一种地下空间灭火救援环境监测与导航引导系统的制作方法

本发明涉及应急救援，具体为一种地下空间灭火救援环境监测与导航引导系统。

背景技术：

1、地下空间，包括地铁隧道、综合管廊、人防工程、矿山巷道等，因其结构封闭、纵深长、无线信号衰减严重、通风排烟困难等特点，在发生火灾或其他灾害事故时，环境监测与人员导航引导面临极大的技术挑战，现有地下空间消防监测与引导系统通常采用周期性轮询传感器数据的方式进行环境感知，即所有传感节点按照固定时间间隔采集温度、烟雾、气体浓度等参数并上传至中央决策平台，此类系统在常规工况下能够维持基本监测功能，但在火灾救援场景中存在以下突出问题：

2、关键事件响应延迟大，轰燃前兆、局部坍塌冲击波、空气呼吸器压力骤降等突发性稀缺事件的发生时间具有高度随机性，传统周期采样系统受限于采样间隔和处理队列排队机制，在地下空间中，火势蔓延速度快，事件识别与指令下发的延迟导致救援人员错失最佳撤离时机。

3、通信与计算资源分配僵化，对所有传感器分配带宽和处理资源，当火情发生时，大量冗余的周期数据与关键事件数据混合传输，容易形成数据洪流，导致通信信道拥塞。

4、事件传播范围缺乏拓扑感知能力，采用固定区域广播或全网广播方式通知事件信息，固定区域广播会遗漏因火场动态变化而新纳入危险区的节点，全网广播方式会造成无关区域通信资源的浪费，事件触发后周边传感器仍按原低频模式工作，无法协同进入加密监测状态，丢失了灾害演变过程的关键数据。

5、因此，亟需开发一种能够兼顾常规稳定监测与突发极端事件低延迟响应、具备动态优先级抢占和拓扑敏感事件扩散能力的导航引导系统。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了弥补现有技术的不足，提供了一种地下空间灭火救援环境监测与导航引导系统，通过将常规环境监测与突发稀缺事件分离处理，并引入基于优先级的动态资源抢占机制，解决周期采样在火场极端环境下响应延迟大、资源分配僵化、事件传播缺乏拓扑感知的问题，动态优先级仲裁模块优先响应最高优先级事件的处理与分发，唤醒控制模块按需激活邻近传感器进入高频采样，事件扩散树生成模块利用传播代价划定受影响区域，联动响应策略库将不同优先级事件映射为差异化引导指令，在保障日常低功耗监测的同时，能够在灾害发生时切换至高性能应急模式，为灭火救援提供了可靠的环境感知与人员引导支撑。

2、本发明为解决上述技术问题，提供如下技术方案：一种地下空间灭火救援环境监测与导航引导系统，该系统包括：周期性数据流驱动模块、稀缺事件驱动模块、动态优先级仲裁模块、唤醒控制模块、事件扩散树生成模块、事件广播执行模块、联动响应策略库；

3、周期性数据流驱动模块，按预设时间周期采集并上传地下空间的环境数据，形成背景数据流；

4、稀缺事件驱动模块，监听来自传感节点和移动终端的异步突发事件信号；

5、动态优先级仲裁模块，在突发事件发生时根据事件优先级动态暂停或降级数据流任务；

6、唤醒控制模块，接收突发事件触发信号后，向事件源邻近的休眠或低频采样传感器节点发出唤醒指令；

7、事件扩散树生成模块以触发事件的传感器节点为根节点，依据地下空间实时拓扑生成有向事件扩散树；

8、事件广播执行模块沿所述事件扩散树将事件消息逐跳广播至所有终端节点；

9、联动响应策略库存储事件类型与导航引导动作的映射关系，并根据接收的事件消息自动触发对应的引导指令。

10、进一步地，所述动态优先级仲裁模块内部维护一张事件类型-优先级映射表，所述映射表中依次预定义多个优先级级别，包括：第一优先级、第二优先级、第三优先级；

11、当所述稀缺事件驱动模块同时收到多个不同事件类型的突发事件信号时，所述动态优先级仲裁模块比较各个突发事件信号所属事件类型的优先级级别，优先将计算资源与通信带宽分配给优先级级别最高的事件类型所对应的突发事件信号，当所述优先级级别最高的事件类型所对应的突发事件信号处理完成后，再依次处理低优先级级别的事件类型所对应的突发事件信号。

