CN107438030A - 一种路径优化的方法、系统及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无中心网络的用时最短路径的优化计算方法，该方法基于无中心的建筑控制理念，首先将建筑划分为若干个相邻且独立的空间区域，然后在每个空间区域内放置一种节点单元，所述节点单元为具有数据收发及处理功能的计算机，所有的节点单元互联形成一个无中心计算网络，节点单元之间可以进行数据的交互来计算任意两个节点之间的用时最短路径，所述交互的信息包括从一个节点到其相邻节点的预估时间，该方法可以用于建筑室内导航或者危险情况时的人群疏散，以给出实时、灵活的路径指引信息。本计算方法还可以获得多种路径优化结果，此外还能够用于城市街区及道路的导航和疏散。

Description

一种路径优化的方法、系统及装置

技术领域

本发明涉及建筑控制领域，具体涉及一种路径优化的方法、系统及装置。

背景技术

CN103809541A公开了一种用于建筑或建筑群的控制系统和方法。该文献公开了一种用于建筑的控制方法，该文献提出了将建筑划分为若干个空间单元并在每个空间单元内内置节点单元并构成一个无中心控制网络的控制方法。该发明创造性的提出了无中心的、分布式的建筑控制网络的概念，是对传统的集中式的建筑自控系统架构的颠覆，在此概念之下尚有很多的控制算法亟待开发以填补该技术领域内的空白。

例如CN105045225A公开了一种基于无中心网络的水泵系统、水泵控制器及控制方法、CN105091213A公开了一种基于无中心网络的冷机系统、冷机控制器及控制方法，这两篇专利文献均是基于无中心的建筑控制理念所提出的新的控制方法。

申请号为CN201510377980.1、CN201510378076.2的中国专利申请分别公开了一种分布式计算网络系统及用于分布式计算网络系统的计算节点，这两篇专利申请公开了将无中心的建筑控制网络的概念得以实现的硬件设施及相应的操作系统软件。

在现有技术的基础之上，建筑室内导航及紧急情况下的人群疏散均是急需解决的技术问题。

某些大型建筑或商业建筑内往往功能区划分较多、布局复杂，有时还会涉及到垂直交通等问题，因而陌生的用户容易迷失在建筑内，或者需要不断询问工作人员、花费需要较多时间才能够寻找到目标房间；对于博物馆、展览馆等建筑，用户往往需要以一定的经过精心设计的路径来参观才能达到最好的参观效果，而用户往往缺乏相应的路径指引；某些建筑内的重要人物往往有被人寻找到的需求，例如公司职员希望能了解总经理的当前位置以便于找到他汇报工作，因此希望能够方便的对其进行定位并获得路径指引。

在建筑内发生火灾、暴力袭击等危险紧急情况时，需要对人员进行疏散，但是现有技术仅能够提供固定的安全出口指示牌，而不能根据火灾等危险情况的实际发生位置及人员的实际分布给出灵活可变的疏散指引。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，因而基于无中心网络提出一种建筑内的任意两个节点之间的最短路径的优化计算方法，并基于该方法提出一种用于室内导航和疏散的方法、系统及装置。

本发明首先提供一种基于无中心网络的用时最短路径的优化计算方法，所述无中心网络由若干个节点单元互连而成，每个所述节点单元与其邻居节点单元间进行一跳通讯，所述节点单元为具有信息接收、处理、发送功能的计算机，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

S1：所述无中心网络中的任意一个或几个节点单元触发计算任务；

S2：所述无中心网络中的某一个或某几个节点单元成为计算的起始点，并向其所有的邻居节点单元发送一个初始数据；

S3：所述无中心网络中每一个节点单元与其邻居节点单元进行数据的交互；

S4：经过若干次数据交互后每个节点单元计算收敛，每个所述节点单元的输出结果是其到达计算起始点中的一个的用时最短路径上的邻居节点单元。

进一步的，所述步骤S3中节点单元间交互的数据直接或间接地包括从一个节点单元到其邻居节点单元的预估时间。

进一步的，所述触发计算任务的是检测到危险情况的节点单元或检测到导航请求的节点单元。

进一步的，所述计算的起始点为导航请求的起始点或目标点，所述初始数据为零或起始点/目标点到达其邻居节点的预估时间。

进一步的，所述计算的起始点为疏散请求的出口点或室外的节点单元，所述初始数据为零或从出口点到达安全区域的时间。

进一步的，所述步骤S3包括如下子步骤：

S31.监听是否收到邻居节点单元发送的数据；

S32.判断计时器T与预设值T_set的关系；

其中S31包括如下子步骤：

S311.如果收到邻居节点单元发送的数据t_in，则：

a.计时器T置零；

b.计算，其中,所述t_i为该节点单元到t_in所对应的节点单元的预估时间；

c.记录t对应的邻居节点单元；

d.判断t是否小于上一次的计算结果t_last：

如果t<t_last或者t_last不存在,则

e.将t发送给所有的邻居节点单元；

重复步骤a；

如果t≧t_last,则

f.计时器T累加；

S312.如果未收到邻居节点单元发送的数据，则：

重复步骤f；

其中S32包括如下子步骤：

如果T<T_set，则重复步骤S11；

如果T≧T_set，则该节点单元计算收敛，将步骤c中的记录结果作为输出结果；所述输出结果表示该节点单元到达计算的起始节点的用时最短路径的邻居节点单元。

进一步的，所述步骤S3包括如下子步骤：

S31’:监听邻居节点单元发送的数据；

S32’:判断计时器T1与预设值T_set1的关系，若T1≦T_set1，则返回步骤S31，若T1>T_set1则进入步骤S33；

S33’:根据监听到的所有数据计算t=min(t_in,j+t_j)，其中,所述t_in,j为第j个邻居发送来的数据，t_j是该节点单元到其第j个邻居的预估时间，然后进入步骤S34；

