CN113701757A - 一种消防应急用室内导航系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消防应急用室内导航系统及方法，属于导航装置的技术领域。包括：基于多层空间构建三维地图模型，并生成三维地图数据集合；构建识别模型，基于识别模型的输出结果分析得到火灾区域，并结合当前的火势在火灾区域上计算火灾预扩大的范围得到危险区域，并生成危险区域数据集合；将三维地图数据集合中的危险区域数据集合剔除更新得到新的三维地图数据集合；提示从当前位置到出口之间的最佳路径。本发明研发出的系统可以安装在手持终端上，确保每位在逃人员实时跟踪到当前室内的火势情况，以及受火势的影响剩余可走的路线，不再需要在逃人员去寻找图标或者自行探索前方的路径是否可行，缩短了出逃的时间，提高了效率和增加了安全指数。

Description

一种消防应急用室内导航系统及方法

技术领域

本发明属于导航装置的技术领域，特别是涉及一种消防应急用室内导航系统及方法。

背景技术

目前，商场、医院、办公楼等建筑规模越来越大，楼层也越来越高。为了避免发生意外或者火灾，一般都会在以上建筑的指定位置处放置消防通道，便于在意外发生时能够指引室内的人员进行安全分散。但是以上室内的人员对所在建筑的结构并不是很了解，且非常多的情况下人员都是通过电梯进行升降，很少有人会去主动了解楼梯间的所在位置，因此也就导致了在意外发生时人员需要通过消防通道很快的了解疏散通道。但是结合当时的情况，室内是混乱的甚至是有火焰、烟气阻碍人员去寻找疏散通道，且当时的情况下，人员也是焦虑的，也很难确保能够准确获取并理性分析疏散通道。

发明内容

本发明为解决上述背景技术中存在的技术问题，提供一种消防应急用室内导航系统及方法。

本发明采用以下技术方案：一种消防应急用室内导航方法，包括以下步骤：

基于多层空间构建三维地图模型，并生成三维地图数据集合；

构建识别模型，基于识别模型的输出结果分析得到火灾区域，并结合当前的火势在火灾区域上计算火灾预扩大的范围得到危险区域，于三维地图模型中标定出危险区域，并生成危险区域数据集合；

将三维地图数据集合中的危险区域数据集合剔除更新得到新的三维地图数据集合；

基于新的三维地图数据计算并提示从当前位置到出口之间的最佳路径。

在进一步的实施例中，所述三维地图数据集合至少包括：所述三维地图数据至少包括当前时间点t、楼层F_n、当前时间每个楼层的安全通道E_tm以及当前时间相邻楼层之间的楼梯通道S；其中，n为楼层的数量，m为每层楼层中的安全通道的数量。

通过采用上述技术方案：适用于楼层较多的室内，以时间为节点，首选通过给定楼层，及每个楼层内对应包含的安全通道和楼梯通道，在第一时间内将电梯排出，降低对使用者的干扰。将室内的建筑及构造以最简单的形式展现出来，便于逃亡人员在极短的时间内最快的了解该建筑和内部构造。

在进一步的实施例中，识别模型具体包括以下流程：

获取着火点处沿横向发展的火势温度T_0→x和人体能见度V_0→x、沿纵向发展的火势温度T_0→z和人体能见度V_0→z；

以着火点为原点，对横向火灾区域的范围进行取值：以阈值温度和阈值人体能见度为界限，对比得到在阈值温度以外且阈值人体能见度以内的横向范围，取最大值x；x＝max{T_0→x≥T，V_0→x≤V}；

以阈值温度和阈值人体能见度为界限，对比得到在阈值温度以外且阈值人体能见度以内的纵向范围，取最大值z；

对横向火灾区域的范围进行取值：z＝max{T_0→z≥T，V_0→z≤V}，其中T为阈值温度，V为阈值人体能见度；

则火灾区域的表示范围为：F＝(-x，x，z，-z)。

通过采用上述技术方案：在逃亡者的手持终端的系统内首先分析出火灾区域的坐标及信息，让逃亡者对目前的形式有着初步的了解，也便于逃亡者结合数据分析有一定的主观意识，避免闯入火灾区域。

