基于数字孪生城市的火灾报警器的布局优化方法及系统与流程

本发明涉及消防安全领域，尤其涉及基于数字孪生城市的火灾报警器的布局优化方法及系统。

背景技术：

1、在城市人口较为密集的区域，建筑物火灾发生频繁，严重威胁人员的生命财产安全。由于火灾蔓延时间短、发展速度快，如何及时准确地监测火灾发生，降低火灾造成的人员伤亡和财产损失是城市管理者需要解决的一个重要问题，于是火灾预警系统应运而生。在火灾预警系统中，最基础的部分就是火灾报警器。由于火灾报警器覆盖能力有限，容易受到遮挡，为了完全覆盖、不留死角，火灾报警器部署数量巨大，在城市级甚至是一个天文数字。然而，当前火灾报警器的布局完全基于设计人员经验，在建筑物密集区域需要大量部署，带来巨大成本的浪费。

2、现有的火灾预警方法大部分通过判断烟雾、温度等情况进行火灾预警，针对火灾预警如何部署和最优化还没有相关研究。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于数字孪生城市的火灾报警器的布局优化方法及系统，用以解决现有技术中，面对庞大的城市建筑群，完全凭设计人员经验，难以部署周全，且费时费力，造成巨大成本浪费的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一方面，本发明公开了一种基于数字孪生城市的火灾报警器布局优化方法，包括步骤：

4、s100，基于数字孪生城市技术构建城市3d模型；并在所述城市3d模型中设定各建筑物表面的基础属性；所述基础属性包括：是否易燃、以及是否能部署火灾报警器；

5、s200，按照设定的间距构建正方形网格，并将构建好的网格投影到所述城市3d模型的整个城市地表及建筑物表面；

6、s300，统计所述城市3d模型上能够部署火灾报警器的网格，并将其中心点坐标添加至部署集合；

7、s400，根据设定的预安装火灾报警器的数量n，在所述城市3d模型的部署集合中随机选取n个网格作为对应火灾报警器的初始布置位置，生成所述火灾报警器的初始布局方案；

8、s500，基于所述火灾报警器的初始布局方案，采用带禁忌与扰动的变邻域搜索算法，获取不同的火灾报警器布局，并从中选取覆盖易燃性网格最多的火灾报警器布局作为火灾报警器部署的最优方案。

9、优选地，所述步骤s500基于所述火灾报警器的初始布局方案，采用带禁忌与扰动的变邻域搜索算法，获取不同的火灾报警器布局，并从中选取覆盖易燃性网格最多的火灾报警器布局作为火灾报警器部署的最优方案；具体包括：

10、s510，基于所述初始布局方案及设定的邻域半径，获取每个火灾报警器的邻域；并从每个所述火灾报警器的邻域中选取可部署火灾报警器的网格，组成所述火灾报警器的邻域集；

11、s520，从所述火灾报警器的邻域集中随机选取p个网格，作为对应火灾报警器的临时布局位置；并基于各火灾报警器的各临时布局位置，组合生成不同火灾报警器临时布局方案；

12、s530，剔除列入禁忌列表的临时布局方案，并计算剔除操作后的所有火灾报警器临时布局方案的易燃覆盖度，从中选取易燃覆盖度最高的火灾报警器临时布局方案作为临时最优布局方案；并将其余的火灾报警器临时布局方案列入禁忌列表；

13、s540，判断所述临时最优布局方案的易燃覆盖度是否大于所述初始布局方案的易燃覆盖度，若是，则进入步骤s550；否则，进入步骤s560；

14、s550，将所述临时最优布局方案作为下次迭代的初始布局方案，并将当前迭代次数重置为0；返回步骤s510；

15、s560，统计当前迭代次数，判断所述当前迭代次数是否达到邻域搜索次数阈值；若是进入步骤s570；否则，返回步骤s520进行下次迭代；

16、s570，将当前的初始布局方案作为初步最优解，通过带扰动的变邻域搜索算法扩大搜索邻域，并在扰动次数达到设定的扰动次数阈值时将覆盖易燃性网格最多的火灾报警器布局作为火灾报警器布局的最终最优解。

17、优选地，所述步骤s570中的通过带扰动的变邻域搜索算法扩大搜索邻域，并在扰动次数达到设定的扰动次数阈值时将覆盖易燃性网格最多的火灾报警器布局作为火灾报警器布局的最终最优解；具体包括：

18、s571，将当前的初始布局方案中的每个火灾报警器的邻域半径扩大为原来的指定倍数，并从中选取可部署火灾报警器的网格，组成对应火灾报警器的新的邻域集；

19、s572，将每个火灾报警器的新邻域集中的网格数随机删除设定的比例数，并从所述部署集合中依次选取指定数量的暂未纳入当前任一火灾报警器的邻域的网格加入每个火灾报警器的新的邻域集中；

