CN112556714A - 一种消防灭火救援智能路径规划方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种消防灭火救援智能路径规划方法及系统，所述方法包括：以道路性质、道路规格、交通信息为影响因素建立道路层次结构模型；采用层次分析法确定道路层次结构模型中各个影响因素的权重向量；构建路网有向图，实时获取当前起点位置、终点位置及实时路况信息，结合各个影响因素的权重向量计算各路段的时变权值；基于各路段的时变权值，以时间最短为决策目标进行实时路径规划。本发可实现车辆主动避让相干路段，再基于各个路段的时变权值进行时间最优的路径规划，从而保证消防车辆及时到达火灾现场。

Description

一种消防灭火救援智能路径规划方法及系统

技术领域

本发明属于智慧消防技术领域，具体涉及一种消防灭火救援智能路径规划方法及系统。

背景技术

随着城市规模迅速扩大，各类火灾发生频率逐渐增大，直接威胁人民群众的生命财产安全。消防救援作为社会保障力量，能否及时到达火灾现场实施救援至关重要。

现有的消防救援大多基于最短距离路径规划，然而实时交通状况不明、可能出现交通拥堵等因素严重制约了消防灭火救援速度。现有的基于时间的路径规划虽然在一定程度上加快了救援速度，但是仍然未充分考虑交通状况实时变化，也无法应对各种突发状况，延误救援。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种消防灭火救援智能路径规划方法及系统，用于解决现有救援路径规划无法有效应对各种突发状况耽误救援时间的问题。

本发明第一方面，公开一种消防灭火救援智能路径规划方法，所述方法包括：

以道路性质、道路规格、交通信息为影响因素建立道路层次结构模型；

采用层次分析法确定道路层次结构模型中各个影响因素的权重向量；

构建路网有向图，实时获取当前起点位置、终点位置及实时路况信息，结合各个影响因素的权重向量计算各路段的时变权值；

基于各路段的时变权值，以时间最短为决策目标进行实时路径规划。

优选的，所述道路层次结构模型的各个影响因素中，所述道路性质包括地面道路、非地面道路，所述道路规格包括限高、限宽、限速、限重、车道数、承重、路段长度，所述交通信息包括行进方向、转弯限制、车辆限制、交通灯个数、车辆事故、施工作业、出行高峰、交通管制、车流量。

优选的，所述采用层次分析法确定道路层次结构模型中各个影响因素的权重向量具体为：

通过对同一层次各指标因素之间进行重要度的两两比较，构造层次分析的判断矩阵；

对判断矩阵进行一致性校验，对不满足一致性校验的判断矩阵进行校正；

计算判断矩阵的最大特征值对应的特征向量，将最大特征值对应的特征向量作为影响因素的权重向量。

优选的，所述构建路网有向图，实时获取当前起点位置、终点位置及实时路况信息，结合各个影响因素的权重向量计算各路段的时变权值具体为：

通过特定手段实时提醒道路上的其他车辆主动避让，获取在其他车辆主动避让下的实时路况信息；特定手段包括火警鸣笛、交通广播、手机即时通信、智能交通灯，电子路牌提示；

根据所述实时路况信息获取当前时刻各个影响因素的属性数据并进行无量纲化表示，得到当前时刻各个影响因素的无量纲化的属性值；

将每个路段各个影响因素的权重乘以当前时刻对应的无量纲化的属性值，得到各路段的时变权值。

优选的，所述基于各路段的时变权值，以时间最短为决策目标进行路径规划具体为：

将路网有向图定义为(F,B,W)，其中F＝{f₀,f₁,f₂,f₃…f_n}表示道路交叉口集合，B＝{＜f_i,f_j＞|f_i∈F,f_j∈F,i≠j}表示道路弧的有序集合，W＝ {w_ij(t)|i∈N,j∈N}，w_ij(t)表示在t时刻的时变权值；设Q为消防车辆从起点到目标终点的道路交叉口集合，设T_n为车辆出发抵达目标终点的总体耗时；

以时间最短为决策目标进行实时路径规划方法为：

S01、根据起点f₀和目标终点f_n，选取W中最小的权值w_min＝w_ij(t₀)，计算最短路径的交叉口有序集合B₀和最短时间G₀，按照当前最短时间的交叉口有序集合组成的路线行进；