在进一步的实施例中，所述危险区域的计算方法具体包括以下流程：

定义火焰在横向上的扩散速度为ν_x，在纵向上的扩散速度为ν_z，火焰粒子的旋转角度为θ，则计算得到

其中Δx为横向的单向扩散范围，Δz为纵向的单向扩散范围；

其中Δt为更新三维地图数据的时间间隔；δ为火焰扩散系数；

则危险区域为F’＝(-x-Δx，x+Δx，z+Δz，-z-Δz)。

通过采用上述技术方案：在高层建筑中，不是短暂的几秒便可清空建筑内部的人员，可能需要十几分钟甚至是更久，而在这要十几分钟甚至是更久的时间内，如果消防人员未能及时赶到现场，或者并不能做到有效的救援，此时的火势将会存在越来越严峻的趋势，故火灾的涉及面积不再是之前的火灾区域，会随着时间的流逝，火灾区域将会逐渐增大，因此通过危险区域概念的引入，按照目前的火势做预扩大分析，将火势即将蔓延的区域进行标定，提醒逃亡者不要靠近，进一步的提高了安全系数，并且节省了逃亡的时间。

在进一步的实施例中，所述危险区域数据集合至少包括：当前的时间t、当前时间t被火焰占用的楼层F_n’、对应楼层F_n’中的所有的安全通道，以及被火焰占用的楼梯通道；

还包括：在未来时间的Δt内，即将被火焰占用的楼层F_n″、对应楼层F_n″中的所有的安全通道，以及被火焰占用的楼梯通道。

通过采用上述技术方案：危险区域数据集合中的元素与三维地图数据集合中的元素是相互对应的，其目的是为了便于逃亡者最直观的找出危险区域。

在进一步的实施例中，所述新的三维地图数据集合至少包括：

当前时间t内的可行走的楼层

当前时间对应楼层可行走的安全通道

以及当前时间相邻楼层之间的可行走的楼梯通道

以及在未来时间Δt内可行走的楼层、对应楼层可行走的安全通道及此时相邻楼层之间的可行走的楼梯通道。

通过采用上述技术方案：新的三维地图数据集合中元素即为可行走的路线，为后期提供路线创造了条件，增加了后台数据处理的效率，直接忽略无效数据(即危险区域)。

在进一步的实施例中，所述最佳路径的计算方法包括以下流程：

根据新的三维地图数据集合生成多组可走路线，且每组路线有若干个安全通道和楼梯通道首尾连接而成，将每段安全通道和楼梯通道均统称为过道；每个过道的长度为l_k，宽度为W_k，其中，k为每组路线中的过道的个数；

计算每组路径的总长为L_i，i为可走路线的编号；计算每组路线权重值ω_i并对每组路线的权重值ω_i的大小进行对比，则最佳路线即为最小权重值对应的路线。

通过以下公式计算：

式中ε_k为每个过道的人流量。

用于实现上所述的导航方法的导航系统，包括：

第一模块，被设置为基于多层空间构建三维地图模型，并生成三维地图数据集合；

第二模块，被设置为构建识别模型，基于识别模型的输出结果分析得到火灾区域，并结合当前的火势在火灾区域上计算火灾预扩大的范围得到危险区域，于三维地图模型中标定出危险区域，并生成险区域数据集合；

第三模块，被设置为将三维地图数据集合中的危险区域数据集合剔除更新得到新的三维地图数据集合；

第四模块，被设置为基于新的三维地图数据计算并提示从当前位置到出口之间的最佳路径。

在进一步的实施例中，该系统安装在手持终端内。实现该系统的普及，且人手一只，为后期做有秩序的疏散提供基础。

在进一步的实施例中，还包括：安装在室内的若干个信息采集模块，所述信息采集模块与第二模块电连接；所述信息采集模块被设置为监测火势的地理位置、火势温度，及人体能见度。

