劉云　王麗　關(guān)文玲　張嘉琪　孟玉瑩

關(guān)鍵詞：A*算法；應(yīng)急疏散；路徑規(guī)劃；LabVIEW；疏散引導(dǎo)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）02-0042-05

1 引言

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，為了滿足人們不斷提高的生活需求，我國(guó)建筑逐漸呈現(xiàn)出高層、大規(guī)模、多樣化、綜合性等特征，同時(shí)，建筑內(nèi)電氣設(shè)備、燃?xì)獾鹊拇笠?guī)模使用，使得建筑內(nèi)火災(zāi)隱患增多，且一旦發(fā)生火災(zāi)后果嚴(yán)重，也極大提高了人員的應(yīng)急疏散難度[1]。傳統(tǒng)的疏散系統(tǒng)由于疏散標(biāo)識(shí)只遵循就近原則，導(dǎo)致指向性單一，已無(wú)法滿足現(xiàn)代建筑的疏散需求，而如今計(jì)算機(jī)早已普及，尋路算法也發(fā)展成熟，因此，新式的智能動(dòng)態(tài)疏散系統(tǒng)引起了諸多學(xué)者的關(guān)注。

一個(gè)完整的消防疏散系統(tǒng)應(yīng)包括軟件和硬件兩個(gè)部分。軟件主要用于接收和處理各類(lèi)火災(zāi)探測(cè)器信息，識(shí)別火災(zāi)發(fā)生點(diǎn)，計(jì)算疏散路徑，得出方向信息，并將方向信息傳達(dá)給硬件系統(tǒng)；硬件部分又可以分為火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)和路徑指示系統(tǒng)，火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)識(shí)別各種火災(zāi)特征，并發(fā)送給軟件系統(tǒng)，路徑指示系統(tǒng)則將軟件計(jì)算出的方向信息轉(zhuǎn)化為直觀的圖形、聲音等人們?nèi)菀赘惺艿男畔?。在軟件方面，現(xiàn)有研究大多對(duì)尋路算法進(jìn)行創(chuàng)新、改進(jìn)，常用的路徑搜索算法有A*算法[2]、蟻群算法[3]、Floyd算法[4]、Dijkstra算法[5]等，也有學(xué)者將不同的算法進(jìn)行融合以得到更加快速、準(zhǔn)確的結(jié)果，如邱友航[6]將Dijkstra算法和蟻群算法進(jìn)行融合，使得算出的疏散路徑距離縮短。在硬件方面，也有不少相關(guān)研究，Ran Haichao[7]等研究了出口位置、疏散通道數(shù)量和寬度、指示燈安裝距離和安裝位置對(duì)于疏散效果的影響。

然而，在現(xiàn)有研究中，絕大多數(shù)研究或針對(duì)軟件算法進(jìn)行類(lèi)比分析和改進(jìn)，或是對(duì)疏散指示系統(tǒng)和火災(zāi)探測(cè)器的布置進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)得出最優(yōu)結(jié)論，少有學(xué)者對(duì)應(yīng)急疏散系統(tǒng)整體進(jìn)行設(shè)計(jì)，且大多路徑算法相關(guān)研究只針對(duì)計(jì)算出的疏散路線整體進(jìn)行優(yōu)化，無(wú)法得出對(duì)于疏散人群而言更為直觀的方向信息。鑒于此，筆者在現(xiàn)有算法研究的基礎(chǔ)上，在LabVIEW程序開(kāi)發(fā)環(huán)境下，設(shè)計(jì)了一套應(yīng)急疏散系統(tǒng)，系統(tǒng)包含基于A*算法的疏散路徑計(jì)算軟件和用LED點(diǎn)陣的路徑指示系統(tǒng)，路徑計(jì)算軟件和路徑指示系統(tǒng)之間采用485通訊，使其可以聯(lián)合使用。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體由路徑計(jì)算軟件和路徑指示系統(tǒng)構(gòu)成，且二者通過(guò)485通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，如圖1所示。其中，路徑計(jì)算軟件中包含創(chuàng)建柵格場(chǎng)景子程序，具有路徑規(guī)劃和路徑方向信息計(jì)算的功能。軟件通過(guò)485通訊的方式將方向信息發(fā)送給LED點(diǎn)陣控制器。路徑指示系統(tǒng)包含LED點(diǎn)陣和其對(duì)應(yīng)的控制器，控制器接收到軟件發(fā)出的信號(hào)后，做出相應(yīng)指令使得方向信息在LED點(diǎn)陣上直觀顯示出來(lái)。

