面向三维船舶场景的可扩展性实时快速应急路径规划方法技术

一种面向三维船舶场景的可扩展性实时快速应急路径规划方法，包括以下步骤：根据船舶室内结构构建三维导航网络；先在三维导航网络的路标节点处布设无线传感器，构造无线传感器网络，再利用无线传感器采集相邻路标节点之间的路段延迟信息以及危险到达路段的时间间隔信息，然后根据路标节点和路段延迟信息，采用有向图建立应急导航模型；根据应急导航策略的目标，利用舍入和缩放算法，为每个船载人员规划最优导航路径；根据船舶疏散环境的动态变化，利用无线传感器网络采集到的信息，实时更新应急导航模型参数，最后利用舍入和缩放算法实时计算船载人员的最优导航路径。本设计不仅可扩展性好，而且疏散效率高、用户安全性强。而且疏散效率高、用户安全性强。而且疏散效率高、用户安全性强。

【技术实现步骤摘要】
面向三维船舶场景的可扩展性实时快速应急路径规划方法


[0001]本专利技术涉及智能交通的船载人员应急疏散领域，尤其涉及一种面向三维船舶场景的可扩展性实时快速应急路径规划方法。

技术介绍

[0002]邮轮事故往往会造成大量的人员伤亡，无效的应急疏散方法被认为是造成人员伤亡的主要原因之一，可靠且高效的应急疏散对于邮轮乘客的安全至关重要。
[0003]目前有许多先进的基于无线传感器网络的应急疏散方法，利用无线传感器与动态环境进行交互，实时获取信息，为用户提供实时的导航服务。但是这些疏散方法主要应用于陆地上的建筑，没有考虑到船载环境复杂的内部结构、有限的生存时间以及船体运动，因此无法直接将其应用于船舶疏散。首先，大部分方法仅用于处理二维传感场景，没有考虑到实际的导航环境；这些方法会在运行阶段探索环境中的障碍物并且构建路线图，由于邮轮内部结构极度复杂，疏散过程中存在动态危险，这些导航方法无法为船载乘客提供实时且可靠的导航方案。其次，船舶人员应急疏散需要考虑船体倾覆的硬截止时间，具体来说，部分疏散方法考虑了危险变化的影响，旨在引导用户在远离危险的同时无振荡地逃生，但忽视了导航效率，导致乘客长时间处于危险中，从而错过了船舶的逃生时间。最后，船载人员的运动会受到船舶倾斜角与受损情况的影响，疏散人员速度变化会引起相同路段上逃生时间的改变，因此在船体倾覆之前，传统的疏散方法可能无法完成乘客安全疏散。
[0004]由于船舶室内环境结构复杂，目前先进的应急疏散方法主要适用于结构简单的陆地建筑物。对于存在动态危险及疏散硬截止时间的船载环境，基于无线传感器网络的应急疏散策略存在算法可扩展性差、疏散效率低、用户安全性差的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是克服现有技术中存在的可扩展性差、疏散效率低、用户安全性差的缺陷与问题，提供一种可扩展性好、疏散效率高、用户安全性强的面向三维船舶场景的可扩展性实时快速应急路径规划方法。
[0006]为实现以上目的，本专利技术的技术解决方案是：一种面向三维船舶场景的可扩展性实时快速应急路径规划方法，该方法包括以下步骤：S1、根据船舶室内结构构建三维导航网络；S2、先在三维导航网络的路标节点处布设无线传感器，构造无线传感器网络，再利用无线传感器采集相邻路标节点之间的路段延迟信息以及危险到达路段的时间间隔信息，然后根据路标节点和路段延迟信息，采用有向图建立应急导航模型；S3、根据应急导航策略的目标，利用舍入和缩放算法，为每个船载人员规划最优导航路径；S4、根据船舶疏散环境的动态变化，利用无线传感器网络采集到的信息，实时更新应急导航模型参数，最后利用舍入和缩放算法实时计算船载人员的最优导航路径。
[0007]步骤S1中，采用基于泰森多边形的导航网络构建方法，具体包括以下步骤：S11、初始化赋值，单元格集合，当前曲面细分等级；S12、导航场景中门节点、凹角节点和楼梯节点投影对应于约束形核点集合，对于待测单元格集合中的每个单元格，计算约束形核点连线的二等分线，再计算二等分线与单元格的交点集合；S13、若交点集合中的元素个数大于2，则创建边，并将其插入多边形的细分曲面中；将包含约束形核点的单元格添加到集合中；对于边相交的边，将其相邻的单元格添加到待测单元格集合中；S14、删除约束形核点新生成的单元格边界内的边；S15、对于多边形的细分曲面中的每条边，若边的长度超过边长阈值，或者边受两个约束形核点限制，或者边的端点位于不共线约束边上时，计算边的二等分点，并将二等分点添加到集合中；S16、对细分等级赋值，重复步骤S12、S13、S14、S15，直到完成最大细分等级的计算。
