程芳 張曉慧

【摘要】? ? 本文針對通航機場航站樓應急疏散管理中對及時響應處置的要求，提出了基于LoRa協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)管控機制，并以立柱式隔離拉帶為應用載體，實現(xiàn)了應急疏散管理系統(tǒng)。本文著重提出了系統(tǒng)設計，包括總體設計、系統(tǒng)組成、管理中心等，并就系統(tǒng)關鍵技術展開分析和設計，包括多協(xié)議協(xié)同通信方案設計，建立了多協(xié)議協(xié)同通信方案模型、以及 LoRa 和 TCP 長連接技術的通信方案，最后對于LoRa 網(wǎng)絡干擾模型進行了分析。通過本文給出的系統(tǒng)設計及關鍵技術實現(xiàn)，為機場等人流量大、人群密集場所的應急疏散管理提供了技術實踐參考。

【關鍵詞】? ? 應急疏散管理? ? LoRa? ? 多協(xié)議協(xié)同通信

引言：

當今，隨著網(wǎng)絡經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，經(jīng)濟新業(yè)態(tài)不斷推陳出新，信息的交互，資源的流動更為經(jīng)濟助力;而人員作為社會、經(jīng)濟和文化發(fā)展中最為重要的要素，對高效、便捷和安全的流動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，導致交通場所人流量大增，給當?shù)匕矙z部門的工作帶來很大的壓力;同時，當今國內(nèi)外局勢不是很理想，恐怖襲擊和意外事件常有發(fā)生，導致人員在疏散的時候，部分隔離帶打開不及時，引起人員的擁擠，甚至是人踩人的現(xiàn)象。為此，需要在應急疏散管理中能夠及時處置隔離帶打開，保證疏散通道暢通的應急管理系統(tǒng)，本研究即針對該問題，提出了基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)的應急疏散管理系統(tǒng)設計方案，并就其中的關鍵技術問題進行了分析討論。

一、系統(tǒng)應用的現(xiàn)實需求

1.1 應用現(xiàn)狀及問題提出

現(xiàn)安檢大廳隔離設施主要以拉帶為主，采用人工手動拉伸釋放，在發(fā)生突發(fā)事件需要釋放時，需要人員在現(xiàn)場進行工作，并且釋放動作不能全部同步進行，在釋放不及時時，給航站樓帶來極大的安全隱患。以國外已發(fā)生事件為例事后總結分析，當有緊急事件發(fā)生時拉帶來不及及時收回，對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，進一步加大危害、損失、影響。例如某機場一號航站樓安檢大廳是特殊公共場所，人員密集流動量大，是可以展現(xiàn)祖國繁榮昌盛、展示國人風貌的大型重要公共設施，因此經(jīng)討論決定對某機場一號航站樓安檢大廳進行改造，避免因隔離設施不當帶來的安全隱患及負面影響。

1.2系統(tǒng)應用意義

縱觀國內(nèi)外，現(xiàn)有市面上拉帶隔離設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候，通過人手現(xiàn)場拉出或者回收隔離拉帶，在外觀、拉力等機械結構上有所不同，差異化不高。隨著新興的技術不斷涌現(xiàn)和發(fā)展，傳統(tǒng)的自動控制理論和無線通訊技術得到完善和改進，在拉帶隔離設施上使用自動控制來對部分功能進行改造就提出了要求。在拉帶隔離增加電控功能，方便在特定的場合和應用下，實現(xiàn)一鍵回收隔離拉帶的功能要求，暫可滿足應急之需要，智能電控安全型疏散隔離設施研究就應運而出。通過本項目的研究，減少安檢等特殊場所對拉帶隔離設施在使用時釋放不及時導致人員疏散造成的障礙，降低人員擁擠產(chǎn)生的意外風險，能夠有效的對拉帶隔離設施的控制和管理。

二、系統(tǒng)應用設計

在對機場應急疏散系統(tǒng)功能需求充分分析的基礎上，提出設備層、控制層、傳輸層和應用層的四層總體架構設計，基于此方案設計了適用本動設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的多協(xié)議協(xié)同通信方案模型。最后對振動信號分析技術和故障診斷方法進行了簡要闡述。

