应急疏散路径规划系统的研究与应用

第26卷第3期2018年9月
北京石油化工学院学报
J o u r n a l o fB e i j i n g I n s t i t u t e o fP e t r o c h e m i c a lT e c h n o l o g y
V o l.26 N o.3
S e p.2018
췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍文章编号:1008-2565(2018)03-0081-06
应急疏散路径规划系统的研究与应用
鞠志伟1,2,王淑芳2*,徐华2
(1.北京化工大学信息科学与技术学院,北京100029;2.北京石油化工学院信息工程学院,北京102617)
摘要:应急疏散是救援工作的重要环节,合理的路径规划能有效地帮助人员安全逃生㊂研究了井下人员安全应急疏散路径规划系统,基于物联网技术将井下人员定位系统㊁综合调度通讯系统及监测监控系统等采集的信息与路径搜索算法相结合,以传感器设备采集的实时数据为疏散路径的权值,实现了井下人员安全逃生疏散仿真㊂结果表明:该系统具有良好的实用性,可为应急救援工作提供决策依据㊂
关键词:应急疏散;路径规划;物联网;信息采集;安全逃生
中图分类号:T P391.9文献标志码:A D O I:10.12053/j.i s s n.1008-2565.2018.03.015
R e s e a r c ha n dA p p l i c a t i o no fE m e r g e n c y E v a c u a t i o n
R o u t eP l a n n i n g S y s t e m
J UZ h i w e i1,2,WA N GS h u f a n g2*,X U H u a2
(1.C o l l e g e o f I n f o r m a t i o nS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,B e i j i n g U n i v e r s i t y o f C h e m i c a lT e c h n o l o g y,
B e i j i n g100029,
C h i n a;2.C o l l e g e o f I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g,B e i j i n g I n s t i t u t e o f
P e t r o c h e m i c a l T e c h n o l o g y,B e i j i n g102617,C h i n a)
A b s t r a c t:E m e r g e n c y e v a c u a t i o ni sa ni m p o r t a n t p a r to ft h er e s c u e w o r k.R e a s o n a b l e p a t h p l a n n i n g c a ne f f e c t i v e l y h e l p p e o p l ee s c a p es a f e l y.T h ee m e r g e n c y e v a c u a t i o nr o u t e p l a n n i n g s y s t e mf o r u n d e r g r o u n d p e r s o n n e l i s s t u d i e d.
B a s e do n t h e t e c h n o l o g y o f I n t e r n e t o f t h i n g s,w e c o m b i n et h e i n f o r m a t i o n c o l l e c t e d b y t h e u n d e r g r o u n d p e r s o n n e l p o s i t i o n i n g s y s t e m,t h e i n t e g r a t e dd i s p a t c h i n g c o mm u n i c a t i o n s y s t e ma n d t h em o n i t o r i n g a n d c o n t r o l l i n g s y s t e m w i t h t h e p a t hs e a r c ha l g o r i t h m.T a k i n g t h er e a l-t i m ed a t ac o l l e c t e db y s e n s o rd e v i c ea st h e w e i g h to f e v a c u a t i o n p a t h,t h e s i m u l a t i o no f s a f e t y e v a c u a t i o na n de v a c u a t i o no f u n d e r g r o u n d p e r s o n n e l i s r e a l i z e d.T h e r e s u l t s h o w s t h a t t h es y s t e m h a s g o o d p r a c t i c a b i l i t y,a n d i t c a n p r o v i d ed e c i s i o n-m a k i n g b a s i s f o r e m e r g e n c y r e s c u ew o r k.
