CN112866902A - 一种动态危险船载环境自适应应急导航方法 - Google Patents

一种动态危险船载环境自适应应急导航方法 Download PDF

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CN112866902A CN202110033421.4A CN202110033421A CN112866902A CN 112866902 A CN112866902 A CN 112866902A CN 202110033421 A CN202110033421 A CN 202110033421A CN 112866902 A CN112866902 A CN 112866902A
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Abstract

一种动态危险船载环境自适应应急导航方法，该方法包括以下步骤：A、根据船舶结构提取船舶的3D拓扑模型，并据此模型布设船载无线传感器网络；B、基于船载无线传感器网络，利用图论理论建立船舶应急疏散模型；C、根据船舶应急疏散模型定义受损船舶环境下的乘客逃生最优路径；D、在预处理阶段，为每一个导航路标建立路径查找表；E、在实际导航阶段，根据乘客行走速度，参照路径查找表，为其确定下一个导航路标直至到达逃生集合点。本设计不仅提高了导航效率与导航成功率，而且提高了用户安全性。

Description

一种动态危险船载环境自适应应急导航方法
技术领域
本发明涉及智能交通的船载环境应急疏散领域，尤其涉及一种动态危险船载环境自适应应急导航方法，主要适用于提高在动态危险船舶环境下的导航效率、导航成功率和被疏散人员安全。
背景技术
自国际海事组织IMO制定国际海上人命安全公约SOLAS以来，如何保证受损船舶中乘客和船员的安全引起航运界极大关注。然而，船舶结构的复杂性，船舶室内环境危险的动态性、受损船舶运动的特殊性及其存活时间的有限性给传统船舶应急疏散手段带来了一系列困境和约束。
目前，基于无线传感器网络的陆地建筑物应急疏散方法众多，根据应急疏散系统处理动态危险的方式，可将现有疏散方法分为被动式应急疏散和主动式应急疏散。被动式应急疏散方法将危险事件视为静态现象，没有充分考虑危险的动态变化对导航路径选择的影响，因此，这类方法提供的导航路径最终可能无法通行。为了确保用户安全，此类必须频繁重新计算导航路径以适应疏散环境的动态变化，这不可避免地引起了用户的局部折返运动，折返运动将导致用户长时间处于危险环境中，对用户安全造成了极大威胁，用户甚至会因此错失生存机会。主动式应急疏散方法充分考虑了疏散环境的动态变化，并采取“前摄行为”，制定导航决策。这类方法利用无线传感器节点的感知能力密切跟踪环境中紧急事件的变化情况，为用户做出主动式决策，以确保导航最终成功。此类方法可使在任何导航路标及相应的时间点上，用户的安全得到保证；但其问题是会造成不必要的绕路，因此降低导航效率，使用户长时间处于危险环境中，因此不适用于难以预测危险动态变化的疏散场景。
尽管目前一些应急疏散算法已经相当成熟，但是其主要适用于陆地建筑物的疏散场景，独特的船舶疏散特点对这些算法产生了极大的约束作用。因此，基于WSN的船载环境应急疏散仍然没有效率高、成功率高、安全性强的方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的导航效率低、导航成功率低、用户安全性差的缺陷与问题，提供一种导航效率高、导航成功率高、用户安全性强的动态危险船载环境自适应应急导航方法。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种动态危险船载环境自适应应急导航方法，该方法包括以下步骤：
A、根据船舶结构提取船舶的3D拓扑模型，并据此模型布设船载无线传感器网络；
B、基于船载无线传感器网络，利用图论理论建立船舶应急疏散模型；
C、根据船舶应急疏散模型定义受损船舶环境下的乘客逃生最优路径；
D、在预处理阶段，为每一个导航路标建立路径查找表；
E、在实际导航阶段，根据乘客行走速度，参照路径查找表，为其确定下一个导航路标直至到达逃生集合点。
步骤A中，在船载环境中布设一个基于IEEE802.15.4/ZigBee的无线传感器网络，其使用2.4GHz频段，该无线传感器网络包括大量不同功能的传感器节点，用于自动探测船载环境参数，并利用倾角传感器实时监测受损船舶倾斜角度，同时，为用户配备装有射频模块且可与传感器节点交互的智能手机。
步骤B具体包括以下步骤：
B1、利用图论理论将船载无线传感器网络映射到二维平面，得到对应的图模型；
B2、根据受损船舶运动特性以及基于此特性的船载乘客行走速度变化规律确定疏散模型边参数，即典型延迟和最坏情况延迟；
B3、根据船舶沉没时间和危险事件动态变化特性确定疏散模型点参数，即最短危险到达时间集合。
步骤B1中，图模型为：
Figure BDA0002893194780000021
其中，
Figure BDA0002893194780000022
为导航路标集合，根据导航路标状态将导航路标集合
Figure BDA0002893194780000023
分为危险路标子集
Figure BDA0002893194780000024
和可行路标子集
Figure BDA0002893194780000025
由危险路标子集
Figure BDA0002893194780000026
构成的凸包称为危险区域；
Figure BDA0002893194780000027
为路径段集合，相邻两个导航路标之间的定向连接称为一个路径段。
步骤B2具体包括以下步骤：
B21、根据实船实验得出船载乘客在静止客船走廊的行走速度、在楼梯上的行走速度，将上述速度作为通过相应路径段的典型速度；
B22、根据实船实验以及计算机疏散仿真程序，得出不同船舶倾斜状态下船载乘客运动特征为：
