張建軍

（山東青島消防救援支隊(duì)，山東 青島 266000）

各種災(zāi)害的發(fā)生都需要通過(guò)及時(shí)救援才能將生命和財(cái)產(chǎn)損失降至最低。以火災(zāi)救援為例，我國(guó)每年都有消防官兵在救援過(guò)程中受傷，甚至付出生命的代價(jià)[1]。因?yàn)闉?zāi)害現(xiàn)場(chǎng)形式復(fù)雜、危險(xiǎn)源眾多且部分危險(xiǎn)因素未知，現(xiàn)場(chǎng)救援人員和指揮系統(tǒng)經(jīng)常處于分離狀態(tài)。由于救援指揮中心與災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)距離較遠(yuǎn)，因此無(wú)法對(duì)災(zāi)情進(jìn)行準(zhǔn)確把控[2]。在這種情況下，指揮系統(tǒng)建設(shè)必須要解決的問(wèn)題是救援指揮及救援現(xiàn)場(chǎng)的協(xié)調(diào)性問(wèn)題。隨著B(niǎo)IM技術(shù)和GIS技術(shù)的出現(xiàn)，大型的樓宇廠房都有可視化的3D仿真效果，災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)也可以隨時(shí)調(diào)度準(zhǔn)確的電子地圖[3]。如果充分采用這2種技術(shù)構(gòu)建可視化的救援指揮系統(tǒng)，就可以對(duì)救援現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行掌控，并可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指揮調(diào)度，保證救援現(xiàn)場(chǎng)一致性和協(xié)調(diào)性?；诖?，本文以圖形理論為基礎(chǔ)構(gòu)建可視化的救援指揮系統(tǒng)，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試其性能。

1 可視化指揮救援系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)

本文的核心研究目標(biāo)就是構(gòu)建可視化的救援指揮系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，應(yīng)該充分考慮災(zāi)情、救援設(shè)備和救援人員的情況，并分別將其進(jìn)行模塊化處理，形成災(zāi)情可視化模塊、設(shè)備可視化模塊、人員可視化模塊，整個(gè)救援指揮系統(tǒng)的可視化設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 救援指揮可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖

從圖1可以看出，針對(duì)災(zāi)害救援的可視化指揮系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行模塊化處理是將復(fù)雜任務(wù)簡(jiǎn)單化、深度任務(wù)扁平化、耦合技術(shù)松散拆解的關(guān)鍵。

經(jīng)過(guò)模塊化處理后，現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情可以實(shí)現(xiàn)可視化，包括現(xiàn)場(chǎng)總體地圖、現(xiàn)場(chǎng)細(xì)節(jié)地圖、關(guān)鍵建筑總體、關(guān)鍵建筑內(nèi)部、現(xiàn)場(chǎng)周邊以及現(xiàn)場(chǎng)道路等方面的可視化展示，這便于指揮調(diào)度有一個(gè)直觀的對(duì)象和場(chǎng)景。設(shè)備可視化可以使指揮人員掌控救援所需的各種設(shè)備、物資，尤其是這些設(shè)備的配置、所處的位置，也是決定指揮決策的重要依據(jù)。人員可視化決定了救援工作的執(zhí)行力。對(duì)人員隊(duì)伍構(gòu)成、所在位置、設(shè)備配置的可視化，也便于指揮系統(tǒng)對(duì)整個(gè)救援工作進(jìn)行整體把控。

2 可視化指揮救援系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

對(duì)于被救援現(xiàn)場(chǎng)的可視化是救援指揮系統(tǒng)可視化設(shè)計(jì)的最重要功能，也是后續(xù)其他可視化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。首先，采用BIM技術(shù)引入關(guān)鍵建筑物的信息化數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵建筑的整體可視化和內(nèi)部結(jié)構(gòu)可視化。一個(gè)具體的BIM建筑模型導(dǎo)入的案例如圖2所示。這是一個(gè)3層的建筑，采用可視化的BIM模型可以清晰地了解其整體高度、外觀布局、窗體樓門(mén)所在的位置和樓頂區(qū)域。如果這棟建筑內(nèi)發(fā)生險(xiǎn)情，就可以進(jìn)一步細(xì)化其內(nèi)部的樓層或房間，更細(xì)致地進(jìn)行可視化展示。在這種全信息化的展示下，樓層內(nèi)每個(gè)房間的情況都可以清晰地展示出來(lái)。如果再配備攝像機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，就可以對(duì)房間內(nèi)部360°可視化，也可以立即發(fā)現(xiàn)房間內(nèi)的火情。

