基于激光导航的应急疏散与救援指挥系统研究报告书.docx

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基于激光导航的应急疏散与救援指挥系统研究报告书

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

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532nm35mW激光器；环境光照强度<3lx视角：

90°

图3：

激光效果图532nm35mW激光器；环境光照强度<5lx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）

530

540

630

640

650

660

光谱光视效率

0.862

0.954

0.265

0.175

0.107

0.061

折合为

明视觉

588.7lm/W

651.6lm/W

181lm/W

48lm/W

73lm/W

41.7lm/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（standardobserver）。

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30~100mW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（galvanometricscanner）。

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（<15KHz），不能生成复杂的图形。

通过采用高速扫描振镜提高扫描频率，利用烟雾作为成像介质，生成复杂的图形（箭头、文字等）与其在空间中的光通路形成了一个放射状的三维标志，在各个方向均可被观察者轻易捕捉到。

图13：

25KHz高速扫描振镜图14：

全息激光标志

全息标示疏散引导主要在放射状引导激光的基础上实现了三维图形的输出，可以标示出一些文字、图形等信息，利于救援工作的开展。

不同于安全出口标志牌或其它全息衍射成像引导，其使用X-Y双轴振镜扫描成像，可以灵活的调整标志，而不是一些单轴振镜只能控制衍射图像在平面内运动。

6.2系统设计方案

6.2.1系统软件及平台

基于激光导航的应急疏散与救援指挥系统是基于北京超图地理信息技术公司的Supermap系列软件开发的GIS应用系统，系统包含了地图数字化、数据维护、应急疏散与救援指挥以及控制分站四个子系统。

应急疏散与救援指挥子系统由疏散引导控制模块、传感器探测及报警模块、通讯网关等组成，在正常工作状态下具有整个系统的最高控制权限。

应急疏散与救援指挥子系统和数据维护子系统由全组件式地理信息系统软件SupermapObjects进行开发，控制分站子系统由嵌入式地理信息系统开发平台eSupermap开发，地图数字化子系统及数据处理子系统采用了桌面地理信息系统SupermapDeskpro。

SupermapDeskpro

图15：

系统软件及平台

1）应急疏散与救援指挥子系统

应急疏散与救援指挥子系统基于Supermapobjects平台，使用VisualC#进行开发。

通讯网关

图16：

应急疏散与救援指挥子系统功能模块

应急疏散与救援指挥子系统负责调配整个系统的资源与命令控制，实现了系统的软件职能。

其内置了空间数据库引擎技术——SuperMapSDX+。

空间数据可根据实际系统应用规模存储于本地文件或Oracle等数据库。

SupermapObject提供了数据访问及互操作、数据编辑与处理、数据管理、基于矢量的空间分析等功能。

在此基础上，根据应急疏散与救援指挥的需要，进行二次功能开发。

基于数据访问及互操作、数据编辑与处理功能的开发，为建筑物空间结构数字化提供了可能，生成供应急疏散与救援指挥的电子地图。

通空间数据引擎SDX+，直接访问多源的GIS、CAD、RS及通用影像格式等的数据。

尤其是目前工程中广泛使用的CAD图纸，可将其高效的转化为供系统使用的电子地图。

在电子地图上对传感器、引导设备、交换机、控制分站以及相关线路等进行配置。

基于矢量的空间分析提供了路径分析、最近设施分析等功能，包括最佳路径分析，可以根据实际应用需求，灵活设置转向表、障碍点和障碍边、交通规则等参与到路径分析中，支持将分析结果输出为行驶导引。

在此基础上进行二次开发，实现了路线生成、火情分析等功能。

例如，根据电子地图中的设备空间配置情况，结合传感器阵列反馈的火情信息，确定火情范围，并分析各种路线组合中的逃生（或救援）成功概率，将分析结果输出为引导路线，及对路线中相关设备的命令控制。

此外，应急疏散与救援指挥子系统设计有外部系统接口，负责与外界的信息交换，传送报警信息和火情实况信息，并提供了外部控制接口，使外部救援人员在火场外了解场内信息、指挥疏散工作成为可能。

图17：

中控系统示意图

应急疏散与救援指挥子系统运行环境为Windows操作系统，作为整个系统的中控主机，配备有备份机。

工作机及备份机数据储存使用RAID1磁盘阵列，，保障数据的安全稳定。

2）控制分站子系统

控制分站作为系统的二级控制平台，负责数据的处理与交换。

当中控主机与控制网络的链接中断时，其可接管控制权，控制相关引导设备的工作。

图18：

区域控制网络

控制分站子系统是基于嵌入式GIS系统eSupermap平台，使用MicrosofteMbeddedVisualC++4.0开发出具有数据采集与编辑功能、查询与分析功能的应用系统，并且能与中控主机进行有线通讯与无线通讯，作为其客户端工作。