Figure BDA0002893194780000031
其中，rtrans为船舶横倾状态下的乘客速度减小系数，φ为船舶横倾角度；φ＝30°被定义为船舶沉没标准，因此将船舶横倾角度达到30°时乘客的行走速度称为最坏情况速度；
B23、根据路径段长度和对应的典型速度及最坏情况速度计算得到典型延迟
Figure BDA0002893194780000032
和最坏情况延迟
Figure BDA0002893194780000033
步骤B3具体包括以下步骤：
B31、确定船舶沉没时间
当有效波高h≥4.5m时，利用受损船舶运动模拟程序获得船舶沉没时间；
当有效波高h≤4.5m时，船舶沉没时间通过以下公式获得：
Figure BDA0002893194780000034
其中，Tc为船舶沉没时间，Ts为有效波周期，A和B均为常数；
B32、计算危险到达时间，计算公式如下：
Figure BDA0002893194780000035
其中，D(vj，vi)为危险到达时间，
Figure BDA0002893194780000036
为vj和vh(t0)之间的距离，γ为
Figure BDA0002893194780000037
和
Figure BDA0002893194780000038
之间的夹角，
Figure BDA0002893194780000039
为危险路标vh向路径段
Figure BDA00028931947800000310
移动的速度；
B33、根据Tc和D(vj，vi)确定疏散模型点参数，即最短危险到达时间集合
Figure BDA00028931947800000311
算法如下：
B331、按照如下公式初始化
Figure BDA00028931947800000312
所含元素：
Figure BDA00028931947800000313
B332、输入
Figure BDA00028931947800000314
及危险扩散方向和速度，对于任意vj及
Figure BDA00028931947800000315
若满足θ≤α且β≤a，则按照如下公式计算dh：
Figure BDA0002893194780000041
其中，θ为Δvivjvh中
Figure BDA0002893194780000042
和
Figure BDA0002893194780000043
之间的夹角，α为Δvivjvh中
Figure BDA0002893194780000044
和
Figure BDA0002893194780000045
之间的夹角，β为Δvivjvh中
Figure BDA0002893194780000046
和
Figure BDA0002893194780000047
之间的夹角，
Figure BDA0002893194780000048
为导航路标vj的所有前向邻居节点，
Figure BDA0002893194780000049
定义为：
Figure BDA00028931947800000410
B333、比较dh与D(vj，vi)的值，若dh＜D(vj，vi)，则将dh的最小值赋给D(vj，vi)，并将D(vj，vi)插入最短危险到达时间集合
Figure BDA00028931947800000411
中。
步骤C具体包括以下步骤：
C1、确定导航路标vi的安全邻居节点集合
Figure BDA00028931947800000420
定义为：
Figure BDA00028931947800000412
满足
Figure BDA00028931947800000413
其中，
Figure BDA00028931947800000414
为从vi到vo的所有路径集合，
Figure BDA00028931947800000415
为乘客从va到vi的实际行走时间，
Figure BDA00028931947800000416
为路径p(vi)上任一路径段；vo为出口路标，即靠近逃生集合点的导航路标；C2、从
Figure BDA00028931947800000421
中选择导航路标vi的最优邻居节点π，π确定δ(vi)，δ(vi)定义为：
Figure BDA00028931947800000417
其中，
Figure BDA00028931947800000418
为路径psup(vi)上任一路径段；
psup定义为：
Figure BDA00028931947800000419
其中，
Figure BDA0002893194780000051
为路径p上任一路径段。
步骤D中，为每个导航路标建立的路径查找表分为如下两种类型：
(1)以出口路标vo为目标节点的路径查找表，利用限制延迟快速路由算法为每个导航路标vi建立路径查找表TAB[vi]，TAB[vi]由三元组(s，vj，δ)构成，(s，vj，δ)表示若乘客沿路径段
Figure BDA0002893194780000052
移动，可保证其从vi到vo经历的最坏情况延迟上界为s，同时经历最小典型延迟δ；
(2)以部分受危险影响的导航路标vv为目标节点的路径查找表，其由二元组(s(vv)，vj)构成，(s(vv)，vj)表示若乘客沿路径段
Figure BDA0002893194780000053
移动，可保证其从vi到vv经历的最坏情况延迟上界为s(vv)；
其中，
Figure BDA0002893194780000054
Figure BDA0002893194780000055
定义为：
Figure BDA0002893194780000056
Figure BDA0002893194780000057
Figure BDA0002893194780000058
其中，D(vv，vu)为危险到达路径段
Figure BDA0002893194780000059
的时间，
Figure BDA00028931947800000510
为危险到达vv及其前向邻居节点所构成所有路径段的最短时间集合；