S02、当车辆行进到t_i时刻，预计到达下一交叉口的时刻为t_j＝t_i+w_ij(t_i)；当车辆行进到t_j时刻，判断是否到达下一个交叉口f_j：

如果车辆到达了下一交叉口，将＜f_i,f_j＞加入到Q集合中，此时预计总体耗时T_n＝T_n+w_ij(t_i)，如果这个交叉口是目标终点，计算结束，否则重复该过程；

如果车辆没有到达下一交叉口，执行步骤S03；

S03、车辆在该路段的剩余行程除以通过该路段的平均时速，计算得到剩余行程所需要的时间为T_d，车辆的下一个交叉口为f_j，预计抵达目标终点的时间为 T_d+G_j(t_j)，计算此刻车辆从起点到目标终点的最小时间为min₍₀₎＝G₀(t_j)；如果 T_d+G_j(t_j)＜min₍₀₎，继续向下一个交叉口行进，把<f_i,f_j>加入到Q集合中，继续执行步骤S02；否则，以t_j为起始时刻，以当前位置为起点，返回步骤S01开始继续规划路径。

本发明第二方面，公开一种消防灭火救援智能路径规划系统，所述系统包括：

层次建模模块：以道路性质、道路规格、交通信息为影响因素建立道路层次结构模型；

权重计算模块：采用层次分析法确定道路层次结构模型中各个影响因素的权重向量；

影响计算模块：构建路网有向图，实时获取当前起点位置、终点位置及实时路况信息，结合各个影响因素的权重向量计算各路段的时变权值；

路径规划模块：基于各路段的时变权值，以时间最短为决策目标进行实时路径规划。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

1)建立了道路层次结构模型，考虑到了各种影响最短时间路径规划的各项交通因素、可能造成突发状况的因素，采用层次分析法确定了各个影响因素的权重，实时获取各个影响因素的属性值，计算各个路段的时变权值，实时性高，可实时获取交通状况，分析最佳路径。

2)本发明建立了路网有向图，可实现车辆主动避让相干路段，再基于各个路段的时变权值进行实时的交通节点选取，实现基于时间最优的路径规划，从而保证消防车辆及时到达火灾现场。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的消防灭火救援智能路径规划方法流程示意图；

图2为本发明消防道路层次结构模型示意图；

图3为本发明基于路网有向图进行时间最短路径规划的算法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提出一种消防灭火救援智能路径规划方法，所述方法包括：

S1、以道路性质、道路规格、交通信息为影响因素建立道路层次结构模型；

请参阅图2，所述道路层次结构模型的各个影响因素中，道路性质、道路规格、交通信息作为一级影响因素，所述道路性质包括地面道路、非地面道路等二级影响因素，所述道路规格包括限高、限宽、限速、限重、车道数、承重、路段长度这些二级影响因素，所述交通信息包括行进方向、转弯限制、车辆限制、交通灯个数、车辆事故、施工作业、出行高峰、交通管制、车流量等二级影响因素。

S2、采用层次分析法确定道路层次结构模型中各个影响因素的权重向量；具体包括如下步骤：

S21、通过对同一层次各指标因素之间进行重要度的两两比较，构造层次分析的判断矩阵；

判断矩阵用符号A＝(a_ij)(其中i,j＝1,2,…,n)表示，以判断矩阵的特征值作为权向量，形成n个两两比较矩阵，其中a_ij为因素i与因素j之间的重要性比较。

其中，(1)a_ij＞0；(2)

(3)a_ij＝a_ji(i＝j)，A₁、A₂……A_n为评估指标，a₁₂、a_1n……a_2n是按照“1-9标度法”取值的指标权重，标度值如下：

根据上述步骤比较得出的判断矩阵的特征根λ和特征向量计算一级影响因素权向量，权向量用w＝(w₁,w₂…w_N)^T表示，权重向量的计算公式如下：

A×w＝λ_max×w

其中，A为根据层次结构模型构造的判断矩阵，λ_max为计算得出的最大特征根，权向量就是与λ_max相应的特征向量w，对其归一化处理，得到个影响因素的权重向量，用ω表示：

ω＝w/sum(w)

