基于LoRa的機(jī)場(chǎng)人員應(yīng)急疏散管理系統(tǒng)及應(yīng)用

程芳 張曉慧

【摘要】? ? 本文針對(duì)通航機(jī)場(chǎng)航站樓應(yīng)急疏散管理中對(duì)及時(shí)響應(yīng)處置的要求，提出了基于LoRa協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)管控機(jī)制，并以立柱式隔離拉帶為應(yīng)用載體，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)急疏散管理系統(tǒng)。本文著重提出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括總體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)組成、管理中心等，并就系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)展開分析和設(shè)計(jì)，包括多協(xié)議協(xié)同通信方案設(shè)計(jì)，建立了多協(xié)議協(xié)同通信方案模型、以及 LoRa 和 TCP 長(zhǎng)連接技術(shù)的通信方案，最后對(duì)于LoRa 網(wǎng)絡(luò)干擾模型進(jìn)行了分析。通過(guò)本文給出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)，為機(jī)場(chǎng)等人流量大、人群密集場(chǎng)所的應(yīng)急疏散管理提供了技術(shù)實(shí)踐參考。

【關(guān)鍵詞】? ? 應(yīng)急疏散管理? ? LoRa? ? 多協(xié)議協(xié)同通信

引言：

當(dāng)今，隨著網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，經(jīng)濟(jì)新業(yè)態(tài)不斷推陳出新，信息的交互，資源的流動(dòng)更為經(jīng)濟(jì)助力;而人員作為社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和文化發(fā)展中最為重要的要素，對(duì)高效、便捷和安全的流動(dòng)方式提出了迫切需求，因此，選擇快速便捷的交通工具已經(jīng)成為人們出行首選，導(dǎo)致交通場(chǎng)所人流量大增，給當(dāng)?shù)匕矙z部門的工作帶來(lái)很大的壓力;同時(shí)，當(dāng)今國(guó)內(nèi)外局勢(shì)不是很理想，恐怖襲擊和意外事件常有發(fā)生，導(dǎo)致人員在疏散的時(shí)候，部分隔離帶打開不及時(shí)，引起人員的擁擠，甚至是人踩人的現(xiàn)象。為此，需要在應(yīng)急疏散管理中能夠及時(shí)處置隔離帶打開，保證疏散通道暢通的應(yīng)急管理系統(tǒng)，本研究即針對(duì)該問(wèn)題，提出了基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)急疏散管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并就其中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了分析討論。

一、系統(tǒng)應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)需求

1.1 應(yīng)用現(xiàn)狀及問(wèn)題提出

現(xiàn)安檢大廳隔離設(shè)施主要以拉帶為主，采用人工手動(dòng)拉伸釋放，在發(fā)生突發(fā)事件需要釋放時(shí)，需要人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行工作，并且釋放動(dòng)作不能全部同步進(jìn)行，在釋放不及時(shí)時(shí)，給航站樓帶來(lái)極大的安全隱患。以國(guó)外已發(fā)生事件為例事后總結(jié)分析，當(dāng)有緊急事件發(fā)生時(shí)拉帶來(lái)不及及時(shí)收回，對(duì)人員疏散造成極大障礙，甚至絆倒人員造成踩踏事件發(fā)生，進(jìn)一步加大危害、損失、影響。例如某機(jī)場(chǎng)一號(hào)航站樓安檢大廳是特殊公共場(chǎng)所，人員密集流動(dòng)量大，是可以展現(xiàn)祖國(guó)繁榮昌盛、展示國(guó)人風(fēng)貌的大型重要公共設(shè)施，因此經(jīng)討論決定對(duì)某機(jī)場(chǎng)一號(hào)航站樓安檢大廳進(jìn)行改造，避免因隔離設(shè)施不當(dāng)帶來(lái)的安全隱患及負(fù)面影響。