按照如下算法建立以部分
Figure BDA00028931947800000511
为目标节点的路径查找表：
第一、对以下变量进行赋值操作：exist1←FALSE；exist2←FALSE；Count←0；
第二、输入
Figure BDA00028931947800000512
及TAB[vi]，对于任意vi及vj∈TAB[vi]，若
Figure BDA00028931947800000513
对于任意
Figure BDA00028931947800000514
若
Figure BDA00028931947800000515
则将exist1赋值为TRUE且Count值加1；循环遍历所有p(vi)，若满足Count≡|p(vi)|，则将exist2赋值为TRUE；
第三、若满足exist2≡TRUE，以vy为终点调用路径查找表合成法建立路径查找表。
步骤E具体包括以下步骤：
E1、查询以出口路标vo为目标节点的路径查找表；乘客位于导航路标vi上，若
Figure BDA0002893194780000065
则路径段
Figure BDA0002893194780000061
成为乘客备选路径段；
E2、查询以
Figure BDA0002893194780000062
为目标节点的路径查找表；乘客位于导航路标vi上，若
Figure BDA0002893194780000063
则乘客选择路径段
Figure BDA0002893194780000064
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明一种动态危险船载环境自适应应急导航方法中，在充分考虑船舶结构及船舶应急疏散特点的基础上，提出基于WSN的考虑受损船舶倾斜状态变化影响的动态危险船载环境自适应应急导航方法，该导航方法主要通过布设传感器网络、建立应急疏散模型、构建路径查找表三个步骤实现实时定制化导航服务；整个疏散方法有效地解决了动态危险船载环境下根据乘客实际行走速度提供实时定制化导航服务的问题，大大提高了疏散成功率。因此，本发明不仅提高了导航效率与导航成功率，而且提高了用户安全性。
附图说明
图1是本发明一种动态危险船载环境自适应应急导航方法的流程图。
图2是本发明中无线传感器网络的布置示意图。
图3是大型邮轮3D结构图。
图4是本发明的疏散场景图及对应的应急疏散模型。
图5是本发明中构建的路径查找表。
图6是本发明提供的实时定制化导航服务示意图。
图7是本发明所提基于WSN的船舶应急疏散方法与其它几种基于WSN的疏散方法的试验结果对比图。
具体实施方式
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。
参见图1至图6，一种动态危险船载环境自适应应急导航方法，该方法包括以下步骤：
A、根据船舶结构提取船舶的3D拓扑模型，并据此模型布设船载无线传感器网络；
B、基于船载无线传感器网络，利用图论理论建立船舶应急疏散模型；
C、根据船舶应急疏散模型定义受损船舶环境下的乘客逃生最优路径；
D、在预处理阶段，为每一个导航路标建立路径查找表；
E、在实际导航阶段，根据乘客行走速度，参照路径查找表，为其确定下一个导航路标直至到达逃生集合点。
步骤A中，在船载环境中布设一个基于IEEE802.15.4/ZigBee的无线传感器网络，其使用2.4GHz频段，该无线传感器网络包括大量不同功能的传感器节点，用于自动探测船载环境参数，并利用倾角传感器实时监测受损船舶倾斜角度，同时，为用户配备装有射频模块且可与传感器节点交互的智能手机。
步骤B具体包括以下步骤：
B1、利用图论理论将船载无线传感器网络映射到二维平面，得到对应的图模型；
B2、根据受损船舶运动特性以及基于此特性的船载乘客行走速度变化规律确定疏散模型边参数，即典型延迟和最坏情况延迟；
B3、根据船舶沉没时间和危险事件动态变化特性确定疏散模型点参数，即最短危险到达时间集合。
步骤B1中，图模型为：
Figure BDA0002893194780000071
其中，
Figure BDA0002893194780000072
为导航路标集合，根据导航路标状态将导航路标集合
Figure BDA0002893194780000073
分为危险路标子集
Figure BDA0002893194780000074
和可行路标子集
Figure BDA0002893194780000075
由危险路标子集
Figure BDA0002893194780000076
构成的凸包称为危险区域；
Figure BDA0002893194780000077
为路径段集合，相邻两个导航路标之间的定向连接称为一个路径段。
步骤B2具体包括以下步骤：
B21、根据实船实验得出船载乘客在静止客船走廊的行走速度、在楼梯上的行走速度，将上述速度作为通过相应路径段的典型速度；
B22、根据实船实验以及计算机疏散仿真程序，得出不同船舶倾斜状态下船载乘客运动特征为：
Figure BDA0002893194780000078
其中，rtrans为船舶横倾状态下的乘客速度减小系数，φ为船舶横倾角度；φ＝30°被定义为船舶沉没标准，因此将船舶横倾角度达到30°时乘客的行走速度称为最坏情况速度；
B23、根据路径段长度和对应的典型速度及最坏情况速度计算得到典型延迟
Figure BDA0002893194780000081
和最坏情况延迟
Figure BDA0002893194780000082
步骤B3具体包括以下步骤：
B31、确定船舶沉没时间
当有效波高h≥4.5m时，利用受损船舶运动模拟程序获得船舶沉没时间；
当有效波高h≤4.5m时，船舶沉没时间通过以下公式获得：
Figure BDA0002893194780000083
其中，Tc为船舶沉没时间，Ts为有效波周期，A和B均为常数；
B32、计算危险到达时间，计算公式如下：
Figure BDA0002893194780000084
其中，D(vj，vi)为危险到达时间，