S34’:判断t与上一个时间步长内的数据t_last的关系，若t<t_last，则令计时器T2清零，将t发送给所有邻居，并返回步骤S31；若t≧t_last或不存在t_last，则计时器T2累加，然后进入步骤S35；

S35’:判断计时器T2与预设值T_set2的关系，若T2<T_set2，则返回步骤S31，若T2≧T_set2，则该节点单元计算收敛，记录t对应的邻居并作为结果输出，所述输出结果表示该节点单元到达计算的起始节点的用时最短路径的邻居节点单元。

进一步的：所述步骤S3包括如下子步骤：

S31":监听邻居节点单元发送的数据；

S32":判断计时器T1与预设值T_set1的关系，若T1≦T_set1，则返回步骤S31，若T1>T_set1则进入步骤S33；

S33":根据监听到的所有数据计算t=min(t_in,j+t_j)，其中,所述t_in,j为第j个邻居发送来的数据，然后进入步骤S34；

S34":判断t与上一个时间步长内的数据t_last的关系，若t<t_last，则令计时器T2清零，计算t_out,j=t+t_j，t_j为该节点到达其第j个邻居节点的预估时间，并将t_out,j发送给第j个邻居，并返回步骤S31；若t≧t_last或不存在t_last，则计时器T2累加，然后进入步骤S35；

S35":判断计时器T2与预设值T_set2的关系，若T2<T_set2，则返回步骤S31，若T2≧T_set2，则该节点单元计算收敛，记录t对应的邻居并作为结果输出，所述输出结果表示该节点单元到达计算的起始节点的用时最短路径的邻居节点单元。

进一步的，所述预估时间满足如下公式：

，其中

t为所述预估时间；

l为两个节点单元之间的与路径长度有关的参数；

N为任意一个节点单元中的人员密度；

S为两个节点单元之间的通道口截面积或阻碍相关的参数；

表示两个节点单元其中任意一个的节点类型，所述节点类型包括危险点，出口，堵塞点；

v表示人的平均移动速度；

表示两个节点单元其中任意一个的功能类型，所述功能类型包括会议室、办公室、大厅、走廊、楼梯、电梯、设备间、储藏间、楼顶天台；

f的具体形式由实验获取的数据拟合得出，或仿真计算得出，或经验公式给出。

本发明还提供一种室内导航方法，其包括如下步骤：

S101：将建筑划分为若干个空间区域，所述空间区域彼此相邻且相互独立；

S102：在每个空间区域内设置节点单元，所述节点单元为具有信息接收、处理、发送功能的计算机；

S103：将所述空间区域内的节点单元互连以形成无中心网络；

S104：获取路径计算的起始空间区域和目标空间区域；

S105：根据本发明前文所述的方法计算从起始空间区域到目标空间区域的导航路径；

S106：根据计算得到的导航路径显示导航信息。

本发明还提供一种室内导航系统，其由交互设备、计算设备、导航指引设备组成，其特征在于：所述交互设备获取请求导航的指令并获取导航的起始空间区域和目标空间区域；所述计算设备根据前文所述的方法计算导航路径；所述导航指引设备显示导航信息。

本发明还提供一种室内导航信息指示装置，其用于根据前文所述的方法计算得到的导航路径显示导航指引信息。

本发明还提供一种建筑内的人员疏散方法，其包括如下步骤：

S101’：将建筑划分为若干个空间区域，所述空间区域彼此相邻且相互独立；

S102’：在每个空间区域内设置节点单元，所述节点单元为具有信息接收、处理、发送功能的计算机；

S103’：将所述空间区域内的节点单元互连以形成无中心网络；

S104’：获取需要进行人员疏散的警报信息；

S105’：根据前文所述的方法计算每个空间区域到达安全出口之一的疏散路径；

S106’：根据计算得到的疏散路径显示对疏散进行指引的信息。

本发明还提供一种建筑内的人员疏散系统，其由监测设备、计算设备、显示设备组成，其特征在于：所述监测设备监测建筑内的信息并发送需要进行人员疏散的警报信息；所述计算设备根据前文所述的方法计算疏散路径；所述显示设备根据计算得到的疏散路径显示对疏散进行指引的信息。

本发明还提供一种建筑内的疏散信息指示装置，其用于根据前文所述的方法计算得到的疏散路径显示疏散指引信息。

本发明还提供一种基于无中心网络的路径优化计算方法，所述无中心网络由若干个节点单元互连而成，所述节点单元为具有信息接收、处理、发送功能的计算机，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

S1：所述无中心网络中的任意一个或几个节点单元触发计算任务；

S2：所述无中心网络中的某一个或某几个节点单元成为计算的起始点，并向其所有的邻居节点单元发送一个初始数据；

S3：所述无中心网络中每一个节点单元与其邻居节点单元进行数据的交互；所述交互的过程包括对数据的选择，不同的选择方法对应不同的路径计算结果；

S4：经过若干次数据交互后每个节点单元计算收敛，每个所述节点单元的输出结果是期望路径计算结果的路径上的邻居节点单元。

本发明提供的用时最短路径的优化计算方法能够取得如下有益的技术效果：

1、基于无中心计算网络，通过定义每个计算节点的基本计算过程完成整个网络的优化计算结果，整个网络没有首脑和中心，因而具有很强的自适应性和灵活性；

2、计算过程不相互等待，因而计算效率高、收敛性强；

3、能够根据实时信息重复发起计算，因此室内导航和疏散的精度高、实时性强。

4、应用范围广，除了用于建筑室内导航和人员疏散，还能够用于城市的道路交通导航等场合。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明提供的路径优化算法的主要步骤示意图。