本发明的有益效果：本发明研发出的系统可以安装在手持终端上，例如手机、ipad等电子产品，能够确保每位在逃人员实时跟踪到当前室内的火势情况，以及受火势的影响剩余可走的路线，不再需要在逃人员去寻找图标或者自行探索前方的路径是否可行，缩短了出逃的时间，提高了效率和增加了安全指数。

附图说明

图1为本发明的导航流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。

目前，随着人口的增多和科技、生活等各方面的需求，很多的商场、医院、办公楼等公共建筑的楼层越来越高。虽然从某方面来讲确实解决了人类的需求另一方面，如果其中一个点不慎发生火灾，在人多、对建筑不够了解的情况下很难做到有秩序的且快速的撤离，将会存在很大的安全隐患。

为了解决上述问题，本实施例公开了一种消防应急用室内导航方法，包括：

基于多层空间构建三维地图模型，并生成三维地图数据集合；

构建识别模型，基于识别模型的输出结果分析得到火灾区域，并结合当前的火势在火灾区域上计算火灾预扩大的范围得到危险区域，于三维地图模型中标定出危险区域，并生成危险区域数据集合；

将三维地图数据集合中的危险区域数据集合剔除更新得到新的三维地图数据集合；

基于新的三维地图数据计算并提示从当前位置到出口之间的最佳路径。

在进一步的实施例中，在生活中，不乏有很多意外发生的时候，大部分人员是初次或者仅一两次来过当前的建筑，因此大部分受害人员是对当前所处的环境不是很了解，该环境包括：所在楼层、每层楼设置的安全通道以及楼梯所在的位置。另一方面，尽管部分人员对建筑很了解，但是由于长期乘坐电梯故对；楼梯的所在位置也不是很了解。尤其是离火灾相对较近的人员，在受到烟气的干扰下很难准确辨识指定位置处的逃生标记，从而耽误了很多宝贵的时间。故为了节省时间同时能够在第一时间内将受害者所处位置的环境能够直截了当的反馈给受害者，故三维地图数据集合至少包括：所述三维地图数据至少包括当前时间点t、楼层F_n、当前时间每个楼层的安全通道E_tm以及当前时间相邻楼层之间的楼梯通道S；其中，n为楼层的数量，m为每层楼层中的安全通道的数量。举例说明，如果当前发生火灾的建筑为15层的高楼，则n的取值为15；并显示每个楼层对用设置有3组安全通道，层与层之间设置有两组不同位置处的楼梯通道。

同时三维地图数据至少包括适用该系统的受害者所在的楼层和对应楼层的坐标，以及发出的信号(该技术采用现有技术即可，故不作赘述)。适用于楼层较多的室内，以时间为节点，首选通过给定楼层，及每个楼层内对应包含的安全通道和楼梯通道，在第一时间内将电梯排出，降低对使用者的干扰。将室内的建筑及构造以最简单的形式展现出来，便于逃亡人员在极短的时间内最快的了解该建筑和内部构造。

基于上述描述，使受害者首先了解到所处位置的环境，其次需要让受害者了解着火区域，避免受害者在逃亡时误入着火区域，同时也进一步增加了逃亡的效率，与时间赛跑。在进一步的实施例中，识别模型具体包括以下流程：

获取着火点处沿横向发展的火势温度T_0→x(即在同一楼层上的火势的蔓延)和人体能见度V_0→x、沿纵向发展的火势温度T_0→z(在纵向上的火势蔓延一般是透过窗户或者电梯、楼梯等，需要根据具体的情况分析)和人体能见度V_0→z；