Figure BDA0002893194780000085
为vj和vh(t0)之间的距离，γ为
Figure BDA0002893194780000086
和
Figure BDA0002893194780000087
之间的夹角，
Figure BDA0002893194780000088
为危险路标vh向路径段
Figure BDA0002893194780000089
移动的速度；
B33、根据Tc和D(vj，vi)确定疏散模型点参数，即最短危险到达时间集合
Figure BDA00028931947800000810
算法如下：
B331、按照如下公式初始化
Figure BDA00028931947800000811
所含元素：
Figure BDA00028931947800000812
B332、输入
Figure BDA00028931947800000813
及危险扩散方向和速度，对于任意vj及
Figure BDA00028931947800000814
若满足0≤α且β≤α，则按照如下公式计算dh：
Figure BDA00028931947800000815
其中，θ为Δvivjvh中
Figure BDA00028931947800000816
和
Figure BDA00028931947800000817
之间的夹角，α为Δvivjvh中
Figure BDA00028931947800000818
和
Figure BDA00028931947800000819
之间的夹角，β为Δvivjvh中
Figure BDA00028931947800000820
和
Figure BDA00028931947800000821
之间的夹角，
Figure BDA00028931947800000822
为导航路标vj的所有前向邻居节点，
Figure BDA00028931947800000823
定义为：
Figure BDA00028931947800000824
B333、比较dh与D(vj，vi)的值，若dh＜D(vj，vi)，则将dh的最小值赋给D(vj，vi)，并将D(vj，vi)插入最短危险到达时间集合
Figure BDA0002893194780000091
中。
步骤C具体包括以下步骤：
C1、确定导航路标vi的安全邻居节点集合
Figure BDA00028931947800000914
定义为：
Figure BDA0002893194780000092
满足
Figure BDA0002893194780000093
其中，
Figure BDA0002893194780000094
为从vi到vo的所有路径集合，
Figure BDA0002893194780000095
为乘客从va到vi的实际行走时间，
Figure BDA0002893194780000096
为路径p(vi)上任一路径段；vo为出口路标，即靠近逃生集合点的导航路标；
C2、从
Figure BDA00028931947800000913
中选择导航路标vi的最优邻居节点π，π确定δ(vi)，δ(vi)定义为：
Figure BDA0002893194780000097
其中，
Figure BDA0002893194780000098
为路径psup(vi)上任一路径段；
psup定义为：
Figure BDA0002893194780000099
其中，
Figure BDA00028931947800000910
为路径p上任一路径段。
步骤D中，为每个导航路标建立的路径查找表分为如下两种类型：
(1)以出口路标vo为目标节点的路径查找表，利用限制延迟快速路由算法为每个导航路标vi建立路径查找表TAB[vi]，TAB[vi]由三元组(s，vj，δ)构成，(s，vj，δ)表示若乘客沿路径段
Figure BDA00028931947800000911
移动，可保证其从vi到vo经历的最坏情况延迟上界为s，同时经历最小典型延迟δ；
(2)以部分受危险影响的导航路标vv为目标节点的路径查找表，其由二元组(s(vv)，vj)构成，(s(vv)，vj)表示若乘客沿路径段
Figure BDA00028931947800000912
移动，可保证其从vi到vv经历的最坏情况延迟上界为s(vv)；
其中，
Figure BDA0002893194780000101
Figure BDA0002893194780000102
定义为：
Figure BDA0002893194780000103
Figure BDA0002893194780000104
Figure BDA0002893194780000105
其中，D(vv，vu)为危险到达路径段
Figure BDA0002893194780000106
的时间，
Figure BDA0002893194780000107
为危险到达vv及其前向邻居节点所构成所有路径段的最短时间集合；
按照如下算法建立以部分
Figure BDA0002893194780000108
为目标节点的路径查找表：
第一、对以下变量进行赋值操作：exist1←FALSE；exist2←FALSE；Count←0；
第二、输入
Figure BDA0002893194780000109
及TAB[vi]，对于任意vi及vj∈TAB[vi]，若
Figure BDA00028931947800001010
对于任意
Figure BDA00028931947800001011
若
Figure BDA00028931947800001012
则将exist1赋值为TRUE且Count值加1；循环遍历所有p(vi)，若满足Count≡|p(vi)|，则将exist2赋值为TRUE；
第三、若满足exist≡TRUE，以vy为终点调用路径查找表合成法建立路径查找表。
步骤E具体包括以下步骤：
E1、查询以出口路标vo为目标节点的路径查找表；乘客位于导航路标vi上，若
