張 勤，胡宇虹

（華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641）

0 引言

隨著社會城市化進(jìn)程加快，高層建筑大量涌現(xiàn)，建筑的高層化，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，給建筑消防帶來了新的挑戰(zhàn)。如何快速地應(yīng)對火災(zāi)，減少二次災(zāi)害，保證財產(chǎn)和生命安全是消防救援工作的重要課題。

目前的人員救助方法主要有消防人員通過消防設(shè)備救援，直升機救援，通過逃生裝備自救，以及機器人救援等方式實現(xiàn)人員救助。其中最常見的救援方式是消防員實地救援，消防人員收到火警，抵達(dá)火場，搜查被困人員，對被困人員實施救援。對被困人員的定位局限于大聲喊叫、揮動毛巾和消防員實地搜救等原始方式，救援風(fēng)險較大，容易造成二次災(zāi)害。直升機救援對建筑要求較高，僅適用于樓距較大，樓頂開闊的樓盤。隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，消防機器人不斷出現(xiàn)，日本研制出一種復(fù)合型吊艙式機器人系統(tǒng)[1]，通過吊艙上配備的紅外線攝像和玻璃切割等裝置，實現(xiàn)信息采集和人員救助。文獻(xiàn)[2]提出了SIRIUSC系列的機器人，通過高層建筑頂層的提升機構(gòu)和水平移動機構(gòu)，機器人可以實現(xiàn)縱向和橫向的快速移動和越障等功能。文獻(xiàn)[3]提出高層救生艙系統(tǒng)，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，被困人員通過逃生艙快速安全到達(dá)安全地點。但無論哪種救援方法，都需要預(yù)先知道被困人員和火災(zāi)現(xiàn)場情況，才能實現(xiàn)有效的救助。

被困人員位置分布和火災(zāi)現(xiàn)場信息是消防救援決策的重要依據(jù)，也是實現(xiàn)快速、有效救援的保證。針對這個問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了一些前瞻性研究，并取得了一定的成果。

在火場信息采集方面，為確定人員分布，文獻(xiàn)[4]提出了一個基于傳感器驅(qū)動和情景感知計算的平臺，通過定位移動人員攜帶的小型傳感器標(biāo)簽，監(jiān)測人員可以獲得移動人員的準(zhǔn)確位置和動態(tài)模型；文獻(xiàn)[5]提出使用遠(yuǎn)程射頻識別標(biāo)簽跟蹤人員的動態(tài)位置，并搭建疏散中心信息集成系統(tǒng)，一旦檢測到某個人員的動態(tài)位置，疏散中心信息集成系統(tǒng)將該位置發(fā)送到救援隊，以實現(xiàn)快速救援。文獻(xiàn)[6]利用具有時空地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）功能的移動機器人進(jìn)入火場，通過機器人配備的多種傳感器，實時勘測人員位置。文獻(xiàn)[7]提出采用基于接收信號強度（Received Signal Strength Indication，RSSI）技術(shù)的定位系統(tǒng)，確定被困人員的位置。

