劉淑金，朱國(guó)慶，張 磊

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇 徐州，221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州，221116；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)消防工程研究所，江蘇 徐州，221116）

在建筑火災(zāi)中，人員安全疏散與人員的生命安全直接相關(guān)。人員能否安全疏散主要取決于疏散到安全區(qū)域所用時(shí)間的長(zhǎng)短。人員疏散時(shí)間由報(bào)警時(shí)間、人員反應(yīng)時(shí)間和人員疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間組成。人員疏散時(shí)間既要考慮建筑物結(jié)構(gòu)和人員疏散距離等環(huán)境因素，又要考慮處于火災(zāi)緊急情況下人員的自然狀況和人員心理及行為特征。

物聯(lián)網(wǎng)引發(fā)了新一輪信息產(chǎn)業(yè)浪潮，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。而GIS擅長(zhǎng)處理物聯(lián)網(wǎng)中傳輸?shù)目臻g數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，因此物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用為地理信息技術(shù)的發(fā)展提供了機(jī)會(huì)，同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)借助GIS也強(qiáng)化了自身的信息管理水平。目前，GIS和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在火災(zāi)預(yù)警、防火監(jiān)督等諸多方面得到了初步的應(yīng)用［1］。本文利用GIS和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)功能，實(shí)時(shí)掌握建筑內(nèi)部情況，并運(yùn)用Matlab層次分析法評(píng)價(jià)建筑火災(zāi)各疏散路徑的優(yōu)劣，以提高人員疏散效果。

1 建筑火災(zāi)人員安全疏散系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)作為一項(xiàng)新技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)物品自動(dòng)化的可見(jiàn)性和可測(cè)量性，實(shí)時(shí)高分辨率地捕捉信息，并進(jìn)行性能信息的分析。物聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)化、高運(yùn)行效率、準(zhǔn)確性、靈活性，尤其適用于建筑消防的智能管理和信息服務(wù)。GIS融合了數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、圖形學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，可利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件、GIS軟件和應(yīng)用分析程序，并結(jié)合地理數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)接收信息進(jìn)行空間領(lǐng)域的處理［2］。基于GIS和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑火災(zāi)人員安全疏散系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示［3］。

圖1 建筑火災(zāi)人員安全疏散系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of personnel evacuation system for building fire

該人員安全疏散系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)為：①利用傳感器采集被監(jiān)控環(huán)境的參數(shù)信息，如溫度、CO濃度、光密度、比流量等；②各傳感節(jié)點(diǎn)的信息經(jīng)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)匯集傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)指揮中心，利用GIS強(qiáng)大的信息分析和處理功能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；③根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，一旦確認(rèn)建筑物內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，啟動(dòng)相應(yīng)的消防系統(tǒng)，為火災(zāi)中人員疏散創(chuàng)造條件，指揮人員迅速撤離。

2 火情探測(cè)與信息傳輸

2.1 傳感器布局

在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)布置大量的微型傳感器，如溫度傳感器、CO傳感器、光密度傳感器、人體紅外傳感器等，其體積微小，安裝靈活性高。其中，非接觸式溫度傳感器可測(cè)量溫度場(chǎng)的溫度分布，其測(cè)量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，且分辨率高；電化學(xué)CO傳感器可連續(xù)監(jiān)測(cè)建筑物內(nèi)CO濃度，具有精度高、穩(wěn)定可靠、使用方便、功耗低等特點(diǎn)。在商城內(nèi)走廊、疏散通道和面積超過(guò)100m2的店鋪內(nèi)安裝傳感器（溫度、CO、光密度傳感器），主要采用正方形安裝方式，邊長(zhǎng)為10m。同時(shí)，根據(jù)人體身高，負(fù)責(zé)采集溫度、CO濃度、光密度的傳感器應(yīng)安裝在距離地面高度為2m處；人體紅外傳感器應(yīng)安裝在疏散通道兩側(cè)，安裝間隔為5m，距離地面高度為1.2m處。

假設(shè)通道的寬度為B、長(zhǎng)度為L(zhǎng)，在疏散通道中均勻部署n個(gè)人體紅外傳感器，每隔Δt時(shí)間傳感器測(cè)一次人員比流量，其結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同時(shí)間的人員比流量Table 1 Specific personnel discharge at time t

對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得到一個(gè)擬合函數(shù)關(guān)系式，即通道寬度B取1m時(shí)，通道中的人數(shù)關(guān)于時(shí)間和所處位置的函數(shù)關(guān)系式為

則通道內(nèi)（l2－l1）段處平均人員密度為

上式中：ρ為平均人員密度（人/m2）；Q總為t時(shí)刻疏散通道中（l2－l1）段處的人數(shù)（人）；S為疏散通道中（l2－l1）段處的面積（m2）；Q（l，t）為t時(shí)刻、B＝1m時(shí)，疏散通道中（l2－l1）段處的人數(shù)（人）；l1、l2為人員離安全出口的距離（m），0＜l1＜l2≤L；q（l，t）為隨t、l變化的比流量函數(shù)［人/（m·s）］。

