基于蟻群算法的消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

吳振東

(南寧市建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530002)

在近幾年里，建筑行業(yè)發(fā)展突飛猛進(jìn)，大型、高層乃至超高層的建筑物占據(jù)了整個(gè)市場主體，因此，對這些建筑物的消防設(shè)施和應(yīng)急疏散的要求進(jìn)一步提高，其中消防應(yīng)急照明疏散指示系統(tǒng)作為指導(dǎo)人員迅速逃生的關(guān)鍵性消防設(shè)施，其重要性不言而喻。然而作為傳統(tǒng)的應(yīng)急照明疏散指示系統(tǒng)存在一定的缺陷，尤其是燈具和疏散指示標(biāo)志沒有很好的和建筑布局等進(jìn)行聯(lián)系，而是將其作為一個(gè)獨(dú)立個(gè)體，這會導(dǎo)致其只能按照系統(tǒng)設(shè)定好的模式投入運(yùn)行?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，應(yīng)急照明燈具和疏散指示標(biāo)志無法形成最優(yōu)化的逃生路線；火災(zāi)蔓延時(shí)如果不根據(jù)火災(zāi)發(fā)生的位置改變原有疏散方向，很可能將逃生人員帶到危險(xiǎn)區(qū)域。火災(zāi)現(xiàn)場的消防安全疏散與火災(zāi)位置、建筑布局等密切相關(guān)，所以消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)能夠自動判斷當(dāng)前危險(xiǎn)情況，明確危險(xiǎn)位置，設(shè)計(jì)出一條快捷且安全的疏散路徑，這需要不斷收集各疏散路徑、安全出口的明火、煙霧、應(yīng)急照明等狀態(tài)，形成完整的火災(zāi)聯(lián)動報(bào)警信息，經(jīng)過智能控制器分析判斷，選擇最優(yōu)的消防疏散規(guī)則。

1 基于蟻群算法的疏散路徑分析

1.1 蟻群算法和指示系統(tǒng)之間的聯(lián)系

蟻群算法常被用來尋找優(yōu)化路徑，屬于一種啟發(fā)式全局優(yōu)化算法。其主要分析螞蟻覓食過程，比如在不同環(huán)境下，蟻群獲取食物能夠?qū)ふ业阶疃痰穆窂?，能夠根?jù)不同環(huán)境做出相應(yīng)的變化，主要原因在于螞蟻可以釋放一種信息素，所以蟻群算法經(jīng)常被用來尋找優(yōu)化路徑。消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)的主要目的在于當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，建筑內(nèi)人員能夠獲得最短路徑離開危險(xiǎn)位置，所以人群在逃跑路線上和蟻群覓食路徑上具有相似性。本文主要設(shè)計(jì)消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)，將蟻群算法應(yīng)用其中能夠?qū)崿F(xiàn)較好的應(yīng)用效果。

1.2 蟻群算法路徑優(yōu)化分析

假設(shè)有只螞蟻的蟻群，將其隨機(jī)分布在個(gè)不同的位置，每只螞蟻去往另外一個(gè)位置時(shí)所選擇的路徑主要依據(jù)的是信息素濃度，采用()-表示；作為城市的起始信息，這個(gè)啟動信息取決于需要解決的問題，驗(yàn)證值=1。在時(shí)刻，螞蟻出發(fā)到目標(biāo)城市的概率為：

(1)

螞蟻在覓食過程中會產(chǎn)生很多信息數(shù)據(jù)，為了將不必要的信息刪除，假設(shè)螞蟻每次路線選擇中經(jīng)過的位置只會遇到1次，然后更新剩下的信息，繼續(xù)刪除舊信息，添加訪問過的新信息素。

(2)

(3)

假設(shè)螞蟻選擇的不是該路徑，則：

(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)屬于一種全局信息解決路徑優(yōu)化問題，這種方式相對于局部信息具有更好的代表性，最終獲得結(jié)果更具有科學(xué)性。所以，在基于蟻群算法的消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中使用式(5)獲得剩余信息濃度。

