任 偉 張金偉

（安徽理工大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南232001）

0 引言

目前，由于高層建筑和大型商務(wù)場所人口密集，建筑物內(nèi)部的構(gòu)造相對復(fù)雜，一旦發(fā)生火災(zāi)，人們在建筑物內(nèi)向外逃生的難度將大大增加。利用傳感網(wǎng)技術(shù)為人們提供一個相對安全的逃生路徑，也可為相關(guān)營救部門提供一個準確的營救坐標。當(dāng)面臨火災(zāi)緊急情況時，增強逃生人員對自身所處環(huán)境態(tài)勢的感知范圍是十分重要的，這將有助于減少逃生人員的緊張情緒，降低高層建筑和大型商務(wù)場所火災(zāi)時的傷亡的人數(shù)。

1 無線傳感網(wǎng)基本概念

無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (Wireless Sensor Network，WSN)，是以數(shù)據(jù)為中心，集處理與通信功能于一體的分布式自組織網(wǎng)絡(luò)。傳感網(wǎng)能夠?qū)崟r監(jiān)測和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)各種檢測對象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，以實現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標檢測與跟蹤，具有快速展開，抗毀性強等特點[1]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)是利用傳感器節(jié)點來監(jiān)測節(jié)點周圍的環(huán)境，收集相關(guān)數(shù)據(jù)，然后通過無線收發(fā)裝置采用多跳路由的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點，再通過匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)傳送到用戶端，從而達到對目標區(qū)域的監(jiān)測。它綜合了計算技術(shù)、通信技術(shù)及傳感器技術(shù)，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境信息或被監(jiān)測對象的信息，這些信息以無線方式傳送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端，從而實現(xiàn)物理世界、計算機世界及人類社會三元世界的連通[2]。

火災(zāi)危險發(fā)生時，建筑物內(nèi)的電路、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都很可能會發(fā)生中斷，慌亂中人們無法使用手機等智能設(shè)備搜索逃生路徑，所以有效的解決辦法是采用克服環(huán)境限制的獨立設(shè)備，能夠自組網(wǎng)絡(luò)、動態(tài)更新著火點信息，及時對安全位置給予引導(dǎo)，指示出逃生的最佳路徑。所以將無線傳感網(wǎng)應(yīng)用于此具有非常重要的意義。

2 路徑選擇算法

解決火災(zāi)逃生時的智能路徑問題，需要解決三方面問題，分別是火災(zāi)危險檢測、逃生路徑的搜索和逃生路徑的指示[3]。

2.1 危險檢測

智能路徑選擇系統(tǒng)首先需要對火災(zāi)危險信號進行定義，之后才能根據(jù)檢測到的信號進行危險等級的評估。常見火災(zāi)危險包括火焰、高溫、煙霧、和CO等有毒氣體，通過傳感器檢測火焰有無，溫度高低，煙霧濃度和有毒氣體濃度，對各個危險信號進行分級。

在檢測危險時，火焰分為兩級，有火焰是的最大值和無火焰的最小值；高溫，煙霧和有毒氣體分為四級，在進行危險評估時，取危險級別最高的信號作為最終危險等級。路徑上節(jié)點的危險等級就決定了路徑是否可以逃脫。

在火災(zāi)發(fā)生時，就是要選擇避開危險的路徑，或是危險等級相對低的路徑逃生。

2.2 路徑搜索算法

布置在建筑物內(nèi)的大量傳感節(jié)點構(gòu)成了傳感網(wǎng)絡(luò)，逃生路徑在網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)為從一個節(jié)點出發(fā)到出口節(jié)點的聯(lián)通樹，樹的根節(jié)點就是該出口節(jié)點。當(dāng)實際建筑中存在多個逃生出口，算法也會生成多個相互獨立不交叉的樹，同樣每個節(jié)點都是選擇了對于該節(jié)點最佳的逃生出口所在的樹[4]。

逃生路徑的搜索過程即被抽象為傳感網(wǎng)絡(luò)連通樹的搜索過程，而搜索的目標是盡可能尋找一條安全快速到達出口位置的路徑，可以抽象為從當(dāng)前節(jié)點到達出口節(jié)點的距離最短并且危險等級最低的通路。每個節(jié)點都有到達出口節(jié)點（根節(jié)點）都有表示從自己逃生的最小代價值，這個值由到達出口的最短距離和最大危險等級決定。在系統(tǒng)初始化時，除了根節(jié)點之外所有的節(jié)點都為最大值（無窮大），而根節(jié)點的代價為0。

任意一個非根節(jié)點的代價，根據(jù)代價函數(shù)計算得出，是到它所有相鄰節(jié)點的代價的最小值，并以此來決定該節(jié)點的父節(jié)點。所有非根節(jié)點都使用該方法搜索自己的父節(jié)點并計算逃生代價，最終生成一顆完整的逃生樹。

當(dāng)逃生樹穩(wěn)定時，節(jié)點定時發(fā)送心跳消息包，確認網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點狀態(tài)正常，防止節(jié)點故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)失效。

如果有節(jié)點的危險等級發(fā)生變化，或者發(fā)現(xiàn)父節(jié)點丟失等網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改變的情況，該節(jié)點重新計算自己的逃生代價，并通知其相鄰節(jié)點更新鏈路，重新執(zhí)行搜索算法，生成新的逃生路徑樹。

上述搜索算法的搜索過程依賴最小逃生代價值，這個值隨著樹的深度增長不斷變大，不會產(chǎn)生回路；當(dāng)局部狀態(tài)發(fā)生改變時可以及時更新，并且只需要更新受影響的部分。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某些節(jié)點失效是也可以很快被其子節(jié)點檢測出來從而避免網(wǎng)絡(luò)故障。

2.3 逃生路徑指示

當(dāng)節(jié)點搜索到逃生路徑樹之后需要顯示在逃生路徑上，為逃生人員做出指示。節(jié)點搜索到其父節(jié)點之后，就會點亮父節(jié)點所在方向的LED燈，表示沿這個方向就是能夠到達出口的可行路徑。

3 結(jié)語

本文通過對各種傳感器節(jié)點采集的危險信號分析，計算出危險等級低的最佳逃生路徑，最終快速確定安全逃生指示。研究對于火災(zāi)時的人員疏散和快速救援有重要意義。

［1］孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005，3－5.

［2］劉志.基于分環(huán)多跳的無線傳感網(wǎng)分簇路由算法[J].通信學(xué)報,2008,3.

［3］唐勇，周明天，張欣.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究進展[J].軟件學(xué)報,2006,17.

［4］劉阿娜，于宏毅，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò) MAC 協(xié)議研究[J].電信科學(xué)，2008，24.