基于A*算法的智能疏散系统＊

李橙，易胜峰，陈玮烜，邓佑雄，李玮

基于A*算法的智能疏散系统＊

李橙1，易胜峰1，陈玮烜1，邓佑雄2，李玮1

（1.四川大学电子信息学院，四川 成都 610065；2.深圳康佳信息网络有限公司，广东 深圳 518000）

目前大型商场、生产大楼、写字楼人流密度大、结构复杂，在火灾等场景下，单一、传统的疏散方案很可能造成重大财产损失与人员伤亡。提出了一种智能疏散系统，通过基于算法的疏散路径生成算法，根据建筑物结构和火灾的具体情况进行疏散路径规划，高效地疏散人群。与传统疏散方案相比，能够大大提高疏散系统的安全性、可靠性，有效地减少灾害造成的损失。

应急疏散；火灾疏散；智能消防；路径规划

1 引言

自2017年以来，国家公安部消防局已多次在各会议和通知中表示要建设智慧消防，强化高层建筑火灾防控工作, 推动“传统消防”向“现代消防”转变，推动消防工作科技化、信息化、智能化[1]。在国家的政策驱动下，智能消防的前景日益广阔。

随着现代社会的发展，大型商场、生产大楼、写字楼等大型建筑物越来越多。此类大型建筑物由于人流密度大、结构复杂，在发生火灾时疏散难度较大，因此火灾发生时的应急疏散措施显得尤为重要[2]。然而，国内现今已有的火灾疏散方式大多采用单一的指向安全通道简单提示及简单的警报响铃，此种疏散方式在能见度不高、浓烟密布、场面混乱的现实火场无法提供明确的疏散指示，并且无法根据建筑中不同位置区域的火场情况进行灵活变通，往往无法对人群起到良好有序的疏散指示作用。

针对上述问题，本文提出了一种智能疏散系统，在建筑物发生火灾时，利用算法实时规划最优疏散路径，根据建筑结构及起火点分布情况，对不同区域通过应急广播和有方向指示的疏散指示灯进行针对性疏散提示，从而达到快速、灵活、高效地疏散人群与减少人员伤亡、财产损失的目的。

2 智能疏散系统总体设计

本系统由数据采集模块、控制主机、指挥发布模块、应急可视化平台、备用应急电源组成。系统结构如图1所示。

当火灾发生时，数据采集模块收集火场信息与安全疏散信息，将数据传入控制主机，控制主机经过数据分析后规划最佳逃生路径并开启备用电源，同时控制指挥发布系统中的应急疏散灯具与应急疏散广播分别进行疏散路径方向指示与MP3疏散语音指示，并由指挥发布模块通过GPRS将应急疏散信息上传消防部门，以便消防部门有针对性地采取更高效的疏散与救援手段。此外，应急可视化平台将应急疏散情况可视化，方便实时进行人机交互指挥人群。

图1 系统结构框图

本系统平时可作楼宇的背景音乐与广播系统，播出背景音乐、话筒广播等。并可根据背景音乐与广播系统的运行状态进行日常维护。此外，本系统还可实现实时巡检功能，为随时可能发生的应急事件运行提供了保障。

3 系统硬件设计

3.1 硬件结构设计前提

应根据具体建筑物确定的建筑物地图进行硬件设计。对本系统所应用建筑物进行合理的区域划分与疏散通道确定，并将各区域与各疏散通道进行编号，同时将数据采集模块与指挥发布模块中各部件进行编号，各部件编号须一一对应，以便系统控制。建筑物地图应包括建筑物中各区域与各疏散通道的位置及对应编号、数据采集模块与指挥发布模块包含部件的位置及对应编号。

3.2 数据采集模块

数据采集模块由烟雾传感器、火焰探测器、摄像头、人流量计数器、消防联动接口组成，其结构如图2所示。本系统采用MQ-2型烟雾传感器，其适用于烟雾、液化气、苯、烷、酒精、氢气等多种气体的探测，具有灵敏度高、响应快、稳定性好、寿命长、驱动电路简单等优点[3]，因此被广泛应用于烟雾、可燃气体的探测。本系统采用紫外火焰探测器，其是一种对明火中的紫外辐射响应的火焰探测器。摄像头可将建筑物中各区域与疏散通道的图像进行实时记录和上传，用于实时指挥与监控，人流量计数器用于统计建筑物中各区域与疏散通道的人流量。数据采集模块中的烟雾传感器与火焰探测器用于监测建筑物中的烟雾、火焰情况，消防联动接口接收来自消防部门等上级应急部门的包括火灾、地震或其他应急安全事件在内的安全疏散信息，并将火场数据与安全疏散信息传入控制主机。