以着火点为原点o(0,0)，对横向火灾区域的范围进行取值：以阈值温度T和阈值人体能见度V为界限，对比得到在阈值温度以外且阈值人体能见度以内的横向范围，取最大值x。在本实施例中，阈值温度为大于70℃，阈值人体能见度V为小于5m。换言之，以着火点o(0,0)为圆心，在水平面上以圆的形式逐渐扩大半径r，此时着火点处的温度T₀为最高，且人体能见度V₀为最低，随着r之间的增大火势温度T_0→x呈降低的趋势，直至T_x＝T，此时的r＝r_T；与此同时，随着r之间的增大人体能见度V_0→x呈增高的趋势，直至V_x＝V，此时的r＝r_V。在更多的情况下，火势温度和人体能见度是不可能在同一个半径取值处满足的，故为了安全起见，取r_T和r_V中的最大值，x＝max{T_0→x≥T，V_0→x≤V}。

同样的，以阈值温度和阈值人体能见度为界限，对比得到在阈值温度和阈值人体能见度以内的温度所涉及的纵向范围，取最大值z；

对横向火灾区域的范围进行取值：z＝max{T_0→z≥T，V_0→z≤V}，其中T为阈值温度，V为阈值人体能见度。在本实施例中，纵向的取值范围受建筑物自身的影响，例如：窗户或者电梯、楼梯等。

则火灾区域的表示范围为：F＝(-x，x，z，-z)。进一步的说明，以着火点o(0,0)为圆心，则x表示其中一个方向的火灾的距离，则-x为该方向的反方向的火灾距离。同样的z如果表示向上的火灾距离，则-z表示向下的火灾距离。

在逃亡者的手持终端的系统内首先分析出火灾区域的坐标及信息，让逃亡者对目前的形式有着初步的了解，也便于逃亡者结合数据分析有一定的主观意识，避免闯入火灾区域。

但是在实际发生火灾时，火灾时不会按下暂定键的，它会受地理位置的影响、风向、风速的影响出现不同的蔓延和快速蔓延的趋势。故仅仅基于上述的火灾区域并不能保证逃亡人员在未来的时间段内安全的绕过已经发生或者即将发生的火灾。分析其原因：不是短暂的几秒便可清空建筑内部的人员，可能需要十几分钟甚至是更久，而在这要十几分钟甚至是更久的时间内，如果消防人员未能及时赶到现场，或者并不能做到有效的救援，此时的火势将会存在越来越严峻的趋势，故火灾的涉及面积不再是之前的火灾区域，会随着时间的流逝，火灾区域将会逐渐增大，因此通过危险区域概念的引入，按照目前的火势做预扩大分析，将火势即将蔓延的区域进行标定，提醒逃亡者不要靠近，进一步的提高了安全系数，并且节省了逃亡的时间。

具体表现为：危险区域的计算方法具体包括以下流程：

定义火焰在横向上的扩散速度为ν_x，在纵向上的扩散速度为ν_z，火焰粒子的旋转角度为θ，则计算得到

其中Δx为横向的单向扩散范围，Δz为纵向的单向扩散范围；

其中Δt为更新三维地图数据的时间间隔；δ为火焰扩散系数；δ的取值受地理位置、风向、风速的影响。在本实施例中，Δt的取值范围为5-10秒。

则危险区域为F’＝(-x-Δx，x+Δx，z+Δz，-z-Δz)。通过实施更新数据为逃亡者提供最佳的数据，避免出现误判或者因消息更新滞后误入危险区域。

基于上述描述，可以判断出危险区域数据集合至少包括：当前的时间t、当前时间t被火焰占用的楼层F_n’、对应楼层F_n’中的所有的安全通道，以及被火焰占用的楼梯通道；还包括：在未来时间的Δt内，即将被火焰占用的楼层F_n″、对应楼层F_n″中的所有的安全通道，以及被火焰占用的楼梯通道。危险区域数据集合中的元素与三维地图数据集合中的元素是相互对应的，其目的是为了便于逃亡者最直观的找出危险区域。

为了后期能够直接推动逃亡线路，因此Δt之间后，更新得到新的三维地图数据集合，至少包括：当前时间t内的可行走的楼层

当前时间对应楼层可行走的安全通道

以及当前时间相邻楼层之间的可行走的楼梯通道

以及在未来时间Δt内可行走的楼层、对应楼层可行走的安全通道及此时相邻楼层之间的可行走的楼梯通道。新的三维地图数据集合中元素即为可行走的路线，自动屏蔽了受火灾影响无法行走的区域，为后期提供路线创造了条件，增加了后台数据处理的效率，直接忽略无效数据(即危险区域)。