2.2 信息傳輸

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。傳感節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的基本節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和分析。每個(gè)傳感器都有一個(gè)編碼，互不重復(fù)，與系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)地址一一對(duì)應(yīng)［4］。傳感器采集數(shù)據(jù)后會(huì)自動(dòng)搜索設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址，將信息傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)。每個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)都要有一個(gè)網(wǎng)關(guān)，用以連接傳感網(wǎng)絡(luò)和外部傳輸網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)網(wǎng)關(guān)把收集到的信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，將傳感器獲得的溫度、CO濃度、光密度、人員比流量等火災(zāi)信號(hào)加以整合，使系統(tǒng)信息更加準(zhǔn)確、充分。

圖2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the wireless sensor network

3 建筑火災(zāi)人員安全疏散系統(tǒng)路徑選擇

目前，GIS主要被應(yīng)用于大區(qū)域地理信息的分析處理，可借助GIS對(duì)空間形體位置關(guān)系的描述能力和數(shù)據(jù)庫(kù)信息，建立建筑火災(zāi)人員安全疏散系統(tǒng)。該系統(tǒng)可接收傳感器獲取的監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息（如溫度、光密度、CO濃度等），調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)信息（如建筑平面圖、建筑屬性和功能、火災(zāi)增長(zhǎng)模型、煙氣的危害性等），判定起火地點(diǎn)，分析火情的擴(kuò)散。建筑火災(zāi)時(shí)人員疏散是一種非常復(fù)雜的群體行為，由于各種因素的影響，容易造成人員疏散路徑?jīng)_突，而運(yùn)用Matlab層次分析法可解決人員疏散路徑選擇這一關(guān)鍵問(wèn)題［5—6］，并通過(guò)廣播、照明、疏散標(biāo)志等手段，指揮人員撤離火場(chǎng)，輔助消防隊(duì)員滅火救援。

3.1 Matlab層次分析法

由傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)，利用GIS軟件，可以以圖形方式表征不同時(shí)刻和不同地點(diǎn)建筑物內(nèi)煙氣的流動(dòng)、建筑物內(nèi)能見(jiàn)度變化、建筑物內(nèi)人員密度等情況［7］。因此，據(jù)此可以詳細(xì)地了解火災(zāi)時(shí)建筑物內(nèi)疏散路線中火、煙氣、人員等要素的分布信息。由于火場(chǎng)中人員疏散的復(fù)雜性，除了基本的救援和疏散策略外，還需要制定擴(kuò)展的疏散策略來(lái)解決特殊情況［8］，并根據(jù)系統(tǒng)中設(shè)定的各要素危險(xiǎn)判定標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)各疏散路線的安全度及疏散效率。建筑火災(zāi)人員安全疏散系統(tǒng)以安全出口分布及屬性、路徑狀況、疏散標(biāo)志分布等信息為基礎(chǔ)，選取溫度、人員密度、CO濃度、能見(jiàn)度、疏散距離作為判定的參數(shù)［9］，并采用Matlab層次分析法求出可行的疏散路線，以規(guī)避高風(fēng)險(xiǎn)路線。

人員疏散路徑選擇層次結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。圖3中準(zhǔn)則層B各因素的極限值如下：①溫度極限值為60℃；②人員密度極限值為3.8人/m2；③CO濃度極限值為500×10－6；④能見(jiàn)度極限值為10m；⑤疏散距離B5不超過(guò)相關(guān)規(guī)范的要求。方案層C被評(píng)價(jià)的疏散路徑在早期就已確定，路線構(gòu)成應(yīng)滿足以下條件：①根據(jù)建筑物的使用功能和平面圖，以防火分區(qū)為單元，將防火分區(qū)中心位置定義為路線起點(diǎn)，該分區(qū)安全出口定義為路線終點(diǎn)，沿走道連接起點(diǎn)與終點(diǎn)，形成路徑；②路線不得穿過(guò)建筑內(nèi)的店鋪；③疏散距離不得超過(guò)相關(guān)規(guī)范中規(guī)定的最大距離。

圖3 人員疏散路徑選擇層次結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Hierarchical model of path selection

3.2 Matlab計(jì)算程序設(shè)計(jì)

建筑物火災(zāi)發(fā)展過(guò)程是動(dòng)態(tài)的，這就要求建筑火災(zāi)人員安全疏散系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，并實(shí)時(shí)對(duì)疏散路徑進(jìn)行評(píng)價(jià)，引導(dǎo)人員疏散。因此，將由GIS處理和分析的數(shù)據(jù)以Excel表格形式存儲(chǔ)，系統(tǒng)利用Matlab自動(dòng)獲取Excel表格中的數(shù)據(jù)，通過(guò)層次分析法實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)各疏散路徑，并輸出評(píng)價(jià)結(jié)果。Matlab計(jì)算程序流程設(shè)計(jì)為：運(yùn)行程序，獲取傳感器數(shù)據(jù)；判斷各因素是否達(dá)到極限值，若達(dá)到極限值，則彈出警告，顯示超限因素所在路徑及其數(shù)值，并返回讀取下一個(gè)數(shù)據(jù)；若未達(dá)到極限值，將各參數(shù)值以方案層判斷矩陣形式表示，并檢驗(yàn)矩陣一致性是否符合要求，如不符合對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，直至符合；計(jì)算方案層單排序權(quán)值，并輸出結(jié)果；計(jì)算層次總排序權(quán)值，輸出結(jié)果；返回繼續(xù)，Matlab間隔Δt時(shí)間計(jì)算一次。Matlab計(jì)算程序流程見(jiàn)圖4［10—11］。