其主要作为应急疏散与救援指挥子系统的辅助系统进行被动工作，负责及时的将传感器的数据反馈至中控主机，并接受其引导控制命令，控制所辖区域中的引导设备工作。

基于esupermap开发的控制分站子系统具有一定的基于实时火情和电子地图进行动态分析的能力，主要在失去与中控主机的链接后，承担起相应控制区域的路线计算与引导工作。

控制分站子系统通过802.11b无线网络与应急疏散与救援指挥子系统进行数据通讯校验，当检测出有线通讯中断时，通过无线网络进行辅助数据传输。

如无法恢复通讯，则切换至主动工作模式，

控制分站子系统的平台运行环境为WinCE6.0，硬件架构为ARM9。

处理器为SamsungS3C2440A，主频400MHz；64M字节SDRAM；12MHz系统外部时钟源；32.768KHz的RTC时钟源；采用5V电压供电。

提供100Mbps以太网接口及485串口，用于连接中控主机和引导设备。

3）地图数字化与数据维护子系统

地图数字化子系统采用SupermapDeskpro完成地图的数字化。

支持CAD中常用的参数化设计，提供偏移、修剪、延伸、线连接、面分割、倒直角、倒圆角、旋转、曲线光滑、合并、求交、分解等编辑功能，将工程中广泛应用的CAD图纸进行处理后生成供应急疏散与救援指挥子系统使用的电子地图文件。

图19：

CAD图纸转换为电子地图

图20：

创建预置策略示意图

数据维护子系统采用SupermapDeskpro完成数据的维护处理。

实现了在电子地图上完成预置路线的规划、设备安置标注、引导参数设定、分析与辅助决策以及三维结构显示等功能。

6.2.2实时监控与指挥

1）监测工作网络是否正常（备份机、应急电源、与终端连接是否正常）；

2）探测器、引导设备自检；

3）采集并处理探测器传回的数据，显示在监控器上；

4）与其它消防系统交换数据；

5）接收外部控制指挥，调整引导路线

6.2.3火情报警及定位

火灾中可燃物燃烧时会产生烟雾。

火源与高温烟气会发出很高的热辐射。

系统采用烟雾探测器与火焰探测器作为对火情的主要检测手段，也可通过消防联动系统接收火情范围、位置等信息。

烟雾探测器采用光电式烟雾探测器，根据建筑物空间结构、相关隐患位置，结合系统定位火情以计算路线需要，采用组网安装方式，形成烟雾探测器阵列。

火焰探测器采用矩阵型红外火焰探测器，利用红外矩阵热电传感元件，能够在其探测视野内确定火焰的角度位置。

1）火情报警

火情发生后，烟雾探测器捕捉到烟雾信号或火焰探测器探测到火源，将报警信号传送至控制分站，控制分站接收到报警信息后将火情类型、位置等信息通过交换机网络传送至中控主机。

中控主机接收到报警信息后，进入应急疏散与救援指挥状态，同时通过城市消防网络向119火灾指挥中心报警。

2）火情定位

多个烟雾探测器组成烟雾探测阵列，并将其位置信息记录于电子地图中。

系统接收到烟雾探测器的报警信号，结合电子地图中的探测器位置，得到火情位置和范围信息。

火焰探测器采用矩阵型红外火焰探测器，利用红外矩阵热电传感元件，能够在其探测视野内确定火焰的角度位置，将火源的方向、位置信息报告至系统。

6.2.4防火设计及保障机制

线路及设备的防火

系统相关通讯和供电线缆埋设于墙壁内，防止直接接触高温。

线缆外层套有阻燃波纹管。

激光引导疏散装置等设备采用双层防火设计，外层为防火材料，内层为钢结构。

防火塑料符合可燃性UL94标准中的5VA等级。

通过考察所需安装的建筑物的实际空间结构，确定设备的最佳安装位置，最大程度上避免相关设备的安全、稳定工作

供电保障机制

本系统采用双回路专线供电，独立于建筑物内的普通供电电路，采用防高温等设计确保在建筑物正常电源供电供电时，仍能得到外部能源的供应。

2.系统设计为三级电源保障结构，主机及备份机配备有UPS电源，每一个控制区域有相应的应急电源，引导设备内置蓄电池。

当外部供电中断后，系统自动启用相应区域的应急电源，如应急电源供应失效，引导设备依靠内置蓄电池继续进行引导工作，确保12个小时的续航。

数据