基于激光导航的应急疏散与救援指挥系统研究报告.doc

基于激光导航的应急疏散与救援指挥系统研究报告作品类别: 科技发明制作B类 目 录摘 要11.作品设计、发明的目的和基本思路11.1作品设计、发明的背景11.2作品设计、发明的目的11.3 作品设计、发明的思路12.系统优势分析及创新点22.1创新点22.2系统优势分析23.本系统的推广前景及市场分析34系统基本组成35.系统方案45.1软硬件分工45.2硬件职能55.3软件职能56.系统原理66.1实现原理66.1.1激光的可视性66.1.2引导光束的参数选择76.1.3振镜扫描系统96.1.4全息标示疏散引导126.2系统设计方案136.2.1系统软件及平台136.2.2实时监控与指挥186.2.3火情报警及定位186.2.4防火设计及保障机制186.2.5远程报警及通讯196.3引导信号的生成206.3.1空间分析及设备安置206.3.2疏散路线与救援路线236.3.3引导信号的设置256.3.4扫描振镜的控制287.通讯协议337.1通讯概述337.2通讯协议说明347.2.1通讯组网方式347.2.2通信协议方式357.2.3通讯接口方式35附件：烟雾测试实验照片.45消防支队证明.46专利证书.47专利说明书.48科技查新报告.56摘 要在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍的威胁公众安全和社会发展的灾害之一，也是造成群死群伤事故的最主要灾害之一。烟雾是火灾事故中导致人员伤亡的主要因素。现有的安全出口标志牌等设备在烟雾中不易被识别，不能有效引导人员避开火源等危险区域疏散逃生。目前没有一套可以在烟雾环境下根据实时火情，生成动态疏散路线与救援路线的消防疏散引导系统。本系统运用自行研制并已获国家专利的可编程型激光引导应急疏散装置，实现了烟雾环境中有效的引导人员疏散与救援。系统可根据探测器报警信息结合内置电子地图确定烟雾、火源等危险区域范围，规划出最佳疏散路线与救援路线，并根据实时火情进行动态调整。激光扫描振镜产生方向、数量可任意调整的放射状引导激光，利用人的趋光性本能引导人员向光源处移动，避开路线中的火源等危险区域，为降低火灾造成的人员伤亡提供了有效的解决方案。基于激光导航的应急疏散与救援指挥系统是目前唯一采用扫描激光作为引导信号，具备最佳疏散路线动态规划与救援指挥功能的消防联动系统，解决了火灾时期烟雾环境下被困人员疏散和应急救援的难题，实现了烟雾环境下避开火源等危险区域的路线引导。本系统将提高现有消防引导疏散系统的水平，适应目前国家消防安全建设的需要，进一步降低火灾事故中人员的伤亡率，因而对于消防安全技术领域有较大的促进和提高作用。关键词：火灾烟雾 激光引导 振镜扫描 疏散路线 救援指挥1.作品设计、发明的目的和基本思路1.1作品设计、发明的背景我国是一个火灾频发的国家。据统计，2010年上半年全国共发生火灾73317起，死亡656人，受伤271人，直接财产损失79290.7万元。此外，2010年发生了数起重大火灾事故，例如上海“11.15”教师公寓重大火灾事故，造成58人遇难，多人受伤的严重后果。烟雾是火灾事故中导致人员伤亡的主要因素。火场空间中到处存在的烟雾会模糊阻挡了被困人员的视线，使其无法有效的判明逃生路线，严重威胁被困人员的生命。1.2作品设计、发明的目的目前使用的疏散指示设备无法在烟雾环境下有效工作。安全出口标志牌等设备在烟雾中可识别度低，人员容易对文字、图形等指示信息产生误判。现有的疏散指示设备无统一的控制指挥，不能针对复杂的火场环境生成动态的疏散与救援路线，不具备救援指挥功能。因此，当前迫切需要一套可在烟雾环境中有效引导人员疏散，并能针对实时火情生成引导人员避开火源等危险区域的动态疏散与救援路线，具备救援指挥功能的消防应急疏散与救援指挥系统1.3 作品设计、发明的思路本系统利用激光扫描振镜，产生空间内方向、数量可控的放射状引导激光。532nm绿激光在烟雾中形成高亮度、穿透力强的光通路。利用人的趋光性本能引导人员沿光通路向光源处移动，减少了人员处于紧张状态下的反应时间，实现了烟雾环境下的有效引导。