3 路徑計(jì)算軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用美國(guó)國(guó)家儀器有限公司的Lab?VIEW 2017軟件平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，該平臺(tái)具有開(kāi)發(fā)周期短，效率高等特點(diǎn)[8]。軟件在LabVIEW機(jī)器人技術(shù)范例Astra on Occupancy Grid的基礎(chǔ)上，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，得到疏散路徑計(jì)算系統(tǒng)。系統(tǒng)主界面如圖2所示。

本系統(tǒng)在出現(xiàn)應(yīng)急疏散需求時(shí)，可以計(jì)算疏散路徑并將路徑信息發(fā)送給硬件系統(tǒng)，具體工作步驟如圖3所示。

在本系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景內(nèi)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)路徑規(guī)劃和全局路徑規(guī)劃，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)路徑規(guī)劃是對(duì)指定兩點(diǎn)進(jìn)行一次路徑規(guī)劃，全局路徑規(guī)劃則會(huì)對(duì)場(chǎng)景內(nèi)所有地方均進(jìn)行規(guī)劃。

3.1 A*算法

A*算法可以認(rèn)為是一種Dijkstra算法的拓展，相較于Dijkstra算法增加了到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的預(yù)估計(jì)離，A*算法主要用于在兩點(diǎn)之間選擇一條最優(yōu)路徑。在本系統(tǒng)中，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)路徑規(guī)劃直接使用A*算法得到兩點(diǎn)之間的最短路徑，結(jié)合A*算法原理，本系統(tǒng)計(jì)算原理如圖4所示。

從圖4中心格處出發(fā)，往上下左右走的距離分別為1，則四個(gè)斜角的距離為√2，對(duì)提前導(dǎo)入的柵格圖中每個(gè)格子都進(jìn)行這樣的計(jì)算，再將起點(diǎn)到終點(diǎn)所有距離求和，就可以得到距離最小的路徑。在系統(tǒng)中，給障礙物的格子賦值100，可通行區(qū)域賦值1，則包含障礙物路徑的距離顯然大于不包含障礙物路徑，即可實(shí)現(xiàn)避障功能。

3.2 場(chǎng)景柵格化

在系統(tǒng)使用時(shí)，首先需要將柵格化后的場(chǎng)景輸入系統(tǒng)，本系統(tǒng)中附帶柵格場(chǎng)景制作子程序，在程序中點(diǎn)擊柵格即可設(shè)置障礙物，同時(shí)，根據(jù)A*算法原理，該格會(huì)被賦值為100，其他格則賦值為1，以便后續(xù)路徑計(jì)算。該子程序框圖如圖5所示。

在柵格化的過(guò)程中，在不影響實(shí)際疏散效果的前提下，需盡量簡(jiǎn)化場(chǎng)景，以減少系統(tǒng)工作量，縮短計(jì)算時(shí)間，如圖6（a）為一室內(nèi)場(chǎng)景，由于對(duì)房間內(nèi)部的路徑規(guī)劃沒(méi)有實(shí)際意義，而走廊只需要用一格表示即可，故可簡(jiǎn)化為圖6（b），其中，黑色為障礙物，白色為可行走區(qū)域。

在系統(tǒng)中輸入場(chǎng)景柵格圖后，如果要進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)路徑規(guī)劃，則需設(shè)定起點(diǎn)和終點(diǎn)，如果進(jìn)行全局路徑規(guī)劃，則只需要設(shè)定終點(diǎn)。在系統(tǒng)界面中，起點(diǎn)和終點(diǎn)分別用藍(lán)色和紫色表示。

3.3 路徑計(jì)算

本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)于兩點(diǎn)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)路徑規(guī)劃和對(duì)于整個(gè)場(chǎng)景的全局路徑規(guī)劃，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)路徑規(guī)劃直接使用A*算法計(jì)算即可得出兩點(diǎn)之間的最短路徑，全局路徑規(guī)劃則在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上，隨機(jī)改變其起點(diǎn)，使得場(chǎng)景中每個(gè)位置都有路徑經(jīng)過(guò)，則可得出整個(gè)場(chǎng)景的路徑信息，在計(jì)算過(guò)程中，已經(jīng)計(jì)算過(guò)的柵格會(huì)賦值-2，因此軟件只需識(shí)別計(jì)算值為1的柵格，不會(huì)進(jìn)行多余重復(fù)的計(jì)算。