图2是本发明实施例1的需要进行路径导航的建筑内平面示意图。

图3是本发明实施例1的每个计算节点重复进行的基本计算的流程图。

图4是本发明实施例2的每个计算节点重复进行的第一种基本计算的流程图。

图5是本发明实施例2的每个计算节点重复进行的第二种基本计算的流程图。

图6是本发明实施例3的消防疏散算法中计算路径建立示意图。

图7是本发明实施例3的消防疏散算法中另一种计算路径建立示意图。

图8是本发明实施例3的建筑内空间单元的拓扑连接示意图。

图9是本发明实施例3的建筑内各个空间单元的初始人数分布示意图。

图10是本发明实施例3的建筑内火灾发生3分钟后各个区域内的疏散引导方向示意图。

图11是本发明实施例3的在进行疏散引导后建筑内典型房间的人数变化情况。

图12是本发明另外一方面实施例的室内导航方法的主要步骤示意图。

具体实施方式

本发明公开的路径优化计算方法基于无中心、分布式的计算网络，能够计算出该计算网络上任意两个节点之间的用时最短路径。具体来讲该分布式计算网络由若干个计算节点（CPN）构成，所述计算节点（CPN）为具有信息接收、处理、发送功能的计算机；每个计算节点（CPN）均与其拓扑上相邻的计算节点（CPN）进行数据交互；所述计算节点（CPN）具有空间属性，所述空间属性体现为所述计算节点（CPN）所在的绝对空间位置和/或所述计算节点（CPN）在所处的拓扑网络中的相对空间位置；所述分布式计算网络系统内嵌操作系统，所述操作系统或所述操作系统的至少一部分分布于每个所述计算节点（CPN）内，所述分布式计算网络系统中的计算节点（CPN）分布式地、自组织地共同完成计算任务。

该计算网络部署于建筑内能够完成各种建筑内的控制管理任务。

本发明的路径优化计算网络能够具体应用于建筑物的室内导航或者危险紧急情况时的人群疏散。为了更清楚地说明该算法，结合其应用的具体场景来进行说明。

按照无中心、扁平化的建筑控制理念，建筑被划分为若干个空间区域，所述空间区域彼此相邻且相互独立。每一个空间区域的形状大体为六面体的形状，因此每一个空间区域最多有六个相邻的空间区域，相邻的空间区域具有一个共同的面，所述空间区域的划分遵循不叠加、全覆盖原则，所谓不叠加就是不同的空间区域之间覆盖的范围不重叠，全覆盖指的是所有的空间区域的集合能够涵盖建筑内的全部或绝大部分人能够通行的区域。

所述人能够通行的区域包括房间、大厅、走廊、连廊、楼梯、电梯、可步入的设备间等等，在涵盖所有人能通行的空间区域的前提下，人能够在该范围内到达任意一个区域，因此就能够进行全面的室内导航或者进行全面的人员疏散。

在空间区域划分时每一个空间区域具体的大小和边界是由导航及疏散的精度需求来决定的，若需要的导航精度高，则需要对建筑内的空间区域进行更为细致的切分，空间区域的数量就较多，每个空间区域的覆盖范围较小，导航和疏散的指向精度就越高，反之，对建筑内空间区域的切分可以相对比较粗糙，每个空间区域的覆盖范围较大，导航和疏散的指向精度较低。

在对建筑内的空间进行划分时，既可以根据建筑内各房间之间实际物理分隔状态进行划分，例如将一堵墙两侧的房间划分为两个空间区域，也可以虚拟地隔离划分，例如将一个连通的走廊划分为若干个空间区域等。对空间区域的划分可以通过人工进行、自动进行或者半自动半人工进行。

在完成对建筑的划分后，需要在每个空间区域内设置节点单元，所述节点单元为具有信息接收、处理、发送功能的计算机；将所述空间区域内的节点单元互连以形成无中心网络并执行分布式计算的功能。

所述节点单元对与其相对应的空间区域进行信号采集、控制、或对相邻节点单元的请求进行响应。建筑的空间区域内可以设置各种类型的传感器，如烟雾探测器、温度传感器、人数传感器等等，能够实时检测各项室内的参数，并提供给所在区域内的节点单元。在室内导航这一具体应用中，节点单元的作用主要是参与路径计算、与用户进行交互、显示相应的导航信息等，或者节点单元只负责参与计算并通过与一个交互设备通信来下发和接收交互指令，所述交互设备用于与人进行交互，接收人的输入指令、将指令上传到节点单元、接收节 用是根据实时的火灾、烟雾、温度等的分布、强度、人员的分布等信息计算出各个房间内的人群进行疏散的最佳路线，并通过分布在各个房间区域内的显示牌进行疏散的指引。

