专利名称：智能楼宇灾害应急人员疏散最优路径确定方法
技术领域：
本发明属于信息处理技术领域，具体涉及一种智能楼宇灾害应急人员疏散最优路径确定方法。
背景技术：
随着城市化的发展，商场、写字楼随处可见，消防安全与逃生系统的安全性、可靠性与智能性的要求越来越高。由于商场或写字楼通道的结构越来越复杂，人数比重比较大，再加上由于火灾、地震等突发情况，传统的楼宇人员疏散与逃生系统越来越满足不了当前安全性、可靠性与智能性的需求。因此，迫切需求一款实时的可根据突发状况自行调整的最优有效路径指示系统。目前，传统的楼宇指示系统只是死板指向当前楼层的出口，没有考虑实时的突发状况，也没有考虑到在突发情况下传统的指示牌指示的路径是否是最优有效安全的路径，不能有效地指示出现火警等突发位置的一条安全性与可靠性相对比较高的路径以方便楼层中的人员更大可能的疏散与逃生，更加做不到实时选择安全最优的有效路径。然而如何实现最优有效路径的寻找，且保证系统的实时可靠性与智能性，是工程实践亟待解决的问题。目前，现有技术对楼宇求生系统最优有效路径方面做的研究主要是固定地根据当前逃生通道选择安全路径，并没有考虑突发状况下，某通道被封闭或者出现火警而不能通行的情况，也不能为火警等突发状况点选择相对安全的最优有效路径，更加不能做到实时选择突发状况下的安全最优路径。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种智能楼宇人员疏散最优路径确定方法，该方法包括步骤:步骤1，创建需建立安全疏散与逃生系统的楼宇模型，从最高层至底层标记楼层指示牌位置，并为每个指示牌标记序号；步骤2，根据序号，建立相邻指示牌可通行无向距离数组；步骤3，扫描指示牌中传感器状态；步骤4，遍历所有指示牌位置，根据步骤2中建立的无向距离数组和步骤3中采集的传感器状态来确定可通行最优路径。优选地，建立二维坐标系，其中放置于相邻两层楼梯口的两块指示牌的距离假设为0，在计算最短路径时忽略不计，而不处于同一楼层的指示牌的距离假设为无穷大，同一楼层相邻两块指示牌之间的距离根据建立的坐标系计算需行走路程，同一楼层不相邻的两块指示牌的距离也假设为无穷大。优选地，在每个指示牌中设置传感器，以采集指示牌所在位置的火警情况，以温度传感器为例，每个指示牌传感器会获取此指示牌位置实时温度，此时设置一温度阈值用于判断是否可通行，是否有超过阈值的指示牌为出现火警位置。优选地,步骤4进一步包括:步骤401,初始设置起始点S = {VI}, T = {其余指示牌位置}，T中记录的为起始点到其余指示牌的距离值，距离值表示两块指示牌之间是否可通行且距离为多少；步骤402，从T中选取一个其距离值最小的顶点W，且不在S中，加入S ;步骤403，对T中的所有距离值进行修改，修改方式为:若加进W做中间顶点放入S中保证每条从起始点(Vl)出发的路径必须经过W点，从起始点(Vl)到Vm的距离值比不加W做中间顶点距离缩短，则修改Vl到Vm距离值为加入W后Vl至Vm的值；如果不存在点使Vl到Vm的距离缩短，且Vl与Vm之间也是不相邻的，则设此阈值下Vl不存在安全最优路径，转至步骤405 ;步骤404，如果此时W灯亮，将终止此初始点的计算，因W计算出的最短路径与其它路径重合，将不需要重复计算；如果此时W灯不亮，则将重复步骤402和403继续加入其它点作为中间点，直至遍历T中的所有点，即W为Vm为止；步骤405，遍历其余点，按顺序分别设置为起始点S = {Vn}，重复过程中步骤401-404，直至起始点S为Vm。本发明与现有楼宇求生系统技术相比的显著成果在于:能够考虑火警等突发状况下，保证楼层中的部分位置选择安全最优路径，同样能够安排路径经过或在火警等突发情况点根据当前情况选择一条安全且路径最优的人员疏散路径，尽量增加楼宇中人员的逃生可能性与人员疏散的安全性；由于突发情况随时间的变化，通道也会随着发生变化，本发明能够实时地根据火警等情况随时间变化动态选择安全最优路径，并且能够满足智能楼宇人员疏散与逃生的安全性、智能性、可靠性与实时性的需求。
图1是本发明智能楼宇灾害应急人员疏散最优路径确定方法流程图。图2是本发明方法所适用的智能楼宇的实例拓扑结构图。图3本发明方法所适用的智能楼宇中安全无突发状况下的所有位置最优路径路。图4是本发明方法所适用的智能楼宇中部分位置出现火警等突发状况的所有位置最优路径图。