Figure BDA00028931947800001013
则路径段
Figure BDA00028931947800001014
成为乘客备选路径段；
E2、查询以
Figure BDA00028931947800001015
为目标节点的路径查找表；乘客位于导航路标vi上，若
Figure BDA00028931947800001016
则乘客选择路径段
Figure BDA00028931947800001017
本发明的原理说明如下：
大型邮轮需要具有足够的储备浮力和稳性，保证其因发生碰撞、触礁、搁浅等海上事故导致破舱进水后仍能保持一定浮态和稳性。然而，如果进水量过大，船舶会由于储备浮力丧失过多失去浮性而沉没，或者因稳性不足而倾覆，或因舱室进水而导致船体断裂。在这种情况下，可用乘客疏散时间是有限的，一旦超过此期限，乘客几乎没有生还的可能性。另外，受损船舶的动态运动严重影响了乘客在疏散过程中的步行速度，使乘客通过相同长度路径段的时间具有很大的不确定性。为了解决上述问题，我们在利用图论理论建立船舶应急疏散模型时引入典型延迟
Figure BDA0002893194780000111
和最坏情况延迟
Figure BDA0002893194780000112
两个延迟参数，同时，将船舶应急疏散问题转化为一个有约束的最短路由问题。
利用限制延迟快速路由算法(Rapid routing with guaranteed delay bounds)思想，考虑受损船舶危险动态环境，在预处理阶段构建两类路径查找表，为实时定制化导航服务提供基础。
实施例：
参见图1、图2，一种动态危险船载环境自适应应急导航方法，该方法包括以下步骤：
A、根据船舶结构提取船舶的3D拓扑模型，并据此模型布设船载无线传感器网络；
参见图3，在船载环境中布设一个基于IEEE802.15.4/ZigBee的无线传感器网络，其使用2.4GHz频段，该无线传感器网络包括大量不同功能的传感器节点，用于自动探测温度、湿度和烟雾等船载环境参数，并利用倾角传感器实时监测受损船舶倾斜角度，同时，为用户配备装有射频模块且可与传感器节点交互的智能手机；利用船载无线传感器网络的感知能力，密切追踪船舶疏散环境动态变化和疏散人员实时位置，并与配备射频模块的乘客通信，指导乘客安全疏散；
B、基于船载无线传感器网络，利用图论理论建立船舶应急疏散模型；具体包括以下步骤：
B1、利用图论理论将船载无线传感器网络映射到二维平面，得到对应的图模型：
Figure BDA0002893194780000113
其中，
Figure BDA0002893194780000114
为导航路标集合，参见图4(a)-(c)，根据导航路标状态将导航路标集合
Figure BDA0002893194780000115
分为危险路标子集
Figure BDA0002893194780000116
和可行路标子集
Figure BDA0002893194780000117
由危险路标子集
Figure BDA0002893194780000118
构成的凸包称为危险区域，本设计仅考虑危险扩散的疏散场景；
Figure BDA0002893194780000119
为路径段集合，相邻两个导航路标之间的定向连接称为一个路径段，比如导航路标vi和导航路标vj之间的定向连接称为一个路径段
Figure BDA00028931947800001110
B2、根据受损船舶运动特性以及基于此特性的船载乘客行走速度变化规律确定疏散模型边参数，即典型延迟和最坏情况延迟；具体包括以下步骤：
B21、根据实船实验得出船载乘客在静止客船走廊的行走速度是1.4m/s、在楼梯上的行走速度是0.7m/s，将上述速度作为通过相应路径段的典型速度；
B22、根据实船实验以及计算机疏散仿真程序，得出不同船舶倾斜状态下船载乘客运动特征为：
Figure BDA0002893194780000121
其中，rtrans为船舶横倾状态下的乘客速度减小系数，φ为船舶横倾角度；φ＝30°被定义为船舶沉没标准，因此将船舶横倾角度达到30°时乘客的行走速度称为最坏情况速度；
B23、根据路径段长度和对应的典型速度及最坏情况速度计算得到典型延迟
Figure BDA0002893194780000122
和最坏情况延迟
Figure BDA0002893194780000123
B3、根据船舶沉没时间和危险事件动态变化特性确定疏散模型点参数，即最短危险到达时间集合；具体包括以下步骤：
B31、确定船舶沉没时间
当有效波高h≥4.5m时，利用受损船舶运动模拟程序获得船舶沉没时间，该方法考虑了船舶装载情况、破损部位和损坏程度以及航行区域海况等必要信息；
当有效波高h≤4.5m时，船舶沉没时间通过以下公式获得：
Figure BDA0002893194780000124
其中，Tc为船舶沉没时间，Ts为有效波周期，A和B均为常数，有效波周期Ts不变的条件下，模拟h≥4.5m时受损船舶运动可得到常数A和B；
B32、计算危险到达时间，将危险区域的动态变化转化成危险路标向某路径段的移动，计算公式如下：
Figure BDA0002893194780000125
其中，D(vj，vi)为危险到达时间，
Figure BDA0002893194780000126
为vj和vh(t0)之间的距离，γ为
Figure BDA0002893194780000127
和
Figure BDA0002893194780000128
之间的夹角，
Figure BDA0002893194780000129
为危险路标vh向路径段
Figure BDA00028931947800001210
移动的速度；
B33、根据Tc和D(vj，vi)确定疏散模型点参数，即最短危险到达时间集合
Figure BDA00028931947800001211
算法如下：
B331、按照如下公式初始化
Figure BDA0002893194780000131