在进一步的实施例中，最佳路径的计算方法包括以下流程：

根据新的三维地图数据集合生成多组可走路线，且每组路线有若干个安全通道和楼梯通道首尾连接而成，将每段安全通道和楼梯通道均统称为过道；每个过道的长度为l_k，宽度为W_k，其中，k为每组路线中的过道的个数；

算每组路径的总长为L_i，i为可走路线的编号；计算每组路线权重值ω_i并对每组路线的权重值ω_i的大小进行对比，则最佳路线即为最小权重值对应的路线。

通过以下公式计算：

式中ε_k为每个过道的人流量，此处的人流量的判断方法如下：根据每个在逃人员且使用该系统的信号发生器发出的信号，该信号同时更新到三维地图数据集合中，对应到每个安全通道和楼梯通道中的信号数，信号数即为当前该坐标的人员的个数。

在另一个实施例中，用于实现上所述的导航方法的导航系统，包括：第一模块，被设置为基于多层空间构建三维地图模型，并生成三维地图数据集合；其中，三维地图数据至少包括当前时间点t、楼层F_n、当前时间每个楼层的安全通道E_tm以及当前时间相邻楼层之间的楼梯通道S；其中，n为楼层的数量，m为每层楼层中的安全通道的数量。

第二模块，被设置为构建识别模型，基于识别模型的输出结果分析得到火灾区域，并结合当前的火势在火灾区域上计算火灾预扩大的范围得到危险区域，于三维地图模型中标定出危险区域，并生成险区域数据集合；其中，危险区域数据集合至少包括：当前的时间t、当前时间t被火焰占用的楼层F_n’、对应楼层F_n’中的所有的安全通道，以及被火焰占用的楼梯通道；以及在未来时间的Δt内，即将被火焰占用的楼层F_n″、对应楼层F_n″中的所有的安全通道，以及被火焰占用的楼梯通道。

第三模块，被设置为将三维地图数据集合中的危险区域数据集合剔除更新得到新的三维地图数据集合；其中，新的三维地图数据集合包括：当前时间t内的可行走的楼层

当前时间对应楼层可行走的安全通道

以及当前时间相邻楼层之间的可行走的楼梯通道

以及在未来时间Δt内可行走的楼层、对应楼层可行走的安全通道及此时相邻楼层之间的可行走的楼梯通道。

第四模块，被设置为基于新的三维地图数据计算并提示从当前位置到出口之间的最佳路径。

还包括：安装在室内的若干个信息采集模块，所述信息采集模块与第二模块电连接；所述信息采集模块被设置为监测火势的地理位置、火势温度，及人体能见度。在本实施例中，信息采集模块包括：烟雾传感器、温度触感器及GPS信号传感器等。

在进一步的实施例中，该系统安装在手持终端内，在本实施例中手持终端为手机、ipad等移动的电子产品。且该电子产品为成年人必备的产品，因此在发生火灾时，每个成年人都能通过自持的电子产品完成导航。因电子产品为手持式且带有一定的亮度，完全能够应付部分烟雾缭绕的场景，增加辨识度。实现该系统的普及，且人手一只，为后期做有秩序的疏散提供基础。

Claims (10)

1.一种消防应急用室内导航方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于多层空间构建三维地图模型，并生成三维地图数据集合；

构建识别模型，基于识别模型的输出结果分析得到火灾区域，并结合当前的火势在火灾区域上计算火灾预扩大的范围得到危险区域，于三维地图模型中标定出危险区域，并生成危险区域数据集合；

将三维地图数据集合中的危险区域数据集合剔除更新得到新的三维地图数据集合；

基于新的三维地图数据计算并提示从当前位置到出口之间的最佳路径。

2.根据权利要求1所述的一种消防应急用室内导航方法，其特征在于，

所述三维地图数据集合至少包括：所述三维地图数据至少包括当前时间点t、楼层F_n、当前时间每个楼层的安全通道E_tm以及当前时间相邻楼层之间的楼梯通道S；其中，n为楼层的数量，m为每层楼层中的安全通道的数量。