基于GIS平台开发的应急疏散与救援指挥系统，实现了对建筑物的实时监控、最佳路径计算、动态分析等功能。系统通过对火情的实时监控，根据探测器反馈的火情信息，结合内置的电子地图，生成疏散路线与救援路线；并根据通道内具体的着火点位置、范围等信息动态调整放射状引导光束，引导人员避开危险区域实现安全迅速的疏散与救援。2.系统优势分析及创新点2.1创新点1.利用多束放射状激光在烟雾环境中引导人员疏散与救援。激光亮度高、穿透性强，其光通路易于识别。人员由于趋光性本能跟随激光向光源处移动，避免了对传统文字、图形标志的误判，缩短反应时间。2.采用激光扫描振镜生成多束放射状激光束。通过对激光的程控扫描，控制激光的数量和任一激光的方向，根据避险要求设计通道内具体的引导路径，适应性较强。3. 动态生成最佳疏散路线与救援路线。系统根据探测器反馈的实时火情信息与电子地图结合引导策略设置，生成避开火源等危险区域的最佳引导路线，并根据火情与救援需要动态调整，控制相关激光引导设备工作。4.系统具备救援指挥功能。在人员疏散的同时可引导外部救援人员进入，其通过系统动态监控平台将实时火情、被困人员位置等信息及时传递至救援指挥人员，根据救援要求生成救援路线，指挥救援人员搜救。2.2系统优势分析1.当前使用的应急灯、安全出口标志灯设备在烟雾下可识别度低，本系统利用532nm绿激光束在烟雾中产生的光通路作为引导信号，将烟雾作为成像介质，有效的解决了烟雾中人员引导的问题。2.本系统使用激光引导设备产生多束放射状的引导激光，人员依靠趋光性本能沿光通路向光源处移动。有效避免人员由于高度紧张对现有安全出口文字、图形标志产生误判，利于人员的安全、迅速的疏散与救援。3.本系统可以针对应急疏散与救援指挥工作需要，生成疏散路线与救援路线，并控制相关激光引导设备产生动态引导光束，引导人员疏散与救援。而现有的引导设备无统一的控制与救援指挥功能，容易产生错误的引导方向。4.本系统根据实时探测到火源位置、火势等火情信息动态调整路线，控制激光引导设备在逃生通道产生避开火源等危险区域的引导光通路。而现有的安全出口标志牌或全息衍射图形不能引导人员避开通道内的危险区域，仅能指示方向。5.本系统利用X-Y双轴扫描振镜产生的多束放射状引导激光，可以针对引导需要在三维空间中改变方向、数量。而已有的引导设备使用全息透镜成像或单轴振镜，仅能做平面移动，并且单轴振镜未设有激光安全防护装置，存在一定的安全隐患。科技查新表明，本项目系统根据火场信息，结合内置的电子地图，生成控制激光引导设备的疏散路线与救援路线，并实时调整疏散路线与救援路线设计，所检文献中未见有报道。3.本系统的推广前景及市场分析基于激光导航的应急疏散与救援指挥系统是目前唯一采用扫描激光作为引导信号，具备最佳疏散路线动态规划与救援指挥功能的消防联动系统，兼备火灾报警、火场实时信息采集处理、外部信息交换控制等功能。其有效解决了传统设备在烟雾环境下无法有效引导疏散与救援指挥的问题，通过实时监控平台可生成最佳疏散救援路线，同时具备的扩展接口可以整合多套外部消防系统实现联动控制。目前该技术已获得国家专利，本系统将提高现有消防引导疏散系统的水平，适应目前国家消防安全建设的需要，进一步降低火灾事故中人员的伤亡率，因而对于消防安全技术领域有较大的促进和提高作用。本系统主要应用在人员密集的大型公共建筑场所，例如：体育场馆、会展中心、地铁站及火车站。其市场空间巨大，任何一座建筑均是潜在的安装使用对象，依据系统自身突出的优势和无限拓扑的特点，应用于各类建筑工程项目。4系统基本组成该系统设计为基于多层网络的双向终端控制网络。控制网络主要有集成于中控主机和控制分站，采用RJ-45、RS-485、802.11无线通讯方式实现对终端的信息采集、命令控制和应急电源的启用，最终达到通过终端输出激光引导信号的目的。图1：系统结构示意图5.系统方案5.1软硬件分工为了实现火场的实时信息采集以及对工作终端的控制，迅速有效的传送引导指示信号，保障系统的安全运行，必须对软硬件进行合理的分工。