1.2系統(tǒng)應(yīng)用意義

縱觀國(guó)內(nèi)外，現(xiàn)有市面上拉帶隔離設(shè)施大部分都是采用傳統(tǒng)的手工模式，在需要或者不需要的時(shí)候，通過(guò)人手現(xiàn)場(chǎng)拉出或者回收隔離拉帶，在外觀、拉力等機(jī)械結(jié)構(gòu)上有所不同，差異化不高。隨著新興的技術(shù)不斷涌現(xiàn)和發(fā)展，傳統(tǒng)的自動(dòng)控制理論和無(wú)線通訊技術(shù)得到完善和改進(jìn)，在拉帶隔離設(shè)施上使用自動(dòng)控制來(lái)對(duì)部分功能進(jìn)行改造就提出了要求。在拉帶隔離增加電控功能，方便在特定的場(chǎng)合和應(yīng)用下，實(shí)現(xiàn)一鍵回收隔離拉帶的功能要求，暫可滿足應(yīng)急之需要，智能電控安全型疏散隔離設(shè)施研究就應(yīng)運(yùn)而出。通過(guò)本項(xiàng)目的研究，減少安檢等特殊場(chǎng)所對(duì)拉帶隔離設(shè)施在使用時(shí)釋放不及時(shí)導(dǎo)致人員疏散造成的障礙，降低人員擁擠產(chǎn)生的意外風(fēng)險(xiǎn)，能夠有效的對(duì)拉帶隔離設(shè)施的控制和管理。

二、系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

在對(duì)機(jī)場(chǎng)應(yīng)急疏散系統(tǒng)功能需求充分分析的基礎(chǔ)上，提出設(shè)備層、控制層、傳輸層和應(yīng)用層的四層總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，基于此方案設(shè)計(jì)了適用本動(dòng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的多協(xié)議協(xié)同通信方案模型。最后對(duì)振動(dòng)信號(hào)分析技術(shù)和故障診斷方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述。

2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了滿足應(yīng)急疏散過(guò)程對(duì)實(shí)時(shí)性、安全性和可靠性的要求，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要可以分為三個(gè)部分和五個(gè)層次。第一個(gè)部分為控制節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)設(shè)備數(shù)據(jù)采集，包含設(shè)備感知層和控制層。第二個(gè)部分是控制網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)收集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、控制節(jié)點(diǎn)并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳服務(wù)器，包含傳輸網(wǎng)絡(luò)層。第三個(gè)部分為控制管理層，用于處理和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)、處理用戶請(qǐng)求以及提供用戶界面，包含服務(wù)器層和應(yīng)用層。具體如圖1所示。

根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖可知，應(yīng)急疏散系統(tǒng)的控制指令及數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程主要分成四個(gè)步驟，包括指令下發(fā)、指令傳輸、指令解析、指令執(zhí)行以及數(shù)據(jù)展示。

2.2系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)架設(shè)示意圖如圖2所示，節(jié)點(diǎn)控制器和隔離設(shè)施嵌套在一起，分別部署于下現(xiàn)場(chǎng)需要隔離的場(chǎng)地，通過(guò)LoRa無(wú)線收發(fā)接入到現(xiàn)場(chǎng)的集中控制器，并由集中控制器匯集控制信號(hào)后通過(guò)websocket與后臺(tái)通訊，從而實(shí)現(xiàn)隔離設(shè)備與應(yīng)用程序之間的指令數(shù)據(jù)通信;集中控制器部署在需要覆蓋區(qū)域的中心位置，與交換機(jī)之間采用以太網(wǎng)線或光纖連接;服務(wù)器部署在機(jī)房控制中心，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)管理。具體如圖2所示。

同時(shí)，節(jié)點(diǎn)控制器將執(zhí)行數(shù)據(jù)通過(guò)LoRa通信鏈路上傳到集中控制器，然后由集中控制器將數(shù)據(jù)通過(guò)有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳至 Web 服務(wù)器進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。用戶可通過(guò)計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備登錄控制系統(tǒng)來(lái)查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

2.3系統(tǒng)管理中心設(shè)計(jì)

后臺(tái)管理軟件采用B/S架構(gòu)，部署在服務(wù)器上，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理和維護(hù)，并通過(guò)TCP/IP協(xié)議和集中控制器連接，從而進(jìn)行對(duì)節(jié)點(diǎn)/管理員控制器進(jìn)行控制。

主要功能包括：

1.設(shè)備管理：設(shè)備管理包括節(jié)點(diǎn)控制器（包含隔離設(shè)施）、集中控制器、管理員控制器的管理;對(duì)所有設(shè)備管理的在線狀態(tài)、維護(hù)管理、授權(quán)進(jìn)行管理;

2.用戶管理：用戶管理主要提供用戶新增、用戶信息的修改、用戶的刪除、用戶凍結(jié)、用戶查詢、用戶查看、配置用戶所屬角色的功能;

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、角色的刪除以及角色和用戶的對(duì)應(yīng)關(guān)系管理等功能;

4.權(quán)限管理：權(quán)限管理可以對(duì)角色、對(duì)用戶賬號(hào)的權(quán)限進(jìn)行管理，可配置角色對(duì)應(yīng)設(shè)備的操作的權(quán)限;