所述节点单元之间的互连方式可以是有线地连接，也可以是无线地连接，形成的是无中心的网络或伪中心网络，每个节点单元均与其拓扑上相邻的节点单元进行数据交互，数据交互为一跳通信，经过信息的加工处理后再与其拓扑上相邻的节点单元进行数据交互，所述数据交互也是一跳通信，所有的节点单元分布式地共同完成计算任务；也就是说该无中心网络利用分布式计算的方法将计算任务拆解为典型的、可以复制的基本的计算，而基本的计算是通过每个节点单元从邻居节点单元处获取输入信息，完成本地计算，再将计算结果传送给邻居节点单元完成的，整个网络没有中心或首脑的概念，各个节点单元之间以一种自组织的协作机制相互配合来完成系统的计算。

在所述节点单元互连形成的无中心网络之上可以定义虚拟子网，也就是重新定义节点单元之间的虚拟相连关系，服务于室内导航的虚拟子网的拓扑关系需要与空间单元实际的物理空间的拓扑关系相一致，以便该虚拟子网是对物理连接关系的映射，物理上人能够直接从一个空间区域到达另一个空间区域，则这两个空间区域的节点单元之间具有直接相连关系，若两个空间单元之间是完全隔绝的，没有能够相互通行的门，则相应的节点单元之间不应该有直接的相连关系，换句话说一个物理上与外界完全隔离的空间区域的节点单元不与任何一个节点单元直接相连，这样网络计算出的导航或疏散路径就绝对到达不了该节点单元，而在实际当中人也不可能到达该区域，因此凡是人能够到达的区域，在该区域内的节点单元总是与一个或多个其他节点单元直接相连。

图1显示了本发明提供的优化计算方法的主要步骤。

为了更清楚地显示本发明提供的路径优化算法的具体过程，提供如下实施例。

实施例1：

将本发明提供的优化计算方法应用于室内导航。

结合图2，建筑100内有若干个空间区域，所述空间区域彼此相邻且相互独立；在每个空间区域内均具有数据接收、处理、发送功能的节点单元，以A、B、C、D、E、F、G、H、I表示所述节点单元，各个节点单元之间的黑色实线代表房间之间的拓扑连接关系，由于这些空间在物理上都是直接相连的，人可以直接从一个区域到达另一个区域，例如人能够从A房间直接到达B房间和D房间，但是从A房间不能直接到达E房间，因此各个节点单元之间的均具有连线，各个节点单元组成了一个分布式的计算网络。各房间之间的连线上标明的t_AB、t_BC等标记代表人从一个房间到达另一个房间所需要的预估时间t。为了清楚的显示导航的结果，每个空间单元均可以设置一个显示屏，上面显示人应该去的邻居节点的方向。

现假设某人想从A房间到达I房间，则所述计算网络根据本发明提供的优化算法计算出从A到I的用时最短路径，并提供给人。首先人通过某种交互设备向计算网络发起导航的请求，并通过交互设备将其起始区域和目标区域告知计算网络，在本实施例中起始点是A，目标点是I，A作为计算的触发点触发计算，并作为计算的起始点发送一个初始数据给所有A的邻居。

为了更清楚的表明计算的原理和过程，结合表1：

表1

如表中所示：

1：从0跳节点到1跳节点

由于是从A房间到I房间，因此A节点作为计算的起始点，由A节点向其所有邻居发送其到达自己的时间（从A到A所需的时间为零）加上从A到其邻居的时间，即A向B发送0+t_AB，A向D发送0+t_AD；

2：从1跳节点到2跳节点

B和D收到数据后将其自己到达下一个邻居处的时间加入收到的数据并发送给相应的邻居（此邻居包括该节点的所有邻居，不区分源邻居或非源邻居，所谓非源性邻居指的是每一次收到数据的发送方以外的其他邻居），例如B将其到达E的时间t_BE加入0+t_AB并发送给E，B将其到达C的时间t_BC加入0+t_AB并发送给C（B和D也会将数据发送给A，但由于涉及到路径的折返，肯定不会是用时最短路径，因此表中未体现）；同理D也将相应的数据分别发送给G、E；

3：从2跳节点到3跳节点

E、C、G这几个节点收到数据，其中C、G两个节点只收到一个数据，其继续将其到达下一个邻居节点的时间加入收到的数据并发送给相应的邻居节点（例如C发送给F，G发送给H），而E这个节点收到了两个数据，若两个数据同时到达或者在E处理数据时都处于待处理状态，则E会对收到的两个数据进行判断，选择其中较小的数据，删除另外一个数据，并将其到达下一个邻居节点的时间加入其所选择的数据并发送给相应的邻居节点，而若由于传数的过程有延迟或其他原因而导致两个数据没有同时到达，或者在E处理数据时只看到了一个数据，则不存在选择的问题，直接添加数据并发送给其邻居节点，待收到另外一个数据时再进行判断和选择，若收到的数据小于上一个数据则选择该更小的数据，并用于向下一个节点单元发送数据的计算，若大于或等于上一个数据，则舍弃该较大的数据，这一选择和判断的过程在每个节点处均有可能发生；

4：从3跳节点到4跳节点

3跳节点处的D、H、F、B这几个节点均收到了或可能接收到了数据，其中D、B这两个节点由于出现了路径的折返，因此其所传送的数据必然会大于其他路径所产生的数据而在某个环节被删除或舍弃掉，因此表中以X表示不再解释其传送的过程；H、F均可能接收了多个数据，H、F会进行判断选择（既可能是从多个数据中选择较小的数据、也可能是在先后传送的过程中以较小的数据替代较大的数据），将较小的数据传送出去；I这一节点重复上述过程，从其接收到的数据中选择较小的数据，或者以较小的数据替代较大的数据，最终I节点所输出的数据所对应的传送路径，就是从A到I用时最短的路径。