在確定著火點位置以及火勢發(fā)展上，主要借助各種傳感器，感知煙霧、溫度等著火點信息[8-10]來實現(xiàn)。

在高層建筑火災(zāi)的救援路徑規(guī)劃方面，國內(nèi)外學(xué)者提出最短路徑規(guī)劃算法、群智能仿生算法、機器學(xué)習(xí)等思想來解決這一問題。在最短路徑規(guī)劃算法方面，文獻(xiàn)[11]采用路由信息協(xié)議（Routing Information Protocol，RIP）中的路由（Digital Video，DV）算法，借助路由轉(zhuǎn)發(fā)機制，實時計算最優(yōu)逃生路徑。文獻(xiàn)[12]基于弗洛伊德（Floyd）算法，提出可以進(jìn)行動態(tài)調(diào)整以及及時反饋的最優(yōu)路徑。文獻(xiàn)[13]基于改進(jìn)A星（A-Star，A*）算法，提出了一種效率更高的多起點、多出口的路徑規(guī)劃算法。在群智能仿生算法方面，文獻(xiàn)[14]提出環(huán)境障礙閾值和安全代價函數(shù)，為火災(zāi)環(huán)境下A*算法和蟻群算法的選用提供參考。文獻(xiàn)[15]基于改進(jìn)的自適應(yīng)果蠅算法，進(jìn)行節(jié)點和路徑容量受限情況下的動態(tài)疏散路徑規(guī)劃。文獻(xiàn)[16]針對大型公共建筑的疏散規(guī)劃，提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)路徑規(guī)劃方法，其運行速度比傳統(tǒng)算法快8～10倍。此外，文獻(xiàn)[17]提出基于火災(zāi)相關(guān)產(chǎn)物影響條件下的人員疏散速度模型，可以真實反映火場中的疏散效果。文獻(xiàn)[18]針對火災(zāi)動態(tài)擴散過程提出基于漣漪擴散算法（RSA）的協(xié)同進(jìn)化路徑優(yōu)化方法（Co-Evolutionary Path Optimization,CEPO），避免出現(xiàn)被困人員繞遠(yuǎn)現(xiàn)象，有效提高火災(zāi)疏散效果。

縱觀國內(nèi)外高層救援的現(xiàn)狀可以看出：

（1）目前高層建筑人員救助系統(tǒng)主要是被動救援方式，消防人員或者機器人收到火警到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場后才開始搜救，也就是說消防響應(yīng)時間內(nèi)，被困人員處于等待或者隨機的自救中，容易錯過最佳逃生時間；

（2）救助人員與被困人員信息交互匱乏。火災(zāi)現(xiàn)場煙霧彌漫，由于缺少信息交互的渠道，造成搜救時間過長，逃生方向不明等混亂狀態(tài)。

為了解決上述問題，本論文提出基于物聯(lián)網(wǎng)的高層救援路徑規(guī)劃方法?；谖锫?lián)網(wǎng)，建立了消防救助人員、被困人員、指揮人員、應(yīng)急設(shè)施等全方位、多通道的信息采集反饋與交互系統(tǒng)：被困人員通過手機等終端反饋位置信息，控制中心根據(jù)火災(zāi)現(xiàn)場信息、天氣信息、被困人員位置信息規(guī)劃安全逃生路徑，發(fā)出救助指令，指揮被困人員逃生；基于信息融合和蟻群算法，快速定位個性化救援目標(biāo)，完成快速救援最優(yōu)安全路徑的規(guī)劃。提出的人員救助方法，可最大限度地縮短救援時間，有效利用消防應(yīng)急響應(yīng)時間，實現(xiàn)被困人員的救助。