20、s573，初始化邻域搜索次数为0，扰动次数加1，返回步骤s520，直至所述扰动次数达到预设的扰动次数阈值，输出当前的火灾报警器的布局作为最优布局。

21、优选地，在所述步骤s510之后，所述步骤s520之前还包括步骤：

22、s515，判断各火灾报警器的邻域集中是否有重合网格，若有，则将所述重合网格从各火灾报警器的邻域集中删除。

23、优选地，所述步骤s530中计算火灾报警器临时布局方案的易燃覆盖度的公式为：

24、；

25、其中，ƒ(gj ,n)为火灾报警器布局方案gj的易燃覆盖度；k是整个数字孪生城市中所有易燃性网格的数量，nred(gj,n)为当前火灾报警器布局方案gj中覆盖的易燃性网格的数量；n为布局的火灾报警器的个数；

26、所述当前火灾报警器布局方案gj中每个火灾报警器覆盖的易燃性网格的数量统计步骤包括：

27、s531，基于所述火灾报警器的覆盖半径，获取在所述火灾报警器覆盖范围内的易燃性网格，记这些网格的中心点集合为a；

28、s532，基于所述城市3d模型，执行射线传播算法，判断所述集合a中的每个易燃性网格是不是当前火灾报警器的直视点，并将所有判定为直视点的易燃性网格进行标记；

29、s533，统计标记的易燃性网格，得到当前火灾报警器的覆盖易燃性网格的数量。

30、优选地，所述步骤s532中判断所述集合a中的每个网格是不是当前火灾报警器的直视点；具体包括：

31、s5321，基于集合a中待判定的网格的位置坐标以及设定的限定半径，确定所述待判定的网格的限定空间；

32、s5322，获取所述城市3d模型在所述限定空间中存在的所有参考平面；并获取所述待判定的网格的中心点与各所述参考平面的镜像点；所述待判定的网格的中心点与镜像点对应的平面视为目标参考面；

33、s5323，针对每个镜像点，遍历各所述参考面中，除所述目标参考面外，是否存在与目标连线相交的参考面；若是，则判定所述待判定的网格不是所述火灾报警器的直视点；否则，判定所述待判定的网格是所述火灾报警器的直视点；其中，所述目标连线为所述镜像点与所述火灾报警器所在网格的中心点的连线。

34、优选地，所述步骤s532中判断所述集合a中的每个网格是不是当前火灾报警器的直视点；具体包括：

35、s5324，获取所述集合a中当前待判定的网格的中心点与所述当前火灾报警器所在网格的中心点的连线，并以所述连线作为对角线获取长方体检测空间；

36、s5325，将所述长方体检测空间划分成m个子空间区域；m为大于1的正整数；

37、s5326，获取与所述连线相交的子空间区域作为目标子空间区域；

38、s5327，依次判断每个所述目标子空间区域内是否存在网格；若存在，则遍历所述目标子空间区域内的网格，判断其中心点是否位于所述连线上；

39、s5328，若所有所述目标子空间区域内的每个网格的中心点均不位于所述连线上，则判定所述当前待判定的网格是所述当前火灾报警器的直视点；

40、s5329，若各所述目标子空间区域内，存在网格中心点位于所述连线上的网格，则判定所述当前待判定的网格不是所述当前火灾报警器的直视点。

41、优选地，所述的基于数字孪生城市的火灾报警器布局方法，还包括步骤：

42、s600，判断当前所述火灾报警器部署的最优方案覆盖易燃性网格的易燃覆盖度是否达到设定的易燃覆盖度；若是，则将当前所述火灾报警器部署的最优方案作为最终布局方案；若否，则进入步骤s710；

43、s710，基于所述当前所述火灾报警器部署的最优方案，检测获取未被任何火灾报警器覆盖到的易燃性网格作为目标网格；

44、s720，对所述目标网格进行聚类，获取包含所述目标网格数量最多的类的所在的区域作为第一目标区域；

45、s730，在所述第一目标区域中确定可部署火灾报警器的网格，并从中选取覆盖所述目标网格最多的网格作为新增的火灾报警器部署点；

46、s740，更新所述火灾报警器部署的最优方案，返回步骤s600。

47、另一方面，本发明还公开了一种基于数字孪生城市的火灾报警器布局系统，包括：数字孪生城市模块、报警器布局模块、以及人机交互模块；其中：

48、所述数字孪生城市模块具体包括：

49、模型构建子模块，用于基于数字孪生城市技术构建城市3d模型；并在所述城市3d模型中设定各建筑物表面的基础属性；所述基础属性包括：是否易燃、以及是否能部署火灾报警器；

50、模型网格化子模块，用于按照设定的间距构建正方形网格，并将构建好的网格投影到所述城市3d模型的整个城市地表及建筑物表面；

51、所述报警器布局模块，具体包括：

52、统计子模块，用于统计所述城市3d模型上能够部署火灾报警器的网格，并将其中心点坐标添加至部署集合；

53、初始化子模块，用于根据设定的预安装火灾报警器的数量n，在所述城市3d模型的部署集合中随机选取n个网格作为对应火灾报警器的初始布置位置，生成所述火灾报警器的初始布局方案；

54、布局优化子模块，用于基于所述火灾报警器的初始布局方案，采用带禁忌与扰动的变邻域搜索算法，获取不同的火灾报警器布局，并从中选取覆盖易燃性网格最多的火灾报警器布局作为火灾报警器部署的最优方案；