K e y w o r d s:e m e r g e n c y e v a c u a t i o n;r o u t e p l a n;i n t e r n e t o f t h i n g s;i n f o r m a t i o n c o l l e c t i o n;s a f e e s-c a p e
应急疏散是救援工作的重要环节,路径规划是应急疏散仿真技术的核心,可有效缩短疏散时间㊂应急疏散是井下应急响应的首要程序,及时有效地应急疏散可以大幅度减少甚至减免伤亡[1]㊂符辉等[2]在矿井发生事故时,以耗费最小的节点或边作为应急疏散最佳路径的基础,对不同巷道组合确定最佳路径㊂L i a n g等[3]建立了人员疏散模型,在3个不同的场景下进行实验,比较了人员的疏散效率和速度,确定最短疏散路径㊂武强等[4]通过获取突水的相关信息㊁模拟水流蔓延及人员逃生行为,获得
收稿日期:2018-03-13
作者简介:鞠志伟(1993 ),男,硕士研究生,研究方向为计算机应用,E-m a i l:z w j u1993@126.c o m;王淑芳(1961 ),女,硕士,副教授,研究方向为计算机应用,通信联系人,E-m a i l:w a n g s h u f a n g@b i p t.e d u.c n㊂
突水发生时人员应急疏散的逃生路径㊂樊雯婧等[5]在研究井下火灾救援路径过程中,设计了蚁群算法和粒子群算法相结合的混合算法,能有效地搜索出最短应急疏散路径,保证受困人员有效时间内安全撤离㊂通过对应急疏散路径规划的研究分析,虽然目前有很多确定应急疏散的方法,但在实际应用中,现有方法未能考虑灾害动态蔓延过程对应急疏散路径规划的影响,由于不能实时改变疏散路径,导致人员在疏散过程中可能会造成伤亡㊂
笔者基于物联网技术设计了应急疏散路径规划系统,该系统以传感器设备采集的实时数据为逃生依据,利用信息采集系统获取的实时数据设置路径搜索参数㊁确定路径权值,在虚拟场景搜索及可视化疏散路径,为井下人员安全疏散提供可靠支持㊂
通过在实
图2网络拓扑结构
F i g.2 N e t w o r k t o p o l o g y
例场景中的应用证明了该系统的有效性和实用性㊂
1系统功能框图
应急疏散路径规划系统包含信息采集系统㊁虚
拟场景构建及疏散路径规划3个模块,如图1所示㊂
信息采集系统包括人员定位系统㊁综合调度通讯系
统及监测监控系统3部分,为应急疏散路径规划系
统提供实时监测数据;虚拟场景构建是对仿真场景
建模,并导入和储存相关数据;疏散路径规划以传感
器实时监测数据为疏散路径权值,利用路径搜索算
法确定井下人员安全疏散路径,并进行可视化分析
㊂
图1系统功能框图
F i g.1 S y s t e mf u n c t i o nb l o c kd i a g r a m
2系统设计分析
2.1信息采集系统
2.1.1网络拓扑结构
物联网是指将信息感应设备及感知系统(如射
频标签阅读装置㊁传感器网络等)接入网与互联网结
合,从而形成一个巨大的智能网络[6]㊂在应急疏散
中,采用传感器㊁无线射频识别㊁移动通信等技术,实
现对水灾㊁火灾及瓦斯爆炸等灾害事故的识别与监
测,提升安全疏散和应急响应水平㊂
基于物联网技术的网络拓扑结构如图2所示, 28北京石油化工学院学报2018年第26卷
由地表信息中心和井下监测设备构成㊂地表信息中心利用数据存储服务器和监控主机对设备采集的信息进行存储及显示;井下监测设备主要由人员定位系统㊁综合调度通讯系统及监测监控系统3部分构成,为应急疏散路径规划提供人员及环境信息㊂人员定位系统通过射频识别技术监测井下人员,为应急疏散路径规划系统提供人员位置和数量信息;综合调度通讯系统为井下人员提供通讯功能,指挥井下人员安全疏散;监测监控系统实时监测井下环境,为井下人员安全逃生提供实时数据㊂
井下设备采集的数据主要存储在定位基站中,包括人员信息㊁传感器数据等,利用工业以太网将采集的信息传输至信息中心的监控主机及数据储存服务器,并对获取的数据可视化及分析,为应急疏散路径规划系统提供实时信息