以上解释是以人容易理解的方式来进行的说明，实际计算时，计算网络中的每个节点单元都会重复一个基本的过程，这一基本的过程经过若干次的迭代与累加，就能够获得一个最终的优化结果。

关于计算的起始节点：

起始节点可以只发起一次计算，也可以间隔一定的时间就发起一起计算——即重复发起。导航路径的起始区域和目标区域均可以作为计算的发起者，只要正向、逆向过程不影响人的通行时间即可，但是如果方向不同导致人通行时间不同，则只能以起始区域为计算发起结果以保证导航结果的准确。

关于收敛的判断：

每个节点收敛的判定条件是节点不再重新发送数据或节点发送的数据不再变化，整个计算网络收敛的条件是每个节点均收敛；

图3显示了每一个节点单元所重复的计算的过程。

在本实施例中，每个节点设置两个计时器，计时器T1的作用是每隔一段时间就集中判断一次收到的所有数据，计时器T2的作用是用于判断该节点的计算是否收敛。网口监听程序用于监测邻居节点向自己发送的数据，每间隔一段时间就集中判断一次并选择其中的最小值，并判断是否小于上一次的计算结果（如果没有上一次的结果则跳过判断的步骤），如果是的话，就重置计时器T2并在该数据上累加其到达下一个邻居节点的时间并发送给相应邻居节点（针对所有的邻居重复上述操作），如果否的话，就保持静默并当计时器T2达到预定时间时认为该节点计算收敛，此时t所对应的数据源节点代表该节点在当前计算得到的用时最短路径的上的邻居节点；

实施例2：

与实施例1类似，所不同的是，各个节点单元之间的数据传送还可以以表2所记载的方式进行。

表2

A作为计算的起始点，向其所有的邻居发送0，B和D在其源节点A发送数据的基础上累加其到达源节点A的时间，并发送给所有的邻居节点（B发送给A、C和E，D发送给A、G和E，但表中未记载B和D发给A节点），接收到数据的节点均重复这一过程，在其源节点发送的数据的基础上累加其到达相应源节点的时间，在经过数据的选择后发送给所有的邻居节点，节点单元每收到一次数据便会进行一次这样的处理，以节点E为例，假设其首先接收到B向其发送的数据，并计算得出0+t_AB+t_BE这一结果，E将该结果发送给所有的邻居节点；随后E又收到了D向其发送的数据，并计算得出0+t_AD+t_DE这一结果，此时E会判断其是否小于前一次的结果0+t_AB+t_BE，若在后的数据较小，则将在后的数据发送给所有的邻居节点，若大于或等于前一次数据，则不再发送该数据。

图4显示了每一个节点所重复的基本过程的流程图。

在本实施例中，每个节点设置一个网口监听程序，判断是否有邻居节点向自己发送数据，只要接收到一个数据，定时器就清零重置，此时计算节点在接收到的数据上累加其到达该数据源节点的预估时间，并判断是否小于上一次的计算结果（如果没有上一次的结果则跳过判断的步骤），如果小于上一次的结果，则将该结果发送给所有的邻居节点并重置计时器，同时保存该数据的对应的邻居节点，如果大于或等于上一次的结果，则保持静默；直到定时器达到预设时间时认为该节点计算收敛，此时保存的数据对应的邻居节点为在当前计算得到的用时最短路径的上的邻居节点；

图5显示了每一个节点单元所重复的另外一种基本过程的流程图。图5与图4的区别仅在于每个节点单元是每隔一段时间集中判断收到的数据并选择最小值。

实施例1和2显示的结果通过交互设备显示给人员，所述交互设备既可以是人员随身携带的设备，也可以是固定设置在每个空间单元中的设备，人员只要按照交互设备的指示进行移动就可以按照用时最短路径到达目的地。人员在移动过程中计算网络可以实时检测人的当前位置并不断重复发起计算，这样即便人没有按照指示走或者走错路也能够获得实时的导航结果。

实施例3：

将本发明提供的优化计算方法应用于消防疏散。

当建筑中发生火灾、爆炸、抢劫等突发紧急情况时，需要立即疏散人群。传统的疏散系统为人们提供的疏散导向是固定的，标示应急出口、安全指示牌显示楼梯方向。这种固定的疏散导向不能有效地适应突发情况，因为意外可能在建筑中的任何地点发生，发生意外时各房间人数分布情况也无法预先确定。

基于建筑信息系统，可以获知建筑中人数分布的实时信息，以及灾害发生的地点、强度和发展趋势。根据这些实时信息，可以动态规划最安全快捷的逃生路径，通过安放在各房间和交通要道的显示器，指引人群合理疏散。

在某个房间发生火灾等危险情况后，该房间内的节点单元即发起危险警报并将该信息传送给所有的邻居，收到危险警报的节点单元再将该警报发送给所有的非信息来源邻居，这样经过由近及远的信息传递过程就可以令所有的节点单元知晓发生了危险警报及危险的来源。

之后就可以采用本发明提供的路径优化计算方法，实时计算出建筑中每一个房间的人员进行疏散逃生的用时最短路径。在计算时作为安全出口的空间单元内的节点单元或者室外节点单元作为计算的起始点，并不断向内部空间建立路径，最终所有房间找到最快的逃生路径。

