一种基于室内外位置信息的船舶应急疏散方法与流程

1.本发明涉及智能交通的船载环境应急疏散领域，尤其涉及一种基于室内外位置信息的船舶应急疏散方法，主要适用于在复杂且实时变化的情况下为船上人员提供逃生路径。


背景技术：

2.船舶作为大型水上交通载运工具，具有体积大、结构复杂、甲板层数多、载人数量大的特点。近年水上交通事故表明，船舶仍然是水路交通安全的薄弱环节，一旦发生事故极容易造成群死群伤特大事故。在事故发生时，由于船舶人员分布状态及位置信息的缺乏，导致乘客在室内复杂环境中逃生效率低下，大多数人跟风疏散导致路径拥挤，救生物资分配不到位，造成巨大生命财产损失。
3.目前，针对陆上建筑物的疏散研究已经非常的成熟，但是将陆上疏散的技术和方案运用到船舶上来会面临不小的挑战，船舶疏散面临着船舶结构复杂、人员信息获取不及时、信息类型较多且危险是动态阻隔路径的，因此，基于船舶环境下室内外应急疏散仍然没有较为全面、系统化、适用程度高的方法，从而使得船舶环境下室内外应急疏散逃生成功率较低。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术中存在的疏散逃生成功率低的缺陷与问题，提供一种疏散逃生成功率高的基于室内外位置信息的船舶应急疏散方法。
5.为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种基于室内外位置信息的船舶应急疏散方法，该方法包括以下步骤：a、构建船舶拓扑结构图；b、先利用zigbee协议所构建的无线传感器网络对危险信息进行检测，得出危险位置，再通过相邻时刻危险位置的变化得出危险速度，然后将危险位置和危险速度作为危险信息整合到船舶拓扑结构图中；通过bds确定船舶室外的船上人员位置与救生物资位置，通过wifi确定船舶室内的船上人员位置与救生物资位置，然后通过船上人员位置确定船上人员速度，通过救生物资位置确定救生物资数量；c、根据船舶拓扑结构图、危险信息、船上人员位置、船上人员速度、救生物资位置、救生物资数量得到疏散路径所需的约束条件和影响因素；d、通过约束条件和影响因素得到两个疏散目的地，即物资点位置和疏散出口位置，将物资点位置和疏散出口位置通过手机或者手环发送给船上人员进行逃生。
6.步骤a中，所述船舶拓扑结构图由节点和链路构成，所述节点包括关键节点、物资节点和出口节点，各节点通过链路连接，所述关键节点是指对疏散产生影响的节点，所述物资节点是指救生物资所在的位置，所述出口节点是指救生艇或救生筏所在的位置，所述链
路是指船上人员逃生时能够行走的路线。
7.步骤b中，所述无线传感器网络由多个传感器模块组成，所述传感器模块由cc2530f256上装载ds18b20温度传感器、dht11温湿度传感器、mq
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2烟雾传感器构成，ds18b20温度传感器、dht11温湿度传感器、mq
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2烟雾传感器分别检测船舶的着火位置、进水区域、烟雾毒气范围。
8.步骤b中，在走廊中，每隔10m布设一个传感器模块；在密闭空间中，若不存在阻碍移动的障碍物，则在密闭空间的中心点处布置传感器模块；若存在阻碍移动的障碍物，则将密闭空间的墙壁轮廓和障碍物的外轮廓线勾勒出来，在两个障碍物的外轮廓线的中间点以及障碍物外轮廓线与墙壁轮廓的中间点布置传感器模块；在门口、楼梯、拐弯处、物资节点、出口节点都布设一个传感器模块。