S22、对判断矩阵进行一致性校验，对不满足一致性校验的判断矩阵进行校正；

S23、计算判断矩阵的最大特征值对应的特征向量，将最大特征值对应的特征向量作为影响因素的权重向量。

S3、构建路网有向图，实时获取当前起点位置、终点位置及实时路况信息，结合各个影响因素的权重向量计算各路段的时变权值；

S31、通过特定手段实时提醒道路上的其他车辆主动避让，具体提醒路段可包括当前路段和下一交叉路口到目的地之间的规划路段，获取在其他车辆主动避让下的实时路况信息；特定手段包括火警鸣笛、交通广播、手机即时通信、智能交通灯，电子路牌提示；

S32、根据所述实时路况信息获取当前时刻各个影响因素的属性数据并进行无量纲化表示，得到当前时刻各个影响因素的无量纲化的属性值；

S33、将每个路段各个影响因素的权重乘以当前时刻对应的无量纲化的属性值，得到各路段的时变权值。

由于现实的交通路况是复杂多变的，车流量、交通事故等因素随时间的变化而变化，也可能发生交通事故的等突发状况，所以交通路网实际是一个随时间变化的动态网络，故权值也是一个时变权值

S4、基于各路段的时变权值，以时间最短为决策目标进行实时路径规划。

请参阅图3，将路网有向图定义为(F,B,W)，其中F＝{f₀,f₁,f₂,f₃…f_n}表示道路交叉口集合，B＝{＜f_i,f_j＞|f_i∈F,f_j∈F,i≠j}表示道路弧的有序集合，W＝{w_ij(t)|i∈N,j∈N}，w_ij(t)表示在t时刻的时变权值；设Q为消防车辆从起点到目标终点的道路交叉口集合，设T_n为车辆出发抵达目标终点的总体耗时；

以时间最短为决策目标进行实时路径规划方法为：

S01、根据起点f₀和目标终点f_n，选取W中最小的权值w_min＝w_ij(t₀)，计算最短路径的交叉口有序集合B₀和最短时间G₀，按照当前最短时间的交叉口有序集合组成的路线行进；

S02、当车辆行进到t_i时刻，预计到达下一交叉口的时刻为t_j＝t_i+w_ij(t_i)；当车辆行进到t_j时刻，判断是否到达下一个交叉口f_j：

如果车辆到达了下一交叉口，将<f_i,f_j>加入到Q集合中，此时预计总体耗时T_n＝T_n+w_ij(t_i)，如果这个交叉口是目标终点，计算结束，否则重复该过程；

如果车辆没有到达下一交叉口，执行步骤S03；

S03、车辆在该路段的剩余行程除以通过该路段的平均时速，计算得到剩余行程所需要的时间为T_d，车辆的下一个交叉口为f_j，预计抵达目标终点的时间为 T_d+G_j(t_j)，计算此刻车辆从起点到目标终点的最小时间为min₍₀₎＝G₀(t_j)；如果 T_d+G_j(t_j)＜min₍₀₎，继续向下一个交叉口行进，把<f_i,f_j>加入到Q集合中，继续执行步骤S02；否则，以t_j为起始时刻，以当前位置为起点，返回步骤S01开始继续规划路径。

与上述方法实施例相对应，本发明还提出一种消防灭火救援智能路径规划系统，所述系统包括：

层次建模模块：以道路性质、道路规格、交通信息为影响因素建立道路层次结构模型；

权重计算模块：采用层次分析法确定道路层次结构模型中各个影响因素的权重向量；

影响计算模块：构建路网有向图，实时获取当前起点位置、终点位置及实时路况信息，结合各个影响因素的权重向量计算各路段的时变权值；

路径规划模块：基于各路段的时变权值，以时间最短为决策目标进行实时路径规划。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种消防灭火救援智能路径规划方法，其特征在于，所述方法包括：

以道路性质、道路规格、交通信息为影响因素建立道路层次结构模型；

采用层次分析法确定道路层次结构模型中各个影响因素的权重向量；

构建路网有向图，实时获取当前起点位置、终点位置及实时路况信息，结合各个影响因素的权重向量计算各路段的时变权值；

基于各路段的时变权值，以时间最短为决策目标进行实时路径规划。

2.根据权利要求1所述消防灭火救援智能路径规划方法，其特征在于，所述道路层次结构模型的各个影响因素中，所述道路性质包括地面道路、非地面道路，所述道路规格包括限高、限宽、限速、限重、车道数、承重、路段长度，所述交通信息包括行进方向、转弯限制、车辆限制、交通灯个数、车辆事故、施工作业、出行高峰、交通管制、车流量。

