类比城市消防的舰船灭火救援路径优化方法探索

丁晓春，魏周君

(1.上海市消防局，上海 200050;2.中国船舶重工集团公司公司第七二六研究所，上海 201108)

0 引言

随着现代舰船自动化程度的提高，设备配置数量剧增，且往往运转时间长、功率大、负荷强。由于战略要求，舰船时常需要作为独立的航行体在远洋长时间执行任务，这就决定了舰船在面对各种火灾突发事故时必须立足于“自救”，依靠自身力量来应对危险。20世纪主要海军国家共发生518起舰艇 (包括航母)事故，其中沉没事故242起、受损事故276起，沉没事故中由于火灾和爆炸造成的约占37%，而在受损事故中由于火灾和爆炸造成的占50%［1］。因此，为了减少舰船火灾造成的损失，舰上人员必须要在第一时间展开消防行动，实施及时、有效、有序的应急处置措施。而保障这些行动实施的一个至关重要环节就是，如何引导舰上人员以最短的时间、最优的路径直达火灾区域实施灭火救援。

同样，灭火救援路径的有效规划在城市消防中也是一个关键的问题。据统计［2］，2011年，上海火灾形势总体稳定，未发生重大以上火灾事故。全年共发生火灾5813起，累计造成43人死亡，46人受伤，直接财产损失11000.4万元，同2010年相比有不同的变化。据统计，全市、中心城区以及市郊区域四项指数 (火灾起数、死亡数、伤人数、火灾损失)如表1所示。

表1 2011年上海市分区域火灾四项指数表Tab.1 The 4 index of 2011's fire disaster in shanghai

由表1可知，上海市市郊区域无论在死亡人数、受伤人数还是在火灾损失上均占较大比重。据上海消防接处警数据不完全分析，上海市郊区域消防站消防力量从消防站接警出发到到达现场时间一般在15 min，而中心城区消防站则仅需10 min。火灾损失的波动性与火灾的持续时间、燃烧物类别、过火面积等因素有关，但如果在火灾发生后的短暂时间内，消防力量能有效地到场控制火势，则火灾损失会大大减少。如何能在火灾案情发生的第一时间及时有效地部署警力，安排救援方案，及时到达现场是火灾救险的关键。根据国家标准GB 50313－2000《消防通信指挥系统设计规范》要求，消防通信指挥系统必须建立消防地理信息系统，以实现灭火救援接处警过程中，利用地理信息系统方便地实现快速定位和查询分析、出动方案编制、移动指挥和动态跟踪以及现场信息服务和辅助决策等功能。

本文以上海市消防信息系统建设为案例，从灭火救援路径优化的新要求出发，设计研究了一种采用功能模块化、多层次综合建库以及算法设计的新系统，并进行了相应的实验分析，可为大型舰船灭火救援路径优化研究提供方法参考。

1 消防信息系统的新要求

1.1 海量多层次数据分析

交通网络建设大大方便了人们的出行，对于消防来说，也大大提高了出任务的效率，更多地保证了人民的人身财产安全。但同时，随着交通网络的发展，也对消防出警提出了新的要求。首先，汽车保有量的急速增加加大了交通压力，交通拥堵情况增多，这客观地为消防出警增加了困难，所以，规划一条快速、准确到达的道路对出警来说至关重要;其次，城市交通向立体层次发展后，对道路定位导航的准确性要求提高，如高架上车辆起火，若定位稍有偏差，规划路线导航至地面，那么，即使抬头就能看到火情，也要去寻找高架出入口才能上桥救火，将延误战机。这突破了以往平面道路网的构建模式，传统的平面路径分析已不能满足需求，因此需要对传统的地面消防路径规划进行改进，以满足当前的多层次立体式交通网络，从而达到定位准确，最优规划的效果。

另外，道路数据的急速增加使得路径规划的数据量增大，多层次立体交通网络的分析增加了算法的复杂度。在海量且复杂的数据基础上，依然保持算法的高效性同样也是需要解决的问题。

1.2 数据多源化的系统架构

互联网技术的蓬勃发展带来了计算机技术的二次飞跃。由于互联网上共享的信息成爆炸式增长，使得用户对计算机的操作从依靠单机客户端逐渐转变为依赖互联网提供的各种服务。这也使得开发人员对系统的架构进行了适应性的改变。这种转变对消防信息系统提出了新的要求:

