，網(wǎng)絡(luò)聯(lián)動(dòng)改變指示方向，有效引導(dǎo)人群選擇最佳疏散方向和路徑進(jìn)行安全疏散。終端原理如圖2所示。

圖2 ZigBee疏散終端原理圖

2.2 系統(tǒng)布局 目前ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為三種：樹(shù)型、星型和網(wǎng)狀[3]。文章中利用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)的大空間建筑智能疏散指示系統(tǒng)采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，拓?fù)淙鐖D3所示。這種拓?fù)鋼碛懈鼮殪`活的路由方式。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)區(qū)域路由器可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，借助相互交換其路由表來(lái)更新整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的路由信息。在傳輸過(guò)程中一旦某個(gè)路徑上的區(qū)域路由器發(fā)生故障，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)地尋找其他路徑進(jìn)行傳輸。這有助于處理ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接失敗和數(shù)據(jù)包丟失等問(wèn)題，提高了網(wǎng)絡(luò)通信效率。本文研究智能疏散指示系統(tǒng)采用改進(jìn)的ZigBee路由選擇算法，節(jié)約傳輸能耗，減少了傳輸距離。因此，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有自組織、自修復(fù)、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于大空間建筑消防系統(tǒng)的控制和檢測(cè)。

圖3 ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee協(xié)議棧

協(xié)議棧是協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)形式，是系統(tǒng)提供給用戶的一個(gè)接口，功能是接收和發(fā)送無(wú)線數(shù)據(jù)信息。文章中的大空間建筑的智能疏散指示系統(tǒng)采用Z-Stack協(xié)議棧。Z-Stack協(xié)議棧首先調(diào)用osalInitTasks()函數(shù)對(duì)系統(tǒng)初始化操作，然后調(diào)用osal_start_system()函數(shù)來(lái)啟動(dòng)抽象層OSAL。OSAL負(fù)責(zé)管理任務(wù)調(diào)度和資源分配。按照任務(wù)具有的優(yōu)先級(jí)高低順序和時(shí)間順序?qū)⑵浼尤霐?shù)組taskEvents，組成了事件鏈表，系統(tǒng)也隨即啟動(dòng)運(yùn)行。Z-Stack標(biāo)記osalTaskRec_t中的events值表示事件發(fā)生，主函數(shù)根據(jù)events值決定是否進(jìn)行事件處理。OSAL操作系統(tǒng)抽象層在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中不斷輪詢?nèi)蝿?wù)鏈表隊(duì)列，如果發(fā)生某一事件，系統(tǒng)就會(huì)調(diào)用對(duì)應(yīng)的事件處理函數(shù)進(jìn)行操作處理。如：某個(gè)ZigBee疏散終端準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，該終端就會(huì)調(diào)用發(fā)送函數(shù)來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)；疏散終端準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，就會(huì)調(diào)用接收函數(shù)接收數(shù)據(jù)；疏散終端無(wú)需傳輸數(shù)據(jù)，就會(huì)調(diào)用睡眠函數(shù)使終端進(jìn)行休眠，節(jié)約能源。

3.2 影響疏散方向選擇因素分析

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，疏散方向選擇主要由如下三個(gè)方面的因素確定[10]。一是疏散人群到安全出口的距離；二是疏散通道中疏散人群的密度；三是安全出口的寬度。通常距離安全出越近，選擇此疏散方向概率就越大；疏散人群密度越小，選擇此疏散方向概率就越大；安全出口寬度越小，選擇此疏散方向概率也越小。文章設(shè)計(jì)的疏散指示系統(tǒng)中已經(jīng)考慮到安全出口的距離因素。下面僅分析人群的密度和安全出口的寬度兩個(gè)方面因素。

疏散人群的密度影響人群選擇安全疏散方向的因素之一。文章中的疏散指示系統(tǒng)會(huì)盡力選擇人群密度小的方向來(lái)控制終端進(jìn)行該方向的指示疏散。人群的密度影響疏散方向選擇關(guān)系表示為公式1。

(1)

式中: CRDi為人群密度因素選擇參數(shù)，以百分?jǐn)?shù)形式表示；d為ZigBee疏散終端附近的疏散人群的密度；i表示第i個(gè)安全出口；k為密度調(diào)節(jié)指數(shù)，取大于等于零的數(shù)值；N為大空間建筑中包括的安全出口總數(shù)。