9.步骤b中，在登船前，给船上人员发放手环，记录船上人员信息，并对其进行编号，船上人员信息整合成姓名、性别、年龄、伤残与否的形式，在危险发生时，通过bds和wifi对手环进行定位，得到编号以及船上人员信息；根据船上人员生理信息确定船上人员移动速度的规则为：对于男性船上人员：10岁以下，移动速度为0.75m/s；10岁至45岁，移动速度为1 m/s；45岁至65岁，移动速度为0.9 m/s；65岁以上，移动速度为0.75 m/s；对于女性船上人员：10岁以下，移动速度为0.75m/s；10岁至45岁，移动速度为0.95 m/s；45岁至65岁，移动速度为0.8 m/s；65岁以上，移动速度为0.7 m/s；伤残人员的移动速度为正常人员移动速度的三分之一；船舶发生横倾时的船上人员逃生速度为：；船舶发生纵倾时的船上人员逃生速度为：；其中，为船舶横倾或者纵倾时的倾斜角度；船上人员速度为：。
10.步骤b中，所述救生物资数量根据救生物资当前位置和救生物资起始位置是否相同判断，若救生物资当前位置与救生物资起始位置不同，则判断该救生物资被占用。
11.步骤c中，所述影响因素为：节点之间的距离、节点的排队时长、到达节点后的倾覆风险；
节点的排队时长为：；其中，为当前节点与所选物资节点或者所选出口节点之间的距离，为船上人员速度，为节点的排队人数，为疏散路径中最小通过能力节点所对应的通过能力；到达节点后的倾覆风险为：；其中，为当前节点到所选物资节点再到出口节点中节点段的个数，为节点的排队人数，为每个节点段的路径长度，为节点处对倾覆风险的容忍能力，为船上人员速度，为当前节点与所选物资节点之间的距离，为所选物资节点与出口节点之间的距离。
12.步骤c中，约束条件为：通过能力约束：；其中，为船舶拓扑结构图中所有节点通过能力的汇总表，为疏散路径中最小通过能力节点所对应的通过能力，为节点的排队人数；时间约束：；；；其中，为船上人员疏散时间，为当前节点与所选物资节点之间的距离，为所选物资节点与出口节点之间的距离，为船上人员速度，为疏散截止时间，为有效波高的周期；为有效波高，通过雷达来测量；参数和参数通过使用相同周期的更高波浪的仿真来获取；
危险障碍约束：；其中，为时刻船上人员移动到的节点，为时刻危险移动到的节点；必备救生物资数量约束：；其中，为时刻选择去某节点处拿救生物资的人数，为某节点处剩余救生物资的数量。
13.步骤c中，危险传播到其相邻节点或相邻路线的时间为：；其中，为危险节点到疏散路径的距离，为危险节点向疏散路径移动的速度，为正常节点和正常节点确定疏散路径与危险节点和正常节点连线的夹角。
14.步骤d中，构建疏散路径评价函数：；其中，、、、为影响因素的权重，为当前节点与所选物资节点之间的距离，为所选物资节点与出口节点之间的距离，为节点的排队时长，为到达节点后的倾覆风险；选择评价函数数值最低的一个解，得到一个物资点位置和一个疏散出口位置。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明一种基于室内外位置信息的船舶应急疏散方法中，基于对船舶室内外布局的研究，构建船舶拓扑结构图，通过无线传感器网络感知危险位置并判断危险动态趋势，形成危险情况下实时变化的船舶拓扑结构图，在此结构图下通过船上人员疏散最优路径选择算法，对船上人员进行实时调配和路径点导航，实现危险状态下船上人员应急疏散。因此，本发明提高了疏散逃生成功率。
附图说明
16.图1是本发明一种基于室内外位置信息的船舶应急疏散方法的流程图。
17.图2是本发明中含障碍物空间内节点布设示意图。
18.图3是本发明中危险传播态势示意图。
具体实施方式
19.以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
20.参见图1，一种基于室内外位置信息的船舶应急疏散方法，该方法包括以下步骤：a、构建船舶拓扑结构图；