所含元素：
Figure BDA0002893194780000132
B332、输入
Figure BDA0002893194780000133
及危险扩散方向和速度，对于任意vj及
Figure BDA0002893194780000134
若满足θ≤α且β≤α，则按照如下公式计算dh：
Figure BDA0002893194780000135
其中，θ为Δvivjvh中
Figure BDA0002893194780000136
和
Figure BDA0002893194780000137
之间的夹角，α为Δvivjvh中
Figure BDA0002893194780000138
和
Figure BDA0002893194780000139
之间的夹角，β为Δvivjvh中
Figure BDA00028931947800001310
和
Figure BDA00028931947800001311
之间的夹角，
Figure BDA00028931947800001312
为导航路标vj的所有前向邻居节点，
Figure BDA00028931947800001313
定义为：
Figure BDA00028931947800001314
B333、比较dh与D(vj，vi)的值，若dh＜D(vj，vi)，则将dh的最小值赋给D(vj，vi)，并将D(vj，vi)插入最短危险到达时间集合
Figure BDA00028931947800001315
中；
C、根据船舶应急疏散模型描述船舶应急疏散问题即定义受损船舶环境下的乘客逃生最优路径psup；该路径具有以下特点：第一、在任何情况下保证乘客在船舶沉没之前到达集合点，即使其在疏散过程中一直经历最坏情况延迟；第二、保证乘客在疏散过程中避开危险区域；第三、保证乘客在逃生过程中避免不必要的折返运动；第四、考虑乘客实际行走速度，保证其以最短典型延迟逃生；具体包括以下步骤：
C1、确定导航路标vi的安全邻居节点集合
Figure BDA00028931947800001321
定义为：
Figure BDA00028931947800001316
满足
Figure BDA00028931947800001317
其中，
Figure BDA00028931947800001318
为从vi到vo的所有路径集合，
Figure BDA00028931947800001319
为乘客从va到vi的实际行走时间，
Figure BDA00028931947800001320
为路径p(vi)上任一路径段；vo为出口路标，即靠近逃生集合点的导航路标；
C2、从
Figure BDA00028931947800001415
中选择导航路标vi的最优邻居节点π，π确定δ(vi)，δ(vi)定义为：
Figure BDA0002893194780000141
其中，
Figure BDA0002893194780000142
为路径psup(vi)上任一路径段；
psup定义为：
Figure BDA0002893194780000143
其中，
Figure BDA0002893194780000144
为路径p上任一路径段；
D、在预处理阶段，为每一个导航路标建立路径查找表，参见图5，分为如下两种类型：
(1)以出口路标vo为目标节点的路径查找表，利用限制延迟快速路由算法(Rapidrouting with guaranteed delay bounds)为每个导航路标vi建立路径查找表TAB[vi]，TAB[vi]由三元组(s，vj，δ)构成，(s，vj，δ)表示若乘客沿路径段
Figure BDA0002893194780000145
移动，可保证其从vi到vo经历的最坏情况延迟上界为s，同时经历最小典型延迟δ；
(2)以部分受危险影响的导航路标vv为目标节点的路径查找表，其由二元组(s(vv)，vj)构成，(s(vv)，vj)表示若乘客沿路径段
Figure BDA0002893194780000146
移动，可保证其从vi到vv经历的最坏情况延迟上界为s(vv)；
其中，
Figure BDA0002893194780000147
Figure BDA0002893194780000148
定义为：
Figure BDA0002893194780000149
Figure BDA00028931947800001410
Figure BDA00028931947800001411
其中，D(vv，vu)为危险到达路径段
Figure BDA00028931947800001412
的时间，
Figure BDA00028931947800001413
为危险到达vv及其前向邻居节点所构成所有路径段的最短时间集合；
按照如下算法建立以部分
Figure BDA00028931947800001414
为目标节点的路径查找表：
第一、对以下变量进行赋值操作：exist1←FALSE；exist2←FALSE；Count←0；
第二、输入
Figure BDA0002893194780000151
及TAB[vi]，对于任意vi及vj∈TAB[vi]，若
Figure BDA0002893194780000152
对于任意
Figure BDA0002893194780000153
若
Figure BDA0002893194780000154
则将exist1赋值为TRUE且Count值加1；循环遍历所有p(vi)(p(vi)包含
Figure BDA0002893194780000155
)，若满足Count≡|p(vi)|，则将exist2赋值为TRUE；
第三、若满足exist 2≡TRUE，以vy为终点调用路径查找表合成法(LOOK-UP TABLESYNTHESIS程序)建立路径查找表；
E、在实际导航阶段，根据乘客行走速度，参照路径查找表，为其确定下一个导航路标直至到达逃生集合点；参见图6，具体按照如下方式指导乘客疏散：