㊂图3 人员定位方案前后对比
F i g .3 C o m p a r i s o no f p e r s o n n e l p o s i t i o n i n g s
c h e m eb e f o r e a n da f t e r
2.1.2 人员定位系统
人员定位系统具备监测标签人员的功能[
7
]㊂利用短距离无线识别技术时,需要在井下环境布置读卡器,标签人员佩戴标识卡㊂当标签人员位于读卡器的感知范围内,读卡器会识别当前人员,但不能确定人员的准确位置,如图3(a )所示㊂由于读卡器价格相比标识卡昂贵很多,布置井下环境时读卡器数量有限,因此,可采用人员佩戴读卡器,而大量购买标识卡布置在井下环境,可获得更准确的人员位置,如图3(b
)所示㊂为保证人员定位信息传输的畅通,可按照精度要求布置标识卡[
8]
据读取模块,还包含无线数据传输模块㊂读卡器通过读取模块读取数据,利用传输模块将读取数据传输至定位基站,最终传输到信息中心㊂在应急疏散过程中,人员定位系统为疏散路径规划提供起点位置和人员流动信息㊂
2.1.3 综合调度通讯系统
综合调度通讯系统由移动通讯设备㊁应急疏散广播㊁通讯基站㊁固定调度电话等组成㊂主要分为有线通讯和无线通讯,有线通讯是指固定调度电话㊁应急疏散广播,在井下某些重要位置如变电所㊁井下避难硐室等位置安装;无线通讯主要指手持电话设备,与井下人员取得联系,指挥井下人员选择安全疏散路径㊂由于手持电话设备数量有限,为了保证应急疏散情况下保持通讯,一般只为检修人员㊁调度人员等提供移动通讯㊂系统能实现移动通讯设备之间㊁与固定调度电话之间进行双向通讯㊂
2.1.4 监测监控系统
监测监控系统分为视频画面监控和传感器设备实时监测㊂视频画面监控主要是在井下的重要监测点进行布置,可实时监测应急疏散环境情况以及人员的流动㊂传感器设备主要提供对井下的各种有毒㊁有害㊁威胁人员安全的数据实时监测,如液位传感器㊁温湿度传感器㊁瓦斯传感器㊁C O 传感器等㊂相比视频画面监控,传感器设备具有数量多㊁灾害预警等优势㊂当灾害发生时,监测监控系统可有效地帮助井下人员避免有危险的路径,为人员安全疏散提供实时信息㊂
在整个井下环境布置传感器设备并实时监测,以帮助人员在井下巷道发生灾害后能够安全疏散㊂传感器布置过程如下:
(1)建立传感器的数学模型㊂以传感器的布置费用k 1㊁采集数据的传输距离l i 及井下监测灾害数据h i 为依据,
建立传感器的目标函数:f (x )=k 1ðn
i =1
x i l i +h i
(1
) (2
)基于猴群算法布置传感器[9
]㊂利用猴群算法进行搜索,以式(1)
作为布置依据,对传感器进行多方案布置设计㊂
(3
)通过组合优化得出传感器的最优布置㊂通过位置集合覆盖模型对过程(2)
中得出的结果进行组合优化[10
],以最少的传感器数量实现对井下环境
监测点最大程度的覆盖监测,得到最佳传感器布置方案㊂
传感器所监测的实时数据与井下巷道的实际情
3
8第3期鞠志伟等.应急疏散路径规划系统的研究与应用
况(如巷道长度㊁坡度等)相结合,确定疏散路径的权值,为最终人员安全疏散路径提供数据支撑㊂
2.2虚拟场景构建
基于.N E T技术,采用规范化的顶点集与序号集形式构建巷道㊁人员㊁设备等虚拟场景,导出场景信息作为系统需求的数据㊂采用跨编程语言㊁跨平台的图形程序接口O p e n G L,在虚拟场景中实现可视化显示与分析㊂系统定义了多个类来表示数据存储,包括人员信息类㊁传感器信息类㊁路径信息类等类别㊂各类的拓扑关系如图
所示㊂
图4数据结构及拓扑关系
F i g.4 D a t a s t r u c t u r e a n d t o p o l o g i c a l r e l a t i o n
2.3疏散路径规划
2.3.1灾害因素分析与权值确定
在规划疏散路径时,不能只考虑巷道长度单方面因素㊂在井下人员疏散过程中,会受到巷道的路面状况影响,如巷道的坡度㊁积水状况㊁障碍物以及道路的崎岖情况等㊂
