基于传感网的火灾逃生智能路径选择

【摘 要】本文针对无线传感网络火灾逃生路径的选择算法进行研究。对火灾危险等级进行定义和分析，能够指示出人员逃生位置到出口的通路，并且该通路为危险等级最低的路径。

【关键词】传感网；火灾逃生；智能路径选择

0 引言

目前，由于高层建筑和大型商务场所人口密集，建筑物内部的构造相对复杂，一旦发生火灾，人们在建筑物内向外逃生的难度将大大增加。利用传感网技术为人们提供一个相对安全的逃生路径，也可为相关营救部门提供一个准确的营救坐标。当面临火灾紧急情况时，增强逃生人员对自身所处环境态势的感知范围是十分重要的，这将有助于减少逃生人员的紧张情绪，降低高层建筑和大型商务场所火灾时的伤亡的人数。

1 无线传感网基本概念

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN），是以数据为中心，集处理与通信功能于一体的分布式自组织网络。传感网能够实时监测和采集网络分布区域内各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开，抗毁性强等特点[1]。

无线传感器网络的任务是利用传感器节点来监测节点周围的环境，收集相关数据，然后通过无线收发装置采用多跳路由的方式将数据发送给汇聚节点，再通过汇聚节点将数据传送到用户端，从而达到对目标区域的监测。它综合了计算技术、通信技术及传感器技术，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境信息或被监测对象的信息，这些信息以无线方式传送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算机世界及人类社会三元世界的连通[2]。

火灾危险发生时，建筑物内的电路、网络设备都很可能会发生中断，慌乱中人们无法使用手机等智能设备搜索逃生路径，所以有效的解决办法是采用克服环境限制的独立设备，能够自组网络、动态更新着火点信息，及时对安全位置给予引导，指示出逃生的最佳路径。所以将无线传感网应用于此具有非常重要的意义。

2 路径选择算法

解决火灾逃生时的智能路径问题，需要解决三方面问题，分别是火灾危险检测、逃生路径的搜索和逃生路径的指示[3]。

2.1 危险检测

智能路径选择系统首先需要对火灾危险信号进行定义，之后才能根据检测到的信号进行危险等级的评估。常见火灾危险包括火焰、高温、烟雾、和CO等有毒气体，通过传感器检测火焰有无，温度高低，烟雾浓度和有毒气体浓度，对各个危险信号进行分级。

在检测危险时，火焰分为两级，有火焰是的最大值和无火焰的最小值；高温，烟雾和有毒气体分为四级，在进行危险评估时，取危险级别最高的信号作为最终危险等级。路径上节点的危险等级就决定了路径是否可以逃脱。

在火灾发生时，就是要选择避开危险的路径，或是危险等级相对低的路径逃生。

2.2 路径搜索算法

布置在建筑物内的大量传感节点构成了传感网络，逃生路径在网络中表现为从一个节点出发到出口节点的联通树，树的根节点就是该出口节点。当实际建筑中存在多个逃生出口，算法也会生成多个相互独立不交叉的树，同样每个节点都是选择了对于该节点最佳的逃生出口所在的树[4]。

逃生路径的搜索过程即被抽象为传感网络连通树的搜索过程，而搜索的目标是尽可能寻找一条安全快速到达出口位置的路径，可以抽象为从当前节点到达出口节点的距离最短并且危险等级最低的通路。

每个节点都有到达出口节点（根节点）都有表示从自己逃生的最小代价值，这个值由到达出口的最短距离和最大危险等级决定。在系统初始化时，除了根节点之外所有的节点都为最大值（无穷大），而根节点的代价为0。

任意一个非根节点的代价，根据代价函数计算得出，是到它所有相邻节点的代价的最小值，并以此来决定该节点的父节点。所有非根节点都使用该方法搜索自己的父节点并计算逃生代价，最终生成一颗完整的逃生树。

当逃生树稳定时，节点定时发送心跳消息包，确认网络中其他节点状态正常，防止节点故障导致网络失效。

如果有节点的危险等级发生变化，或者发现父节点丢失等网络状态改变的情况，该节点重新计算自己的逃生代价，并通知其相邻节点更新链路，重新执行搜索算法，生成新的逃生路径树。

上述搜索算法的搜索过程依赖最小逃生代价值，这个值随着树的深度增长不断变大，不会产生回路；当局部状态发生改变时可以及时更新，并且只需要更新受影响的部分。当网络中的某些节点失效是也可以很快被其子节点检测出来从而避免网络故障。

2.3 逃生路径指示

当节点搜索到逃生路径树之后需要显示在逃生路径上，为逃生人员做出指示。节点搜索到其父节点之后，就会点亮父节点所在方向的LED灯，表示沿这个方向就是能够到达出口的可行路径。

3 结语

本文通过对各种传感器节点采集的危险信号分析，计算出危险等级低的最佳逃生路径，最终快速确定安全逃生指示。研究对于火灾时的人员疏散和快速救援有重要意义。

【参考文献】

[1]孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005，3-5.

[2]刘志.基于分环多跳的无线传感网分簇路由算法[J].通信学报，2008，3.

[3]唐勇，周明天，张欣.无线传感器网络路由协议研究进展[J].软件学报，2006，17.

[4]刘阿娜，于宏毅，等.无线传感器网络MAC协议研究[J].电信科学，2008，24.