55、所述人机交互模块，用于与用户进行人机交互，包括接收所述用户的输入的指令，以及将所述报警器布局模块生成的火灾报警器部署的最优方案展示给所述用户。

56、优选地，所述布局优化子模块具体包括：

57、邻域集构建单元，用于基于所述初始布局方案及设定的邻域半径，获取每个火灾报警器的邻域；并从每个所述火灾报警器的邻域中选取可部署火灾报警器的网格，组成所述火灾报警器的邻域集；

58、临时布局生成单元，用于从所述火灾报警器的邻域集中随机选取p个网格，作为对应火灾报警器的临时布局位置；并基于各火灾报警器的各临时布局位置，组合生成不同火灾报警器临时布局方案；

59、禁忌列表构建单元，用于构建禁忌列表，所述禁忌列表用于存放淘汰的火灾报警器的布局方案；

60、第一优化单元，用于剔除列入禁忌列表的临时布局方案，并计算剔除操作后的所有火灾报警器临时布局方案的易燃覆盖度，从中选取易燃覆盖度最高的火灾报警器临时布局方案作为临时最优布局方案；并将其余的火灾报警器临时布局方案列入禁忌列表；

61、判断操作单元，用于判断所述临时最优布局方案的易燃覆盖度是否大于所述初始布局方案的易燃覆盖度，若是，则将所述临时最优布局方案作为下次迭代的初始布局方案，并将当前迭代次数重置为0，并通过所述邻域构建模块重新构建新的初始布局方案中各火灾报警器的邻域集，继续进行下一次迭代；

62、统计单元，用于当所述临时最优布局方案的易燃覆盖度小于所述初始布局方案时，统计当前迭代次数，并判断所述当前迭代次数是否达到邻域搜索次数阈值；若否，则通过临时布局生成单元重新选取p个网格，继续进行下一次迭代；

63、邻域扩展子单元，用于当所述当前迭代次数达到所述邻域搜索次数阈值时，将当前的初始布局方案中的每个火灾报警器的邻域半径扩大为原来的指定倍数，并从中选取可部署火灾报警器的网格，组成对应火灾报警器的新的邻域集；

64、元素增减单元，用于将每个火灾报警器的新邻域集中的网格数随机删除设定的比例数，并从所述部署集合中依次选取指定数量的暂未纳入当前任一火灾报警器的邻域的网格加入每个火灾报警器的新的邻域集中；

65、比较处理单元，用于初始化邻域搜索次数为0，扰动次数加1，返回所述第一优化单元继续进行优化迭代，直至所述扰动次数达到预设的扰动次数阈值，输出当前的火灾报警器的布局作为最优布局。

66、本发明至少具备以下一项有益技术效果：

67、（1）本发明基于数字孪生城市的火灾报警器部署优化方法，能够在尽可能少的花销上，提供最大的覆盖范围，使城市的火灾预警更全面，保证城市居民安全。

68、（2）本发明采用带禁忌与扰动的变邻域搜索算法，通过禁忌列表的采用，将淘汰的布局方案存入禁忌列表，从而后续可快速比对去除重复的淘汰方案，避免重复临时方案的反复计算，减少了算力。而加入扰动操作后，能够快速的确定部署方案且不易陷入局部最优解。更佳的，本发明中，并不是单纯的只将邻域半径扩大，而是在扩大邻域半径后，随机删减其中一定比例的网格数，而再从3d模型的城市空间中在随机吸纳指定数量的可安装火灾报警器的网格数纳入新邻域集中，从而跳出局部最优解的空间限制，提升了方案的优越性。

69、（3）本发明中在计算火灾报警器的易燃性网格数量时，并不是简单的将火灾报警器物理覆盖范围内的易燃性网格简单纳入统计，而是会进一步判定该物流覆盖范围内的易燃性网格是不是该火灾报警器的直视点，如果不是直视点，则表明二者之间存在障碍物遮挡，该火灾报警器可能难以监测到遮挡的易燃性网格，而去除非直视点的易燃性网格后，统计的该火灾报警器的覆盖范围的易燃性网格的数量更为准确，提升了火灾报警器布局优化的准确度。

70、（4）本发明基于数字孪生城市技术，构建城市3d模型，从而将城市的各种数据信息在模型上准确呈现，包括城市地表及建筑物表面是否易燃，能否部署火灾报警器等。而在构建的城市模型基础上，再进一步通过等距网格进行投影处理，从而将整个城市地表及建筑物表面进行了网格化定位，大大方便了后续的火灾报警器的布局定位，简化了布局方案。

71、（5）本发明在采用带禁忌与扰动的变邻域搜索算法获取到当前的火灾报警器部署的最优方案后，还进一步进行了方案整体易燃覆盖度的判断，若易燃覆盖度未达到设定的要求，则会进一步基于未覆盖到的易燃性网格增设火灾报警器，以满足覆盖率要求。且该增加火灾报警器的方案，是基于原最优方案基础上增设，不改动原报警器位置布局，大大减小了数据处理的工作量，提高了效率。

72、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。