[0008]步骤S2具体包括以下步骤：S21、采用有向图对无线传感器网络进行建模，得到图模型为：式中，为路标集合，为两个路标之间路段构成的集合；S22、估计不同路段对应的典型延迟和最坏情况延迟；S23、将图模型中每个路标设置为三元组：式中，为部署无线传感器时分配的路标标识符，为路标在导航网络中的位置坐标，为最短危险到达时间集合；为危险从初始位置扩展到路标的相邻路段的最短时间间隔，定义为：式中，为危险从初始位置扩展到路标所有相邻路段的最短时间间隔集合，为路标的相邻路标集合；
式中，为疏散截止时间，为出口路标。
[0009]步骤S22中，将动态危险情况下船载人员的典型速度与图模型中各路段长度相结合，计算出该路段对应的典型延迟；对于因水密舱壁而不受浸水影响的路段，其最坏情况速度为：式中，为倾斜角为30度时步行速度的衰减系数；对于受浸水影响的路段，其最坏情况速度为：式中，为水深0.8m时步行速度的衰减系数；将船载人员通过各路段的最坏情况速度与图模型中各路段长度相结合，计算出该路段对应的最坏情况延迟。
[0010]所述应急导航策略的目标是指为每个船载人员规划一条远离危险区域的路径，经过该路径，在所有情况下船载人员都能在硬截止时间内到达出口路标，同时经历从用户初始路标到达出口路标的最小典型延迟。
[0011]步骤S3具体包括以下步骤：S31、定义路标对应的相邻安全路标集合以及路标到达出口路标的安全路径集合；（1）对于路标对应的相邻安全路标集合的定义如下：对于路标的相邻路标，若从路标到达出口路标的路径集合中存在一条
路径，对于其中任意不等于路标的路标，若满足以下不等式，则路标为路标的相邻安全路标，所有相邻安全路标构成集合；；式中，为从路标到路标的路段的最坏情况延迟，为从路标到达路标的路径的最坏情况延迟；为危险到达路段的最短时间间隔，其中，路标位于路径上并且路段为路标的相邻路段；（2）对于安全路径集合的定义如下：对于路径，当且仅当每个位于路径的路标，满足，将定义为路标到出口路标的安全路径；其中，，，路标到出口路标的所有安全路径构成集合；S32、定义路标到达出口路标的最小典型延迟以及其对应的最优路径；最小典型延迟为：式中，为路标到路标的典型延迟，为路标到出口路标的典型延迟，为危险到达路标的硬截止时间；将最小典型延迟对应的最优相邻路标定义为，安全路径定义为最优路径，当且仅当每个包含于安全路径的路标，满足；S33、利用舍入和缩放算法，在多项式时间内计算最优路径与最优典型延迟；（1）利用释放算法计算最小最坏情况延迟：式中，为典型延迟不超过的路径上的最小最坏情况延迟，
为典型延迟不超过的路径上的最小最坏情况延迟，为典型延迟不超过的路径上的最小最坏情况延迟，为路段的典型延迟，为路段的最坏情况延迟；（2）分别计算最优路径的上界与下界；（3）执行舍入和缩放算法，计算最优路径与最优典型延迟。
[0012]步骤S33中，上界的计算方法包括以下步骤：（1）基于未插入危险区域时的图模型，计算上界的初始值对应于从用户初始路标到达出口路标的最小最坏情况延迟，对应路径为；（2）在图模型中逐个插入个危险区域；（3）对于路径中的各个路段，判断图模型插入第个危险区域后，是否安全路段，如果不属于，则基于插入第个危险区域后的图模型更新路径；（4）重复步骤（2）、（3），直到完成插入个危险区域，得到的最小最坏情况延迟即路径的上界。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向三维船舶场景的可扩展性实时快速应急路径规划方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1、根据船舶室内结构构建三维导航网络；S2、先在三维导航网络的路标节点处布设无线传感器，构造无线传感器网络，再利用无线传感器采集相邻路标节点之间的路段延迟信息以及危险到达路段的时间间隔信息，然后根据路标节点和路段延迟信息，采用有向图建立应急导航模型；S3、根据应急导航策略的目标，利用舍入和缩放算法，为每个船载人员规划最优导航路径；S4、根据船舶疏散环境的动态变化，利用无线传感器网络采集到的信息，实时更新应急导航模型参数，最后利用舍入和缩放算法实时计算船载人员的最优导航路径。