1 人員救援系統(tǒng)的構(gòu)成與救援方法

高層人員救援系統(tǒng)由信息采集、通信系統(tǒng)、智能指揮控制中心、人員救助系統(tǒng)組成。信息采集系統(tǒng)通過電腦、手機等物聯(lián)網(wǎng)終端、煙霧傳感器、緊急按鈕和監(jiān)控等多種監(jiān)測方式，收集建筑物內(nèi)部的信息。一旦發(fā)生火情，立即將火警信息發(fā)送到建筑內(nèi)數(shù)據(jù)庫中每個人的移動終端。通過人員反饋回來的信息，收集被困人員的位置信息，并實時發(fā)送到智能指揮控制中心。交通、醫(yī)療和消防中心等外部公共信息通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)共享，在消防信息采集系統(tǒng)實現(xiàn)信息融合和交互通信。通信系統(tǒng)建立被困人員。消防人員、救生艙等應(yīng)急設(shè)備之間的聯(lián)系與交互。智能指揮控制中心根據(jù)火災(zāi)現(xiàn)場信息、被困人員位置信息以及天氣等信息規(guī)劃安全快捷的逃生路徑，發(fā)出救助指令給被困人員，指導(dǎo)逃生方法，同時調(diào)動人員救助系統(tǒng)完成人員救助。智能指揮控制中心系統(tǒng)有自主模式和人工干預(yù)模式。自主模式用于消防響應(yīng)時間內(nèi)的救助，一旦發(fā)生火警，立即根據(jù)信息采集系統(tǒng)的信息進(jìn)行綜合評判，生成逃生和救援路徑，指揮被困人員和救助系統(tǒng)行動；人工干預(yù)模式是消防響應(yīng)后，也就是專業(yè)消防人員到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場后，根據(jù)現(xiàn)場信息，綜合判斷，參與救援路徑的規(guī)劃。人員救助系統(tǒng)由救生艙及其附件組成，救生艙平時放在樓頂處于休眠待命狀態(tài)，一旦發(fā)生火災(zāi)，可以立即激活。救生艙在樓頂可以沿導(dǎo)軌做平面移動，通過吊艙沿垂直方向移動，實現(xiàn)救生艙的空間移動，根據(jù)指揮系統(tǒng)生成的最優(yōu)救援路徑實施人員救助。人員救助方法分為集體救助和個性化救助，指揮中心根據(jù)火場分布，房間布局，易燃品、危險品分布，風(fēng)向風(fēng)速等信息確定個性化逃生路線，被困人員根據(jù)指揮中心反饋回來的樓層逃生路線指引，前往指定樓層避難地或者指定地點乘救生艙逃生；對于無法到達(dá)指定避難地點進(jìn)行集體逃生的被困人員，按照救援指引在原地等待或者到達(dá)指定位置，救生艙根據(jù)個性化救援的人員信息，基于蟻群算法生成安全最優(yōu)救援路徑，救生艙依順序?qū)⒏鳂菍拥谋焕藛T載離。人員救助過程如圖1所示。

救援路徑規(guī)劃軟件系統(tǒng)是基于服務(wù)器—客戶機（Client-Server，C/S）架構(gòu)開發(fā)，由Mysql數(shù)據(jù)庫、Tomcat服務(wù)器、客戶端App組成，包含火警推送模塊，被困人員信息采集模塊，火災(zāi)信息融合模塊，救援策略和路徑生成模塊，救援人員干預(yù)救援模塊。

信息采集與交互是制訂救援方案的依據(jù)，也是實時救援指導(dǎo)的保證。基于物聯(lián)網(wǎng)的消防信息采集系統(tǒng)針對以太網(wǎng)形式的 WiFi 局域網(wǎng)環(huán)境，構(gòu)建嵌入式 Web 服務(wù)器，設(shè)計了被困人員定位信息采集和交互通信等功能的具體實現(xiàn)方案。一旦有火警，被困人員手機立刻會收到預(yù)警推送提示，可以通過手機等移動終端提供被困位置信息給信息采集系統(tǒng)，并實時接收指揮中心反饋回來的救援引導(dǎo)信息進(jìn)行逃生，從而極大縮短救援等待時間，增加逃生幾率。消防人員也可以通過手機等移動終端登錄救援頁面，可查看系統(tǒng)收集到的被困人員位置和分布信息，掌握被困人員情況，干預(yù)制定消防策略，實現(xiàn)被困人員和消防人員的雙向交互通信。

圖1 人員救助系統(tǒng)

2 基于蟻群算法的個性化救援

2.1 人員救助路徑優(yōu)化模型的建立

在保證安全的前提下，被困人員的等待時間、救援路徑的長度直接影響救援效率。首先以被困人員平均等待時間最短f1作為優(yōu)化條件，篩選救援目標(biāo)，然后由救生艙最短路徑f2進(jìn)一步優(yōu)化救援路徑，最后考慮著火點、危險區(qū)域、火勢走向等確定最優(yōu)安全路徑。

建立救援界面坐標(biāo)系xoy，如圖2所示。設(shè)高層建筑中有n個求救位置并對其進(jìn)行順序編號，在人員救助路徑中對應(yīng)求救位置編號i的位置序號為ri，即ri=1,2,…,n(i≤n)，每個求救位置處的等待救援人數(shù)為pi(i≤n)，則需要確定一條人員救助路徑r=(r1,r2,…,rm)(m≤n)，使得救生艙從起始點出發(fā)經(jīng)過m個求救位置后最終到達(dá)安全點，保證每個位置序號ri(i≤m)處的求救位置只經(jīng)過一次。

