作者：遲耀丹 ，劉永峰 ，王立光 ，趙 陽 ，趙慧強(qiáng)

引 言

GB 51309—2018《消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》對應(yīng)急照明系統(tǒng)及備用電源做出規(guī)定：消防應(yīng)急照明系統(tǒng)需采用不含重金屬等對環(huán)境有害物質(zhì)的蓄電池作為應(yīng)急燈具的后備保障性電源，且滿足火災(zāi)延續(xù)時(shí)間內(nèi)應(yīng)急照明設(shè)備的用電要求[1?2]。

應(yīng)急電源管理系統(tǒng)是以提高整個(gè)消防系統(tǒng)安全性能為目的，對應(yīng)急電源進(jìn)行集中管理、具有電源監(jiān)測和異常報(bào)警功能的管理系統(tǒng)[3]?！?019—2025 年中國照明電源行業(yè)市場及競爭發(fā)展趨勢研究報(bào)告》中提到：2000 年以來，中國照明電源行業(yè)開始進(jìn)入高速發(fā)展期，照明行業(yè)專業(yè)程度不斷提高，照明電源技術(shù)參數(shù)、性能指標(biāo)差異明顯[2]。在這種發(fā)展趨勢下，對于電源管理系統(tǒng)的研究提出了更高的要求。

目前電源管理系統(tǒng)在管理上依然沿用傳統(tǒng)電源管理系統(tǒng)的管理方式，即系統(tǒng)對蓄電池的狀態(tài)進(jìn)行無差別監(jiān)測[4]，由下位機(jī)采集電源信息，上位機(jī)負(fù)責(zé)信息顯示的被動(dòng)管理方式，這種管理方式在結(jié)構(gòu)上缺乏合理性和科學(xué)性，無法發(fā)揮系統(tǒng)管理的宏觀優(yōu)勢，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性和快速性降低。這種系統(tǒng)雖然能夠滿足日常生產(chǎn)，但其功能單一、規(guī)范性差、集成度低的問題使其無法適應(yīng)安防產(chǎn)業(yè)發(fā)展[5]。在建筑綜合化、規(guī)模化的形式下，尋找適合于大規(guī)模并行且具有智能特征的優(yōu)化算法已成為一個(gè)重要的研究方向[6]。

本文提出的基于蟻群算法的應(yīng)急電源管理方案，主要用于應(yīng)急照明系統(tǒng)自帶蓄電池的管理，采用全新、主動(dòng)式的電源管理方式，充分發(fā)揮蟻群算法尋優(yōu)能力，動(dòng)態(tài)尋找最佳巡查路徑，實(shí)現(xiàn)對電池單元的智能化管理。數(shù)據(jù)采集模塊和現(xiàn)場控制器采用喚醒機(jī)制，減少系統(tǒng)能耗，系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)與現(xiàn)場控制器采用差頻巡查機(jī)制，在減少通信模塊能量消耗的同時(shí)減少了系統(tǒng)的存儲(chǔ)負(fù)擔(dān)，解決了應(yīng)急電源管理系統(tǒng)巡查方式缺乏靈活性、能量利用率低、電池壽命短的問題。

1 電源管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

應(yīng)急電源管理系統(tǒng)由電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊和上位機(jī)顯示模塊組成，用于管理由獨(dú)立電源組成的應(yīng)急電源系統(tǒng)[7]。

系統(tǒng)整體采用樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖 1 所示。上位機(jī)（即系統(tǒng)的監(jiān)控主機(jī)）控制下層現(xiàn)場控制器，現(xiàn)場控制器控制下層電源節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)逐層控制，同層之間相互獨(dú)立，避免節(jié)點(diǎn)間沖突，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。應(yīng)急電源系統(tǒng)通過對電源的輸出信息進(jìn)行采集、匯總、運(yùn)算等操作，實(shí)現(xiàn)電源的電量監(jiān)測、故障報(bào)警、集中管理和建立巡查檔案等功能。

每個(gè)防護(hù)區(qū)域內(nèi)設(shè)置若干電源節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)場控制器，電源節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)場控制器采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接，應(yīng)急電源隨設(shè)備布置在防護(hù)區(qū)域，為設(shè)備及控制器供電，各電源節(jié)點(diǎn)之間無通信聯(lián)系，視為獨(dú)立節(jié)點(diǎn)。現(xiàn)場控制器用于接收監(jiān)控主機(jī)發(fā)送的控制信息，控制電源信息采集模塊采集電源電壓、電流、溫度信息，然后將采集到的電源數(shù)據(jù)信息通過 CAN 總線上傳至監(jiān)控主機(jī)；監(jiān)控主機(jī)用于對電源節(jié)點(diǎn)采用基于蟻群算法的智能巡查并分析電源節(jié)點(diǎn)的荷電狀態(tài)，檢測結(jié)果在人機(jī)交互界面顯示，并建立電源管理系統(tǒng)巡查檔案。