12、更进一步地，所述动态优先级仲裁模块在进行动态暂停或降级数据流任务时，向所述周期性数据流驱动模块发送暂停指令，并将当前未完成的数据流任务的状态参数存入一个临时挂起队列，所述状态参数包括已采集数据量、剩余处理时间、源节点地址；待所述优先级级别最高的事件类型所对应的突发事件信号处理完毕后，所述动态优先级仲裁模块向所述周期性数据流驱动模块发送恢复指令，并从所述临时挂起队列中读取所述状态参数以继续执行被中断的数据流任务。

13、更进一步地，所述唤醒控制模块根据事件源的三维坐标，以预设的唤醒半径计算圆形区域，向圆形区域内所有处于休眠或低频采样传感器节点发送所述唤醒指令，所述唤醒指令中携带目标采样频率和观察窗口时间，收到所述唤醒指令的传感器节点在所述观察窗口时间内以所述目标采样频率采集数据，观察窗口时间期满后无新的事件触发，则收到所述唤醒指令的传感器节点退回休眠或低频采样状态。

14、更进一步地，所述事件扩散树生成模块生成有向事件扩散树的步骤包括：

15、获取事件源节点坐标以及地下空间的实时拓扑图，其中为所有节点集合为相邻节点间的连通边集合，每条边附带当前烟流方向向量、温度梯度值以及通道长度；

16、计算从事件源节点出发到每个其他节点的灾害影响传播代价，其中，表示从事件源节点到节点的所有路径集合，为参考长度，为沿路径前进方向的单位向量，为参考温度梯度，为预设权重系数；

17、基于预设的传播代价阈值，将所有满足的节点标记为受影响节点，构成受影响节点集合；

18、以事件源节点为根节点，在所述受影响节点集合以及受影响节点集合中节点之间的连通边上构建最小生成树，最小生成树即为所述有向事件扩散树，所述有向事件扩散树中边的方向从根节点指向叶子节点，所述边的方向代表事件消息的传播方向。

19、更进一步地，所述事件广播执行模块沿所述有向事件扩散树进行广播时，采用逐跳确认与重传机制：

20、每个中间节点收到事件消息后，向父节点返回一个确认帧，当父节点在预设的超时时间内未收到子节点的确认帧，则所述父节点重传所述事件消息，预设最多重传次数为3次；

21、当3次重传后仍未收到子节点的确认帧，则所述父节点将所述子节点标记为不可达，并记录至故障日志中，同时继续向其它可达子节点广播所述事件消息。

22、更进一步地，所述联动响应策略库中，事件类型与导航引导动作的映射关系包括：

23、当接收到的突发事件信号被所述动态优先级仲裁模块判定为第一优先级事件时，触发第一组动作：令受影响区域内的所有引导灯带以预设频率闪烁红色，语音广播单元播报躲避指令；

24、当接收到的突发事件信号被所述动态优先级仲裁模块判定为第二优先级事件时，触发第二组动作：动态重规划受影响区域内所有人员的逃生路径以避开热辐射陡增区域，并将引导灯带切换为动态流水箭头指示路径；

25、当接收到的突发事件信号被所述动态优先级仲裁模块判定为第三优先级事件时，触发第三组动作：向告警源预设范围内的终端广播协助撤离提示，并计算最近的撤退出口坐标推送至告警源的终端。

26、更进一步地，动态重规划受影响区域内所有人员的逃生路径的方法包括：

27、获取事件源坐标和当前需规划路径的人员坐标，从事件扩散树生成模块获得受影响节点集合作为受影响区域边界；

28、构建临时路径规划图，其中包含所有未被事件源热辐射覆盖的安全节点，包含所有连接边，每条边的权值为通行时间，所述，其中，为通道长度，为人员基础移动速度，为通道当前的实时温度，为安全温度阈值，取值为60°c，为人体耐受极限温度，取值为120°c，为温度惩罚系数；

