基于蚁群算法的消防应急照明和疏散指示系统的设计

吴振东

(南宁市建筑规划设计集团有限公司，广西 南宁 530002)

在近几年里，建筑行业发展突飞猛进，大型、高层乃至超高层的建筑物占据了整个市场主体，因此，对这些建筑物的消防设施和应急疏散的要求进一步提高，其中消防应急照明疏散指示系统作为指导人员迅速逃生的关键性消防设施，其重要性不言而喻。然而作为传统的应急照明疏散指示系统存在一定的缺陷，尤其是灯具和疏散指示标志没有很好的和建筑布局等进行联系，而是将其作为一个独立个体，这会导致其只能按照系统设定好的模式投入运行。火灾发生时，应急照明灯具和疏散指示标志无法形成最优化的逃生路线；火灾蔓延时如果不根据火灾发生的位置改变原有疏散方向，很可能将逃生人员带到危险区域。火灾现场的消防安全疏散与火灾位置、建筑布局等密切相关，所以消防应急照明和疏散指示系统能够自动判断当前危险情况，明确危险位置，设计出一条快捷且安全的疏散路径，这需要不断收集各疏散路径、安全出口的明火、烟雾、应急照明等状态，形成完整的火灾联动报警信息，经过智能控制器分析判断，选择最优的消防疏散规则。

1 基于蚁群算法的疏散路径分析

1.1 蚁群算法和指示系统之间的联系

蚁群算法常被用来寻找优化路径，属于一种启发式全局优化算法。其主要分析蚂蚁觅食过程，比如在不同环境下，蚁群获取食物能够寻找到最短的路径，能够根据不同环境做出相应的变化，主要原因在于蚂蚁可以释放一种信息素，所以蚁群算法经常被用来寻找优化路径。消防应急照明和疏散指示系统的主要目的在于当发生紧急情况时，建筑内人员能够获得最短路径离开危险位置，所以人群在逃跑路线上和蚁群觅食路径上具有相似性。本文主要设计消防应急照明和疏散指示系统，将蚁群算法应用其中能够实现较好的应用效果。

1.2 蚁群算法路径优化分析

假设有只蚂蚁的蚁群，将其随机分布在个不同的位置，每只蚂蚁去往另外一个位置时所选择的路径主要依据的是信息素浓度，采用()-表示；作为城市的起始信息，这个启动信息取决于需要解决的问题，验证值=1。在时刻，蚂蚁出发到目标城市的概率为：

(1)

蚂蚁在觅食过程中会产生很多信息数据，为了将不必要的信息删除，假设蚂蚁每次路线选择中经过的位置只会遇到1次，然后更新剩下的信息，继续删除旧信息，添加访问过的新信息素。

(2)

(3)

假设蚂蚁选择的不是该路径，则：

(4)

在Ant Cycle System模型中，

(5)

在Ant Density System 和ant Quantity System模型中，

(6)

其中，式(5)属于一种全局信息解决路径优化问题，这种方式相对于局部信息具有更好的代表性，最终获得结果更具有科学性。所以，在基于蚁群算法的消防应急照明和疏散指示系统的设计过程中使用式(5)获得剩余信息浓度。

因此，当选择基本模型时，通常选择全局信息，并且根据表达式获得剩余信息的浓度。筛选出最好的路径是通过蚁群算法的基础上来看的。当进化近于降低的时候，指定的进化代数可能会停止计算，分析理论是要通过算法的繁杂度来做的，其中算法的繁杂度为0()，表示周期循环数。

实践证明，蚂蚁在路径选择过程中最佳计算方式为全局信息，然后针对另外2种算法为局部信息计算，这种方式的主要优势在于防止剩余的正增长。

2 消防应急照明和疏散指示系统设计

2.1 系统设计思路和技术解决方案

消防应急照明和疏散指示系统的设计主要目的在于帮助受困者快速找到一条最近且安全的逃生路线，这也是该系统设计的关键所在。本文通过基于蚁群算法，将逃生人群用蚂蚁进行模拟，分析蚂蚁的动态路径选择，然后将其应用到消防应急照明和疏散指示系统的路径优化中。假设一共有只蚂蚁，随机分配在个不同位置，这些蚂蚁在觅食过程中会选择一条最近的路径，也就是旅行商问题。在消防应急照明和疏散指示系统设计中使用蚁群算法需要遵循以下规则：