5.2硬件职能硬件作为信息的传输与接收部分，是产生功效的载体，具有以下职能：1）灾情探测：烟感探测器、温感探测器，负责报警和采集实时火情信息；2）逃生和救援引导：激光引导疏散指示装置、全息激光疏散标示装置，负责产生光学引导信号以及警铃等语音提示；3）中控主机负责系统整体的数据处理，控制分站作为节点起到信息预处理与二级备份功能；4）交换机网络负责信息的交换与校验；5）控制分站提供调试接口，人工输入扫描参数等信息；6）采用双回路独立供电和内部电池相结合的供电方式，保证灾害时期能够安全有效供电，且在外面电源完全切断的情况下，能够利用内部电池独立供电4小时。5.3软件职能软件负责信息的采集交换与数据处理，指挥各分系统及设备稳定有效的工作，根据火情快速、准确选择逃生和救援路径，同时作为人机调试控制平台，实现工作参数调整与实时控制，具有以下职能：1）提供实时监控平台，可以自动或人工控制；2）对探测器数据的采集并生成报警信息；3）根据实时火场信息生成最佳疏散路线、救援路线；4）根据疏散、救援路线生成相应的激光引导信号；5）根据实时监控动态调整路线及引导信号；6）负责与其它消防系统间的数据交换，接收被困人员位置信息等；7）负责向场外报告实时火场信息，并接受外部指挥调度；8）负责制定引导疏散与救援策略；9）负责应急状态下控制平台的切换；10）负责切换供电线路与应急电源，保障系统的供电。11）预置引导设备应急状态下的工作参数；12）系统自检及演习模拟。6.系统原理6.1实现原理6.1.1激光的可视性传统的疏散标示设备使用的一般是LED或荧光灯光源。主要采用提高照度的方法增强标识的可视度。当环境中漂浮着大量的颗粒物时会严重削弱其光照强度，影响疏散标示效果。依靠增大光源照度的方法并不能很好解决不易识别的问题，此为现有疏散标示设备的固有缺陷。根据丁达尔效应，光束在胶体中会形成明亮的光通路。空气中存在尘埃等颗粒物，因此可以将空气看作胶体。由于光强、波长及气溶胶密度等的影响，普通情况下不易观察到空气中的光通路。当条件理想情况下，激光在室内会产生明亮可见的光通路，此光通路可以作为一种引导标识疏散引导被困人员逃生。图2：激光效果图 532nm 35mW激光器；环境光照强度3 lx 视角：90图3：激光效果图 532nm 35mW激光器；环境光照强度5 lx 视角：5激光具有的亮度高、能量集中、穿透力强等特点使其在同等条件下产生的光通路可视度远高于其他光源，因此激光在空间中产生的光通路可以作为引导人员疏散的标识。6.1.2引导光束的参数选择1）激光波长的选择人眼的可见波长范围为312nm-1050nm。目前使用的激光波长主要有：405nm、450nm、526.5nm、532nm、650nm、680nm。图4：光的波长示意图人眼对不同波长的光敏感性不同。不同波长的激光的光谱光视效率不同。波长（nm）530540630640650660光谱光视效率0.8620.9540.2650.1750.1070.061折合为明视觉588.7 lm/W651.6 lm/W181 lm/W48 lm/W73 lm/W41.7 lm/W表1 不同波长光的光视效率与明视觉图5：光能量相应曲线通过对不同波长的激光进行实验测量，发现波长位于500nm-600nm，尤其是540nm左右的光最能引起人眼的敏感（standard observer）。实际工作中，532nm波长的绿激光器效果最佳，技术成熟，因此采用532nm的绿激光作为引导光束。2）激光器的工作类型图6：工业半导体激光器激光器的种类很多，可分为固体、气体、液体、半导体等几种类型。半导体激光器体积小、重量轻、寿命长、结构简单。半导体激光器可以通过外加的电场、磁场、温度、压力等改变激光的波长，能将电能直接转换为激光能，可以在恶劣条件下稳定工作，因此选择半导体激光器作为激光光源。半导体激光器选用成熟的工业级别532nm激光器，自身带有铝散热片和风扇，可以长时间的稳定工作。3）激光在引导疏散使用中的安全性激光具有平行性好、能力高的特点，不规范的使用会对人眼造成伤害。一般情况下人眼不会长时间被激光直射，偶尔被直射时主要反应为强光的刺激，及时躲避。在引导疏散中，采取一系列的安全设计防止激光造成伤害。系统在工作状态中，激光以机械扫描的形式进行引导作用。