劉天釗

（山東省人防指揮信息保障中心，山東 濟(jì)南 250014）

0 引言

大型公共建筑疏散模擬及救援調(diào)度研究涉及大量的空間地理信息。地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）可以實(shí)現(xiàn)空間信息及其他各類信息的有效管理，并能對(duì)地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、檢索、統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。因此，構(gòu)建基于GIS的大型公共建筑應(yīng)急疏散救援決策模型，可以模擬優(yōu)化各種突發(fā)事件條件下最優(yōu)應(yīng)急疏散策略及救援策略，為政府有關(guān)部門在城市建設(shè)和城市防災(zāi)規(guī)劃中的決策提供科學(xué)依據(jù)。

本文以某市大型建筑應(yīng)急疏散系統(tǒng)為研究對(duì)象，討論了基于GIS的疏散區(qū)域數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與可視化、空間查詢分析、火災(zāi)蔓延分析、最優(yōu)路徑選擇等問題及其解決辦法。以某市大型建筑應(yīng)急疏散系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)和建立了應(yīng)急救援疏散數(shù)據(jù)庫(kù)，拓?fù)湓撌械缆肪W(wǎng)，設(shè)計(jì)該市大型建筑應(yīng)急疏散地理信息空間數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)操作的各種輔助功能，最后詳細(xì)論述了如何實(shí)現(xiàn)上述幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

1 火災(zāi)蔓延分析模型

大空間建筑物，是指那內(nèi)部空間大的建筑物，如大型倉(cāng)庫(kù)、大型商場(chǎng)、展覽場(chǎng)館、會(huì)議中心、娛樂中心以及高層建筑的中庭等。由于大空間建筑本身的這些結(jié)構(gòu)和使用功能上的特殊性，使得大空間建筑火災(zāi)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)∶（1）火災(zāi)損失較一般建筑物火災(zāi)更為嚴(yán)重；（2）火災(zāi)發(fā)生原因難以防控，發(fā)生后撲救難度大；（3）煙氣對(duì)人群的危害更為突出。

在建筑火災(zāi)中，煙氣是人員生命安全的最大威脅。對(duì)于大空間建筑，煙氣危害性更加嚴(yán)重。這是因?yàn)榇罂臻g建筑存在很大的空間，在這個(gè)空間內(nèi)沒有任何阻擋物，煙氣很容易發(fā)展，并迅速蔓延到建筑的其它部分，造成更大的危害。因此，研究大空間建筑火災(zāi)中的煙氣運(yùn)動(dòng)及著火區(qū)域的蔓延對(duì)于減少火災(zāi)中人員的傷亡具有重要的意義。

火災(zāi)煙氣中危害性氣體在狹長(zhǎng)通道內(nèi)沿著水平方向呈現(xiàn)不同的分布特點(diǎn)，在較遠(yuǎn)距離的位置是上下兩層分布，而在較近的位置則不然。這揭示了一個(gè)新的特點(diǎn)，即針對(duì)狹長(zhǎng)通道的火災(zāi)煙氣傳播研究，應(yīng)該根據(jù)距離火源遠(yuǎn)近的不同選擇合適而高效的模型，在較近位置可用場(chǎng)模型或者t2模型，而在較遠(yuǎn)位置可用兩層區(qū)域模型?；馂?zāi)時(shí)產(chǎn)生的煙氣是致人死亡的主要原因，大部分為CO（一氧化碳）等煙氣中毒，缺氧窒息等。由于在火災(zāi)區(qū)域遠(yuǎn)距離上下兩層之間危害性氣體濃度在模擬過程中差別非常大，主要原因是上層煙氣主要受熱作用影響而下層煙氣則主要取決于濃度擴(kuò)散作用。危害性氣體的濃度隨高度呈現(xiàn)明顯的階梯變化，CO和CO濃度在遠(yuǎn)距離處仍然保持相當(dāng)高的濃度有些甚至高于火源近處的濃度。這也是火災(zāi)中很多遇難者死于遠(yuǎn)離火源位置的原因。

火災(zāi)熱釋放速率曲線的確定是火災(zāi)基礎(chǔ)研究的一個(gè)重要問題，現(xiàn)在通常稱這種研究為設(shè)定火災(zāi)。目前應(yīng)用較為廣泛的有三種模型∶初期增長(zhǎng)模型、全過程模型、多件物品的熱釋放速率疊加模型。

火災(zāi)增長(zhǎng)模型在計(jì)算上具有簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)，目前一般用下面的二次方程描述:

其中，Q——燃燒熱量kW）；α——火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)（kW/s2）；t——點(diǎn)火后的時(shí)間（s）；t0——開始有效燃燒所需的時(shí)間(s)。

綜合大量試驗(yàn)的結(jié)果現(xiàn)在一般將其分為慢速、中速、快速、超快速等四種類型，各類火災(zāi)增長(zhǎng)的火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)依次為0.002931、0.01127、0.04689、0.1878，如圖 1 所示。