E1、查询以出口路标vo为目标节点的路径查找表；乘客位于导航路标vi上，若
Figure BDA0002893194780000156
则路径段
Figure BDA0002893194780000157
成为乘客备选路径段；
E2、查询以
Figure BDA0002893194780000158
为目标节点的路径查找表；乘客位于导航路标vi上，若
Figure BDA0002893194780000159
则乘客选择路径段
Figure BDA00028931947800001510
参见图7，本设计所提的应急疏散方法与MA(基于空间中轴提取的导航算法，该算法将空间中轴作为路线图嵌入传感器网络，为建筑物内用户提供导航信息)、OPEN(基于WSN的无折返导航方法，该方法利用传感器节点的感知能力，将紧急事件的动态变化量化为ENO(预期折返次数)，传感器节点协同工作分发ENO信息，将ENO作为一种新型路径规划指标，找到具有最小折返可能性的导航路径)应急疏散方法相比，在导航成功率和导航效率方面有较大的提高。

Claims (9)

1.一种动态危险船载环境自适应应急导航方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
A、根据船舶结构提取船舶的3D拓扑模型，并据此模型布设船载无线传感器网络；
B、基于船载无线传感器网络，利用图论理论建立船舶应急疏散模型；
C、根据船舶应急疏散模型定义受损船舶环境下的乘客逃生最优路径；
D、在预处理阶段，为每一个导航路标建立路径查找表；
E、在实际导航阶段，根据乘客行走速度，参照路径查找表，为其确定下一个导航路标直至到达逃生集合点。
2.根据权利要求1所述的一种动态危险船载环境自适应应急导航方法，其特征在于：步骤A中，在船载环境中布设一个基于IEEE802.15.4/ZigBee的无线传感器网络，其使用2.4GHz频段，该无线传感器网络包括大量不同功能的传感器节点，用于自动探测船载环境参数，并利用倾角传感器实时监测受损船舶倾斜角度，同时，为用户配备装有射频模块且可与传感器节点交互的智能手机。
3.根据权利要求1所述的一种动态危险船载环境自适应应急导航方法，其特征在于：步骤B具体包括以下步骤：
B1、利用图论理论将船载无线传感器网络映射到二维平面，得到对应的图模型；
B2、根据受损船舶运动特性以及基于此特性的船载乘客行走速度变化规律确定疏散模型边参数，即典型延迟和最坏情况延迟；
B3、根据船舶沉没时间和危险事件动态变化特性确定疏散模型点参数，即最短危险到达时间集合。
4.根据权利要求3所述的一种动态危险船载环境自适应应急导航方法，其特征在于：步骤B1中，图模型为：
Figure FDA0002893194770000011
其中，
Figure FDA0002893194770000012
为导航路标集合，根据导航路标状态将导航路标集合
Figure FDA0002893194770000013
分为危险路标子集
Figure FDA0002893194770000014
和可行路标子集
Figure FDA0002893194770000015
由危险路标子集
Figure FDA0002893194770000016
构成的凸包称为危险区域；
Figure FDA0002893194770000017
为路径段集合，相邻两个导航路标之间的定向连接称为一个路径段。
5.根据权利要求4所述的一种动态危险船载环境自适应应急导航方法，其特征在于：步骤B2具体包括以下步骤：
B21、根据实船实验得出船载乘客在静止客船走廊的行走速度、在楼梯上的行走速度，将上述速度作为通过相应路径段的典型速度；
B22、根据实船实验以及计算机疏散仿真程序，得出不同船舶倾斜状态下船载乘客运动特征为：
Figure FDA0002893194770000021
其中，rtrans为船舶横倾状态下的乘客速度减小系数，φ为船舶横倾角度；φ＝30°被定义为船舶沉没标准，因此将船舶横倾角度达到30°时乘客的行走速度称为最坏情况速度；
B23、根据路径段长度和对应的典型速度及最坏情况速度计算得到典型延迟
Figure FDA0002893194770000022
和最坏情况延迟
Figure FDA0002893194770000023
6.根据权利要求5所述的一种动态危险船载环境自适应应急导航方法，其特征在于：步骤B3具体包括以下步骤：
B31、确定船舶沉没时间
当有效波高h≥4.5m时，利用受损船舶运动模拟程序获得船舶沉没时间；
当有效波高h≤4.5m时，船舶沉没时间通过以下公式获得：
Figure FDA0002893194770000024
其中，Tc为船舶沉没时间，Ts为有效波周期，A和B均为常数；
B32、计算危险到达时间，计算公式如下：
Figure FDA0002893194770000025
其中，D(vj，vi)为危险到达时间，
Figure FDA0002893194770000026
为vj和vh(t0)之间的距离，γ为
Figure FDA0002893194770000027
和
Figure FDA0002893194770000028
之间的夹角，
Figure FDA0002893194770000029
为危险路标vh向路径段
Figure FDA00028931947700000210
移动的速度；
B33、根据Tc和D(vj，vi)确定疏散模型点参数，即最短危险到达时间集合
Figure FDA00028931947700000211
算法如下：
B331、按照如下公式初始化
Figure FDA0002893194770000031
所含元素：
Figure FDA0002893194770000032
B332、输入
Figure FDA0002893194770000033
及危险扩散方向和速度，对于任意vj及
Figure FDA0002893194770000034
若满足θ≤α且β≤α，则按照如下公式计算dh：