圖2 人員救助路徑

建立平均等待時間數(shù)學(xué)規(guī)劃模型：

式中，tri表示在人員救助路徑中位置序號ri處被困人員需要等待的時間；λri表示位置序號ri在路徑中相對危險位置的重要程度，即權(quán)重；pri表示位置序號ri處的被困人員數(shù)量；表示人員救助路徑上所有被困人員的等待時間之和；表示人員救助路徑之外的所有被困人員的等待時間之和；表示高層建筑中所有被困人員的數(shù)量；dri+1ri表示求救位置ri+1ri間的距離；v表示救生艙運行速度；hrm表示最后一個人員救助路徑上的位置序號到地面的高度；trm既表示人員救助路徑中位置序號rm處每個被困人員需要等待的時間，同時也是人員救助路徑之外的位置序號處每個被困人員的等待時間；q表示火源位置和存放危險易燃物質(zhì)位置數(shù)量之和，其中危險位置序號為cj；表示各個求救位置與火源之間的距離。將相對權(quán)重進(jìn)行歸一化處理和累乘即可得到Scj表示中的最大值。由于救生艙等消防設(shè)備的承載能力有限，出于安全性考慮，一條人員救助路徑上救援的被困人員數(shù)量不能超過其最大承載量，其中pmax表示最大承載量，此時共有m個救援位置。

經(jīng)過f1生成最短平均等待時間路徑后，通過最短路徑模型f2進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，獲得經(jīng)過危險位置點的最短救援路徑。建立路徑最短數(shù)學(xué)規(guī)劃模型：

考慮著火點周圍熱場，危險點周圍的不安全因素，以及風(fēng)向、煙囪效應(yīng)對火勢蔓延的影響，確定危險區(qū)域，確保救助路徑安全。

假設(shè)著火點等危險區(qū)域的熱場初始半徑為R（R根據(jù)火勢確定）。設(shè)風(fēng)向向量為e，火災(zāi)煙囪效應(yīng)對危險半徑影響為豎直方向的向量h，火災(zāi)危險區(qū)域在e方向上的最大值為KeR，在h方向上的最大值為KhR，Ke、Kh分別根據(jù)救援現(xiàn)場風(fēng)速和著火點的火勢確定，可以確定危險區(qū)域范圍，如圖3所示。

假設(shè)A、B為求救位置，從A到B實施救援時，要繞開危險區(qū)域。分別經(jīng)過A、B點對二次曲線作外切線，通過對比的大小可選出避開危險區(qū)域該段路程最小值的最優(yōu)安全路徑。

圖3 最優(yōu)安全路徑生成

2.2 基于蟻群算法的模型求解

采用蟻群算法求解人員救助路徑數(shù)學(xué)模型，分成三個模塊。首先考慮路徑長度，被困人員數(shù)，著火點影響，基于人員最短等待時間模型f1篩選救援位置r=(r1,r2,…,rm)(m≤n)；然后基于最短路徑模型f2，獲得經(jīng)過篩選出的救援位置的最優(yōu)路徑；最后考慮風(fēng)向風(fēng)速和危險位置避開危險，獲得最優(yōu)安全路徑。求解過程的流程如圖4所示。