一種常用的方式就是將按照火災(zāi)的發(fā)展過程將熱釋放速率曲線分為三段∶初期增長(zhǎng)階段采用t2模型描述，在充分發(fā)展階段認(rèn)為熱釋放速率維持不變，在減弱階段則按線性減弱處理，模型簡(jiǎn)圖見圖2所示。

城市中民用建筑一旦發(fā)生火災(zāi)，由于煙囪效應(yīng)，極大地加快了火勢(shì)的縱向蔓延速度。高層民用建筑火災(zāi)蔓延的途徑很多∶一是樓梯間、電梯井、電纜井、管道井等豎向疏散通道和各種井道；二是建筑物外墻上的窗戶和玻璃幕墻；三是建筑內(nèi)部的共享空間，比如天井、疏散通道等；四是通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)和防排煙系統(tǒng)的風(fēng)道、管道及其保溫材料；五是建筑內(nèi)部的走廊等公共場(chǎng)所；六是變形縫和施工中預(yù)留的孔洞；七是電氣線路等。試驗(yàn)證明，在火災(zāi)初起階段，因空氣對(duì)流而產(chǎn)生的煙氣，在水平方向擴(kuò)散速度為0.3m/s，在火災(zāi)燃燒猛烈階段，由于高溫的作用，熱對(duì)流而產(chǎn)生的煙氣擴(kuò)散速度為。0.5-3m/s，煙氣沿樓梯間等豎向管井的垂直擴(kuò)散速度為3～4m/s。煙氣的蔓延速度是火的5倍以上，其能量是火的5-6倍。煙氣的流動(dòng)方向就是火勢(shì)蔓延的路徑?；馂?zāi)的發(fā)生發(fā)展與濕度、風(fēng)、溫度、降水等氣象條件都有密切關(guān)系。在選擇火災(zāi)蔓延分析模型時(shí)，要充分考慮到這些因素，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)獲取的資料，構(gòu)建一個(gè)更合理、更合乎實(shí)際的模型，為疏散策略的實(shí)施提供好的條件。

2 基于GIS的大型建筑應(yīng)急疏散系統(tǒng)

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

GIS可以方便地對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、管理、輸出等，并具有區(qū)域分析、多種要素分析和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的能力。與一般的數(shù)據(jù)庫(kù)不同，GIS不僅可以高效地處理空間數(shù)據(jù)，而且還可以管理有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的圖形數(shù)據(jù)，并建立兩者之間的關(guān)系，因此特別適用于建立大型建筑應(yīng)急疏散系統(tǒng)。一旦發(fā)生緊急事件，即可充分發(fā)揮GIS所特有的功能，實(shí)時(shí)地跟蹤災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展過程，并付諸開展災(zāi)害應(yīng)急和恢復(fù)工作。基于GIS的大型建筑應(yīng)急疏散系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)主要包括空間數(shù)據(jù)采集與編輯、空間數(shù)據(jù)管理、制圖功能、空間查詢與空間分析功能及地形分析功能等。

2.2 可視化的實(shí)現(xiàn)

本節(jié)將通過示例詳細(xì)介紹可視化實(shí)現(xiàn)及本設(shè)計(jì)的其他關(guān)鍵技術(shù)∶查詢技術(shù)、火災(zāi)區(qū)域蔓延分析和救援最優(yōu)路徑規(guī)劃。

2.2.1 查詢技術(shù)

在系統(tǒng)功能面板上點(diǎn)擊“查詢-查詢火災(zāi)點(diǎn)”，如圖3所示，電子地圖上會(huì)顯示火災(zāi)發(fā)生點(diǎn)，用閃爍顯示。點(diǎn)擊“查詢-查詢視區(qū)”，查看火災(zāi)點(diǎn)的放大圖，如圖4所示。

查詢分析主要包括兩部分∶第一，基本屬性信息查詢；第二，SQL查詢；第三，模糊查詢。實(shí)現(xiàn)不同用戶的不同需求。

（1）基本屬性信息查詢實(shí)現(xiàn)

在系統(tǒng)功能面板上點(diǎn)擊“查詢-基本屬性信息查詢”按鈕，顯示在電子地圖上，點(diǎn)擊對(duì)象查看對(duì)象屬性信息。如圖5所示，屬性表顯示選中區(qū)域?yàn)榻ㄖ幕拘畔ⅲòɑ馂?zāi)發(fā)生概率和煙霧濃度）。

（2）SQL 查詢技術(shù)實(shí)現(xiàn)

SQL查詢主要功能是根據(jù)對(duì)象的某一屬性字段查詢其一類符合條件的實(shí)現(xiàn)方法。查詢煙霧濃度的窗體如圖6所示。此查詢結(jié)果如圖7所示。

符合查詢條件 （煙霧濃度大于1的居民區(qū)）的查詢結(jié)果在axSuperGridView1中顯示，右端的字段“煙霧濃度”顯示了居民區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的火災(zāi)發(fā)生概率和其他屬性值。

（3）模糊查詢技術(shù)實(shí)現(xiàn)