在本实施例中，

如图6所示，A、G均为出口点，A、G在得知危险情况后成为计算的起始点，计算的起始点和非起始点仅在初始化过程存在差别，初始化时所有非起始点（即非出口）的逃生时间设置为无穷大，Ti=∞，出口节点单元的逃生时间为一个较小值，Tout = （为该出口节点疏散到安全区域的时间），初始化之后，各个计算节点的计算不分先后、不互相等待，所有的节点均向邻居发送其逃生时间，每个收到数据的节点单元在收到数据的基础上累加当前节点单元到数据源节点的预估时间，并进行选择或与前一次的计算结果进行比较，选择较小的结果并发送给所有的邻居节点单元，每一个节点单元均重复这一过程，直到所有的节点单元计算收敛，并获得该节点单元进行疏散的方向指引。

在另外一方面实施例中，如图7所示，也可以在出口外再增加一个室外节点，令室外节点单元作为计算的起始节点，则其在初始化时的值为零。

整个计算过程由网络中各节点单元不断与相邻节点单元进行信息的交互与计算，并在满足一定条件时计算收敛，每个节点收敛时显示了该节点内的人群应该去的邻居节点，这样人群就可以不断沿着每个节点的指引完成疏散。人群在疏散的过程中计算网络能够不断的重复计算过程，这样即便火灾火情发生了变化或者人群的分布出现了变化也能够实时提供当前状态下的疏散指引。

结合图8至图11，这些图显示了疏散算法的模拟验证结果，图8显示了某建筑的内部空间单元之间的拓扑连接结构，图9显示了各个空间单元内的当前人数，假设第28号空间单元发生火灾并触发了计算任务，则计算网络开始计算疏散路径并进行实时的显示，图10显示了火灾发生3分钟后每个房间内的人群应该疏散的方向，人群按照该指引进行疏散，图11显示了经过疏散后各个房间内的人数的变化情况。

关于节点到邻居节点的预估时间。

上述实施例1至3的计算过程中的从一个节点单元到达邻居节点单元的预估时间t的影响参数包括下列参数中的一个或多个：相邻的节点单元所在空间区域之间进出口的平均距离、人员的平均移动速度、所述节点单元所在的空间区域的人员密度、所述相邻的节点单元所在的空间区域之间的通道口的尺寸、所述节点单元所在的空间区域的类型、所述节点单元所在的空间区域内是否存在危险情况。

以节点A到节点B为例，t_AB与以下因素有关：从A到B的所在空间区域之间的进出口之间的平均距离（A房间到B房间相隔较远或路径曲折则用时长，反之则短）、A与B之间的可通行通道的截面积大小（若A到B之间的通道口截面积太小或者通道口有不易开启的门 则可能会延长人员通过的时间），人员的平均移动速度（若A和B均为普通的房间，则人员的平均移动速度就是正常行走时的平均速度、若A或B为楼梯或电梯等，则为人在走楼梯时的行走速度、或乘坐电梯时的平均速度等），t_AB还与A点或B点的类型、人员密度、及是否存在危险情况有关，若B为危险点，则应该将A到B的时间设定为非常大或无穷大，以便在计算时A到B的路线由于时间长而被排除，若A或B为人员过多的拥堵点，该将A到B的时间设置得较长，以便在计算时考虑拥堵的因素，若是从室内某节点导航到室外，则起始节点是室内的某个节点，目标节点是某个出口，在进行消防疏散时，还需要考虑从出口点到室外所用的时间，例如建筑大门、消防楼梯、楼顶天台等不同的出口类型所对应的到室外的时间是不同的。

综上所述，从一个节点单元到另一个节点单元的通过时间t可以用如下公式表示：

，其中

t为从一个节点到其邻居节点的时间，l为两个节点之间的与路径长度有关的参数，N为任意一个节点中的人员密度，S为两个节点之间的通道口截面积或阻碍相关的参数，表示两个节点其中任意一个的节点类型，如危险点，出口，堵塞点等等，v表示人的平均移动速度，表示两个节点其中任意一个的功能类型，如会议室、办公室、大厅、走廊、楼梯、电梯、设备间、储藏间、楼顶天台等等，f具体形式可以由实验获取的数据拟合得出，可以由仿真计算得出或经验公式给出。f的具体表现形式在设定时可以只考虑部分因素，也可以根据需求和目的的不同而给不同的参数赋予一定的权重值，以体现不同参数的重要程度。

跟据本发明提供的一个实施例，每个节点对应的房间内的人数可以通过设置人数探测器来实时获取，也可以通过其他的算法或系统获取人数并直接调用，由于计算网络的计算速度非常快，因此在人群进行移动或疏散的过程中，各个节点内的人数是实时更新的，被导航人的当前位置也是实时更新的，计算网络根据更新后的人数分布或被导航者的位置重新计算用时最短路径，这一过程是自适应的，获取的结果也是在当时的情况下的最优结果，即人在室内移动的过程中，计算网络可以实时检测人的当前位置，不断给出最新的计算结果，导航或者疏散的过程更为准确、灵活。

根据本发明另外一方面的实施例，本发明请求保护一种室内导航方法，其包括如下步骤：

S101：将建筑划分为若干个空间区域，所述空间区域彼此相邻且相互独立；

S102：在每个空间区域内设置节点单元，所述节点单元为具有信息接收、处理、发送功能的计算机；

S103：将所述空间区域内的节点单元互连以形成无中心网络；

S104：获取路径计算的起始空间区域和目标空间区域；

S105：根据实施例1或2所述的方法计算从起始空间区域到目标空间区域的导航路径；

S106：根据计算得到的导航路径显示导航信息。

附图12具体显示了该室内导航方法的具体步骤。

根据本发明另外一方面的实施例，本发明还请求保护一种室内导航系统，其由交互设备、计算设备、导航指引设备组成，所述交互设备获取请求导航的指令并获取导航的起始空间区域和目标空间区域，该交互设备可以是现有技术中任何能够完成人机交互的设备，如触摸屏，扫码器，语音输入设备等；所述计算设备根据实施例1或2所述的方法计算导航路径；所述导航指引设备显示导航信息。