其次，大空間建筑中的安全出口寬度也會(huì)影響到人群選擇疏散方向。文章中的疏散指示系統(tǒng)會(huì)盡力選擇安全出口的寬度大的方向來(lái)控制終端進(jìn)行該方向的指示疏散。出口的寬度與疏散方向選擇關(guān)系可表示為公式2。

(2)

式中: WDHi為安全出口的寬度因素選擇參數(shù)，以百分?jǐn)?shù)形式表示；w為大空間建筑中第i個(gè)安全出口實(shí)際寬度；u為密度調(diào)節(jié)指數(shù)，取大于等于零的數(shù)值。

整合以上兩個(gè)直接影響疏散指示方向選擇因素，可得到疏散指示方向選擇可能性的量化公式，見(jiàn)公式3～公式5。

(3)

(4)

(5)

式中:CW為文章中疏散指示系統(tǒng)選擇某個(gè)疏散方向的概率；α和b分別為人群密度和安全出口的權(quán)重系數(shù)。利用疏散指示方向選擇的可能性參數(shù)，計(jì)算ZigBee疏散終端中動(dòng)態(tài)疏散指示選擇方向，優(yōu)化大空間建筑智能疏散指示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3.3 鄰接矩陣

經(jīng)典Dijkstra算法是假設(shè)系統(tǒng)中最短路徑上的一個(gè)頂點(diǎn)僅擁有一個(gè)前置點(diǎn)。實(shí)際情況往往是，此路徑上有多個(gè)前置點(diǎn)位于這個(gè)頂點(diǎn)前，即有相同權(quán)重系數(shù)的多條最短路徑存在。利用鄰接矩陣可以完整的表示系統(tǒng)中多條相同權(quán)重系數(shù)的最短路徑。

鄰接矩陣能夠正確直觀呈現(xiàn)帶權(quán)圖中頂點(diǎn)與頂點(diǎn)之間的相互關(guān)系。其中存儲(chǔ)了帶權(quán)圖的所有頂點(diǎn)本身信息與頂點(diǎn)之間邊的權(quán)重系數(shù)。矩陣元素值為∞，則說(shuō)明沒(méi)有邊直接連接這兩個(gè)頂點(diǎn)；矩陣元素值為一個(gè)正整數(shù)w，則說(shuō)明有一條邊權(quán)重系數(shù)為w的邊直接連接這兩個(gè)頂點(diǎn)；矩陣元素值為0，則說(shuō)明是同一個(gè)頂點(diǎn)。下面圖4、表1分別表示帶權(quán)圖及其對(duì)應(yīng)的鄰接矩陣。

圖4 經(jīng)典 Dijkstra算法帶權(quán)圖

表1 對(duì)應(yīng)的鄰接矩陣

3.4 改進(jìn)的Dijkstra算法

綜合上述方向選擇的影響因素和鄰接矩陣的分析，文章中基于ZigBee設(shè)計(jì)的大空間建筑智能疏散指示系統(tǒng)采用改進(jìn)的Dijkstra算法[4]控制ZigBee疏散終端動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)選擇疏散方向指示。算法流程如圖5所示，算法步驟如下：

圖5 改進(jìn)的Dijkstra算法流程圖

Step1：ZigBee疏散終端初始化

大空間建筑智能疏散指示系統(tǒng)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)對(duì)所有ZigBee疏散終端和ZigBee區(qū)域路由器進(jìn)行編號(hào)。首先，每個(gè)疏散終端只將自身設(shè)置為起點(diǎn)，給定其永久p標(biāo)志，將其余疏散終端暫不設(shè)永久p標(biāo)志，同時(shí)，將大空間建筑中的所有安全出口終端設(shè)置為終點(diǎn)。系統(tǒng)中各ZigBee疏散終端用CW影響因子參與計(jì)算其鄰接疏散終端的最短路徑，構(gòu)造鄰接矩陣。

Step2：求路徑長(zhǎng)度最短的前置鄰接疏散終端

ZigBee疏散終端查找自身的鄰接矩陣，搜索沒(méi)有p標(biāo)志且路徑長(zhǎng)度最短的相鄰疏散終端vi。如果vi的路徑長(zhǎng)度為∞，則繼續(xù)搜索下一個(gè)終端，否則，將終端vi設(shè)定永久性p標(biāo)志。