因此，當(dāng)選擇基本模型時(shí)，通常選擇全局信息，并且根據(jù)表達(dá)式獲得剩余信息的濃度。篩選出最好的路徑是通過蟻群算法的基礎(chǔ)上來看的。當(dāng)進(jìn)化近于降低的時(shí)候，指定的進(jìn)化代數(shù)可能會停止計(jì)算，分析理論是要通過算法的繁雜度來做的，其中算法的繁雜度為0()，表示周期循環(huán)數(shù)。

實(shí)踐證明，螞蟻在路徑選擇過程中最佳計(jì)算方式為全局信息，然后針對另外2種算法為局部信息計(jì)算，這種方式的主要優(yōu)勢在于防止剩余的正增長。

2 消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路和技術(shù)解決方案

消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要目的在于幫助受困者快速找到一條最近且安全的逃生路線，這也是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。本文通過基于蟻群算法，將逃生人群用螞蟻進(jìn)行模擬，分析螞蟻的動態(tài)路徑選擇，然后將其應(yīng)用到消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)的路徑優(yōu)化中。假設(shè)一共有只螞蟻，隨機(jī)分配在個(gè)不同位置，這些螞蟻在覓食過程中會選擇一條最近的路徑，也就是旅行商問題。在消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用蟻群算法需要遵循以下規(guī)則：

(1)每條路徑只能走一次，通過使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)控制實(shí)現(xiàn)；

(2)在路徑的選擇過程中，蟻群是直接進(jìn)行選擇，主要通過信息素濃度的高低選擇。

主要是伴隨著路徑的逐漸的增加，當(dāng)?shù)?只螞蟻通過循環(huán)中的其他常識時(shí)，是常數(shù)，表示螞蟻經(jīng)過的路程，在計(jì)算過程中可能會出現(xiàn)局本最優(yōu)解，為了避免這種結(jié)果，就會調(diào)整路徑概率。為了限制正信息量的影響和螞蟻概率的影響，采用了“信息加權(quán)值”。

(7)

如果第一只螞蟻在這個(gè)循環(huán)中經(jīng)過不同的上式，是常數(shù)；是第只螞蟻在這個(gè)循環(huán)中經(jīng)過的路徑。螞蟻在選擇路徑時(shí)會根據(jù)環(huán)境的變化而進(jìn)行自動調(diào)整，于是，以位置為起點(diǎn)，條路徑按從高到低排列，按順序存儲在數(shù)列中；也就是說，將數(shù)組元素[]的值記錄為路徑(,)的編號。

(8)

式中：為位置的選擇路徑；為路徑(,)的信息權(quán)重；為應(yīng)用信息權(quán)重。

螞蟻在當(dāng)前位置去往另外一個(gè)位置時(shí)存在一定的概率，其公式：

(9)

螞蟻?zhàn)畛跬ㄟ^的路徑分布，收斂度小，于是可以說明路徑之間存在比較大的差異。這種蟻群最優(yōu)動態(tài)路徑分析需要應(yīng)用到消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)照明和疏散指示的全面控制，為人群逃生提供最優(yōu)的路徑?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)的密度，是指信息站的濃度。根據(jù)信息的權(quán)重，調(diào)整避難場所的數(shù)量，通過計(jì)算得出最優(yōu)的逃跑路線，然后將其路線上的消防應(yīng)急照明設(shè)備打開，幫助受困者快速逃離。通過分析之后，設(shè)計(jì)了如圖1所示的消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)的框架圖。

圖1 消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)的框架圖Fig.1 Frame diagram of fire emergency lighting and evacuation indication system

在消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)急照明集中控制器作為關(guān)鍵部分，其設(shè)計(jì)圖如圖2所示。其核心部分主要包含控制面板、電源、液晶調(diào)試裝置和通信模塊，這些重要模塊共同實(shí)現(xiàn)應(yīng)急照明的控制作用。