根据本发明另外一方面的实施例，本发明还请求保护一种室内导航信息指示装置，其用于根据实施例1或2所述的方法计算得到的导航路径显示导航指引信息。该指示装置可以是用户的随身携带或手持设备，也可以是每个空间区域内固定设置的一个显示屏幕。

根据本发明另外一方面的实施例，本发明还请求保护建筑内的人员疏散方法，其包括如下步骤：

S101’：将建筑划分为若干个空间区域，所述空间区域彼此相邻且相互独立；

S102’：在每个空间区域内设置节点单元，所述节点单元为具有信息接收、处理、发送功能的计算机；

S103’：将所述空间区域内的节点单元互连以形成无中心网络；

S104’：获取需要进行人员疏散的警报信息；

S105’：根据实施例3所述的方法计算每个空间区域到达安全出口之一的疏散路径；

S106’：根据计算得到的疏散路径显示对疏散进行指引的信息。

根据本发明另外一方面的实施例，本发明还请求保护一种建筑内的人员疏散系统，其由监测设备、计算设备、显示设备组成，所述监测设备监测建筑内的信息并发送需要进行人员疏散的警报信息；例如某个烟雾报警器检测到有火情则发起警报；所述计算设备根据实施例3所述的方法计算疏散路径；所述显示设备根据计算得到的疏散路径显示对疏散进行指引的信息。

根据本发明另外一方面的实施例，本发明还请求保护一种建筑内的疏散信息指示装置，其用于根据实施例3所述的方法计算得到的疏散路径显示疏散指引信息。该指示装置具体可以是每个空间区域内固定设置的一个显示屏，其以箭头的形式指示人群应该去往的邻居空间单元，人群按照箭头的指示不断疏散即可到达安全区域。

根据本发明另外一方面的实施例，与实施例1和2不同之处在于，路径计算还可以获得更多的路径结果，而不仅仅是用时最短路径，还可以是距离最短路径、使用的楼梯最少路径、使用的电梯最少路径、躲避拥堵点等多种结果，此时只需要相应的调整不同节点单元之间传递的数据即可，例如在计算距离最短路径时，节点单元间传递是从一个节点单元到下一个节点单元之间的距离，接收到数据的节点单元选择接收到的数据中的最小数据；在计算使用的楼梯/电梯最少路径时，节点单元间传递的数据中需要包括楼梯/电梯的数据信息，以便节点在选择时能够根据楼梯/电梯的数据进行取舍，除此以外，还可以设置多种参考因素，只要在节点单元间传递的数据中包含该参考因素的具体数值就可以得出相应的路径结果，计算网络可以同时计算多种路径结果并同时提供给人进行选择。

根据本发明另外一方面的实施例，本发明公开的用时最短路径算法还可以应用于城市街区或道路导航，例如将城市街区或道路划分为若干个基本模块，每个模块内设置一个节点单元，并将这些节点单元互联形成无中心网络，这样就可以计算出任意两个模块之间的用时最短路径并用于城市街区导航或者城市内的人群疏散。

Claims (16)

1.一种基于无中心网络的用时最短路径的优化计算方法，所述无中心网络由若干个节点单元互连而成，所述节点单元为具有信息接收、处理、发送功能的计算机，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

S1：所述无中心网络中的任意一个或几个节点单元触发计算任务；

S2：所述无中心网络中的某一个或某几个节点单元成为计算的起始点，并向其所有的邻居节点单元发送一个初始数据；

S3：所述无中心网络中每一个节点单元与其邻居节点单元进行数据的交互；

S4：经过若干次数据交互后每个节点单元计算收敛，每个所述节点单元的输出结果是其到达计算起始点中的一个的用时最短路径上的邻居节点单元。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S3中节点单元间交互的数据直接或间接地包括从一个节点单元到其邻居节点单元的预估时间。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述触发计算任务的是检测到危险情况的节点单元或检测到导航请求的节点单元。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算的起始点为导航请求的起始点或目标点，所述初始数据为零或起始点/目标点到达其邻居节点的预估时间。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算的起始点为疏散请求的出口点或室外的节点单元，所述初始数据为零或从出口点到达安全区域的时间。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S3包括如下子步骤：

S31.监听是否收到邻居节点单元发送的数据；

S32.判断计时器T与预设值T_set的关系；

其中S31包括如下子步骤：

S311.如果收到邻居节点单元发送的数据t_in，则：

a.计时器T置零；

b.计算 ，其中,所述t_i为该节点单元到t_in所对应的节点单元的预估时间；

c.记录t对应的邻居节点单元；

d.判断t是否小于上一次的计算结果t_last：

如果t<t_last或者t_last不存在,则

e.将t发送给所有的邻居节点单元；

重复步骤a；

如果t≧t_last,则

f.计时器T累加；

S312.如果未收到邻居节点单元发送的数据，则：

重复步骤f；

其中S32包括如下子步骤：

如果T<T_set，则重复步骤S11；

如果T≧T_set，则该节点单元计算收敛，将步骤c中的记录结果作为输出结果；所述输出结果表示该节点单元到达计算的起始节点的用时最短路径的邻居节点单元。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S3包括如下子步骤：

