基于LoRa的机场人员应急疏散管理系统及应用

程芳 张晓慧

【摘要】    本文针对通航机场航站楼应急疏散管理中对及时响应处置的要求，提出了基于LoRa协议的物联网管控机制，并以立柱式隔离拉带为应用载体，实现了应急疏散管理系统。本文着重提出了系统设计，包括总体设计、系统组成、管理中心等，并就系统关键技术展开分析和设计，包括多协议协同通信方案设计，建立了多协议协同通信方案模型、以及 LoRa 和 TCP 长连接技术的通信方案，最后对于LoRa 网络干扰模型进行了分析。通过本文给出的系统设计及关键技术实现，为机场等人流量大、人群密集场所的应急疏散管理提供了技术实践参考。

【关键词】    应急疏散管理    LoRa    多协议协同通信

引言：

当今，随着网络经济蓬勃发展，经济新业态不断推陈出新，信息的交互，资源的流动更为经济助力;而人员作为社会、经济和文化发展中最为重要的要素，对高效、便捷和安全的流动方式提出了迫切需求，因此，选择快速便捷的交通工具已经成为人们出行首选，导致交通场所人流量大增，给当地安检部门的工作带来很大的压力;同时，当今国内外局势不是很理想，恐怖袭击和意外事件常有发生，导致人员在疏散的时候，部分隔离带打开不及时，引起人员的拥挤，甚至是人踩人的现象。为此，需要在应急疏散管理中能够及时处置隔离带打开，保证疏散通道畅通的应急管理系统，本研究即针对该问题，提出了基于LoRa物联网的应急疏散管理系统设计方案，并就其中的关键技术问题进行了分析讨论。

一、系统应用的现实需求

1.1 应用现状及问题提出

现安检大厅隔离设施主要以拉带为主，采用人工手动拉伸释放，在发生突发事件需要释放时，需要人员在现场进行工作，并且释放动作不能全部同步进行，在释放不及时时，给航站楼带来极大的安全隐患。以国外已发生事件为例事后总结分析，当有紧急事件发生时拉带来不及及时收回，对人员疏散造成极大障碍，甚至绊倒人员造成踩踏事件发生，进一步加大危害、损失、影响。例如某机场一号航站楼安检大厅是特殊公共场所，人员密集流动量大，是可以展现祖国繁荣昌盛、展示国人风貌的大型重要公共设施，因此经讨论决定对某机场一号航站楼安检大厅进行改造，避免因隔离设施不当带来的安全隐患及负面影响。

1.2系统应用意义

纵观国内外，现有市面上拉带隔离设施大部分都是采用传统的手工模式，在需要或者不需要的时候，通过人手现场拉出或者回收隔离拉带，在外观、拉力等机械结构上有所不同，差异化不高。随着新兴的技术不断涌现和发展，传统的自动控制理论和无线通讯技术得到完善和改进，在拉带隔离设施上使用自动控制来对部分功能进行改造就提出了要求。在拉带隔离增加电控功能，方便在特定的场合和应用下，实现一键回收隔离拉带的功能要求，暂可满足应急之需要，智能电控安全型疏散隔离设施研究就应运而出。通过本项目的研究，减少安检等特殊场所对拉带隔离设施在使用时释放不及时导致人员疏散造成的障碍，降低人员拥挤产生的意外风险，能够有效的对拉带隔离设施的控制和管理。

二、系统应用设计

在对机场应急疏散系统功能需求充分分析的基础上，提出设备层、控制层、传输层和应用层的四层总体架构设计，基于此方案设计了适用本动设备状态监测系统的多协议协同通信方案模型。最后对振动信号分析技术和故障诊断方法进行了简要阐述。

2.1系统总体设计

为了满足应急疏散过程对实时性、安全性和可靠性的要求，系统拓扑结构主要可以分为三个部分和五个层次。第一个部分为控制节点，负责设备数据采集，包含设备感知层和控制层。第二个部分是控制网关，负责收集节点数据、控制节点并通过网络上传服务器，包含传输网络层。第三个部分为控制管理层，用于处理和储存数据、处理用户请求以及提供用户界面，包含服务器层和应用层。具体如图1所示。

根据拓扑结构图可知，应急疏散系统的控制指令及数据传输过程主要分成四个步骤，包括指令下发、指令传输、指令解析、指令执行以及数据展示。

2.2系统组成设计

本系统架设示意图如图2所示，节点控制器和隔离设施嵌套在一起，分别部署于下现场需要隔离的场地，通过LoRa无线收发接入到现场的集中控制器，并由集中控制器汇集控制信号后通过websocket与后台通讯，从而实现隔离设备与应用程序之间的指令数据通信;集中控制器部署在需要覆盖区域的中心位置，与交换机之间采用以太网线或光纤连接;服务器部署在机房控制中心，负责整个系统管理。具体如图2所示。

同时，节点控制器将执行数据通过LoRa通信链路上传到集中控制器，然后由集中控制器将数据通过有线或无线网络上传至 Web 服务器进行处理和存储。用户可通过计算机和其他设备登录控制系统来查看设备运行状态。

2.3系统管理中心设计

后台管理软件采用B/S架构，部署在服务器上，对整个系统进行管理和维护，并通过TCP/IP协议和集中控制器连接，从而进行对节点/管理员控制器进行控制。

主要功能包括：

1.设备管理：设备管理包括节点控制器（包含隔离设施）、集中控制器、管理员控制器的管理;对所有设备管理的在线状态、维护管理、授权进行管理;

