作者：遲耀丹 ，劉永峰 ，王立光 ，趙 陽 ，趙慧強

引 言

GB 51309—2018《消防應急照明和疏散指示系統(tǒng)技術標準》和《建筑設計防火規(guī)范》對應急照明系統(tǒng)及備用電源做出規(guī)定：消防應急照明系統(tǒng)需采用不含重金屬等對環(huán)境有害物質的蓄電池作為應急燈具的后備保障性電源，且滿足火災延續(xù)時間內應急照明設備的用電要求[1?2]。

應急電源管理系統(tǒng)是以提高整個消防系統(tǒng)安全性能為目的，對應急電源進行集中管理、具有電源監(jiān)測和異常報警功能的管理系統(tǒng)[3]。《2019—2025 年中國照明電源行業(yè)市場及競爭發(fā)展趨勢研究報告》中提到：2000 年以來，中國照明電源行業(yè)開始進入高速發(fā)展期，照明行業(yè)專業(yè)程度不斷提高，照明電源技術參數(shù)、性能指標差異明顯[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)進行無差別監(jiān)測[4]，由下位機采集電源信息，上位機負責信息顯示的被動管理方式，這種管理方式在結構上缺乏合理性和科學性，無法發(fā)揮系統(tǒng)管理的宏觀優(yōu)勢，導致系統(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)化算法已成為一個重要的研究方向[6]。

本文提出的基于蟻群算法的應急電源管理方案，主要用于應急照明系統(tǒng)自帶蓄電池的管理，采用全新、主動式的電源管理方式，充分發(fā)揮蟻群算法尋優(yōu)能力，動態(tài)尋找最佳巡查路徑，實現(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制，減少系統(tǒng)能耗，系統(tǒng)監(jiān)控主機與現(xiàn)場控制器采用差頻巡查機制，在減少通信模塊能量消耗的同時減少了系統(tǒng)的存儲負擔，解決了應急電源管理系統(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)總體結構

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

系統(tǒng)整體采用樹狀拓撲結構，如圖 1 所示。上位機（即系統(tǒng)的監(jiān)控主機）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，系統(tǒng)逐層控制，同層之間相互獨立，避免節(jié)點間沖突，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。應急電源系統(tǒng)通過對電源的輸出信息進行采集、匯總、運算等操作，實現(xiàn)電源的電量監(jiān)測、故障報警、集中管理和建立巡查檔案等功能。

每個防護區(qū)域內設置若干電源節(jié)點和現(xiàn)場控制器，電源節(jié)點與現(xiàn)場控制器采用星型拓撲結構連接，應急電源隨設備布置在防護區(qū)域，為設備及控制器供電，各電源節(jié)點之間無通信聯(lián)系，視為獨立節(jié)點。現(xiàn)場控制器用于接收監(jiān)控主機發(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；監(jiān)控主機用于對電源節(jié)點采用基于蟻群算法的智能巡查并分析電源節(jié)點的荷電狀態(tài)，檢測結果在人機交互界面顯示，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]。螞蟻外出覓食時隨機選擇一條路徑，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，通過簡單個體完成該既定功能，進而實現(xiàn)整個系統(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域表現(xiàn)出很高的研究和應用價值。

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

現(xiàn)場控制器和數(shù)據(jù)采集模塊在每個系統(tǒng)周期內有兩個狀態(tài)：工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)。處于工作狀態(tài)時，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)點信息并處理，完成預定工作流程；處于休眠狀態(tài)時，關閉數(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，保留接收上位機喚醒功能。

現(xiàn)場控制器巡查頻率高于監(jiān)控主機下達巡查指令的頻率，若巡查結果無異常且未收到上位巡查指令時，現(xiàn)場控制器不向監(jiān)控主機發(fā)送巡查結果，巡查結束后，現(xiàn)場控制器和節(jié)點傳感器轉入休眠狀態(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)控主機上傳信息，信息包含防護區(qū)域編碼、故障節(jié)點編碼及故障代碼，監(jiān)控主機根據(jù)故障信息向異常節(jié)點所在區(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，并接收對應現(xiàn)場控制器發(fā)送的巡查結果。

系統(tǒng)對電源節(jié)點的管理流程如圖 2所示。

3 算法實現(xiàn)

本文設計中，電源節(jié)點間彼此獨立，各電源節(jié)點按一定規(guī)則分布在防護區(qū)域內，對節(jié)點本身而言，燈具控制器向現(xiàn)場控制器傳遞該節(jié)點電源信息，與其他節(jié)點無直接通信，對于整個系統(tǒng)來說，監(jiān)控主機向由電源節(jié)點組成的網(wǎng)絡中投放“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)控主機報告，節(jié)點上“信息素”的積累是基于巡查結果的疊加過程，“信息素”用來衡量節(jié)點出現(xiàn)異常狀況的可能性，指導下一輪的巡查，這種基于時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)學操作，數(shù)據(jù)處理過程簡單，對系統(tǒng) CPU、內存要求不高，系統(tǒng)功能分三步實現(xiàn)：構建電源系統(tǒng)可能性解空間，建立概率分布模型；對概率分布模型進行參數(shù)化驗證，產(chǎn)生可行解；利用可行解進行參數(shù)化概率模型的迭代更新，構建更優(yōu)化參數(shù)空間[11]。