图2 数据采集模块结构框图

3.3 控制主机

控制主机采用STC15W4K48S4芯片，该芯片具有8通道10位高速AD、四组完全独立的高速异步串行通信端口，具有抗干扰能力强、低功耗、易于拓展等特点。

应事先将建筑物每层的结构框图导入控制主机中，每层的结构框图包括建筑物中各区域及疏散通道的位置及对应编号、数据采集模块与指挥发布模块包含部件的位置及对应编号信息的矩阵。当火灾发生时，控制主机接收来自数据采集模块的数据，并进行数据处理，规划各区域最佳疏散路径，最佳疏散路径指对各区域人群在可安全通往出口的前提下以最短路径向楼宇外疏散或在楼宇出口无法抵达情况下向火焰、烟雾较少的区域疏散，同时打开备用应急电源，为数据采集模块与指挥发布模块供电，然后控制指挥发布模块对人群进行最优疏散路径指示。此外，控制主机还按照优先级从高到低依次为上级应急信息、话筒音源、疏散警报、背景音乐的顺序进行音源切换，并选择当前音源中优先级最高的音源在指挥发布模块中进行发布。

3.4 指挥发布模块

指挥发布模块由应急疏散指示灯具、应急广播系统、GPRS模块组成，其结构如图3所示。应急广播系统由应急广播扬声器与语音模块组成。应急疏散灯具为带有方向指示的应急照明灯。语音模块采用JQ8400型号，其芯片能够灵活地更换SPI-flash内的语音内容，省去了传统语音芯片需要安装上位机更换语音的麻烦，将SPI-flash模拟成U盘，既方便又能满足应急疏散广播的需要[4]。GPRS通信技术具有传输速率快、传输距离远、组网简单等特点，控制主机通过串口与GPRS模块通信，将系统接入互联网，快速将安全疏散信息上传至消防部门。

图3 指挥发布模块结构框图

3.5 应急可视化平台

应急可视化平台结构如图4所示。应急可视化平台为一种人机交互软件，与控制主机联动，包括显示屏，可将应急疏散情况可视化。将建筑物地图导入控制主机后，控制主机将会根据各传感器、摄像头反馈的信息在建筑物地图上标示建筑物中各区域与疏散通道的着火情况、应急疏散指示灯具与应急广播系统的实时巡检情况，并显示在应急可视化平台显示屏上。数据采集系统中的摄像头还会将建筑物中各区域与疏散通道的图像实时传回显示屏，必要时可通过话筒直接指挥各区域疏散人群。

图4 应急可视化平台结构框图

3.6 备用应急电源

备用应急电源可以由控制主机控制，在系统未检测到着火时关闭，检测到着火时由控制主机打开，用于给数据采集模块与指挥发布模块供电，也可以在市电停电时，自动向数据采集模块与指挥发布模块供电，防止因火灾导致断电影响系统正常运行。

4 系统软件设计

在本系统软件设计中，核心流程为：系统监测建筑内的火场情况，将传感器检测的数据与预设阈值比较，出现异常时立即获取对应位置，利用算法得到各区域与各疏散通道人群的最佳疏散路径，然后控制指挥发布模块进行指示。系统软件设计核心部分流程和系统整体方法流程分别如图5和图6所示。

本系统采用A*算法实现最佳疏散路径的规划，A*算法是一种计算图的最短路径算法，得益于其启发式搜索的特性，搜索速度快、效率高[5]。在本系统所应用建筑物中，所有的安全出口和疏散通道连接构成为一个图，则可由A*算法实现最佳疏散路径的规划。

5 结束语

基于A*算法的智能疏散系统的设计依据安全疏散的基本原则和科学的理论基础，能够在火灾发生时快速规划最优疏散路径，指挥人群快速、高效地疏散，并能够以指示灯、语音提示、话筒实时等多种方式进行疏散指示，可灵活应对多种复杂的火灾现场情况，并且能够实现与上级消防部门联动，具有很强的系统整体性与实用性。本智能疏散系统集监测、控制、通信、管理为一体，相较于国内外现有的疏散系统而言有更强的稳定性和更高的实用性，在众多应用场景中都能够有广泛的运用，能够对未来中国实现消防智能疏散指示提供一定的参考。

图5 软件设计核心部分流程图

图6 系统整体方法流程图

［1］关于全面推进“智慧消防”建设的指导意见［J］.中国消防，2017（21）：61-64.

［2］胡兵.集中控制型消防应急疏散系统研究与设计［D］.南昌：东华理工大学，2015.

［3］严琳.基于单片机的家庭安防报警器的设计［J］.数字化用户，2018，24（2）：36.

［4］冷志萍.堆场环境下的海关智能查验车的应用开发［D］.镇江：江苏大学，2019.

［5］罗汉杰，林义尚，周杰，等.基于A*算法的无人机路径规划研究及分析［J］.现代计算机，2020（18）：45-49.

2095－6835（2020）24－0042－03

TU892

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.24.013

李橙（2000—），女，四川大学本科在读。

李玮（1982—），女，博士，副教授，研究方向为激光光束质量与超连续谱激光。

四川大学大学生创新创业训练计划项目（编号：202010610046）；四川大学2017年电子信息学院教学改革研究项目（编号：12）；四川大学第二批研究生课程建设项目（编号：2016KCJS109）

〔编辑：严丽琴〕