2 基于蟻群算法的電源管理方案

蟻群優(yōu)化(Ant Colony Optimization，ACO)算 法 由M.Dorigo于 1991年提出，是模擬螞蟻種群外出覓食行為創(chuàng)立的仿生算法[8]。螞蟻外出覓食時(shí)隨機(jī)選擇一條路徑，發(fā)現(xiàn)食物后在返回蟻穴的路徑上釋放信息素，信息素濃度越高表示發(fā)現(xiàn)食物的概率越高，之后外出覓食的螞蟻根據(jù)信息素濃度選擇一條到達(dá)食物最近的路線，找到食物返回的螞蟻同樣釋放信息素，形成正反饋，通過單個(gè)螞蟻的覓食行為為螞蟻種群找到一條最短的覓食路徑[9]。

蟻群算法是一種典型的群集智能算法，具有高效并行、反饋催化的特點(diǎn)，通過簡單個(gè)體完成該既定功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的智能行為[10]，提供全局分布式問題的優(yōu)化求解方案，在分布式電源智能管理領(lǐng)域表現(xiàn)出很高的研究和應(yīng)用價(jià)值。

電源管理系統(tǒng)對電源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中管理，監(jiān)控主機(jī)基于蟻群算法，采用主動(dòng)巡查方式結(jié)合周期性定時(shí)巡查方式確定電源節(jié)點(diǎn)的巡查路徑，并根據(jù)電源節(jié)點(diǎn)上傳的電源數(shù)據(jù)信息分析電源節(jié)點(diǎn)的荷電狀態(tài)。現(xiàn)場控制器采用固定高頻率巡查電源節(jié)點(diǎn)，監(jiān)控主機(jī)采用固定低頻率發(fā)送巡查指令，采用不同頻率巡查方式達(dá)到減少系統(tǒng)CPU 運(yùn)算量、存儲(chǔ)負(fù)荷和電能消耗的目的。

現(xiàn)場控制器和數(shù)據(jù)采集模塊在每個(gè)系統(tǒng)周期內(nèi)有兩個(gè)狀態(tài)：工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)。處于工作狀態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)采集模塊在現(xiàn)場控制器的指示下取得電源信息，現(xiàn)場控制器接收節(jié)點(diǎn)信息并處理，完成預(yù)定工作流程；處于休眠狀態(tài)時(shí)，關(guān)閉數(shù)據(jù)采集模塊以節(jié)約能量，現(xiàn)場控制器在休眠狀態(tài)下待機(jī)，保留接收上位機(jī)喚醒功能。

現(xiàn)場控制器巡查頻率高于監(jiān)控主機(jī)下達(dá)巡查指令的頻率，若巡查結(jié)果無異常且未收到上位巡查指令時(shí)，現(xiàn)場控制器不向監(jiān)控主機(jī)發(fā)送巡查結(jié)果，巡查結(jié)束后，現(xiàn)場控制器和節(jié)點(diǎn)傳感器轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，等待下一輪巡查到來；若現(xiàn)場控制器巡查過程中發(fā)現(xiàn)異常情況，現(xiàn)場控制器立即向監(jiān)控主機(jī)上傳信息，信息包含防護(hù)區(qū)域編碼、故障節(jié)點(diǎn)編碼及故障代碼，監(jiān)控主機(jī)根據(jù)故障信息向異常節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域及相鄰區(qū)域的現(xiàn)場控制器發(fā)出全面巡查指令，喚醒休眠狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)，并接收對應(yīng)現(xiàn)場控制器發(fā)送的巡查結(jié)果。

系統(tǒng)對電源節(jié)點(diǎn)的管理流程如圖 2所示。

3 算法實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)中，電源節(jié)點(diǎn)間彼此獨(dú)立，各電源節(jié)點(diǎn)按一定規(guī)則分布在防護(hù)區(qū)域內(nèi)，對節(jié)點(diǎn)本身而言，燈具控制器向現(xiàn)場控制器傳遞該節(jié)點(diǎn)電源信息，與其他節(jié)點(diǎn)無直接通信，對于整個(gè)系統(tǒng)來說，監(jiān)控主機(jī)向由電源節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)中投放“螞蟻”，探測到電源異常的事件即為“找到食物”，“螞蟻”釋放信息素，現(xiàn)場控制器記錄異常信息并向監(jiān)控主機(jī)報(bào)告，節(jié)點(diǎn)上“信息素”的積累是基于巡查結(jié)果的疊加過程，“信息素”用來衡量節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)異常狀況的可能性，指導(dǎo)下一輪的巡查，這種基于時(shí)間的積累方式可以有效降低系統(tǒng)虛警率。