2.根据权利要求1所述的一种面向三维船舶场景的可扩展性实时快速应急路径规划方法，其特征在于：步骤S1中，采用基于泰森多边形的导航网络构建方法，具体包括以下步骤：S11、初始化赋值，单元格集合，当前曲面细分等级；S12、导航场景中门节点、凹角节点和楼梯节点投影对应于约束形核点集合，对于待测单元格集合中的每个单元格，计算约束形核点连线的二等分线，再计算二等分线与单元格的交点集合；S13、若交点集合中的元素个数大于2，则创建边，并将其插入多边形的细分曲面中；将包含约束形核点的单元格添加到集合中；对于边相交的边，将其相邻的单元格添加到待测单元格集合中；S14、删除约束形核点新生成的单元格边界内的边；S15、对于多边形的细分曲面中的每条边，若边的长度超过边长阈值，或者边受两个约束形核点限制，或者边的端点位于不共线约束边上时，计算边的二等分点，并将二等分点添加到集合中；S16、对细分等级赋值，重复步骤S12、S13、S14、S15，直到完成最大细分等级的计算。3.根据权利要求1所述的一种面向三维船舶场景的可扩展性实时快速应急路径规划方法，其特征在于：步骤S2具体包括以下步骤：S21、采用有向图对无线传感器网络进行建模，得到图模型为：式中，为路标集合，为两个路标之间路段构成的集合；S22、估计不同路段对应的典型延迟和最坏情况延迟；S23、将图模型中每个路标设置为三元组：
式中，为部署无线传感器时分配的路标标识符，为路标在导航网络中的位置坐标，为最短危险到达时间集合；为危险从初始位置扩展到路标的相邻路段的最短时间间隔，定义为：式中，为危险从初始位置扩展到路标所有相邻路段的最短时间间隔集合，为路标的相邻路标集合；的相邻路标集合；式中，为疏散截止时间，为出口路标。4.根据权利要求3所述的一种面向三维船舶场景的可扩展性实时快速应急路径规划方法，其特征在于：步骤S22中，将动态危险情况下船载人员的典型速度与图模型中各路段长度相结合，计算出该路段对应的典型延迟；对于因水密舱壁而不受浸水影响的路段，其最坏情况速度为：式中，为倾斜角为30度时步行速度的衰减系数；对于受浸水影响的路段，其最坏情况速度为：
式中，为水深0.8m时步行速度的衰减系数；将船载人员通过各路段的最坏情况速度与图模型中各路段长度相结合，计算出该路段对应的最坏情况延迟。5.根据权利要求1所述的一种面向三维船舶场景的可扩展性实时快速应急路径规划方法，其特征在于：步骤S3中，所述应急导航策略的目标是指为每个船载人员规划一条远离危险区域的路径，经过该路径，在所有情况下船载人员都能在硬截止时间内到达出口路标，同时经历从用户初始路标到达出口路标的最小典型延迟。6.根据权利要求5所述的一种面向三维船舶场景的可扩展性实时快速应急路径规划方法，其特征在于：步骤S3具体包括以下步骤：S31、定义路标对应的相邻安全路标集合以及路标到达出口路标的安全路径集合；（1）对于路标对应的相邻安全路标集合的定义如下：对于路标的相邻路标，若从路标到达出口路标的路径集合中存在一条路径，对于其中任意不等于路标的路标，若满足以下不等式，则路标为路标的相邻安全路标，所有相邻安全路标构成集合；；式中，为从路标到路标的路段的最坏情况延迟，为从路标到达路标的路径的最坏情况延迟；为危险到达路段的最短时间间隔，其中，路标位于路径上并且路段为路标的相邻路段；（2）对于安全路径集合的定义如下：对于路径，当且仅当每个位于路径的路标，满足，将定义为路标到出口路标的安全路径；其中，，，路标到出口路标的所有安全路径构成集合；S32、定义路标到达出口路标的最小典型延迟以及其对应的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘克中，曾小玲，陈默子，马玉亭，郑凯，曾旭明，王克浩，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：