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。本发明主要针对的是商场、写字楼等在火警等突发情况下，人员疏散与逃生动态路径实时安全最优路径选择，保证算法的实时性、可靠性与智能性。本发明采用智能交通中常用的迪杰斯特拉(Dijkstra)算法,依据R.B.Dial 1979年在《Network (网络)》上发表的论文 “A computational analysis of alternativealgorithms and labeling techniques for finding shortest path trees (一种为了寻找最短路径树的选择算法和标签技术的分析)”，并对此算法按楼宇需求做部分改进，以达到适用于楼宇突发状况下安全疏散与求生系统的实时性、安全性与智能性的需求。迪杰斯特拉算法是一种典型的单源最短路径算法，用于计算一个节点到其他所有节点的最短路径。为适用于楼宇突发状况下安全性与最短路径的需求，并保证实时性、安全性与智能性的要求，改进迪杰斯特拉算法使其可以计算任何一点到一个特定点(只有一个可行安全出口)或多个特定点(多可通行安全出口)安全最短路径，通过通信协议采集各个走廊位置的传感器信号获取当前情况，设置阈值，逐步调整阈值，直至所有位置都计算出一条相对安全的最优路径，并采用软件延时方法定时采集火警或其他突发情况下(指示牌中安装传感器采集当前信号)通道可通行情况，实时安排不同位置的安全最优路径。为了更好说明本发明的智能楼宇人员疏散最优路径确定方法，选择一种拓扑结构比较简单的情况作为实例，获取当时情况每个指示牌传感器(本实例中假设为温度传感器)信号值大小，而且过程中定时随时间发生改变，这是本发明保证实时性应用的前提条件。本发明提出的智能楼宇人员疏散最优路径确定方法，主要是采用改进的迪杰斯特拉算法，以达到适用于智能楼宇在火警等突发状况下所有位置人员疏散安全最优路径问题，具体改进体现于以下方面:1)通过建模获取楼层与指示牌位置，建立指示牌之间距离(实际需行走距离)的无向数组；接收通信或协议传输的传感器信号，设置传感器信号阈值，高于阈值部分将假设不可通行，重新修改指示牌之间距离的无向数组。2)通过迪杰斯特拉算法计算单点到出口的最优路径，遍历楼宇中所有位置标记，在此阈值下所有可通行的安全最优路径，需指出计算过程中遇到指示牌已点亮的位置，将不需要计算其后续路径。3)逐步按比例上调传感器信号阈值，重新遍历没有寻出安全最优路径点，阈值继续等比例上调，直至楼宇中的所有位置都标记一条相对安全的最优路径。完成此状态下由传感器信号决定的楼宇所有位置的不同状况下的安全最优路径。4)软件设置定时器，定时通信与协议采集传感器信号重复步骤(1)_(4)，保证楼宇中随时间火警等突发情况变化，能够实时保证所有位置都被指示一条相对安全的最优路径。图1为根据本发明一实施例的智能楼宇灾害应急人员疏散最优路径确定方法的流程图，如图1所示，该方法包括步骤:步骤1，对整个楼层建模，标记所有指示牌位置，并排序。首先创建(例如用Opengl结合MFC)需建立安全疏散与逃生系统的楼宇模型，从最高层至底层标记楼层指示牌位置，并为每个指示牌标记序号，从“ I ”开始，如图2所示，假设其有一个初始状态:是否已点亮，且指明方向。本发明中指示牌在楼宇中非常常见，用于指示安全出口，一般每隔20米在走廊中和楼梯口放置。步骤2，根据序号，建立相邻指示牌可通行无向距离数组。建立二维坐标系，例如根据计算机画图时建立的二维坐标系,建立指示牌可通行无向数组，即为权重数组。但需做如下简化处理，放置于相邻两层楼梯口的两块指示牌的距离假设为0，因为从上层到下层肯定要经过楼梯口，所以在计算最短路径时可以忽略不计；不处于同一楼层的指示牌的距离假设为无穷大(在程序中可假设一个较大的数字即可)，同一楼层相邻两块指示牌之间的距离可根据建立的坐标系计算需行走路程，同一楼层不相邻的两块指示牌的距离也假设为无穷大。步骤3，扫描指示牌中传感器状态。本发明实施必须要有一个先决条件就是需要硬件配合获取每个指示牌位置当时情况下火警等突发状况的蔓延情形，需要在指示牌中设置传感器然后通过主控与本算法建立通信协议，收发数据。