模糊查詢主要功能是根據(jù)用戶輸入的模糊命令，對(duì)符合查詢條件的對(duì)象加以顯示。

2.2.2 火災(zāi)區(qū)域蔓延分析

火災(zāi)區(qū)域蔓延分析主要是利用緩沖區(qū)分析功能。對(duì)著火區(qū)域生成多重緩沖區(qū)，形成火災(zāi)區(qū)域的影響域。

實(shí)時(shí)模擬∶首先確認(rèn)火災(zāi)發(fā)生時(shí)間，然后根據(jù)火災(zāi)區(qū)域的燃燒級(jí)別選擇不同的增長(zhǎng)速率（慢速0.002931、中速0.01127、快速0.04689、超快速0.1878），依據(jù)現(xiàn)有的資料和數(shù)據(jù)適當(dāng)選擇空氣濕度、外界風(fēng)速和風(fēng)向，最后生成一個(gè)模擬圖，判斷和分析著火區(qū)域的影響區(qū)域，確定著火區(qū)域的死亡區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)、煙霧區(qū)（其中黑色范圍內(nèi)為重傷區(qū)），進(jìn)而為內(nèi)部的逃生人員確定合理的逃跑路徑，并實(shí)時(shí)通知館內(nèi)人員選擇入口采取營(yíng)救措施。

影響火災(zāi)區(qū)域蔓延的若干因子有火災(zāi)已發(fā)生時(shí)間，火災(zāi)的增長(zhǎng)速度，空氣濕度，風(fēng)速和風(fēng)向，如圖8所示。確定著火區(qū)域后，依次選擇各因子，選擇實(shí)時(shí)模擬，如圖9所示。

在圖9中，右側(cè)為火災(zāi)蔓延因子控制區(qū)，地圖下方顯示各蔓延區(qū)域的詳細(xì)信息。

生成的蔓延區(qū)域分為三級(jí)∶死亡區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)。其中處于黑色環(huán)內(nèi)區(qū)域?yàn)樗劳鰠^(qū)，最外層為輕傷區(qū)，中間為重傷區(qū)。賓館內(nèi)煙霧的擴(kuò)散速度大于館內(nèi)人員的逃生速度，所以煙霧區(qū)彌漫于整個(gè)走廊中，甚至整個(gè)樓層都會(huì)感覺到煙霧的存在。此時(shí)，應(yīng)采取果斷措施，如隔離著火區(qū)，疏散重傷區(qū)和輕傷區(qū)，緊急搜救死亡區(qū)，制定并實(shí)時(shí)通知館內(nèi)人員的最佳逃跑路徑。

通過比較兩個(gè)圖（圖9和圖10），明顯看出各個(gè)蔓延區(qū)域都擴(kuò)大，尤其是死亡區(qū)擴(kuò)大，附近的出口需關(guān)閉，應(yīng)及時(shí)調(diào)整疏散路徑并實(shí)時(shí)通知館內(nèi)人員。

自動(dòng)模擬∶選擇自動(dòng)模擬后，選擇時(shí)間間隔，進(jìn)入自動(dòng)模擬狀態(tài)。然后等待模擬圖像的變化。如圖11顯示選擇自動(dòng)模擬后的按鈕狀態(tài)。自動(dòng)模擬圖過程圖，如圖12所示。

2.2.3 救援最優(yōu)路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)

在這里用到SuperMap Objects提供的TrackingLayer對(duì)象，該對(duì)象隸屬SuperMap庫(kù)，不可創(chuàng)建，具有如下特性∶跟蹤層位于地圖的最上層，可用于同時(shí)顯示點(diǎn)、線、面、文本等幾何對(duì)象。

在電子地圖上用圓域選擇一定范圍內(nèi)（如1000m內(nèi)）的醫(yī)療救助點(diǎn)，符合條件的點(diǎn)用紅色顯示。如圖13所示。然后，利用跟蹤圖層的特性，劃線確定醫(yī)療救援的路線。并實(shí)現(xiàn)對(duì)救援人員的實(shí)時(shí)跟蹤。如圖14所示。

3 結(jié)論

大型建筑應(yīng)急疏散不但可以控制應(yīng)急事件后果，減少傷亡和損失，而且對(duì)應(yīng)急處理道路上其他突發(fā)事件也非常有意義，對(duì)具有快速反應(yīng)能力的大型建筑應(yīng)急疏散提出了新的挑戰(zhàn)。

基于GIS的大型公共場(chǎng)所突發(fā)事件可視化研究，依托GIS軟件平臺(tái)，建立災(zāi)害蔓延的實(shí)時(shí)模擬和自動(dòng)模擬，根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向、擴(kuò)散速度等相關(guān)參數(shù)確定單重災(zāi)害和多種災(zāi)害發(fā)生時(shí)應(yīng)急疏散范圍，查詢附近的避難場(chǎng)所并選出最佳路徑、用戶信息管理等功能，以便能夠快速、準(zhǔn)確地模擬城市大型建筑設(shè)施的火災(zāi)蔓延，輔助決策者做出防災(zāi)減災(zāi)的具體措施。

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