2.1系統(tǒng)總體設計

為了滿足應急疏散過程對實時性、安全性和可靠性的要求，系統(tǒng)拓撲結構主要可以分為三個部分和五個層次。第一個部分為控制節(jié)點，負責設備數(shù)據(jù)采集，包含設備感知層和控制層。第二個部分是控制網(wǎng)關，負責收集節(jié)點數(shù)據(jù)、控制節(jié)點并通過網(wǎng)絡上傳服務器，包含傳輸網(wǎng)絡層。第三個部分為控制管理層，用于處理和儲存數(shù)據(jù)、處理用戶請求以及提供用戶界面，包含服務器層和應用層。具體如圖1所示。

根據(jù)拓撲結構圖可知，應急疏散系統(tǒng)的控制指令及數(shù)據(jù)傳輸過程主要分成四個步驟，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)組成設計

本系統(tǒng)架設示意圖如圖2所示，節(jié)點控制器和隔離設施嵌套在一起，分別部署于下現(xiàn)場需要隔離的場地，通過LoRa無線收發(fā)接入到現(xiàn)場的集中控制器，并由集中控制器匯集控制信號后通過websocket與后臺通訊，從而實現(xiàn)隔離設備與應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，與交換機之間采用以太網(wǎng)線或光纖連接;服務器部署在機房控制中心，負責整個系統(tǒng)管理。具體如圖2所示。

同時，節(jié)點控制器將執(zhí)行數(shù)據(jù)通過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)通過有線或無線網(wǎng)絡上傳至 Web 服務器進行處理和存儲。用戶可通過計算機和其他設備登錄控制系統(tǒng)來查看設備運行狀態(tài)。

2.3系統(tǒng)管理中心設計

后臺管理軟件采用B/S架構，部署在服務器上，對整個系統(tǒng)進行管理和維護，并通過TCP/IP協(xié)議和集中控制器連接，從而進行對節(jié)點/管理員控制器進行控制。

主要功能包括：

1.設備管理：設備管理包括節(jié)點控制器（包含隔離設施）、集中控制器、管理員控制器的管理;對所有設備管理的在線狀態(tài)、維護管理、授權進行管理;

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、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應關系管理等功能;

4.權限管理：權限管理可以對角色、對用戶賬號的權限進行管理，可配置角色對應設備的操作的權限;

5.應急控制：在所監(jiān)控的區(qū)域上發(fā)現(xiàn)有緊急事件發(fā)生時，可以通過web界面操作方式打開隔離設施拉帶;現(xiàn)場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)域的隔離設施拉帶打。

三、系統(tǒng)關鍵技術分析及實現(xiàn)

應急疏散系統(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。從場景需求上分析，應急疏散系統(tǒng)具有兩種不同需求，第一種是高頻實時在線響應需求，其對通信實時性要求較高。第二種是低頻非實時性需求，如設備狀態(tài)等慢變信號的歷史數(shù)據(jù)查詢、用戶和設備信息管理等，其對通信實時性要求較低。因此應急疏散系統(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)同通信方案設計

從硬件組成上分析，應急疏散系統(tǒng)由多種硬件模塊組成，各模塊支持的通訊協(xié)議不同。從場景需求上分析，應急疏散系統(tǒng)具有兩種不同需求，第一種是高頻實時監(jiān)測需求，其對通信實時性要求較高。第二種是低頻非實時性需求，如溫度、壓力等慢變信號的歷史數(shù)據(jù)查詢、用戶和設備信息管理等，其對通信實時性要求較低。因此應急疏散系統(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通信方案，本動設備監(jiān)測系統(tǒng)多協(xié)議協(xié)同通信方案模型設計如圖 4所示。