通过振镜系统的高速偏转（X-Y）实现对激光束的控制，产生多条方向可控的引导光束。火场环境中的的烟雾颗粒会使激光功率产生衰减，故实际人眼接收到的激光功率处于ClassII级别安全范围内，并且由于疏散过程中引导信号为光通路，视角不为0，极少会发生眼球长时间被激光直射。故采用30100mW的扫描激光束作为引导光束不会对人眼造成损伤。为了防止扫描振镜意外停止工作，未经偏转的激光束可能击中人眼，造成可能的危害，扫描装置附加安全防护部分，当扫描振镜意外停止后，确保及时切断激光的照射，初始化设备并恢复正常工作状态。图7：扫描工作中的激光6.1.3振镜扫描系统振镜是一种矢量扫描器件。它是一种特殊的摆动电机，基本原理是通电线圈在磁场中产生力矩，其转子上通过机械纽簧或电子的方法加有复位力矩，大小与转子偏离平衡位置的角度成正比，当线圈通以一定的电流而转子发生偏转到一定的角度时，电磁力矩与回复力矩大小相等,偏转角与电流成正比，与电流计一样，故振镜又叫电流计扫描振镜(galvanomet ric scanner)。图8：振镜扫描系统原理结构图激光振镜扫描系统由激光器和振镜系统组成，振镜系统分为X轴偏转和Y轴偏转，轴线异面垂直。激光经过X轴反射和Y轴反射两次偏转投射。通过控制振镜的工作参数可以方便的控制产生激光束的方向，当振镜高速偏转扫描时，可以输出多束方向、数量可控的激光或较复杂的图形。图9：激光扫描振镜本系统中主要使用由步进电机和反射镜构成的振镜扫描系统。步进电机相对于工业振镜具有结构简单、工作稳定、容易控制等优点，可以满足低频率扫描的需要，产生方向、数目可控的激光束和输出简单的图形。图10：激光引导疏散指示装置原理样机此振镜扫描系统采用二相步进电机，由TA8435控制芯片驱动。步进电机轴上接有用于偏转激光的反射镜。步进电机附有归位装置和安全防护装置（防止扫描意外停止时，仍在输出的静止激光直视产生的危害）。工作时，上位机通过通信模块向单片机控制器输入触发信号，单片机控制器收到触发信号后，分别给半导体激光器、和振镜扫描系统中的振镜驱动器8发出启动信号，此时半导体激光器输出绿光，振镜驱动器接收启动信号后分别给X轴步进电机和Y轴步进电机输入位置初始化信号，当位置初始化完成后振镜驱动器向X轴步进电机和Y轴步进电机输出控制信号，半导体激光器输出的绿光依次经过与X轴步进电机相连的反射镜和与Y轴步进电机连接的反射镜，随着X轴步进电机和Y轴步进电机的高频偏转将激光投射到空间内，形成高亮度、易识别、穿透力高、醒目的移动或静止的绿色激光束。图11：工作状态示意图图12：多束引导激光效果图设备启动后，安全防护装置检测振镜是否正常工作，激光是否偏转输出。当振镜停止工作时，及时切断激光的输出，重启设备初始化。6.1.4全息标示疏散引导方向、数目可控的激光在空间中产生的光通路在狭长通道、远距离环境下可以有效的进行引导疏散。但是在交叉口或大范围空旷地带，由于其扫描角度的限制，需要布置多套设备才能满足需求。全息标示可以有效的弥补上述设备在交叉区域等地点的不足。步进电机式振镜扫描由于其扫描频率低的限制（0;i-) for(j=50;j0;j-) ;void Clk(uchar x)/脉冲间隔 uchar i; for(i=0;ix;i+);void move(uchar x,uchar y) int x,y,a,b; uint i,j,a,b; if (x0) p1_7=0; x=-x; else p1_7=1; if (yx) a=y/x; for (i=0;ix;i+) for (j=0;ja;j+) p3_1=0; Clk(7); p3_1=1; Clk(7); p1_5=0; Clk(7); p1_5=1; Clk(7); p3_9=0; Clk(7); p3_9=1; Clk(7); else b=x/y; for (i=0;iy;i+) for (j=0;jb;j+) p1_5=0; Clk(7); p1_5=1; Clk(7); p3_1=0; Clk(7); p3_1=1; Clk(7); p3_9=0; Clk(7); p3_9=1; Clk(7); void main(void) p3_0=0; p3_3=0; move(66,132); delay();2）DMX512协议控制产生复杂的三维引导标识需要高速扫描振镜及数据的高速传输。