(1)每条路径只能走一次，通过使用数据结构控制实现；

(2)在路径的选择过程中，蚁群是直接进行选择，主要通过信息素浓度的高低选择。

主要是伴随着路径的逐渐的增加，当第1只蚂蚁通过循环中的其他常识时，是常数，表示蚂蚁经过的路程，在计算过程中可能会出现局本最优解，为了避免这种结果，就会调整路径概率。为了限制正信息量的影响和蚂蚁概率的影响，采用了“信息加权值”。

(7)

如果第一只蚂蚁在这个循环中经过不同的上式，是常数；是第只蚂蚁在这个循环中经过的路径。蚂蚁在选择路径时会根据环境的变化而进行自动调整，于是，以位置为起点，条路径按从高到低排列，按顺序存储在数列中；也就是说，将数组元素[]的值记录为路径(,)的编号。

(8)

式中：为位置的选择路径；为路径(,)的信息权重；为应用信息权重。

蚂蚁在当前位置去往另外一个位置时存在一定的概率，其公式：

(9)

蚂蚁最初通过的路径分布，收敛度小，于是可以说明路径之间存在比较大的差异。这种蚁群最优动态路径分析需要应用到消防应急照明和疏散指示系统的设计中，实现照明和疏散指示的全面控制，为人群逃生提供最优的路径。火灾发生时的密度，是指信息站的浓度。根据信息的权重，调整避难场所的数量，通过计算得出最优的逃跑路线，然后将其路线上的消防应急照明设备打开，帮助受困者快速逃离。通过分析之后，设计了如图1所示的消防应急照明和疏散指示系统的框架图。

图1 消防应急照明和疏散指示系统的框架图Fig.1 Frame diagram of fire emergency lighting and evacuation indication system

在消防应急照明和疏散指示系统的设计中，应急照明集中控制器作为关键部分，其设计图如图2所示。其核心部分主要包含控制面板、电源、液晶调试装置和通信模块，这些重要模块共同实现应急照明的控制作用。

图2 应急照明集中控制器Fig.2 Centralized emergency lighting controller

一般情况下，交流市电通过空气开关、接触器接入，作为主电源供电，并通过AC 220 V/DC 24 V充电器电源、DC 24 V电源控制器为相关设备提供直流24 V供电电源；当交流电断电后，蓄电池投入供电。如果检测到常用电源电压恢复，控制器将联动控制从应急电源恢复到常用电源。应急照明控制器通过控制器的控制，确保市电和应急电源蓄电池之间平稳切换。

2.2 集中电源设计方案

各防火区的疏散照明灯具和疏散指示标志灯通过应急照明集中电源供电，所有输出接口均可通过地址编码监视其状态。电池组、互投设备、整流充电器、导电器等是应急照明集中电源结构的组成部分。双向投切装置可确保正常电源与蓄电池备用电源之间的负荷稳定过渡。通过串口连接到控制程序时，将应急电源状态显示为实施时间。应急照明分配电装置一般是设置在防火区域的分配电装置，为疏散照明灯具和疏散指示标志供电，并进行相关控制。所有的配电设备、疏散照明灯具和疏散指示标志都有单独的地址代码，从而能够实现监控状态接受的目的，并且实现消防应急照明和疏散指示的控制。对于应急照明分配电装置的设计，通过分析之后将其设置在集中电源的总线输出回路上，由开关电源、配电盘、照明控制器等组成。控制人员可以迅速掌握照明设备的故障情况，发送声光警报信号。

疏散照明灯具和疏散指示标志灯内均未设置蓄电池，而是采用集中电源供电；另外所有的照明灯具都有独立的地址代码，于是能够实现和电脑准确配置，控制每个照明灯具。最后消防应急照明和疏散指示标志中涵盖非持续和持续的操作模式，其中控制系统可以设计闪光灯、强制点灯、定时点灯等模式。消防应急照明和疏散指示系统中集中电源控制原理如图3所示。

图3 集中电源控制原理图Fig.3 Schematic diagram of centralized power control

3 结语

通过对消防应急照明系统的互动式操作软件支持，实施建筑物内消防设施的信息分析、动态分布式线路综合分析，采用算法优化的集中供电集中控制分布式指示系统。与分布式指示系统相比较，基于控制和管理的智能分布式指示系统明显优于原始单识别照明运行。消防应急照明和疏散指示系统通过使用蚁群算法能够实现当发生危险时，为受困者找到一条最安全且快捷的逃跑路线，并且该系统能够根据现场变动的环境进行实时更新，属于一种动态疏散系统，实时控制相关应急电源、配电装置和应急照明灯具和疏散指示标志，确保所选最佳逃生路径的安全开通。