2.用戶管理：用户管理主要提供用户新增、用户信息的修改、用户的删除、用户冻结、用户查询、用户查看、配置用户所属角色的功能;

3.角色管理：角色管理主要提供角色的新增、角色信息的修改、角色的删除以及角色和用户的对应关系管理等功能;

4.权限管理：权限管理可以对角色、对用户账号的权限进行管理，可配置角色对应设备的操作的权限;

5.应急控制：在所监控的区域上发现有紧急事件发生时，可以通过web界面操作方式打开隔离设施拉带;现场观管理员操作管理员控制，一键将打开指令发送集中控制器，将发生紧急事件的区域的隔离设施拉带打。

三、系统关键技术分析及实现

应急疏散系统从硬件组成分析，由多种硬件模块组成，各模块支持的通讯协议不同。从场景需求上分析，应急疏散系统具有两种不同需求，第一种是高频实时在线响应需求，其对通信实时性要求较高。第二种是低频非实时性需求，如设备状态等慢变信号的历史数据查询、用户和设备信息管理等，其对通信实时性要求较低。因此应急疏散系统的通信方案必定是多种协议协同工作的方案。

3.1多协议协同通信方案设计

从硬件组成上分析，应急疏散系统由多种硬件模块组成，各模块支持的通讯协议不同。从场景需求上分析，应急疏散系统具有两种不同需求，第一种是高频实时监测需求，其对通信实时性要求较高。第二种是低频非实时性需求，如温度、压力等慢变信号的历史数据查询、用户和设备信息管理等，其对通信实时性要求较低。因此应急疏散系统的通信方案必定是多种协议协同工作的方案。

（1）应急疏散系统多协议协同通信方案模型

基于视图层和下位机通信方案，本动设备监测系统多协议协同通信方案模型设计如图 4所示。

集中控制器、用户浏览器和服务器分别建立 TCP 和 Websocket 连接，并保持长连接状态。控制节点及对设备状态数据进行实时采集，数据通过 LoRa 射频上传至集中控制器。集中控制器则通过已经建立的TCP长连接持续性地将数据发送至服务器。服务器对实时控制指令进行快速处理和分析，然后通过 Websocket 连接实时推送至用户端浏览器。用户进行低频静态内容请求时，则通过 HTTP 协议和服务器进行通信。

（2）基于 LoRa 和 TCP 长连接技术的通信方案设计

本系统集中控制器和服务器通信可采用 面向连接的TCP 协议，系统两级通讯方案如图5所示。

控制节点和集中控制器之间，利用 LoRa 技术通信以扩展系统的通信距离。集中控制器和服务器之间利用有线以太网进行 TCP 通信，相比于直接使用 5G技术，可以节省网络流量费用。 监测系统的实时性优劣取决于每一个通信环节。本文使用 Websocket 技术解决了视图层数据通信实时性的问题，但是集中控制器和服务器通信由于使用 TCP协议，因此仍然会导致高频数据传输时服务器性能消耗过大。所以，设计基于 GatewayWorker 的 TCP 长连接技术来解决这个问题。

3.2 LoRa 网络干扰模型建立及分析

上行链路传输中 LoRa 网络和其他 LPWAN 存在一定的技术共存问题，本系统设计中参考相关传播模型进行设计分析，并给出必要的系统设置。以此为基础，给出了单网关 LoRa 网络中根据传输距离区域范围的区域划分，如图6所示。并以此建立一个多网关的 LoRa网络，并以节点为PCP，父节点为PPP进行建模，并且网络中每一个父节点的后代点都是相关独立的。在模型图中，同一网关所覆盖的 LoRa 终端节点之间的距离用x表示，每一个LoRa网关之间的距离则由y表示。而不同网关的 LoRa 终端之间的距离可以近似为 x+y。这些距离变量用于后面的干扰模型建立。

具有相同 SF 的 LoRa 节点在传播时将相互干扰。但是在实际传播环境中，除了LoRa节点以外必然存在非LoRa传播節点。同时，LoRa 常工作在未授权频谱中，因此非 LoRa 节点（例如，NB-IoT 节点）也会对正常的 LoRa 节点产生相应的干扰非 LoRa 节点如果频率上与LoRa 节点接近的话，也会对正常的传输造成干扰。因此可以将这些节点被建模为PPP  ，用Φother来表示该节点网络，它的节点密度为other。在图 4 中也表明了非 LoRa 节点被建模为PPP。

四、结束语

本文以公共场所中客运人流密集场所为应用需求提出及应用环境为背景，尤其是响应机场人流应急疏散现实需求为基础，提出了公共场所人员应急疏散控制系统，并基于LoRa为无线组网技术，实现从集中控制器到节点控制器之间的通信链路，同时，基于B/S软件架构，实现了应用层到云端，再经集中控制器到终端控制节点的控制闭环，为了确保系统应急响应的及时性，系统还提供了现场应急控制器，可以由现场人员根据应急事件情形做出快速反应，直接切入系统实现对终端节点控制器的操控，从而确保系统现场和中控“双保险”控制机制。另外，本文还就系统涉及到的多协议通信模型、LoRa干扰模型进行了重点分析和实现，为系统后续进一步升级完善提供了必要的技术研究。

参  考  文  献

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