权值的确定主要由巷道距离㊁巷道坡度及传感器数据等构成㊂巷道距离是指巷道之间两点的实际距离,作为权值的基本组成部分;巷道坡度对井下人员疏散有一定的影响,作为权值的参考部分;传感器采集的实时数据作为权值的重要组成部分,如式(2)所示[11]㊂在路径搜索过程中,计算每个巷道的权值,得出权值最小㊁疏散最安全的路径㊂
W=ε(x i-x i+1)2+(y i-y i+1)2+(z i-z i+1)2+
h k(2)式中:ε为巷道坡度对人员行走的影响因子[12];(x i, y i,z i),(x i+1,y i+1,z i+1)为巷道之间两点坐标;h k为监测巷道的传感器数据,若无传感器,令h k=0;若监测数据达到设定报警阈值,则h k=ɕ㊂
2.3.2路径搜索
在路径搜索时,需要确定起点㊁终点等路径参数和权值㊂通过人员定位系统对井下人员的监测功能,获取井下人员的位置和数量,确定路径搜索起点㊂确定路径起点后,以安全出口为终点,结合式(2)确定当前井下各巷道的权值,利用路径搜索算法确定当前安全疏散路径[13]㊂最后通过综合调度通
讯系统联系并指挥井下人员安全疏散㊂
3应用实例
3.1应用流程
基于V S2010平台构建虚拟仿真场景,利用M F C设计各功能菜单实现与用户的交互,以O p e n G L进行图形绘制㊂以河北省某地矿场景作为虚拟仿真场景进行实例验证,利用猴群算法及位置集合覆盖模型确定虚拟仿真场景中传感器设备的位置㊂模拟灾害发生时,规划井下人员疏散逃生路径㊂虚拟仿真场景中包含定位㊁通讯㊁基于S T M32F4单片机开发板搭载D H T11温湿度传感器等设备,整个救援流程如图
所示㊂
图5井下救援流程
F i g.5 D o w n-h o l e r e s c u e f l o w c h a r t
3.2实例应用分析
建立虚拟井下巷道场景如图6(a)所示;搭建模拟井下巷道实验环境如图6(b)所示㊂模拟人员定位节点及传感器节点,对巷道内的人员及环境进行实时监测㊂井下救援流程及实例应用分析如下:
(1)当井下发生灾害时,立即启用应急疏散路径规划系统,利用疏散路径规划模块为人员提供实时疏散路径,指导井下人员安全疏散㊂
(2)利用人员定位系统获取井下人员的位置和数量,作为设置疏散路径规划中路径参数的起点位置,如图6(e)中的L1(其中安全出口为L11)节点㊂同时利用监测监控系统获取井下环境数据,主要为传感器实时监测数据,如图6(c)所示㊂分析井下灾
48北京石油化工学院学报2018年第26卷
害情况及路径通行情况,确定路径搜索算法的权值㊂
(3
)通过路径搜索算法得出当前疏散路径,如图6(e )所示,利用综合调度通讯系统指挥井下人员以当前疏散路径撤离㊂若井下人员在疏散过程中,监测监控系统监测到灾害蔓延至当前疏散路径,导致疏散路径无法继续通行㊂如图6(e )中的L 4传感器节点,当监测到灾害蔓延至L 4节点时,L 4节点实时数据发生变化,若达到传感器报警阈值,则L 4节
点不可通行㊂
(4
)此时重新为井下人员规划疏散路径,重复(2)㊁(3)过程得到改变后的疏散路径,如图6(f )所示㊂
井下人员以改变后的疏散路径继续撤离,当人员定位系统监测井下所有人员均已到达安全出口,疏散完成;否则继续重复(2)㊁(3)㊁(4)过程,直至所有人员疏散完成
㊂
图6 实例应用分析
F i g .6 A p p l i c a t i o na n a l y
s i s
4 结论
基于物联网技术,通过人员定位系统㊁综合调度通讯系统以及传感器等设备采集信息,在V C++
环境下以O p
e n G L 及M F C 为开发工具,实现了井下人员应急疏散路径规划系统㊂灾害发生时,利用设备的实时监测监控功能,与路径规划中的权值及路径搜索算法相结合,为井下人员安全疏散提供可
5
8第3期鞠志伟等.应急疏散路径规划系统的研究与应用
靠支撑㊂在三维地矿场景对系统进行了实例应用分析,为井下应急救援工作提供科学支持㊂
参考文献
[1] 席健,吴宗之,梅国栋.基于A B M 的矿井火灾应急疏散数值模拟[J ].煤炭学报,2017,42(12):3189-3195.