對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)路徑規(guī)劃而言，點(diǎn)擊“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)路徑規(guī)劃”后路徑即可直接顯示出來(lái)；全局路徑規(guī)劃則是系統(tǒng)在后臺(tái)隨機(jī)生成起點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，已經(jīng)計(jì)算過(guò)的格子不再計(jì)算，直至場(chǎng)景中每格都有了確定的疏散方向，在計(jì)算過(guò)程中，場(chǎng)景路徑不斷閃爍，場(chǎng)景中可通行區(qū)域全部變綠即為路徑計(jì)算完畢。

3.4 方向信息計(jì)算

在全局路徑規(guī)劃中所有格子均經(jīng)過(guò)計(jì)算過(guò)后，系統(tǒng)會(huì)賦予每個(gè)格子相對(duì)應(yīng)的方向箭頭，其原理如下：

根據(jù)A*算法原理，在終點(diǎn)確定的情況下，同一柵格無(wú)論有幾條路徑經(jīng)過(guò)，都只存在一個(gè)確定的方向，因此，只需確定經(jīng)過(guò)此柵格的某一條路徑中，下一格的位置即可確定此格的指示方向，本系統(tǒng)用下式柵格坐標(biāo)相減來(lái)確定兩個(gè)柵格的相對(duì)位置：

3.5 485通訊設(shè)置

想要在路徑計(jì)算軟件和路徑指示系統(tǒng)之間建立聯(lián)系，必須要在軟件中對(duì)485通訊相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)彩燈控制器使用說(shuō)明，需設(shè)置通信參數(shù)：波特率：9600、數(shù)據(jù)位：8位、停止位：1位、校驗(yàn)：無(wú)；通信指令格式：addr****style###，****為設(shè)備地址，必須發(fā)足4位；###為樣式編號(hào)，必須發(fā)足3位。在LabVIEW 2017開(kāi)發(fā)平臺(tái)中對(duì)通信相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，相關(guān)程序框圖見(jiàn)圖8。

4 路徑指示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

疏散指示系統(tǒng)由WS2812B像素軟屏、S1000型全彩燈帶控制器以及電源組成，像素軟屏和控制器如圖9所示。

疏散指示系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)之間通過(guò)485通訊方式連接，整個(gè)指示系統(tǒng)詳細(xì)構(gòu)成如圖10所示。

在彩燈控制器中通過(guò)上位機(jī)軟件錄入和像素軟屏相同像素的箭頭指示圖，并進(jìn)行編號(hào)，箭頭指示方向與編號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2。

5 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試的目的是驗(yàn)證路徑計(jì)算軟件和路徑指示系統(tǒng)能否正常工作以及系統(tǒng)整體能否達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。將路徑指示系統(tǒng)連接好之后，就可以通過(guò)計(jì)算機(jī)發(fā)送指令，顯示方向箭頭。此外，在實(shí)際使用時(shí)，指示燈在安裝時(shí)，需要按照同一方向進(jìn)行擺放。本文用如圖11所示復(fù)雜場(chǎng)景來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)有效性，圖中，紫色柵格為場(chǎng)景的終點(diǎn)。

選擇全局路徑規(guī)劃功能，則系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)算，等到可先走區(qū)域全部變綠后，點(diǎn)擊行走路徑可見(jiàn)，得到圖12所示結(jié)果。

圖中，黃色為指示燈所處位置，指示燈顯示效果如13所示。

在測(cè)試過(guò)程中，路徑從開(kāi)始計(jì)算到指示燈顯示，僅用時(shí)1s，且路徑計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，指示燈均能顯示出相應(yīng)的方向，符合初期設(shè)計(jì)指標(biāo)。本文由于空間限制，僅隨機(jī)挑選了三個(gè)位置作為指示燈展示位置，事實(shí)上，LED像素矩陣可通過(guò)串聯(lián)的方式顯示同一方向，即在實(shí)際使用時(shí)，可將建筑中的每個(gè)角落的疏散方向全部展示出來(lái)，使得疏散人群更加便利地獲取逃生路徑。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于A*算法的智能疏散系統(tǒng)，以485通訊技術(shù)、LED彩燈控制技術(shù)為核心，構(gòu)建了疏散指示硬件系統(tǒng)，在虛擬儀器LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境下軟硬件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人員的疏散引導(dǎo)指示功能。軟件采用較為成熟的A*算法，路徑計(jì)算時(shí)間短，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。硬件采用穩(wěn)定的485通信技術(shù)與軟件互通，將軟件計(jì)算出的路徑實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示出來(lái)，對(duì)于應(yīng)急疏散具有較好的先進(jìn)性和實(shí)用性。