所述船舶拓扑结构图由节点和链路构成，所述节点包括关键节点、物资节点和出口节点，各节点通过链路连接，所述关键节点是指对疏散产生影响的节点，所述物资节点是指救生物资所在的位置，所述出口节点是指救生艇或救生筏所在的位置，所述链路是指船上人员逃生时能够行走的路线；所述关键节点、物资节点、出口节点为常规节点，常规节点是船上人员在日常航行中能去到的地方，在常规节点中，大部分是根据所处船舶室内舱室环境设计的，小空间通常设置一个节点，具有障碍物的大空间会根据墙壁和障碍物轮廓设置多个节点，走廊根据其长度设立节点；关键节点在通过能力上会有较明显的限制；物资节点是在连接完其他所有结构性的节点后，再添加到链路上，具有数量的属性；出口节点只在救生甲板那一层设立，具有数量属性；所有节点确保覆盖船舶室内外所有范围，能达到只要人员在船上，就能找到一个节点对应其当前所在位置；危险节点是指船舶发生海难时，常规节点被水或火所覆盖，导致疏散路径中断的情况，其是指一种状态，由于船舶海难具有随机性，所有节点都具备危险这个状态，一旦由常规节点转变为危险节点，视作此节点所连接的所有路径均不可通行；为使船舶拓扑结构图中的节点具有唯一性和合理性，链路具有可实际通行性，具体规则如下：（1）任意相连接的两个传感器模块均在通信范围内；（2）传感器模块相连的链路中无遮挡；（3）不布设冗余节点；为了满足规则，需要对空间内有多个障碍物的场景有额外节点布设，如图2所示，通过确定空间内障碍物轮廓线和空间内墙壁轮廓线的最近连线，将节点布设在连线处的中点，通过上述规则，可确定唯一节点布设位置；b、先利用zigbee协议所构建的无线传感器网络对危险信息进行检测，得出危险位置，再通过相邻时刻危险位置的变化得出危险速度，然后将危险位置和危险速度作为危险信息整合到船舶拓扑结构图中；所述无线传感器网络由多个传感器模块组成，所述传感器模块由cc2530f256上装载ds18b20温度传感器、dht11温湿度传感器、mq
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2烟雾传感器构成，ds18b20温度传感器、dht11温湿度传感器、mq
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2烟雾传感器分别检测船舶的着火位置、进水区域、烟雾毒气范围；在走廊中，每隔10m布设一个传感器模块；在密闭空间中（较大密闭空间，比如宴会厅、电影院等），若不存在阻碍移动的障碍物，则在密闭空间的中心点处布置传感器模块；若存在阻碍移动的障碍物，则将密闭空间的墙壁轮廓和障碍物的外轮廓线勾勒出来，在两个障碍物的外轮廓线的中间点以及障碍物外轮廓线与墙壁轮廓的中间点布置传感器模块；对于较小密闭空间，比如船员或乘客房间、驾驶舱、卫生间等，可以用一个传感器模块代表整个空间；在门口、楼梯、拐弯处、物资节点、出口节点都布设一个传感器模块；通过bds确定船舶室外的船上人员位置与救生物资位置，通过wifi确定船舶室内的船上人员位置与救生物资位置，然后通过船上人员位置确定船上人员速度，通过救生物资位置确定救生物资数量；在登船前，给船上人员发放手环，记录船上人员信息，并对其进行编号，船上人员信息整合成姓名、性别、年龄、伤残与否的形式，在危险发生时，通过bds和wifi对手环进行
定位，得到编号以及船上人员信息；根据船上人员生理信息确定船上人员移动速度的规则为：对于男性船上人员：10岁以下，移动速度为0.75m/s；10岁至45岁，移动速度为1 m/s；45岁至65岁，移动速度为0.9 m/s；65岁以上，移动速度为0.75 m/s；对于女性船上人员：10岁以下，移动速度为0.75m/s；10岁至45岁，移动速度为0.95 m/s；45岁至65岁，移动速度为0.8 m/s；65岁以上，移动速度为0.7 m/s；伤残人员的移动速度为正常人员移动速度的三分之一；船舶发生横倾时的船上人员逃生速度为：；船舶发生纵倾时的船上人员逃生速度为：；其中，为船舶横倾或者纵倾时的倾斜角度；船上人员速度为：；所述救生物资数量根据救生物资当前位置和救生物资起始位置是否相同判断，若救生物资当前位置与救生物资起始位置不同，则判断该救生物资被占用；c、根据船舶拓扑结构图、危险信息、船上人员位置、船上人员速度、救生物资位置、救生物资数量得到疏散路径所需的约束条件和影响因素；所述影响因素为：节点之间的距离、节点的排队时长、到达节点后的倾覆风险；节点的排队时长为：；其中，为当前节点与所选物资节点或者所选出口节点之间的距离，为船上人员速度，为节点的排队人数，为疏散路径中最小通过能力节点所对应的通过能力；