3.1 算法模型

蟻群算法無需提供全局模型，僅涉及基本數(shù)學(xué)操作，數(shù)據(jù)處理過程簡單，對系統(tǒng) CPU、內(nèi)存要求不高，系統(tǒng)功能分三步實(shí)現(xiàn)：構(gòu)建電源系統(tǒng)可能性解空間，建立概率分布模型；對概率分布模型進(jìn)行參數(shù)化驗(yàn)證，產(chǎn)生可行解；利用可行解進(jìn)行參數(shù)化概率模型的迭代更新，構(gòu)建更優(yōu)化參數(shù)空間[11]。

在電源管理系統(tǒng)的一個(gè)防護(hù)區(qū)域內(nèi)，對所有電源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編碼，設(shè)置電源節(jié)點(diǎn)集合 C = { c1 ,c2 ,?,cn }，集合C 中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間距離的集合用L={ij|ci,cj?C}表示,τi(k)為第k次巡查時(shí)i 節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障的頻率，代表螞蟻在k-1次巡查中積累的信息素濃度，“螞蟻”根據(jù)節(jié)點(diǎn)上信息素濃度和與其他節(jié)點(diǎn)間的距離綜合計(jì)算狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率[12]，計(jì)算公式為：

式中：Pij表示從節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率；allowed為“螞蟻”下一步可能到達(dá)節(jié)點(diǎn)集合，表示“螞蟻”在該輪巡查中還未到過的節(jié)點(diǎn)；α為信息啟發(fā)因子，表示τ的相對重要性；ηij為啟發(fā)函數(shù)，表示距離在節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程中的影響；β為距離啟發(fā)因子，表示距離的相對重要性。

其中：

監(jiān)控主機(jī)的電量估計(jì)系統(tǒng)根據(jù)接收的電源節(jié)點(diǎn)f的電源數(shù)據(jù)信息，工況下的鋰電池容量需大于額定容量的20%，因此對電源節(jié)點(diǎn)f的荷電狀態(tài)（SOC）進(jìn)行判定：SOC≤20%，判定為電源節(jié)點(diǎn)f異常；SOC>20%，判定為電源節(jié)點(diǎn)f正常。若電源節(jié)點(diǎn)f異常，則其出現(xiàn)故障的次數(shù)mf為1，電源節(jié)點(diǎn)f發(fā)生故障的頻率為：

式中：k為巡查次數(shù)，記為1；若電源節(jié)點(diǎn)f正常，則其出現(xiàn)故障的次數(shù)mf為0。

蟻群算法流程圖如圖3所示。

蟻群算法在電源管理系統(tǒng)尋優(yōu)過程中分為兩個(gè)階段：

1）適應(yīng)階段。這個(gè)階段沒有信息指導(dǎo)系統(tǒng)工作，系統(tǒng)采用傳統(tǒng)順序查詢方式采集數(shù)據(jù)，完善系統(tǒng)參數(shù)配置，歷時(shí)較短。

2）協(xié)調(diào)階段。系統(tǒng)經(jīng)過適應(yīng)階段積累一定量的運(yùn)行數(shù)據(jù)，可以自主完成巡查任務(wù)，隨后整個(gè)生命周期內(nèi)不斷更新數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整巡查方式[13]。

現(xiàn)場控制器上電初始化進(jìn)行節(jié)點(diǎn)編碼、設(shè)置集合，首次巡查按節(jié)點(diǎn)編碼順序巡查，記巡查次數(shù)k為1，監(jiān)控主機(jī)的電量估計(jì)系統(tǒng)根據(jù)接收的電源數(shù)據(jù)信息對電源節(jié)點(diǎn)i的荷電狀態(tài)（SOC）進(jìn)行判定，若電源節(jié)點(diǎn)i異常，則其出現(xiàn)故障的次數(shù)mi增加1次，電源節(jié)點(diǎn)i發(fā)生故障的頻率為τi=mik；若電源節(jié)點(diǎn)i正常，則其出現(xiàn)故障的次數(shù)mi不變，由于巡查次數(shù)的增加，電源節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障的頻率τi下降。