[2] 符辉,毛善君,骆云秀.矿井突水蔓延线路生成算法及实现[J ].煤炭科学技术,2013,41(3):104-106.[3] L i a n g J ,Z h a n g Y F ,H u a n g H.T h ee x p
e r i m e n t a n d s i m u l a t i o na n a l y s i so fb u se m e r g e n c y e
v a c u a t i o n [J ].P r o c e d i aE n g i n e e r i n g ,2018,211:427-432.[4] 武强,
徐华,杜沅泽,等.矿山突(透)水灾害应急疏散模拟系统与工程应用[J ].煤炭学报,2017,42(10)
:2491-2497.
[5] 樊雯婧,卢才武.用群智能算法确定井下火灾多救护队最优路径[J ].金属矿山,2014,43(1):133-136.
[6] 李运娣,李莉,陈景河.基于物联网技术的煤矿生产安全信息化系统[J ].煤炭技术,2012,31(8):158-159.[7] 王春,
华钢,朱艾春,等.煤矿井下人员定位系统上位机软件的设计与实现[J ].煤矿安全,2010,41(8):64-66.[8] 石楠.基于R F I D 的井下人员定位系统的软件设计与实现[D ].西安:西安科技大学,2010.
[9] 潘竞涛,张辉,赵丹,等.基于M C O A 布置矿井瓦斯传感器[J ].中国安全生产科学技术,2016,12(7):94-98.[10] 梁双华,
汪云甲,魏连江.考虑可靠性的矿井瓦斯传感器选址模型[J ].中国安全科学学报,2012,22(12)
:76-81.
[11] C a iY ,L i n Z Y ,M a oJ ,e ta l .S t u d y o
n L a w o f P e r s o n n e lE v a c u a t i o ni n D e e p B u r i e d M e t r oS t a t i o n B a s e do n t h eC h a r a c t e r i s t i c s o fF i r eS m o k eS p r e a d i n g
[J ].P r o c e d i aE n g i n e e r i n g
,2016,135:544-550.[12] 毕林,
崔君,林格,等.矿井火灾最优逃生路径优化数学模型的构建与实现[J ].黄金科学技术,2017,25
(2):104-109.
[13] A d j i s k i V ,M i r a k o v s k i D ,D e s p
o d o v Z ,e t a l .S i m u l a t i o na n do p
t i m i z a t i o no fe v a c u a t i o nr o u t e si n c a s eo ff i r ei n u n d e r g r o u n d m i n e s [J ].J o u r n a lo f S u s t a i n a b l eM i n i n g
,2015,14(3):췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍
133-143. (上接第35页)
[3] 杨建炜,张雷,丁睿明,等.X 60管线钢在湿气和溶液介
质中的H 2S /C O 2腐蚀行为[
J ].金属学报,2008,44(11):1366-1371.
[4] 刘志德,
谷坛,唐永帆,等.高酸性气田地面集输管线电化学腐蚀研究[J ].石油与天然气化工,2007,36(1)
:55-58.