29、计算从当前需规划路径的人员坐标到最近安全出口的最优路径，所述最优路径为所述逃生路径；

30、将所述逃生路径以坐标序列形式推送到人员携带的移动终端，并同步发送至受影响区域内的引导灯带控制器，使所述引导灯带沿所述逃生路径点亮动态绿色箭头。

31、更进一步地，该系统的工作原理为：

32、s100、按预设时间周期采集并上传地下空间的环境数据，形成背景数据流，监听来自传感节点或移动终端的异步突发事件信号，所述异步突发事件信号包括振动冲击波信号、温度骤升率超过阈值的信号、设备压力低阈值信号；

33、s200、基于接收到的任一异步突发事件信号，查询动态优先级仲裁模块的事件类型-优先级映射表，判定当前接收到的异步突发事件信号的优先级级别，当同时接收到多个异步突发事件信号，比较各信号的优先级级别，选择优先级级别最高的信号优先处理，将当前未完成的周期性数据流任务的状态参数存入临时挂起队列；

34、s300、在判定优先级级别后，将所述异步突发事件信号的事件源坐标发送至唤醒控制模块，以所述事件源坐标为中心、以预设唤醒半径计算圆形区域，向圆形区域内所有处于休眠或低频周期采样模式的传感器节点发送唤醒指令，所述唤醒指令中包含目标采样频率和观察窗口时间，收到所述唤醒指令的传感器节点在所述观察窗口时间内以所述目标采样频率采集数据；

35、s400、将异步突发事件信号的事件源坐标发送至事件扩散树生成模块，获取地下空间的实时拓扑图，所述实时拓扑图包含节点集合、连通边集合以及每条边附带的烟流方向向量、温度梯度值和通道长度，事件扩散树生成模块以事件源节点为根节点计算灾害影响传播代价，将传播代价≤预设阈值的节点标记为受影响节点，并在受影响节点之间的连通边上构建有向事件扩散树；

36、s500、将生成的所述有向事件扩散树发送至事件广播执行模块，沿所述有向事件扩散树逐跳广播事件消息，所述事件消息包含事件类型、事件源坐标、强度等级和推荐动作指令；

37、s600、将所述事件消息同时发送至联动响应策略库，根据所述事件消息中的优先级级别或事件类型匹配预定义的事件类型与导航引导动作的映射关系，生成对应的导航引导指令，并将所述导航引导指令下发至受影响区域内的执行终端，所述执行终端包括引导灯带、语音广播单元和移动终端；

38、s700、当观察窗口时间期满且无新的事件触发时，唤醒控制模块向被唤醒的传感器节点发送降频休眠指令，使所述传感器节点退回休眠或低频采样模式，动态优先级仲裁模块向周期性数据流驱动模块发送恢复指令，从临时挂起队列中读取状态参数，继续执行被中断的周期性数据流任务，系统返回s100。

39、与现有技术相比，该一种地下空间灭火救援环境监测与导航引导系统具备如下有益效果：

40、一、本发明通过构建异步触发式混合驱动架构，将周期性数据流与稀缺事件驱动分离运行，并引入动态优先级仲裁模块，当异常事件发生时，动态优先级仲裁模块能够识别事件优先级，立即暂停或降级正在处理的低优先级周期性数据流任务，将计算资源和通信带宽全部分配给事件处理与分发，事件扩散树生成模块基于实时地下空间拓扑计算受影响区域，并沿有向事件扩散树进行逐跳广播，为人员逃生和战术调整争取到时间，避免因响应滞后导致的伤情扩大。

41、二、本发明在常规工况下，周期性数据流驱动模块以低功耗、低频采样方式稳定上传环境数据，系统处于轻负荷运行状态，当突发事件触发后，动态优先级仲裁模块临时调整信道占用比例，确保事件消息及后续高频采集数据优先传输，唤醒控制模块根据事件源坐标，仅唤醒事件源邻近区域内的休眠或低频传感器节点进入高频采样模式，这种按需唤醒、局部加密的机制既保证了关键区域的数据密度，又避免了无关节点产生无效数据占用带宽，待事件解决后，系统降频恢复常态，从而在保障可靠性的前提下最大限度降低了系统整体能耗和通信负载，解决火场中的数据阻塞问题。

42、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。