Figure FDA0002893194770000035
其中，θ为△vivjvh中
Figure FDA00028931947700000323
和
Figure FDA0002893194770000037
之间的夹角，α为Δvivjvh中
Figure FDA0002893194770000038
和
Figure FDA0002893194770000039
之间的夹角，β为Δvivjvh中
Figure FDA00028931947700000310
和
Figure FDA00028931947700000311
之间的夹角，
Figure FDA00028931947700000312
为导航路标vj的所有前向邻居节点，
Figure FDA00028931947700000313
定义为：
Figure FDA00028931947700000314
B333、比较dh与D(vj，vi)的值，若dh＜D(vj，vi)，则将dh的最小值赋给D(vj，vi)，并将D(vj，vi)插入最短危险到达时间集合
Figure FDA00028931947700000322
中。
7.根据权利要求6所述的一种动态危险船载环境自适应应急导航方法，其特征在于：步骤C具体包括以下步骤：
C1、确定导航路标vi的安全邻居节点集合
Figure FDA00028931947700000315
定义为：
Figure FDA00028931947700000316
满足
Figure FDA00028931947700000317
其中，
Figure FDA00028931947700000318
为从vi到vo的所有路径集合，
Figure FDA00028931947700000319
为乘客从va到vi的实际行走时间，
Figure FDA00028931947700000320
为路径p(vi)上任一路径段；vo为出口路标，即靠近逃生集合点的导航路标；
C2、从
Figure FDA00028931947700000321
中选择导航路标vi的最优邻居节点π，π确定δ(vi)，δ(vi)定义为：
Figure FDA0002893194770000041
其中，
Figure FDA0002893194770000042
为路径psup(vi)上任一路径段；
psup定义为：
Figure FDA0002893194770000043
其中，
Figure FDA0002893194770000044
为路径p上任一路径段。
8.根据权利要求7所述的一种动态危险船载环境自适应应急导航方法，其特征在于：步骤D中，为每个导航路标建立的路径查找表分为如下两种类型：
(1)以出口路标vO为目标节点的路径查找表，利用限制延迟快速路由算法为每个导航路标vi建立路径查找表TAB[vi]，TAB[vi]由三元组(s，vj，δ)构成，(s，vj，δ)表示若乘客沿路径段
Figure FDA0002893194770000045
移动，可保证其从vi到vo经历的最坏情况延迟上界为S，同时经历最小典型延迟δ；
(2)以部分受危险影响的导航路标vv为目标节点的路径查找表，其由二元组(s(vv)，vj)构成，(s(vv)，vj)表示若乘客沿路径段
Figure FDA0002893194770000046
移动，可保证其从vi到vv经历的最坏情况延迟上界为s(vv)；
其中，
Figure FDA0002893194770000047
Figure FDA0002893194770000048
定义为：
Figure FDA0002893194770000049
Figure FDA00028931947700000410
Figure FDA00028931947700000411
其中，D(vv，vu)为危险到达路径段
Figure FDA00028931947700000412
的时间，
Figure FDA00028931947700000413
为危险到达vv及其前向邻居节点所构成所有路径段的最短时间集合；
按照如下算法建立以部分
Figure FDA00028931947700000414
为目标节点的路径查找表：
第一、对以下变量进行赋值操作：exist1←FALSE；exist2←FALSE；Count←0；
第二、输入
Figure FDA0002893194770000051
及TAB[vi]，对于任意vi及vj∈TAB[vi]，若
Figure FDA0002893194770000053
对于任意
Figure FDA0002893194770000054
若
Figure FDA0002893194770000055
则将exist1赋值为TRUE且Count值加1；循环遍历所有p(vi)，若满足Count≡|p(vi)|，则将exist2赋值为TRUE；
第三、若满足exiSt2≡TRUE，以vy为终点调用路径查找表合成法建立路径查找表。
9.根据权利要求8所述的一种动态危险船载环境自适应应急导航方法，其特征在于：步骤E具体包括以下步骤：
F1、查询以出口路标vo为目标节点的路径查找表；乘客位于导航路标vi上，若
Figure FDA0002893194770000056
则路径段
Figure FDA0002893194770000057
成为乘客备选路径段；
E2、查询以
Figure FDA0002893194770000058
为目标节点的路径查找表；乘客位于导航路标vi上，若
Figure FDA0002893194770000059
则乘客选择路径段
Figure FDA00028931947700000510
CN202110033421.4A 2021-01-12 2021-01-12 一种动态危险船载环境自适应应急导航方法 Active CN112866902B (zh)

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