全息激光引导标示装置内置高速扫描振镜、振镜驱动器等模块，对振镜扫描的控制使用DMX512协议控制振镜的偏转，产生全息引导标识。通讯端口可以使用EIA-485。DMX512 是一个数字调光协议, 应用它能够对舞台、剧场、演播室等公共场所场所的调光器及其他的控制设备进行数字控制, 适用于本应急疏散系统对激光控单片机的调光器的控制, 其互连形式采用了多点总线结构, 不存在信息通路阻塞问题, 其连线简单, 可靠性高, 系统结构如下图所示。图36：DMX控制器系统架构DMX512 系统包括四个部分: 发送控制信息的控制器、传输信号的电缆、接收信号并进行控制动作的调光器和终结器。在本激光疏散体统中控制器选用单片机，上位机和单片机之间采用串口通讯传递控制信息, 而由单片机发出满足DMX512 的数据时序的数据包。系统要做的一件很重要的事就是分辨出数据包的起始点以正确的接收数据, 这可以利用中断服务来实现。利用定时器是很方便的, 但由于在控制系统中定时器有可能作为他用, 而系统又必须在某段不间断的检测数据的起始位置, 为了不占用系统的定时器资源, 可用程序计数来解决。采用单片机发送和接收数据的系统简图如下所示。图37：单片机接发数据系统简图7.通讯协议7.1通讯概述本应急疏散与救援指挥系统采用MODBUS标准通讯协议（通用工业标准），该激光可以作为从机与具有相同通讯接口并采用相同通讯协议的PC机、嵌入式设备进行通讯，实现对激光仪器的集中监控，另外用户也可以使用一台变频器作为主机，通过EIA485物理接口连接数台激光引导设备作为从机。以实现变频器的多机联动。通过该通讯口也可以连接远控键盘。实现用户对激光仪器的远程操作。MODBUS协议定义了一个控制分站能够识别使用的消息结构，制定了消息域格局和内容的公共格式。若模块化设置正确的波特率，奇偶校验，起始位，停止位，数据位，从机地址等通讯参数，模块可以同控制分站相联系。EIA485具有传播距离长，灵敏度高，能够实现多点通信即联网功能的一个协议方式。 本变频器的MODBUS通讯协议支持三种传送方式:RTU（远程终端设备）方式，ASCII（美国信息校验码）方式和TCP方式，前两种方式使用的是串行通讯口，用来实现与RS485协议的相互配合，用户可以根据情况选择其中的一种方式通讯（不允许两种模式混用）；而TCP方式使用的是以太网接口，能够直接实现与应急疏散系统的主机即总控制器的联系。下文是该变频器通讯协议的详细说明。7.2通讯协议说明7.2.1通讯组网方式由MODBUS协议和EIA485协议的特点,系统总结构采用的是总线型网络，如下两幅图示。图38：总线型方式示意图图39：从机组总线型网络示意图7.2.2通信协议方式1）单片机为从机，主从式点对点通信。主机使用广播地址发送命令时或者使用无线路由发送命令时， 从机不应答，仅仅执行主机发送的命令。2）单片机向主机报告异常情况，主机做出明显反应，如报警器发出警报，使工作人员及时做出反应。3）用户可以通过用键盘或串行通信方式设置变频器的本机地址、波特率、数据格式。4) 从机在最近一次对主机轮询的应答帧中上报当前故障信息。 7.2.3通讯接口方式通讯为RS485接口，异步串行，全双工通讯（四线）。默认通讯协议方式采用ASCII方式。默认数据格式为：1位起始位，7位数据位，2位停止位。默认速率为9600bps，通讯参数设置参见P3.09P3.12功能码。RS485通讯接口定义1 连接主机端的RS485接口信号定义如下表所示：RS485接口对应端口名称端口类型端口功能3BRXD-接收数据4ARXD+接收数据5YTXD+发送数据7ZTXD-发送数据2 连接从机端（激光单片机）的RS485接口信号定义如下表所示：RS485接口对应端口名称端口类型端口功能3ZTXD-发送数据4YTXD+发送数据5ARXD+接收数据7BRXD-接收数据3.RS485逻辑电路如下所示图40：RS485