圖2 引入可視化指揮系統(tǒng)中對(duì)關(guān)鍵建筑的BIM模型

3 可視化指揮救援系統(tǒng)的性能測(cè)試

通過(guò)構(gòu)建基于圖形的可視化救援指揮系統(tǒng)就可以構(gòu)建險(xiǎn)情發(fā)生區(qū)域的全局地圖，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最有效的救援路徑配置，并指揮救援車輛、救援人員、救援物資到達(dá)目的地。在全局地圖信息可視化的前提下，采用基于蟻群算法的救援路徑搜索。

在險(xiǎn)情救援路徑規(guī)劃問(wèn)題的研究過(guò)程中，首先，選擇一個(gè)合理有效的狀態(tài)空間描述方法，從而建立一個(gè)準(zhǔn)確、可靠、易于編碼和更新的環(huán)境地圖。常用的方法有柵格法、幾何法和拓?fù)鋱D法。本文采用簡(jiǎn)單、可靠、描述性、強(qiáng)的柵格法進(jìn)行環(huán)境建模。在n×n的柵格環(huán)境中，柵格序號(hào)與坐標(biāo)的關(guān)系如公式（1）所示。

式中：x、y為救援車輛的當(dāng)前坐標(biāo)；W為柵格的總寬度；mod（）為取模運(yùn)算。

蟻群算法是一種仿生學(xué)啟發(fā)式算法。在自然環(huán)境中，螞蟻們可以本能地找到從一定位置到食物來(lái)源地的最優(yōu)或者次優(yōu)路徑。由此，學(xué)者們提出蟻群算法，并廣泛地應(yīng)用于各種各樣的尋優(yōu)問(wèn)題中。

蟻群算法的主要步驟如下：在t時(shí)刻，第k只螞蟻從i節(jié)點(diǎn)到j(luò)節(jié)點(diǎn)的概率轉(zhuǎn)移過(guò)程如公式（2）所示。

式中：（t）為移動(dòng)機(jī)器人從i點(diǎn)移動(dòng)到j(luò)點(diǎn)的信息素濃度；（t）為移動(dòng)機(jī)器人從i點(diǎn)移動(dòng)到j(luò)點(diǎn)的啟發(fā)系數(shù)。

螞蟻在完成一次循環(huán)后會(huì)在所經(jīng)過(guò)的路徑上留下信息素，而路徑原有的信息素又會(huì)不斷降低，其更新過(guò)程如公式（3）～公式（5）所示。

式中：Q為信息素強(qiáng)度；Lk為螞蟻k次循環(huán)路徑長(zhǎng)度。

傳統(tǒng)蟻群算法具有容易陷入局部最優(yōu)的缺點(diǎn)。為了解決該問(wèn)題，首先，引入信息素額外增加機(jī)制。每只螞蟻經(jīng)過(guò)一次循環(huán)后，利用傳統(tǒng)蟻群算法即可找出最優(yōu)解。對(duì)其信息素給予額外補(bǔ)償，螞蟻之間通過(guò)信息素傳遞信息，找出的最優(yōu)解對(duì)應(yīng)的信息素增強(qiáng)，使本次循環(huán)中找到的最優(yōu)解在螞蟻的下次循環(huán)中對(duì)后面經(jīng)過(guò)的螞蟻的影響更大，解決了蟻群算法在迭代過(guò)程中容易陷入局部最優(yōu)，從而使路徑中出現(xiàn)不必要尖峰的問(wèn)題。信息素額外增加公式如公式（6）～公式（7）所示。

式中：Δρ′ij為螞蟻在路徑上的信息素增加；L'為本次循環(huán)結(jié)束后所找出的最優(yōu)解對(duì)應(yīng)的路經(jīng)長(zhǎng)度；solutionobt為最優(yōu)解的集合。

為了驗(yàn)證本文所提出的改進(jìn)蟻群算法對(duì)于救援車輛在可視化全局地圖路徑規(guī)劃中的有效性，接下來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)中設(shè)定可視化指揮系統(tǒng)可以觀測(cè)的地圖為16×16個(gè)柵格的大小，每個(gè)柵格的實(shí)際邊長(zhǎng)為1m。本次試驗(yàn)中，移動(dòng)機(jī)器人的起始點(diǎn)在坐標(biāo)為（1，16）的柵格處，終點(diǎn)在坐標(biāo)為（14，1）的柵格處。

在試驗(yàn)中，蟻群算法的配置如下：螞蟻總數(shù)量為30個(gè)，最大迭代次數(shù)設(shè)定為300次，啟發(fā)因子α=1.0，啟發(fā)因子β=5.0，蒸發(fā)系數(shù)λ=0.5，信息素因子Q=100，懲罰系數(shù)κ=0.3。按照傳統(tǒng)蟻群算法，險(xiǎn)情救援車輛在可視化的全局地圖中規(guī)劃的路徑如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)蟻群算法的規(guī)劃路徑