本发明通过软件延时采集通过协议或网络通信发送的传感器信号，设置阈值，信号值超出阈值的走廊，将设为不可通行，修改与其相邻的指示牌的距离为不可通行，从而建立指示牌可通行的无向数组。以温度传感器为例，每个指示牌传感器会获取此指示牌位置实时温度，此时设置一温度阈值用于判断是否可通行，然后计算指示牌可通行无向数组。步骤4，遍历所有指示牌位置，寻求可通行最优路径。从序号“I”指示牌位置开始，直至次序号最大，寻求到出口位置(序号最大的指示牌)的最短路径，其中假设Vn为序号“η”的指示牌，Vm为终点指示牌，具体过程如下:步骤401，初始设置起始点S = {VI}，每次初始设置时只取一个位置，T = {其余指示牌位置}，T中记录的为顶点对应的距离值，距离值表示起始点到其他指示牌之间(例如取定一块指示牌作为参照指示牌，该指示牌与楼层中所有指示牌之间的距离为所述距离值，即起始点Vl到其余各个指示牌的距离，如V1V2、V1V3、……VIVm，各个距离值按照步骤2的方式进行计算)是否可通行且距离为多少。步骤402，从T中选取一个其距离值最小的顶点W，例如是V2，且不在S中，加入S，同时从T中删除该顶点W。步骤403，因为在S中加入W，则起始点Vl若要到达其他指示牌位置，则必须经过W，所以需要对T中的所有距离值进行修改，即通过将W放入S，T中的所有距离值代表的距离必须经过W，也就是若加进W做中间顶点放入S中保证每条从Vl出发的路径必须经过W点，到达T中其余点。如果从Vl经过W到Vm的距离值比不加W做中间顶点距离缩短，则修改Vl到Vm距离值为加入W后Vl至Vm的值；如果不存在点使Vl到Vm的距离缩短，且Vl与Vm之间也是不相邻的，则此阈值下Vl不存在安全最优路径，转至步骤405。步骤404，如果此时W灯亮(表示W已在其它指示牌作为初始点的最短路径中)，将终止此初始点(Vl)的计算，因W计算出的最短路径与其它路径重合，将不需要重复计算；如果此时W灯不亮，则将重复步骤402和403继续加入其它点作为中间点，直至遍历T中所有点，即W为Vm为止。如一条走廊中有多块指示牌，从第一个指示牌计算出最短路径，假设包含此走廊中其它指示牌，则此走廊中 其余指示牌将不再重复计算最短路径。步骤405，遍历S中其余点，按顺序分别设置为起始点S = {Vn}，重复过程中步骤401-404，直至起始点S为Vm。在此过程中需说明的是:存在部分可通行点到出口所有路径必须经过不安全点，寻求不到安全最优路径(在判断时，设置选择的路径距离不能超过程序中假设的不相邻指示牌之间的距离值，否则选择的路径不可靠)，还存在部分指示牌位置已处于非安全点(指示牌传感器信号大于阈值)的通道，没有寻找安全最优路径。步骤5，计算当出现突发情况点时相对较安全的可通行最优路径，因为有部分位置不存在安全最优路径。逐点遍历，寻求处于突发状况(火警等)指示牌的点与此阈值下没有安全最优指示牌位置存入P中，对步骤3中阈值按比例进行增加，修改因阈值变动而传感器值小于阈值的点为可通行，更新指示牌之间距离的无向数据重复步骤4。值得一提的是阈值需不断增力口，而且阈值每变化一次需遍历P中的所有点，重复步骤4，直至P中的点都寻到不同阈值下的安全最优路径。如某一位置传感器值大于当前阈值而不可通行，修改阈值后大于传感器值后而部分位置变为可通行，重新修改指示牌无向数组，重复计算步骤4，4寻找路径，可能找出此位置此阈值下的最优路径。步骤6，实时更新突发情况，以保证通行安全按软件定时器，实时接收通过硬件设备传输的传感器数据，更新指示牌无向数组，重复步骤3-5。假设某楼宇中某个或某几个指示牌位置出现火警且火势不同，设置初始传感器阈值，建立此阈值下指示牌距离无向数组，寻求各个指示牌安全最优路径，遍历所有指示牌位置后，发现部分指示牌位置此阈值下不存在安全最优路径，逐步增加阈值，修改指示牌距离无向数组，继续遍历不存在最优路径点，直至所有指示牌都被寻出最优路径为止。为更好的说明实例，图3将显示没有突发状况下，所有位置的安全最优路径，图4给出在某些位置阈值超过初始设置的传感器安全阈值下，所有位置的最优路径。在图中线表示走廊通道，楼梯口形状的标记表示楼梯口，黑色矩形表示走廊中的指示牌，红色矩形表示出发火警等突发状况点，其中6指示牌位置传感器信号值在3个火警等突发状况点值最小，7位置次之，I位置最大，箭头表示行走方向。