圖4 Matlab計(jì)算程序流程圖Fig.4 Program flowchart of Matlab calculation

3.3 基于Matlab層次分析法的人員疏散路徑選擇

層次分析法是由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家T.L.Saaty提出，本文采用該方法將復(fù)雜的路徑選擇問(wèn)題逐層分解為影響路徑選擇的各個(gè)因素，并依靠專家經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)資料為每個(gè)影響因素賦予不同的權(quán)重，最終通過(guò)計(jì)算層與層的組合權(quán)重確定人員疏散路徑的優(yōu)劣。T.L.Saaty等建議引用數(shù)字1～9及其倒數(shù)作為同層因素相互比較的標(biāo)度值，隨機(jī)一致性指標(biāo)見(jiàn)表2。依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)資料，綜合評(píng)價(jià)準(zhǔn)則層對(duì)疏散路徑選擇的影響，準(zhǔn)則層的判斷矩陣見(jiàn)表3。

表2 隨機(jī)一致性指標(biāo)Table 2 Random consistency index

表3 準(zhǔn)則層的判斷矩陣Table 2 Judgment matrix of criterion layer

對(duì)疏散路徑進(jìn)行選擇時(shí)，將3條（多條）疏散路徑中測(cè)得的參數(shù)值取平均值，根據(jù)同層因素相互比較的標(biāo)度值，列出方案層的判斷矩陣，見(jiàn)表4。利用Matlab層次分析法得出疏散路徑選擇的層次總排序計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5和圖5。由表5可以看出：t時(shí)刻，①準(zhǔn)則層對(duì)疏散路徑選擇的權(quán)重向量為W＝（0.041 1，0.118 8，0.467 6，0.287 8，0.084 8）；②3條疏散路徑各因素的權(quán)重向量為L(zhǎng)1＝（0.549 9，0.097 4，0.136 5，0.279 0，0.798 6），L2＝（0.240 2，0.333 1，0.625 0，0.649 1，0.104 9），L3＝（0.209 8，0.569 5，0.238 5，0.071 9，0.096 5）；③各方案對(duì)于疏散路徑選擇的權(quán)重等于準(zhǔn)則層對(duì)疏散路徑選擇的權(quán)重與方案層對(duì)準(zhǔn)則層的權(quán)重的乘積，即WC＝W×（L1T，L2T，L3T），則3條路徑的總排序權(quán)值向量為WC＝（0.246 0，0.537 4，0.216 7）；④準(zhǔn)則層中的各因素是影響人員疏散的主要因素，其值越大，對(duì)人員疏散阻礙程度越大，因此總排序權(quán)值越小的路徑，其危險(xiǎn)性越低。通過(guò)比較可得，路徑三是最佳疏散路徑，路徑一次之，路徑二是最不利疏散路徑。

表4 方案層的判斷矩陣Table 4 Judgment matrix of scheme layer

表5 各因素權(quán)重值及層次總排序Table 5 Weights of each factor and total sequencing of each level

圖5 Matlab層次分析法計(jì)算結(jié)果Fig.5 Results of Matlab AHP

3.4 系統(tǒng)指揮功能的實(shí)現(xiàn)

為了提高人員疏散效果，本文提出以下措施：①在建筑物內(nèi)地板和離地面1m高處的墻上涂蓄光型自發(fā)光材料［12］，在光照不足的情況下，人可沿著這些連續(xù)直線標(biāo)志進(jìn)行疏散；②通過(guò)改變系統(tǒng)疏散指示器控制點(diǎn)的輸入信號(hào)，改變其疏散指示方向；③在安全出口處設(shè)置廣播，火災(zāi)時(shí)立即播放“此處為安全出口”等錄音，亦可采用人工廣播指揮人員安全疏散；④消防隊(duì)員可由系統(tǒng)信息確定危險(xiǎn)區(qū)域、被困人員情況、現(xiàn)場(chǎng)消防設(shè)施水平等，有針對(duì)性地展開(kāi)救援。

4 結(jié) 論

本文利用物聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)化、高效性、靈活性，并基于Matlab層次分析法建立了建筑火災(zāi)人員安全疏散系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用GIS和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)獲取建筑火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)信息，并運(yùn)用Matlab層次分析法對(duì)疏散路徑進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，疏散路徑的優(yōu)劣以數(shù)值形式展示，可以清晰、明了地掌握各路徑的優(yōu)劣程度，確保系統(tǒng)快速指揮人員疏散，本研究為實(shí)現(xiàn)建筑火災(zāi)人員安全疏散提供了一種新方法、新思路，對(duì)提高消防智能化水平具有重要的意義。

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