圖3中，標(biāo)記為Start的圓點(diǎn)代表險(xiǎn)情救援車輛的起始位置，標(biāo)記為End的圓點(diǎn)代表險(xiǎn)情救援車輛的終點(diǎn)位置，粗實(shí)線代表傳統(tǒng)蟻群算法規(guī)劃出的路徑。白色網(wǎng)格代表險(xiǎn)情救援車輛可以行走的區(qū)域，黑砂網(wǎng)格代表在其他建筑等障礙區(qū)域，險(xiǎn)情救援車輛不可以行駛。從圖3可以看出，受到一步視野的影響，險(xiǎn)情救援車輛都是拐直角彎，從而形成1條多段折線組合的路徑。這樣的路徑不僅絕對(duì)距離長(zhǎng)，對(duì)于險(xiǎn)情救援車輛轉(zhuǎn)向、輪胎的磨損也比較大。

采用本文改進(jìn)的蟻群算法，為險(xiǎn)情救援車輛在可視化全局地圖中進(jìn)行路徑規(guī)劃，結(jié)果如圖4所示。

圖4 本文改進(jìn)蟻群算法的規(guī)劃路徑

圖4中，粗實(shí)線是改進(jìn)蟻群算法為險(xiǎn)情救援車輛規(guī)劃出的路徑。這條路徑中含有A、B、C、D、E、F、G7個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。從圖3中傳統(tǒng)蟻群算法規(guī)劃的路徑可以看出，在這條路徑中，險(xiǎn)情救援車輛在A點(diǎn)開(kāi)始走2個(gè)柵格的對(duì)角線，到達(dá)B點(diǎn)。從C點(diǎn)～D點(diǎn)的這一段也是走2個(gè)柵格的對(duì)角線。從E點(diǎn)到F點(diǎn)，走了15個(gè)柵格的對(duì)角線。從F點(diǎn)到G點(diǎn)，走了2個(gè)柵格的對(duì)角線。這樣的走法，大大減少了行動(dòng)路徑。同時(shí)，險(xiǎn)情救援車輛在拐點(diǎn)轉(zhuǎn)彎角度變小，減少了險(xiǎn)情救援車輛輪胎等部件的機(jī)械磨損。因?yàn)樵诒疚母倪M(jìn)蟻群算法中，對(duì)于視野的擴(kuò)大、信息素更新策略的改進(jìn)等措施起到了作用，所以能形成這種效果。進(jìn)一步比較本文改進(jìn)蟻群算法和傳統(tǒng)蟻群算法的一些結(jié)果，見(jiàn)表1。

表1 2種方法對(duì)比

從表1的數(shù)據(jù)可以看出，本文改進(jìn)蟻群算法給險(xiǎn)情救援車輛規(guī)劃的平均路徑和最優(yōu)路徑都大大降低。而算法迭代次數(shù)增加和消耗時(shí)間增加并不明顯，這也再次證明了本文改進(jìn)蟻群算法的優(yōu)勢(shì)。上述試驗(yàn)表明，當(dāng)救援可視化指揮與智能算法結(jié)合在一起時(shí)，可以更高效地完成救援調(diào)度工作。

4 結(jié)論

隨著城市建筑的稠密度不斷加大，出現(xiàn)以火災(zāi)等為代表的災(zāi)情后，救援工作將變得非常困難。尤其是在指揮系統(tǒng)對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)、救援人員、救援裝備以及救援物資都無(wú)法準(zhǔn)確了解的情況下，救援工作將難以開(kāi)展，救援效率將大幅度降低?；谶@種情況，利用信息化技術(shù)，構(gòu)建可視化的救援指揮系統(tǒng)，對(duì)于降低救援難度、提升救援效率具有重要意義。在本文的研究工作中，首先，對(duì)救援指揮系統(tǒng)的模塊進(jìn)行劃分，并形成了3個(gè)可視化模塊，其下又進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分。其次，通過(guò)引入關(guān)鍵建筑BIM信息模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的整體可視化展示和內(nèi)部細(xì)節(jié)可視化展示。當(dāng)復(fù)雜區(qū)域的遇到險(xiǎn)情時(shí)，為了救援，在可視化指揮系統(tǒng)構(gòu)建全局地圖的基礎(chǔ)上對(duì)蟻群算法進(jìn)行改進(jìn)，給救援車輛進(jìn)行高效的路徑規(guī)劃和引導(dǎo)，性能測(cè)試試驗(yàn)證實(shí)了路徑規(guī)劃和可視化指揮后的有益效果，提升了險(xiǎn)情救援的可靠性。