本发明的方法采用了改进的迪杰斯特拉算法，运算过程简单，路径选择准确性得到很好保证，且通过改进使由原来的单源最短路径算法变为多源单终最短路径算法；而且在本发明实施过程中采用通讯或协议等方式接收当前火警等突发状况，设置有火警等状况路径为不可通行状态，以便寻找安全最优路径；为保证所有位置都能有一条最优路径，有火警等突发状况，通过设置信号阈值逐步调整，选择当前状况下不同位置的安全最优路径；考虑到原始迪杰斯特拉算法由于遍历节点多和计算效率低的问题，在计算最优路径过程中遇到已经点亮的指示牌时，将不需要计算后续路径，因与其他起点的安全最优路径从此指示牌位置重合。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种智能楼宇人员疏散最优路径确定方法，该方法包括步骤: 步骤1，创建需建立安全疏散与逃生系统的楼宇模型，从最高层至底层标记楼层指示牌位置，并为每个指示牌标记序号； 步骤2，根据序号，建立相邻指示牌可通行无向距离数组； 步骤3，扫描指示牌中传感器状态； 步骤4，遍历所有指示牌位置，根据步骤2中建立的无向距离数组和步骤3中采集的传感器状态来确定可通行最优路径。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2进一步包括:建立二维坐标系，其中放置于相邻两层楼梯口的两块指示牌的距离假设为O，在计算最短路径时忽略不计，而不处于同一楼层的指示牌的距离假设为无穷大，同一楼层相邻两块指示牌之间的距离根据建立的坐标系计算需行走路程，同一楼层不相邻的两块指示牌的距离也假设为无穷大。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤3进一步包括:在每个指示牌中设置传感器，以采集指示牌所在位置的火警情况，以温度传感器为例，每个指示牌传感器会获取此指示牌位置实时温度，此时设置一温度阈值用于判断是否可通行，是否有超过阈值的指示牌为出现火警位置。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤4进一步包括: 步骤401,初始设置起始点S = {VI} ,T = {其余指示牌位置} ,T中记录的为起始点到其余指示牌的距离值，距离值表示两块指示牌之间是否可通行且距离为多少； 步骤402，从T中选取一个其距离值最小的顶点W，且不在S中，加入S ; 步骤403，对T中的所有距离值进行修改，修改方式为:若加进W做中间顶点放入S中保证每条从起始点出发的路径必须经过W点，从起始点到Vm的距离值比不加W做中间顶点距离缩短，则修改Vl到Vm距离值为加入W后Vl至Vm的值；如果不存在点使Vl到Vm的距离缩短，且Vl与Vm之间也是不相邻的，则设此阈值下Vl不存在安全最优路径，转至步骤405 ； 步骤404，如果此时W已在其它指示牌作为初始点的最短路径中，将终止此初始点的计算，因W计算出的最短路径与其它路径重合，将不需要重复计算；否则将重复步骤402和403继续加入其它点作为中间点，直至遍历T中的所有点，即W为Vm为止； 步骤405，遍历其余点，按顺序分别设置为起始点S = {Vn}，重复过程中步骤401-404，直至起始点S为Vm。
全文摘要
本发明公开了一种智能楼宇人员疏散最优路径确定方法，该方法包括步骤步骤1.创建需建立安全疏散与逃生系统的楼宇模型，从最高层至底层标记楼层指示牌位置，并为每个指示牌标记序号；步骤2.根据序号，建立相邻指示牌可通行无向距离数组；步骤3.扫描指示牌中传感器状态；步骤4.遍历所有指示牌位置，根据步骤2中建立的无向距离数组和步骤3中采集的传感器状态来确定可通行最优路径。本发明方法原理简单、易于实现，保证实时性、智能性与可靠性需求，为楼宇出现火警等突发状况下人员疏散提供便利并为人员逃生增加可能性。
文档编号A62B3/00GK103191532SQ201310059350
公开日2013年7月10日 申请日期2013年2月26日 优先权日2013年2月26日
发明者王飞跃, 孔庆杰 申请人:中国科学院自动化研究所, 东莞中国科学院云计算产业技术创新与育成中心