S31’:监听邻居节点单元发送的数据；

S32’:判断计时器T1与预设值T_set1的关系，若T1≦T_set1，则返回步骤S31，若T1>T_set1则进入步骤S33；

S33’:根据监听到的所有数据计算t=min(t_in,j+t_j)，其中,所述t_in,j为第j个邻居发送来的数据，t_j是该节点单元到其第j个邻居的预估时间，然后进入步骤S34；

S34’:判断t与上一个时间步长内的数据t_last的关系，若t<t_last，则令计时器T2清零，将t发送给所有邻居，并返回步骤S31；若t≧t_last或不存在t_last，则计时器T2累加，然后进入步骤S35；

S35’:判断计时器T2与预设值T_set2的关系，若T2<T_set2，则返回步骤S31，若T2≧T_set2，则该节点单元计算收敛，记录t对应的邻居并作为结果输出，所述输出结果表示该节点单元到达计算的起始节点的用时最短路径的邻居节点单元。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S3包括如下子步骤：

S31":监听邻居节点单元发送的数据；

S32":判断计时器T1与预设值T_set1的关系，若T1≦T_set1，则返回步骤S31，若T1>T_set1则进入步骤S33；

S33":根据监听到的所有数据计算，其中,所述t_in,j为第j个邻居发送来的数据，然后进入步骤S34；

S34":判断t与上一个时间步长内的数据t_last的关系，若t<t_last，则令计时器T2清零，计算t_out,j=t+t_j，t_j为该节点到达其第j个邻居节点的预估时间，并将t_out,j发送给第j个邻居，并返回步骤S31；若t≧t_last或不存在t_last，则计时器T2累加，然后进入步骤S35；

S35":判断计时器T2与预设值T_set2的关系，若T2<T_set2，则返回步骤S31，若T2≧T_set2，则该节点单元计算收敛，记录t对应的邻居并作为结果输出，所述输出结果表示该节点单元到达计算的起始节点的用时最短路径的邻居节点单元。

9.根据权利要求2或6或7或8所述的方法，其特征在于：所述预估时间满足如下公式：

，其中

t为所述预估时间；

l为两个节点单元之间的与路径长度有关的参数；

N为任意一个节点单元中的人员密度；

S为两个节点单元之间的通道口截面积或阻碍相关的参数；

表示两个节点单元其中任意一个的节点类型，所述节点类型包括危险点，出口，堵塞点；

v表示人的平均移动速度；

表示两个节点单元其中任意一个的功能类型，所述功能类型包括会议室、办公室、大厅、走廊、楼梯、电梯、设备间、储藏间、楼顶天台；

f的具体形式由实验获取的数据拟合得出，或仿真计算得出，或经验公式给出。

10.一种室内导航方法，其包括如下步骤：

S101：将建筑划分为若干个空间区域，所述空间区域彼此相邻且相互独立；

S102：在每个空间区域内设置节点单元，所述节点单元为具有信息接收、处理、发送功能的计算机；

S103：将所述空间区域内的节点单元互连以形成无中心网络；

S104：获取路径计算的起始空间区域和目标空间区域；

S105：根据权利要求1-7所述的方法计算从起始空间区域到目标空间区域的导航路径；

S106：根据计算得到的导航路径显示导航信息。

11.一种室内导航系统，其由交互设备、计算设备、导航指引设备组成，其特征在于：所述交互设备获取请求导航的指令并获取导航的起始空间区域和目标空间区域；所述计算设备根据权利要求1-7所述的方法计算导航路径；所述导航指引设备显示导航信息。

12.一种室内导航信息指示装置，其用于根据权利要求1-7所述的方法计算得到的导航路径显示导航指引信息。

13.一种建筑内的人员疏散方法，其包括如下步骤：

S101’：将建筑划分为若干个空间区域，所述空间区域彼此相邻且相互独立；

S102’：在每个空间区域内设置节点单元，所述节点单元为具有信息接收、处理、发送功能的计算机；

S103’：将所述空间区域内的节点单元互连以形成无中心网络；

S104’：获取需要进行人员疏散的警报信息；

S105’：根据权利要求1-7所述的方法计算每个空间区域到达安全出口之一的疏散路径；

S106’：根据计算得到的疏散路径显示对疏散进行指引的信息。

14.一种建筑内的人员疏散系统，其由监测设备、计算设备、显示设备组成，其特征在于：所述监测设备监测建筑内的信息并发送需要进行人员疏散的警报信息；所述计算设备根据权利要求1-7所述的方法计算疏散路径；所述显示设备根据计算得到的疏散路径显示对疏散进行指引的信息。

15.一种建筑内的疏散信息指示装置，其用于根据权利要求1-7所述的方法计算得到的疏散路径显示疏散指引信息。

16.一种基于无中心网络的路径优化计算方法，所述无中心网络由若干个节点单元互连而成，所述节点单元为具有信息接收、处理、发送功能的计算机，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

S1：所述无中心网络中的任意一个或几个节点单元触发计算任务；

S2：所述无中心网络中的某一个或某几个节点单元成为计算的起始点，并向其所有的邻居节点单元发送一个初始数据；

S3：所述无中心网络中每一个节点单元与其邻居节点单元进行数据的交互；所述交互的过程包括对数据的选择，不同的选择方法对应不同的路径计算结果；

S4：经过若干次数据交互后每个节点单元计算收敛，每个所述节点单元的输出结果是期望路径计算结果的路径上的邻居节点单元。