3.根据权利要求1所述的一种消防应急用室内导航方法，其特征在于，

识别模型具体包括以下流程：

获取着火点处沿横向发展的火势温度T _0→x 和人体能见度V _0→x 、沿纵向发展的火势温度T _0→z 和人体能见度V _0→z ；

以着火点为原点，对横向火灾区域的范围进行取值：以阈值温度和阈值人体能见度为界限，对比得到在阈值温度以外且阈值人体能见度以内的横向范围，取最大值x；

以阈值温度和阈值人体能见度为界限，对比得到在阈值温度以外且阈值人体能见度以内的纵向范围，取最大值z；

则火灾区域的表示范围为：F=（-x，x，z，-z）。

4.根据权利要求3所述的一种消防应急用室内导航方法，其特征在于，

所述危险区域的计算方法具体包括以下流程：

定义火焰在横向上的扩散速度为ν _x ，在纵向上的扩散速度为ν _z ，火焰粒子的旋转角度为θ，则计算得到

，其中Δx为横向的单向扩散范围，Δz为纵向的单向扩散范围；

则危险区域为F ^， =（-x-Δx，x+Δx，z+Δz，-z-Δz）。

5.根据权利要求1所述的一种消防应急用室内导航方法，其特征在于，所述危险区域数据集合至少包括：当前的时间t、当前时间t被火焰占用的楼层F_n ^，、对应楼层F_n ^，中的所有的安全通道，以及被火焰占用的楼梯通道；

还包括：在未来时间的Δt内，即将被火焰占用的楼层F_n ^，，、对应楼层F_n ^，，中的所有的安全通道，以及被火焰占用的楼梯通道。

6.根据权利要求1所述的一种消防应急用室内导航方法，其特征在于，所述新的三维地图数据集合至少包括：

当前时间t内的可行走的楼层

、当前时间对应楼层可行走的安全通道

以及当前时间相邻楼层之间的可行走的楼梯通道

；以及在未来时间Δt内可行走的楼层、对应楼层可行走的安全通道及此时相邻楼层之间的可行走的楼梯通道。

7.根据权利要求1所述的一种消防应急用室内导航方法，其特征在于，

所述最佳路径的计算方法包括以下流程：

根据新的三维地图数据集合生成多组可走路线，且每组路线有若干个安全通道和楼梯通道首尾连接而成，将每段安全通道和楼梯通道均统称为过道；每个过道的长度为ι _k ，宽度为W _k ，其中，k为每组路线中的过道的个数；

计算每组路径的总长为L _i ，i为可走路线的编号；计算每组路线权重值ω _i 并对每组路线的权重值ω _i 的大小进行对比，则最佳路线即为最小权重值对应的路线。

8.用于实现如权利要求1至7中任意一项所述的导航方法的导航系统，其特征在于，包括：

第一模块，被设置为基于多层空间构建三维地图模型，并生成三维地图数据集合；

第二模块，被设置为构建识别模型，基于识别模型的输出结果分析得到火灾区域，并结合当前的火势在火灾区域上计算火灾预扩大的范围得到危险区域，于三维地图模型中标定出危险区域，并生成险区域数据集合；

第三模块，被设置为将三维地图数据集合中的危险区域数据集合剔除更新得到新的三维地图数据集合；

第四模块，被设置为基于新的三维地图数据计算并提示从当前位置到出口之间的最佳路径。

9.根据权利要求8所述的消防应急用室内导航系统，其特征在于，该系统安装在手持终端内。

10.根据权利要求8所述的消防应急用室内导航系统，其特征在于，还包括：安装在室内的若干个信息采集模块，所述信息采集模块与第二模块电连接；所述信息采集模块被设置为监测火势的地理位置、火势温度，及人体能见度。

Images