計(jì)算電源節(jié)點(diǎn)i與剩余電源節(jié)點(diǎn)集合allowed中的電源節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率Pij，Pij最大的電源節(jié)點(diǎn)確定為下一巡查對象，若存在多個(gè)Pij值最大的電源節(jié)點(diǎn)，按編碼順序巡查，并將已巡查過的電源節(jié)點(diǎn)從剩余電源節(jié)點(diǎn)集合allowed中剔除，直至集合allowed中所有電源節(jié)點(diǎn)全部巡查完畢。

在電源管理系統(tǒng)中，根據(jù)節(jié)點(diǎn)發(fā)生異常的頻率和節(jié)點(diǎn)間的距離計(jì)算節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率反映了未巡查節(jié)點(diǎn)在時(shí)間和空間上的危險(xiǎn)性，節(jié)點(diǎn)巡查順序按危險(xiǎn)性由高到低排列，危險(xiǎn)性越高的節(jié)點(diǎn)越先檢查，τi值的動(dòng)態(tài)更新對系統(tǒng)新一輪的巡查起到強(qiáng)調(diào)作用，避免了一條巡查路徑始終處于警報(bào)狀態(tài)而忽略新的危機(jī)。

3.2仿真實(shí)驗(yàn)

本文基于Matlab軟件對基于蟻群算法的電源管理系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

基于蟻群算法的電源管理系統(tǒng)根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的異常率和節(jié)點(diǎn)間的距離動(dòng)態(tài)規(guī)劃巡查路徑，通過不斷的迭代運(yùn)算確定最優(yōu)巡查路徑。在30×30的平面內(nèi)均勻布置49個(gè)電源節(jié)點(diǎn)，設(shè)置一只“螞蟻”模擬傳統(tǒng)電源管理方案，即按照一定的順序?qū)﹄娫垂?jié)點(diǎn)進(jìn)行逐一巡查（只有一條路徑），系統(tǒng)巡查一周經(jīng)過的路徑約為321個(gè)單位。

相同場景下，監(jiān)控主機(jī)釋放“蟻群”（實(shí)際仿真結(jié)果表明，一定范圍內(nèi)螞蟻數(shù)越多，巡查的總距離越短，超過一定數(shù)量后，巡查距離差別不大，圖4為“釋放”3只螞蟻的仿真結(jié)果），從防火區(qū)內(nèi)任意節(jié)點(diǎn)出發(fā)，每經(jīng)過一個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算一次狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，標(biāo)記經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)，直至所有節(jié)點(diǎn)都被巡查過一遍，表示本次巡查任務(wù)結(jié)束。

圖4為基于蟻群算法的電源管理系統(tǒng)仿真結(jié)果。圖4a）是優(yōu)化后的電源節(jié)點(diǎn)巡查路徑，即系統(tǒng)巡查一輪的最短路徑；圖4b）是優(yōu)化后的最短巡查距離，從圖中可以看出，經(jīng)蟻群算法優(yōu)化后，系統(tǒng)巡查距離最后收斂于246個(gè)單位。

如圖5所示，相同面積區(qū)域內(nèi)，當(dāng)電源節(jié)點(diǎn)增加至121個(gè)時(shí)，逐一巡查方式的巡查距離約為560個(gè)單位，當(dāng)采用基于蟻群算法的巡查方式時(shí)，巡查距離收斂于385個(gè)單位，與傳統(tǒng)電源管理方案相比，基于蟻群算法優(yōu)化后的巡查方案具有動(dòng)態(tài)性和最優(yōu)性。

仿真結(jié)果表明，基于蟻群算法的系統(tǒng)巡查方案可以有效縮短系統(tǒng)巡查距離，節(jié)約系統(tǒng)巡查時(shí)間，基于節(jié)點(diǎn)異常率和空間位置規(guī)劃的巡查路徑，可以針對性地優(yōu)先排查高風(fēng)險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的應(yīng)急電源管理系統(tǒng)主要用于應(yīng)急照明系統(tǒng)的自帶蓄電池的管理，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制邏輯清晰、移植性好的特點(diǎn)?；谙伻核惴ǖ碾娫垂芾矸桨?，變被動(dòng)檢測為主動(dòng)，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能、高效的全天候電源巡查管理任務(wù)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急電源的智能化巡查管理。蟻群算法具有的反饋機(jī)制使系統(tǒng)不斷迭代優(yōu)化尋找全局最優(yōu)解，使得系統(tǒng)巡查具有動(dòng)態(tài)優(yōu)化特性，從時(shí)間積累和空間距離兩方面確定系統(tǒng)巡查路徑。

審核編輯：郭婷