集中控制器、用戶瀏覽器和服務器分別建立 TCP 和 Websocket 連接，并保持長連接狀態(tài)?？刂乒?jié)點及對設備狀態(tài)數(shù)據(jù)進行實時采集，數(shù)據(jù)通過 LoRa 射頻上傳至集中控制器。集中控制器則通過已經(jīng)建立的TCP長連接持續(xù)性地將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務器。服務器對實時控制指令進行快速處理和分析，然后通過 Websocket 連接實時推送至用戶端瀏覽器。用戶進行低頻靜態(tài)內(nèi)容請求時，則通過 HTTP 協(xié)議和服務器進行通信。

（2）基于 LoRa 和 TCP 長連接技術的通信方案設計

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

控制節(jié)點和集中控制器之間，利用 LoRa 技術通信以擴展系統(tǒng)的通信距離。集中控制器和服務器之間利用有線以太網(wǎng)進行 TCP 通信，相比于直接使用 5G技術，可以節(jié)省網(wǎng)絡流量費用。 監(jiān)測系統(tǒng)的實時性優(yōu)劣取決于每一個通信環(huán)節(jié)。本文使用 Websocket 技術解決了視圖層數(shù)據(jù)通信實時性的問題，但是集中控制器和服務器通信由于使用 TCP協(xié)議，因此仍然會導致高頻數(shù)據(jù)傳輸時服務器性能消耗過大。所以，設計基于 GatewayWorker 的 TCP 長連接技術來解決這個問題。

3.2 LoRa 網(wǎng)絡干擾模型建立及分析

上行鏈路傳輸中 LoRa 網(wǎng)絡和其他 LPWAN 存在一定的技術共存問題，本系統(tǒng)設計中參考相關傳播模型進行設計分析，并給出必要的系統(tǒng)設置。以此為基礎，給出了單網(wǎng)關 LoRa 網(wǎng)絡中根據(jù)傳輸距離區(qū)域范圍的區(qū)域劃分，如圖6所示。并以此建立一個多網(wǎng)關的 LoRa網(wǎng)絡，并以節(jié)點為PCP，父節(jié)點為PPP進行建模，并且網(wǎng)絡中每一個父節(jié)點的后代點都是相關獨立的。在模型圖中，同一網(wǎng)關所覆蓋的 LoRa 終端節(jié)點之間的距離用x表示，每一個LoRa網(wǎng)關之間的距離則由y表示。而不同網(wǎng)關的 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)點在傳播時將相互干擾。但是在實際傳播環(huán)境中，除了LoRa節(jié)點以外必然存在非LoRa傳播節(jié)點。同時，LoRa 常工作在未授權頻譜中，因此非 LoRa 節(jié)點（例如，NB-IoT 節(jié)點）也會對正常的 LoRa 節(jié)點產(chǎn)生相應的干擾非 LoRa 節(jié)點如果頻率上與LoRa 節(jié)點接近的話，也會對正常的傳輸造成干擾。因此可以將這些節(jié)點被建模為PPP? ，用Φother來表示該節(jié)點網(wǎng)絡，它的節(jié)點密度為other。在圖 4 中也表明了非 LoRa 節(jié)點被建模為PPP。

四、結束語

本文以公共場所中客運人流密集場所為應用需求提出及應用環(huán)境為背景，尤其是響應機場人流應急疏散現(xiàn)實需求為基礎，提出了公共場所人員應急疏散控制系統(tǒng)，并基于LoRa為無線組網(wǎng)技術，實現(xiàn)從集中控制器到節(jié)點控制器之間的通信鏈路，同時，基于B/S軟件架構，實現(xiàn)了應用層到云端，再經(jīng)集中控制器到終端控制節(jié)點的控制閉環(huán)，為了確保系統(tǒng)應急響應的及時性，系統(tǒng)還提供了現(xiàn)場應急控制器，可以由現(xiàn)場人員根據(jù)應急事件情形做出快速反應，直接切入系統(tǒng)實現(xiàn)對終端節(jié)點控制器的操控，從而確保系統(tǒng)現(xiàn)場和中控“雙保險”控制機制。另外，本文還就系統(tǒng)涉及到的多協(xié)議通信模型、LoRa干擾模型進行了重點分析和實現(xiàn)，為系統(tǒng)后續(xù)進一步升級完善提供了必要的技術研究。

參? 考? 文? 獻

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