消火栓在线监管系统及灭火时取水点的优化选择研究

摘要

市政消火栓是消防车的主要给水设施，在城市灭火救援中发挥着重要作用。随着城市规模的扩大，火灾风险日益增加，消火栓数量不断增多，消火栓出现人工管理效率低下、维护不及时、灭火时依靠经验难以选出最佳取水消火栓等问题。提高消火栓管理和灭火时取水点选择的智能化，既有助于解决以上问题，又有利于推动智慧消防的发展。本文基于物联网技术和优化算法，对消火栓管理和灭火时取水点的优化选择开展研究，旨在提高消火栓管理效率，保证消火栓可靠运行，缩短消防车取水时间。　　本文主要研究内容如下：　　1.调研现有消火栓监管系统及消火栓管理中存在问题的基础上，分析系统设计要求和功能需求；根据系统使用特性和用户需求，选择终端通信方式和后台管理系统结构模式，设计基于NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)技术和B/S(Browser/Server)模式的消火栓在线监管系统架构。　　2.根据系统终端设计要求和消火栓待监测信息，设计微处理器、电源、消火栓数据采集模块和NB-IoT模块；改进消火栓结构，使得终端模块可靠地安装在消火栓内；设计系统终端工作流程；确定管理系统功能和技术方案，设计消火栓后台管理系统，实现消火栓数据的在线采集和管理。　　3.提取实际道路中路口、红绿灯、消火栓、路况等信息，构建路网简化模型；考虑实际道路中影响路段通行时间的因素，建立路段通行时间计算模型，构建路段通行时间矩阵；利用Dijkstra算法，提出了单辆车最佳取水路径求解方案。　　4.构建基于消防车取水时长和消火栓水压的取水点多目标优化选择数学模型，利用线性加权法建立目标函数；根据数学模型和取水点选择特点改进遗传算法；进行取水点优化选择模型算例分析及验证，结果表明以时效性和可靠性为目标选取的取水点能兼顾取水时间和水压，保证消防车更有效地取水灭火。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 在线监管系统

1.2.2 路径规划

1.2.3 组合优化

1.3 课题来源

1.4 本文主要研究内容

第2章 消火栓在线监管系统总体设计

2.1 系统设计目标和需求分析

2.1.1 系统设计要求

2.1.2 系统需求分析

2.2 消火栓在线监管系统功能要求

2.3 消火栓在线监管系统总体架构

2.3.1 通信方式

2.3.2 管理系统结构模式

2.3.3 消火栓在线监管系统架构设计

2.4 本章小结

第3章 系统终端及后台管理系统设计

3.1 系统终端设计

3.1.1 系统终端硬件及结构设计

3.1.2 系统终端软件设计

3.2 管理系统设计

3.2.1 管理系统功能模块

3.2.2 管理系统技术方案

3.2.3 管理系统界面设计

3.3 本章小结

第4章 灭火时取水点优化选择及算法研究

4.1 取水点优化选择数学模型

4.1.1 取水点优化选择问题描述

4.1.2 取水点优化选择目标函数

4.1.3 取水点优化选择约束条件

4.2 单车取水时间及路径求解

4.2.1 路段通行时间

4.2.2 Dijkstra算法设计

4.2.3 取水时间及路径求解步骤

4.3 取水点优化选择数学模型求解

4.3.1 概述

4.3.2 遗传算法原理及设计

4.4 本章小结

第5章 取水点优化选择算例分析

5.1 算例描述及路网模型建立

5.2 单车取水时间求解

（一）计算路段通行时间矩阵

（二）通过任意两路口的最短时间及路径计算

（三）从着火点到消火栓及返回着火点的最短时间和路径计算

5.3 目标函数求解及结果分析

5.4 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

附录A （攻读硕士学位期间发表的论文）

附录B （相关程序代码）

B.1 Dijkstra 算法代码

B.2 遗传算法选择算子代码

B.3 遗传算法交叉算子代码

B.4 遗传算法变异算子代码

B.5 遗传算法主程序代码