圖4 蟻群算法尋優(yōu)人員救助路徑流程

3 仿真驗證與實驗

3.1 仿真驗證

為了驗證提出算法的可靠性，基于Matlab進(jìn)行仿真分析。

假設(shè)建筑有15層，著火點在1106房間，505房間內(nèi)有危險品，救生艙的最大承載人數(shù)為18人。為了節(jié)約時間，首先將救生艙從樓頂移動到著火點的上方。由仿真軟件隨機生成的求救位置數(shù)量n為30，每個求救位置隨機分布被困人員，如圖5所示。圖5中的小圓圈代表求救位置，數(shù)字代表該位置被困人員數(shù)量，黑色實心點、灰色實心點分別代表著火點和存放危險品房間的位置。根據(jù)蟻群算法的參數(shù)最優(yōu)選擇原則[19-20]設(shè)置Matlab模擬仿真參數(shù)螞蟻數(shù)量k=13，信息啟發(fā)式因子α=1，期望啟發(fā)式因子β=5，信息素?fù)]發(fā)系數(shù)ρ=0.1，信息素總量Q=100。通過100次迭代，在基于人員最短等待時間救援路徑模型f1得到的m個救援位置上，再通過f2篩選出救援位置的最短路徑，如圖5（a）中的實線所示。在救生艙救援人數(shù)有限的情況下，在第一次救援中優(yōu)先前往危險程度高，被困人員數(shù)量多的求救位置。

考慮著火點、危險點的安全范圍和風(fēng)向，對生成的救援路徑進(jìn)行優(yōu)化，生成的最優(yōu)安全救援路徑如圖5（b）所示?？梢钥闯?，生成的最優(yōu)安全救援路徑與人工救援方法非常相似，證明了蟻群算法求解得出的最優(yōu)路徑及其最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值的合理性。

圖5 救援路徑的仿真結(jié)果

3.2 救援響應(yīng)時間實驗

實驗地點為華南理工大學(xué)的汽車科技大樓，該樓為L型結(jié)構(gòu)的15層建筑。實驗成員為50名，每人攜帶一部安裝了高層救援路徑規(guī)劃軟件客戶端App的手機，50名成員隨機分布在建筑內(nèi)的某層的隨機房間中。通過實驗測試系統(tǒng)的救援響應(yīng)時間，也就是測試由推送平臺發(fā)送火警通知電話到手機終端，50名實驗成員接收到火警后，反饋回自己的位置及安全信息，然后收到控制中心發(fā)送的個性化救援指導(dǎo)方案所需要的時間，每組實驗重復(fù)20次。實驗結(jié)果表明，在局部網(wǎng)環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)速度65 Mb/s情況下，火災(zāi)預(yù)警到達(dá)率為100%，由火警通知發(fā)出，到50名人員反饋信息到數(shù)據(jù)庫的平均時間為27.92 s；控制中心生成最優(yōu)安全路徑并反饋給被困人員平均時間為1.5 s，也就是說，整個救援響應(yīng)時間為29.42 s，與現(xiàn)有的消防系統(tǒng)收到報警、出警、到達(dá)現(xiàn)場至少5 min消防響應(yīng)時間相比大幅度降低。圖6為高層救助系統(tǒng)手機App的工作界面。由此可見，通過被困人員、消防人員之間的信息融合與交互，救援實時性強，救助更加有序，減少了救援盲目性，大大減少了救援時間。

圖6 手機App頁面

4 結(jié)語

（1）提出基于物聯(lián)網(wǎng)的火場人員救助方法，基于多通道的信息采集、融合、決策、反饋機制，將主動救援和被動救援相結(jié)合，可以大大縮短消防響應(yīng)時間，提高逃生幾率。特別是對于高層或者超高層建筑的救援，消防車能力達(dá)不到的情況下，救援效果更加顯著。在實驗室條件下，從火警通知發(fā)出，到被困人員收到逃生指引所需要的平均時間僅為30 s，火警預(yù)警電話送達(dá)準(zhǔn)確率達(dá)到100%，滿足信息響應(yīng)的準(zhǔn)確性和實時性要求。

（2）本文建立了人員救助路徑優(yōu)化模型，提出了基于蟻群算法的個性化救援路徑規(guī)劃方法，并通過仿真證明了提出算法的可靠性。

（3）安全救援路徑的規(guī)劃與建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、人員分布、易燃易爆品的存儲情況等密切相關(guān)。根據(jù)這些信息需要事前構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，完備的數(shù)據(jù)庫是實現(xiàn)安全救援路徑規(guī)劃的重要保證。