5.應(yīng)急控制：在所監(jiān)控的區(qū)域上發(fā)現(xiàn)有緊急事件發(fā)生時(shí)，可以通過(guò)web界面操作方式打開隔離設(shè)施拉帶;現(xiàn)場(chǎng)觀管理員操作管理員控制，一鍵將打開指令發(fā)送集中控制器，將發(fā)生緊急事件的區(qū)域的隔離設(shè)施拉帶打。

三、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析及實(shí)現(xiàn)

應(yīng)急疏散系統(tǒng)從硬件組成分析，由多種硬件模塊組成，各模塊支持的通訊協(xié)議不同。從場(chǎng)景需求上分析，應(yīng)急疏散系統(tǒng)具有兩種不同需求，第一種是高頻實(shí)時(shí)在線響應(yīng)需求，其對(duì)通信實(shí)時(shí)性要求較高。第二種是低頻非實(shí)時(shí)性需求，如設(shè)備狀態(tài)等慢變信號(hào)的歷史數(shù)據(jù)查詢、用戶和設(shè)備信息管理等，其對(duì)通信實(shí)時(shí)性要求較低。因此應(yīng)急疏散系統(tǒng)的通信方案必定是多種協(xié)議協(xié)同工作的方案。

3.1多協(xié)議協(xié)同通信方案設(shè)計(jì)

從硬件組成上分析，應(yīng)急疏散系統(tǒng)由多種硬件模塊組成，各模塊支持的通訊協(xié)議不同。從場(chǎng)景需求上分析，應(yīng)急疏散系統(tǒng)具有兩種不同需求，第一種是高頻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求，其對(duì)通信實(shí)時(shí)性要求較高。第二種是低頻非實(shí)時(shí)性需求，如溫度、壓力等慢變信號(hào)的歷史數(shù)據(jù)查詢、用戶和設(shè)備信息管理等，其對(duì)通信實(shí)時(shí)性要求較低。因此應(yīng)急疏散系統(tǒng)的通信方案必定是多種協(xié)議協(xié)同工作的方案。

（1）應(yīng)急疏散系統(tǒng)多協(xié)議協(xié)同通信方案模型

基于視圖層和下位機(jī)通信方案，本動(dòng)設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多協(xié)議協(xié)同通信方案模型設(shè)計(jì)如圖 4所示。

集中控制器、用戶瀏覽器和服務(wù)器分別建立 TCP 和 Websocket 連接，并保持長(zhǎng)連接狀態(tài)。控制節(jié)點(diǎn)及對(duì)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，數(shù)據(jù)通過(guò) LoRa 射頻上傳至集中控制器。集中控制器則通過(guò)已經(jīng)建立的TCP長(zhǎng)連接持續(xù)性地將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器。服務(wù)器對(duì)實(shí)時(shí)控制指令進(jìn)行快速處理和分析，然后通過(guò) Websocket 連接實(shí)時(shí)推送至用戶端瀏覽器。用戶進(jìn)行低頻靜態(tài)內(nèi)容請(qǐng)求時(shí)，則通過(guò) HTTP 協(xié)議和服務(wù)器進(jìn)行通信。

（2）基于 LoRa 和 TCP 長(zhǎng)連接技術(shù)的通信方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)集中控制器和服務(wù)器通信可采用 面向連接的TCP 協(xié)議，系統(tǒng)兩級(jí)通訊方案如圖5所示。

控制節(jié)點(diǎn)和集中控制器之間，利用 LoRa 技術(shù)通信以擴(kuò)展系統(tǒng)的通信距離。集中控制器和服務(wù)器之間利用有線以太網(wǎng)進(jìn)行 TCP 通信，相比于直接使用 5G技術(shù)，可以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)流量費(fèi)用。 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性優(yōu)劣取決于每一個(gè)通信環(huán)節(jié)。本文使用 Websocket 技術(shù)解決了視圖層數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性的問(wèn)題，但是集中控制器和服務(wù)器通信由于使用 TCP協(xié)議，因此仍然會(huì)導(dǎo)致高頻數(shù)據(jù)傳輸時(shí)服務(wù)器性能消耗過(guò)大。所以，設(shè)計(jì)基于 GatewayWorker 的 TCP 長(zhǎng)連接技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