关键节点由于其通过能力受到限制，故其排队时长都为；到达节点后的倾覆风险为：；其中，为当前节点到所选物资节点再到出口节点中节点段的个数，为节点的排队人数，为每个节点段的路径长度，为节点处对倾覆风险的容忍能力，为船上人员速度，为当前节点与所选物资节点之间的距离，为所选物资节点与出口节点之间的距离；约束条件为：通过能力约束：；其中，为船舶拓扑结构图中所有节点通过能力的汇总表，为疏散路径中最小通过能力节点所对应的通过能力，为节点的排队人数；如果超过了通过能力，则可以改变、的权重来缓解某个节点的人流压力；时间约束：；；；其中，为船上人员疏散时间，为当前节点与所选物资节点之间的距离，为所选物资节点与出口节点之间的距离，为船上人员速度，为疏散截止时间，为有效波高的周期；为有效波高，通过雷达来测量；参数和参数通过使用相同周期的更高波浪的仿真来获取；要确保所有人都能在疏散截止时间内疏散成功，如果有个别移动速度慢的船上人员，可以考虑降低的权重来保证行走一条更短的路径；危险障碍约束：；其中，为时刻船上人员移动到的节点，为时刻危险移动到的节点；疏散过程中，要确保运动的危险不会移动到疏散人员行走的路径上；
参见图3，危险传播到其相邻节点或相邻路线的时间为：；其中，为危险节点到疏散路径的距离，为危险节点向疏散路径移动的速度，为正常节点和正常节点确定疏散路径与危险节点和正常节点连线的夹角；通过危险传播的方向和速度，计算出危险到达某节点或某条路径的时间，由于整个疏散方法具有实时性，所以危险约束也是不断更新的，计算出危险到达某条路径的时间后，可以判断在某一时刻，危险是否会传播到某条路径上，如果传播到了某条路径上，那么某条路径所对应的所有节点都认为陷入危险中，所有节点都会加入危险节点集合中，不会再被疏散路径节点所选取；必备救生物资数量约束：；其中，为时刻选择去某节点处拿救生物资的人数，为某节点处剩余救生物资的数量；d、通过约束条件和影响因素得到两个疏散目的地，即物资点位置和疏散出口位置，将物资点位置和疏散出口位置通过手机或者手环发送给船上人员进行逃生；构建疏散路径评价函数：；其中，、、、为影响因素的权重，本实施例中，取值为0.15，取值为0.35，取值为0.3，取值为0.2；为当前节点与所选物资节点之间的距离，为所选物资节点与出口节点之间的距离，为节点的排队时长，为到达节点后的倾覆风险；选择评价函数数值最低的一个解，得到一个物资点位置和一个疏散出口位置。通过多目标优化后，将疏散人群进行调度和分配，指挥一批人去某节点拿救生物资通过某节点逃生，指挥另一批人去其他节点拿救生物资以及通过其他节点逃生，实现对动态危险的实时监测、救生物资数量的实时控制以及疏散出口的人员调度，但并不限定人群只能走特定路径，而是推荐物资点位置和疏散出口位置，疏散路径可以自己选择。
21.本设计对人
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船
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环境的信息全感知，达到能够全面了解船舶结构的前提下，制定一套节点和链路选取规则，构建船舶拓扑结构图，基于无线传感器网络以及危险态势算法，洞悉危险运动趋势，通过多目标人员应急疏散算法，指引船上人员通过合适的路径前往疏散出口的一种应急疏散方法，对防控船舶重大事故、提升船舶的应急疏散能力有重大现实意义。