1)信息多源化

消防信息系统庞大而复杂，涉及到方方面面的数据，如接警数据、消防业务数据、城市基础地理数据、交通流量数据等。这些数据并不来自同一个管理部门，需要多个部门协调，共同提供。而各个部门又有自己的一套数据结构和调用方式，这都需要系统在接收到相关信息后进行协调整理，得到适应本系统的格式。

2)目标多源化

目标的多源化包含2个方面的需求。一方面，由于消防系统本身的要求，需要提供车辆选择、中队选择、单车路径等分析结果，这些功能虽然本质上都是对最优路径进行分析查找，但由于其各自特点，所以在细节上需要区别对待，体现在程序上就是需要对功能结构进行设计，保证其基础算法通用，并在此之上增加灵活性;另一方面，目前各部门系统之间的数据、功能经常需要共享合作，因此，在进行方法设计时同样需要考虑到外部调用的通用性，以适应不同需求。

2 应对策略

为解决上述问题，在进行系统设计时，采用功能模块化、多层次综合建库以及算法设计3个方面来具体应对，满足消防信息系统的要求。

2.1 功能模块化

针对数据来源多，功能应用目标多的特点，系统采用了将功能模块化的方法 。这种方法类似于“搭积木”，将每个功能包装成一个“积木块”，而整个系统就是由一个一个的“积木块”组合而成。这样做的好处，一是每个模块相对独立，外部来源数据统一交由系统来调度，模块只负责对输入数据进行分析处理;同样，输出固定格式的输出数据，也无需考虑数据输出后的具体用途;二是一旦系统出现问题，很容易进行跟踪和定位，迅速找出出现问题的模块，进行调试维护。并且在调试过程中，由于模块相互间的独立性，其他模块并不影响使用，而使维护成本降至最低。

网络时代的系统特点是“瘦客户端”，即将压力转移至服务器，而在客户应用端仅需简单的浏览器即可，一切均通过服务调用的方式从服务器端获取。这样做降低了对客户端硬件的要求，并且随着互联网的发展，在可移动性上的优势也日渐明显。为了适应这种发展趋势，并且针对未来可能存在的为其他系统调用的情况，系统将各模块包装成WebService的服务模式，客户端通过调用服务的方式从服务器端获得相应的功能分析结果。

2.2 多层次立体交通网络数据库建库

1)空间拓扑

立体道路网络对交通网络数据库的拓扑结构带来了新要求。传统平面交通网络在仅考虑物理连通性时，只需要在道路交汇口处进行道路拓扑打断，保持路段连通即可。若考虑到道路名称等属性信息，则还需要在道路属性变更处 (如道路名称改变处)进行拓扑打断，保证每条路段的属性信息唯一。但立体交通网络打破了这种简单拓扑关系，如图1所示。

图1 多层次立体交通网络Fig.1 Multi-level 3－D transportation network

从道路线来看，图1中高架道路交叉口处与地面道路多处相交和自交。但从实地影像可以清晰地看出，高架道路是在地面道路上方穿过，而高架本身也是由多层高架、上下匝道和地面道路组成的复杂结构，拓扑关系从投影上看十分复杂。为此，在建立导航数据库时，引入虚交点概念，制订规则来构建立体交通网络拓扑结构，如图2所示。

图2 虚交点与实交点示意图Fig.2 The schematic diagram of real and virtual intersection

虚交点，即2条道路在视觉上相交，但现实中并不相交的虚拟交点，如图2中圆形点所示。实交点，即相对于虚交点而言，为道路在现实中的真实交点，如图2中三角形点所示。在构建立体网络拓扑时，订立规则:道路在实交点处必须打断，在虚交点处不可打断，以此来保证道路网的拓扑正确性。

2)道路隔离带设置

许多道路为规范行驶，设定中央隔离带，以铁栅栏或花坛等来隔离对向行驶的车辆，最基础最简单的隔离带就是地面的双黄线。为了方便道路网路径规划，减少算法复杂情况处理，对于设计有中央隔离带的道路，统一将其拆分为2条平行道路，分别设定其行驶方向，避免出现算法计算时在隔离带处掉头的情况，规范行驶路线，如图3所示。