圖2 應(yīng)急照明集中控制器Fig.2 Centralized emergency lighting controller

一般情況下，交流市電通過空氣開關(guān)、接觸器接入，作為主電源供電，并通過AC 220 V/DC 24 V充電器電源、DC 24 V電源控制器為相關(guān)設(shè)備提供直流24 V供電電源；當(dāng)交流電斷電后，蓄電池投入供電。如果檢測到常用電源電壓恢復(fù)，控制器將聯(lián)動控制從應(yīng)急電源恢復(fù)到常用電源。應(yīng)急照明控制器通過控制器的控制，確保市電和應(yīng)急電源蓄電池之間平穩(wěn)切換。

2.2 集中電源設(shè)計(jì)方案

各防火區(qū)的疏散照明燈具和疏散指示標(biāo)志燈通過應(yīng)急照明集中電源供電，所有輸出接口均可通過地址編碼監(jiān)視其狀態(tài)。電池組、互投設(shè)備、整流充電器、導(dǎo)電器等是應(yīng)急照明集中電源結(jié)構(gòu)的組成部分。雙向投切裝置可確保正常電源與蓄電池備用電源之間的負(fù)荷穩(wěn)定過渡。通過串口連接到控制程序時(shí)，將應(yīng)急電源狀態(tài)顯示為實(shí)施時(shí)間。應(yīng)急照明分配電裝置一般是設(shè)置在防火區(qū)域的分配電裝置，為疏散照明燈具和疏散指示標(biāo)志供電，并進(jìn)行相關(guān)控制。所有的配電設(shè)備、疏散照明燈具和疏散指示標(biāo)志都有單獨(dú)的地址代碼，從而能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控狀態(tài)接受的目的，并且實(shí)現(xiàn)消防應(yīng)急照明和疏散指示的控制。對于應(yīng)急照明分配電裝置的設(shè)計(jì)，通過分析之后將其設(shè)置在集中電源的總線輸出回路上，由開關(guān)電源、配電盤、照明控制器等組成?？刂迫藛T可以迅速掌握照明設(shè)備的故障情況，發(fā)送聲光警報(bào)信號。

疏散照明燈具和疏散指示標(biāo)志燈內(nèi)均未設(shè)置蓄電池，而是采用集中電源供電；另外所有的照明燈具都有獨(dú)立的地址代碼，于是能夠?qū)崿F(xiàn)和電腦準(zhǔn)確配置，控制每個(gè)照明燈具。最后消防應(yīng)急照明和疏散指示標(biāo)志中涵蓋非持續(xù)和持續(xù)的操作模式，其中控制系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)閃光燈、強(qiáng)制點(diǎn)燈、定時(shí)點(diǎn)燈等模式。消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)中集中電源控制原理如圖3所示。

圖3 集中電源控制原理圖Fig.3 Schematic diagram of centralized power control

3 結(jié)語

通過對消防應(yīng)急照明系統(tǒng)的互動式操作軟件支持，實(shí)施建筑物內(nèi)消防設(shè)施的信息分析、動態(tài)分布式線路綜合分析，采用算法優(yōu)化的集中供電集中控制分布式指示系統(tǒng)。與分布式指示系統(tǒng)相比較，基于控制和管理的智能分布式指示系統(tǒng)明顯優(yōu)于原始單識別照明運(yùn)行。消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)通過使用蟻群算法能夠?qū)崿F(xiàn)當(dāng)發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，為受困者找到一條最安全且快捷的逃跑路線，并且該系統(tǒng)能夠根據(jù)現(xiàn)場變動的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，屬于一種動態(tài)疏散系統(tǒng)，實(shí)時(shí)控制相關(guān)應(yīng)急電源、配電裝置和應(yīng)急照明燈具和疏散指示標(biāo)志，確保所選最佳逃生路徑的安全開通。