[5] 朱向丽.
高含硫气田地面集输系统防腐技术综合应用浅析[J ].中国安全生产科学技术,2012,8(6)
:139-142.
[6] 顾汉洋,
郭烈锦,陈斌,等.水平与微倾斜管内间歇流中长气泡的形态特征[J ].化工学报,2006,57(9):2068-2073.
[7] G h o r a lS ,N i g a m K D P .C F D m o d e l i n g o
ff l o w p r o f i l e s a n d i n t e r f a c i a l p h e n o m e n a i n t w o -p h a s e f l o w i n p i p e s [J ].C h e m i c a l E n g i n e e r i n g a n d P r o c e s s i n g :P r o c e s s I n t e n s i f i c a t i o n ,2006,45:55-65.
[8] Z h a o Y u ,B iQ i n c h e n g ,H u R i c h a .R e c o g
n i t i o na n d m e a s u r e m e n t i nt h ef l o w p a t t e r na n dv o i df r a c t i o no f
g a s -l i q u i d t w o -p h a s e f l o w i n v e r t i c a l u p w a r d p i p e s u s i n g t h e g a mm ad e n s i t o m e t e r [J ].A p p l i e d T h e r m a l E n g i n e e r i n g
,2013,60(1-2):398-410.[9] F a n g L i d e ,L i u R a n ,L u Q i n g
h u a ,e ta l .T h ef l o w p a t t e r nt r a n s i t i o ni d e n t i f i c a t i o na n di n t e r p
h a s e sf o r c e d e t e c t i o n o f g a s -l i q u i d t w o -p h a s ef l o w [J ].A A S R I P r o c e d i a ,2012,3:534-539.
[10] 李玉浩,
曹学文,梁法春,等.多起伏湿气集输管线工艺计算方法优选[J ].天然气工业,2013,33(8):114-118.
[11] S p e d d i n g PL ,B e n a r dE ,D o n n e l l y GF .
P r e d i c t i o n o f p r e s s u r e d r o p i n m u l t i p h a s eh o r i z o n t a l p i p
e f l o w [J ].I n t e r n a t i o n a l C o mm u n i c a t i o n s i n H e a t a n d M a s s T r a n s f e r ,2006,33(9):1053-1062.[12] M o r a l e s -r u i z S ,R i g o l a J ,R o d r i g u e z I ,e t a l .N u m e r i c a l r e s o l u t i o no ft h el i q u i d -v a p o u rt w o -
p h a s e f l o wb y m e a n so f t h e t w o -f l u i d m o d e l a n da p r e s s u r e b a s e dm e t h o d [J ].I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fM u l t i p h a s e F l o w ,2012,43:118-130.
[13] H o l m a s H.N u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft r a n s i e n tr o l l -
w a v e s i n t w o -p h a s e p i p e f l o w [J ].C h e m i c a l E n g i n e e r i n g S
c i e n c e ,2010,65:1811-1825.[14] T a i t e lY ,S a r i c aC ,B r i l l JP .S l u g f l o w m o
d
e l i n g f
o r d o w n w a r d
i n c l i n e d
p i p
e f l o w :
t h e o r e t i c a l
c o n s i
d
e r a t i o n s [J ].I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o
f M u l t i p
h a s eF l o w ,2000,26:833-844.[15] M i n a m iK ,S h o h a m O.T r a n s i e n t t w o-p h a s ef l o w
b e h a v i o r i n p i p e l i n e s -
e x p e r i m e n ta n d m o d e l i n g [J ].I n t e r n a t i o n a l J o u r n a lo
f M u l t i p h a s eF l o w ,1994,20:739-752.
[16] Y a nK a i ,C h eD e f u .Ac o u p
l e d m o d e l f o r s i m u l a t i o n o f t h e g a s -l i q u i dt w o -p h a s ef l o w w i t hc o m p l e xf l o w p a t t e r n s [J ].I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f M u l t i p h a s e F l o w ,2010,36(4):333-348.
6
8北京石油化工学院学报
2018年第26卷。