图3 隔离带道路转双线道路Fig.3 Transfer from isolation belt road to two-lane road

3)多层次道路设计

国家标准规范中，道路由于其宽度、车道数、承重、材料、里程等不同而分为不同等级。在导航数据库设计的时候，依然要考虑道路等级，毕竟道路级别越高的道路越畅通，载重限高的范围也比较宽泛，适合消防车紧急出动。需要注意的是非地面道路，如高速公路、高架公路、快速路等。非地面道路通常速度快、路面好、级别高，但存在一个致命的问题，就是因为其离开地面，所以灵活性并不好，一旦错过上下出口，就要绕行很远的距离。更严重的是，如果出现拥堵，那将寸步难行，没法补救。因此，必须在道路网络里进行分类，将非地面道路和地面道路加以区分，用来在一定条件下设定非地面道路的可行或限行 (如高架上出现拥堵状况)。

4)属性信息设计

除道路本身的几何数据和拓扑关系，为完善路径规划的细节以及考虑到未来数据的更新，每条道路路段都附有属性信息。属性信息大致分为3类:路段本身信息、交通信息、数据库更新信息。

路段本身信息，即道路本身属性，如道路名称，等级等;交通信息指的是人为附在道路上的相关信息，如行进方向，转弯限制，车辆限制等;数据库更新信息则记录了路段的采集时间，历史更新记录，更新方式等信息。

2.3 路径分析功能设计

路径分析功能采用经典的Dijkstra算法，并加以优化［3］。同时加入多因素对道路权值进行综合评价，最终选取最优路径作为结果返回，具体流程如图4所示。

首先建立道路关系的有向图。将每一个道路交叉路口看作是图节点，路段看做是连接图节点的路径，而道路权值则代表了穿过路径所用的成本，其中最简单的成本就是道路长度，路段长度越长则通过的成本越高。考虑到多重因素，则可利用多因子建立综合评价矩阵来确定每条路段的具体成本。

图4 路径规划流程Fig.4 The flowchart of path planning

道路权值的综合评价因子有2种类型，一是成本要素;一是限制要素。成本要素表示该要素对道路起到了加速或阻碍作用，如前文提到的道路长度;限制要素则是判断类型，即当满足该条件时道路可以通行，当不满足该条件时，道路不可通行，如道路的单行限制，其规定了道路的车辆行进方向，一旦反向，则该道路不可通行;又如转弯限制，当路口限制左转行驶时，则对于左转车辆来说，该路不通。

因此，在建立评价矩阵时，首先根据限制要素，判断通行与否，再利用成本要素确定通行路段的成本，最终根据矩阵计算的权值来规划最优路径。

3 实验及结果展示

基于上述方法，最终设计算法，设计两点验证其结果，如图5所示。

图5 两点间路径规划结果Fig.5 Path planning results between two points

图5为输入起点、终点之后得到的两点间最优路径规划结果。一是图面上左侧点为起点，右侧点为终点的行进路线;二是起始点相反。从结果路线来看，两者规划出的路线并不相同，虽然看起来起点终点并未移动，但该段道路是有中央隔离带的城市主干道，在数据库中用单方向双线道路表示，从起点出发，必须达到交通路口才可能转弯或掉头，因此形成了这一状况，而现实证明，2条路径规划结果符合道路网络实际要求。划方案，并为方案排序，按成本从低到高返回结果，便于用户进行统筹派车。

图6 多点路径规划结果Fig.6 Path planning results between multi-points

4 结语

本文针对快速开展消防救援的需要，以上海交通的实际情况出发，从系统模块、数据库建设及算法设计方面介绍了消防地理信息系统中路径规划的设计方案，并予以实验展示。在接到火灾报警时，能够及时完成多支救援小组到着火点的路径规划，并进行排序返回，便于合理配置;对于各支救援小组，则可以根据自己所在位置规划到着火点的具体路径，方便行动，从实验结果和具体应用上来看，符合消防救援路径规划的要求。结合大型舰船实际情况和条件限制，如通道设计、救援优先级、火灾类型、损管应急预案等，改进和完善算法，可有效实现舰上人员最快、最优直达火灾区域实施灭火救援的目标。

［1］管光东.海战·事故·舰船破损［M］.北京:国防工业出版社，1997.

［2］公安部消防局编.中国消防年鉴.2012［M］.北京:中国人事出版社，2012.

［3］朱霁平，苟永华，廖光煊.城市火灾扑救调度的最佳路径分析［J］.火灾科学，2002，11(4):201－205.