3.根据权利要求2所述消防灭火救援智能路径规划方法，其特征在于，所述采用层次分析法确定道路层次结构模型中各个影响因素的权重向量具体为：

通过对同一层次各指标因素之间进行重要度的两两比较，构造层次分析的判断矩阵；

对判断矩阵进行一致性校验，对不满足一致性校验的判断矩阵进行校正；

计算判断矩阵的最大特征值对应的特征向量，将最大特征值对应的特征向量作为影响因素的权重向量。

4.根据权利要求3所述消防灭火救援智能路径规划方法，其特征在于，所述构建路网有向图，实时获取当前起点位置、终点位置及实时路况信息，结合各个影响因素的权重向量计算各路段的时变权值具体为：

通过特定手段实时提醒当前路段和下一交叉路口到目的地之间的规划路段上的其他车辆主动避让，获取在其他车辆主动避让下的实时路况信息；特定手段包括火警鸣笛、交通广播、手机即时通信、智能交通灯，电子路牌提示；

根据所述实时路况信息获取当前时刻各个影响因素的属性数据并进行无量纲化表示，得到当前时刻各个影响因素的无量纲化的属性值；

将每个路段各个影响因素的权重乘以当前时刻对应的无量纲化的属性值，得到各路段的时变权值。

5.根据权利要求4所述消防灭火救援智能路径规划方法，其特征在于，所述基于各路段的时变权值，以时间最短为决策目标进行路径规划具体为：

将路网有向图定义为(F，B，W)，其中F＝{f₀，f₁，f₂，f₃...f_n}表示道路交叉口集合，B＝{<f_i，f_j>|f_i∈F，f_j∈F，i≠j}表示道路弧的有序集合，W＝{w_ij(t)|i∈N，j∈N}，w_ij(t)表示在t时刻的时变权值；设Q为消防车辆从起点到目标终点的道路交叉口集合，设T_n为车辆出发抵达目标终点的总体耗时；

以时间最短为决策目标进行实时路径规划方法为：

S01、根据起点f₀和目标终点f_n，选取W中最小的权值w_min＝w_ij(t₀)，计算最短路径的交叉口有序集合B₀和最短时间G₀，按照当前最短时间的交叉口有序集合组成的路线行进；

S02、当车辆行进到t_i时刻，预计到达下一交叉口的时刻为t_j＝t_i+w_ij(t_i)；当车辆行进到t_j时刻，判断是否到达下一个交叉口f_j：

如果车辆到达了下一交叉口，将<f_i，f_j>加入到Q集合中，此时预计总体耗时T_n＝T_n+w_ij(t_i)，如果这个交叉口是目标终点，计算结束，否则重复该过程；

如果车辆没有到达下一交叉口，执行步骤S03；

S03、车辆在该路段的剩余行程除以通过该路段的平均时速，计算得到剩余行程所需要的时间为T_d，车辆的下一个交叉口为f_j，预计抵达目标终点的时间为T_d+G_j(t_j)，计算此刻车辆从起点到目标终点的最小时间为min₍₀₎＝G₀(t_j)；如果T_d+G_j(t_j)＜min₍₀₎，继续向下一个交叉口行进，把<f_i，f_j>加入到Q集合中，继续执行步骤S02；否则，以tj为起始时刻，以当前位置为起点，返回步骤S01开始继续规划路径。

6.一种消防灭火救援智能路径规划系统，其特征在于，所述系统包括：

层次建模模块：以道路性质、道路规格、交通信息为影响因素建立道路层次结构模型；

权重计算模块：采用层次分析法确定道路层次结构模型中各个影响因素的权重向量；

影响计算模块：构建路网有向图，实时获取当前起点位置、终点位置及实时路况信息，结合各个影响因素的权重向量计算各路段的时变权值；

路径规划模块：基于各路段的时变权值，以时间最短为决策目标进行实时路径规划。

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