用CW影響因子計(jì)算vi的鄰接疏散終端vi+1的最短路徑，存儲(chǔ)vi前置疏散終端及其個(gè)數(shù)。

如果起始疏散終端經(jīng)過(guò)終端vi到終端vi+1的路徑長(zhǎng)度大于終端vi+1現(xiàn)有的最短路徑長(zhǎng)度，那么疏散終端vi+1的最短路徑長(zhǎng)度將作為起始疏散終端經(jīng)過(guò)終端vi再到疏散終端vi+1的路徑長(zhǎng)度。終端vi+1前置鄰接終端包含vi，前置鄰接終端個(gè)數(shù)加1。終端vi+1最短路徑個(gè)數(shù)包括經(jīng)過(guò)終端vi的最短路徑數(shù)。

如果所有疏散終端都有永久性p標(biāo)志且達(dá)到大空間建筑的安全出口終端，算法結(jié)束。否則跳轉(zhuǎn)到Step2。

Step3：求智能疏散指示系統(tǒng)中最短路徑

考慮CW影響因子，每個(gè)ZigBee疏散終端從多個(gè)到達(dá)安全出口終端的最短路徑中選出一條作為唯一的最短疏散路徑，并將其經(jīng)過(guò)的所有終端加入的最短路徑數(shù)組中，修正矩陣元素值。

每個(gè)ZigBee疏散終端根據(jù)最短疏散路徑信息實(shí)時(shí)輸出動(dòng)態(tài)疏散指示的方向。

4 系統(tǒng)測(cè)試

以某市知名連鎖大型超市為列，對(duì)基于ZigBee大空間建筑智能疏散指示系統(tǒng)的功能進(jìn)行了測(cè)試。經(jīng)過(guò)對(duì)比測(cè)試來(lái)驗(yàn)證本系統(tǒng)在疏散指示方面的有效性與實(shí)時(shí)性。測(cè)試中將該超市分成兩個(gè)面積與貨架布局相當(dāng)?shù)姆阑鸱謪^(qū)，一個(gè)分區(qū)按規(guī)范要求沿消防疏散通道布置40個(gè)傳統(tǒng)獨(dú)立的疏散指示與疏散照明；另一個(gè)分區(qū)按本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求布置了30個(gè)ZigBee疏散終端，3個(gè)ZigBee區(qū)域路由器，1個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器以及在消防控制室布置了應(yīng)急疏散服務(wù)器和用戶終端；每個(gè)區(qū)域分別安排300人，各自擁有3個(gè)寬度分別為1.4m，1.8m，2.2m出口。

兩個(gè)防火區(qū)域疏散指示系統(tǒng)布置完成后，模擬火災(zāi)發(fā)生場(chǎng)景，人群分別按照各自的安全疏散指示開(kāi)始進(jìn)行疏散至疏散完畢，并記錄下各自所需要的時(shí)間。為保證結(jié)果的客觀性，每個(gè)防火分區(qū)設(shè)置不同位置模擬火災(zāi)著火點(diǎn)，分別進(jìn)行了10組對(duì)照試驗(yàn)，最終如表2所示。

表2 兩種疏散指示系統(tǒng)疏散時(shí)間對(duì)比

從表1中可以看出，按照傳統(tǒng)疏散指示系統(tǒng)給出的路線進(jìn)行人群疏散所需要的平均時(shí)間為 257秒，而按照基于ZigBee大空間建筑智能疏散指示系統(tǒng)給出的路徑進(jìn)行人群疏散所需要的平均時(shí)間僅為201.8秒。對(duì)比二者，本系統(tǒng)平均縮短了時(shí)間長(zhǎng)為55.2 秒，由此證明了本系統(tǒng)的有效性，更能保證人員的快速安全疏散。

5 結(jié)論

基于ZigBee技術(shù)和改進(jìn)的Dijkstra最短路徑算法，設(shè)計(jì)出一種優(yōu)化高效的大空間建筑智能疏散指示系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)在實(shí)際場(chǎng)所進(jìn)行疏散測(cè)試，結(jié)果分析表明：該智能疏散指示系統(tǒng)實(shí)時(shí)生成的安全優(yōu)化疏散路徑能夠縮短大空間建筑中人群的疏散時(shí)間。所需的時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于按照傳統(tǒng)系統(tǒng)給出的疏散路徑所需要的時(shí)間，由此證明了該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與價(jià)值，更大程度上保證了大空間建筑中的人群安全。