在電源管理系統(tǒng)的一個防護區(qū)域內，對所有電源節(jié)點進行編碼，設置電源節(jié)點集合 C = { c1 ,c2 ,?,cn }，集合C 中任意兩個節(jié)點間距離的集合用L={ij|ci,cj?C}表示,τi(k)為第k次巡查時i 節(jié)點發(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)點上信息素濃度和與其他節(jié)點間的距離綜合計算狀態(tài)轉移概率[12]，計算公式為：

式中：Pij表示從節(jié)點i到節(jié)點j的狀態(tài)轉移概率；allowed為“螞蟻”下一步可能到達節(jié)點集合，表示“螞蟻”在該輪巡查中還未到過的節(jié)點；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)點狀態(tài)轉移過程中的影響；β為距離啟發(fā)因子，表示距離的相對重要性。

其中：

監(jiān)控主機的電量估計系統(tǒng)根據(jù)接收的電源節(jié)點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f的荷電狀態(tài)（SOC）進行判定：SOC≤20%，判定為電源節(jié)點f異常；SOC>20%，判定為電源節(jié)點f正常。若電源節(jié)點f異常，則其出現(xiàn)故障的次數(shù)mf為1，電源節(jié)點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)過程中分為兩個階段：

1）適應階段。這個階段沒有信息指導系統(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，歷時較短。

2）協(xié)調階段。系統(tǒng)經(jīng)過適應階段積累一定量的運行數(shù)據(jù)，可以自主完成巡查任務，隨后整個生命周期內不斷更新數(shù)據(jù)，動態(tài)調整巡查方式[13]。

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

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

在電源管理系統(tǒng)中，根據(jù)節(jié)點發(fā)生異常的頻率和節(jié)點間的距離計算節(jié)點狀態(tài)轉移概率，狀態(tài)轉移概率反映了未巡查節(jié)點在時間和空間上的危險性，節(jié)點巡查順序按危險性由高到低排列，危險性越高的節(jié)點越先檢查，τi值的動態(tài)更新對系統(tǒng)新一輪的巡查起到強調作用，避免了一條巡查路徑始終處于警報狀態(tài)而忽略新的危機。

3.2仿真實驗

本文基于Matlab軟件對基于蟻群算法的電源管理系統(tǒng)進行仿真實驗。

基于蟻群算法的電源管理系統(tǒng)根據(jù)各節(jié)點的異常率和節(jié)點間的距離動態(tài)規(guī)劃巡查路徑，通過不斷的迭代運算確定最優(yōu)巡查路徑。在30×30的平面內均勻布置49個電源節(jié)點，設置一只“螞蟻”模擬傳統(tǒng)電源管理方案，即按照一定的順序對電源節(jié)點進行逐一巡查（只有一條路徑），系統(tǒng)巡查一周經(jīng)過的路徑約為321個單位。

相同場景下，監(jiān)控主機釋放“蟻群”（實際仿真結果表明，一定范圍內螞蟻數(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只螞蟻的仿真結果），從防火區(qū)內任意節(jié)點出發(fā)，每經(jīng)過一個節(jié)點計算一次狀態(tài)轉移概率，標記經(jīng)過的節(jié)點，直至所有節(jié)點都被巡查過一遍，表示本次巡查任務結束。

圖4為基于蟻群算法的電源管理系統(tǒng)仿真結果。圖4a）是優(yōu)化后的電源節(jié)點巡查路徑，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個單位。

如圖5所示，相同面積區(qū)域內，當電源節(jié)點增加至121個時，逐一巡查方式的巡查距離約為560個單位，當采用基于蟻群算法的巡查方式時，巡查距離收斂于385個單位，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態(tài)性和最優(yōu)性。

仿真結果表明，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)巡查時間，基于節(jié)點異常率和空間位置規(guī)劃的巡查路徑，可以針對性地優(yōu)先排查高風險節(jié)點，提高系統(tǒng)的響應速度。

4 結 語

本文設計的應急電源管理系統(tǒng)主要用于應急照明系統(tǒng)的自帶蓄電池的管理，具有結構簡單、控制邏輯清晰、移植性好的特點。基于蟻群算法的電源管理方案，變被動檢測為主動，使系統(tǒng)實現(xiàn)智能、高效的全天候電源巡查管理任務，實現(xiàn)應急電源的智能化巡查管理。蟻群算法具有的反饋機制使系統(tǒng)不斷迭代優(yōu)化尋找全局最優(yōu)解，使得系統(tǒng)巡查具有動態(tài)優(yōu)化特性，從時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