3.2 LoRa 網(wǎng)絡(luò)干擾模型建立及分析

上行鏈路傳輸中 LoRa 網(wǎng)絡(luò)和其他 LPWAN 存在一定的技術(shù)共存問(wèn)題，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中參考相關(guān)傳播模型進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，并給出必要的系統(tǒng)設(shè)置。以此為基礎(chǔ)，給出了單網(wǎng)關(guān) LoRa 網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)傳輸距離區(qū)域范圍的區(qū)域劃分，如圖6所示。并以此建立一個(gè)多網(wǎng)關(guān)的 LoRa網(wǎng)絡(luò)，并以節(jié)點(diǎn)為PCP，父節(jié)點(diǎn)為PPP進(jìn)行建模，并且網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)父節(jié)點(diǎn)的后代點(diǎn)都是相關(guān)獨(dú)立的。在模型圖中，同一網(wǎng)關(guān)所覆蓋的 LoRa 終端節(jié)點(diǎn)之間的距離用x表示，每一個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)之間的距離則由y表示。而不同網(wǎng)關(guān)的 LoRa 終端之間的距離可以近似為 x+y。這些距離變量用于后面的干擾模型建立。

具有相同 SF 的 LoRa 節(jié)點(diǎn)在傳播時(shí)將相互干擾。但是在實(shí)際傳播環(huán)境中，除了LoRa節(jié)點(diǎn)以外必然存在非LoRa傳播節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，LoRa 常工作在未授權(quán)頻譜中，因此非 LoRa 節(jié)點(diǎn)（例如，NB-IoT 節(jié)點(diǎn)）也會(huì)對(duì)正常的 LoRa 節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生相應(yīng)的干擾非 LoRa 節(jié)點(diǎn)如果頻率上與LoRa 節(jié)點(diǎn)接近的話，也會(huì)對(duì)正常的傳輸造成干擾。因此可以將這些節(jié)點(diǎn)被建模為PPP? ，用Φother來(lái)表示該節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，它的節(jié)點(diǎn)密度為other。在圖 4 中也表明了非 LoRa 節(jié)點(diǎn)被建模為PPP。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文以公共場(chǎng)所中客運(yùn)人流密集場(chǎng)所為應(yīng)用需求提出及應(yīng)用環(huán)境為背景，尤其是響應(yīng)機(jī)場(chǎng)人流應(yīng)急疏散現(xiàn)實(shí)需求為基礎(chǔ)，提出了公共場(chǎng)所人員應(yīng)急疏散控制系統(tǒng)，并基于LoRa為無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從集中控制器到節(jié)點(diǎn)控制器之間的通信鏈路，同時(shí)，基于B/S軟件架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用層到云端，再經(jīng)集中控制器到終端控制節(jié)點(diǎn)的控制閉環(huán)，為了確保系統(tǒng)應(yīng)急響應(yīng)的及時(shí)性，系統(tǒng)還提供了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急控制器，可以由現(xiàn)場(chǎng)人員根據(jù)應(yīng)急事件情形做出快速反應(yīng)，直接切入系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)終端節(jié)點(diǎn)控制器的操控，從而確保系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)和中控“雙保險(xiǎn)”控制機(jī)制。另外，本文還就系統(tǒng)涉及到的多協(xié)議通信模型、LoRa干擾模型進(jìn)行了重點(diǎn)分析和實(shí)現(xiàn)，為系統(tǒng)后續(xù)進(jìn)一步升級(jí)完善提供了必要的技術(shù)研究。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]萬(wàn)可達(dá).基于 Websocket 的水泥廠動(dòng)設(shè)備的全平臺(tái)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2018.

[2]薛琳.? 基于 iOS 平臺(tái)的云服務(wù)器管理系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].上海：東華大學(xué)，2015.

[3]聶志宇，LoRa網(wǎng)絡(luò)干擾問(wèn)題的分析及優(yōu)化，南京，南京郵電大學(xué)，2019.

[4]楊禎.? 基于 LoRa 技術(shù)的校園環(huán)境無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].? 華中師范大學(xué)， 2018.

[5]毛煒煒 基于LoRa射頻技術(shù)的B_S模式動(dòng)設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D]，浙江大學(xué)，2020.

[6] Lee H C ， Ke K H . Monitoring of Large-Area IoT Sensors Using a LoRa Wireless Mesh Network System： Design and Evaluation[J]. IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement， 2018：1-11.

[7] Zhang X ， Zhang M ， Meng F ， et al. A Low-Power Wide-Area Network Information Monitoring System by Combining NB-IoT and LoRa[J]. Internet of Things Journal IEEE， 2019， 6（1）：590-598.