丁雨淋，何小波，朱 慶，林 琿，胡明遠

1. 西南交通大學 地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都 611756； 2. 西南交通大學 高速鐵路運營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，四川 成都 611756； 3. 香港中文大學 太空與地球信息科學研究所 香港； 4. 重慶市地理信息中心，重慶 401121

實時威脅態(tài)勢感知的室內(nèi)火災(zāi)疏散路徑動態(tài)優(yōu)化方法

丁雨淋1,2,3，何小波4，朱 慶1,2，林 琿3，胡明遠3

1. 西南交通大學 地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都 611756； 2. 西南交通大學 高速鐵路運營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，四川 成都 611756； 3. 香港中文大學 太空與地球信息科學研究所 香港； 4. 重慶市地理信息中心，重慶 401121

如何在火災(zāi)態(tài)勢迅速演變的復雜室內(nèi)環(huán)境下選擇安全有效的疏散路線是正確引導人群疏散、減少人員傷亡的重要保障。傳統(tǒng)靜態(tài)尋徑方法難以顧及火災(zāi)態(tài)勢演變過程，導致疏散決策的盲目性和滯后性突出。本文提出了一種實時威脅態(tài)勢感知的室內(nèi)火災(zāi)疏散路徑動態(tài)優(yōu)化方法，充分利用實時接入的火場狀態(tài)和室內(nèi)建筑環(huán)境狀態(tài)等火災(zāi)威脅態(tài)勢場信息，動態(tài)調(diào)整和優(yōu)化疏散路徑。該方法建立了室內(nèi)火災(zāi)實時威脅態(tài)勢信息在語義空間的統(tǒng)一表示模型，并對多源、多尺度火災(zāi)傳感器觀測數(shù)據(jù)在語義空間進行統(tǒng)一建模，從實時接入的動態(tài)觀測數(shù)據(jù)中提取室內(nèi)火災(zāi)三維威脅態(tài)勢信息，用于約束疏散路徑的動態(tài)優(yōu)化。模擬試驗證明，本方法可根據(jù)火災(zāi)態(tài)勢演變準確可靠地動態(tài)調(diào)整疏散路徑，從而顯著提高應(yīng)急疏散的精準性。

傳感器數(shù)據(jù)；室內(nèi)火災(zāi)；動態(tài)疏散；態(tài)勢感知；路徑優(yōu)化

隨著城市化進程的推進，高層住宅、地下購物商場、醫(yī)院、博物館、機場等大型現(xiàn)代化建筑的三維立體空間結(jié)構(gòu)、物理性能及功能日益復雜，呈現(xiàn)出高層、大規(guī)模、多樣化、綜合性等特征，加上高人群密度以及設(shè)備、設(shè)施、裝修等方面的特殊要求，使得室內(nèi)火災(zāi)隱患、火災(zāi)荷載以及室內(nèi)應(yīng)急疏散難度激增[1]。高效可靠的室內(nèi)火災(zāi)應(yīng)急疏散方法已經(jīng)成為國內(nèi)外公共安全領(lǐng)域研究的焦點[2]。大型高層建筑火災(zāi)發(fā)生時，由于電梯井、樓梯井、通風井、電纜井等各種豎井拔氣力大，使得火勢和煙霧向上蔓延較快，火勢發(fā)展的高時變性特征突出，再加上人員集中，導致室內(nèi)空間環(huán)境復雜，瞬息萬變。室內(nèi)火災(zāi)實時威脅態(tài)勢(煙霧濃度、火勢蔓延和環(huán)境溫度等)以及室內(nèi)環(huán)境變化(電梯與防煙門的關(guān)閉等)會直接影響和制約應(yīng)急疏散策略[3-4]。如何根據(jù)室內(nèi)火災(zāi)環(huán)境的實時變化，動態(tài)優(yōu)化應(yīng)急疏散路徑，是保證室內(nèi)火災(zāi)應(yīng)急救援決策可靠性和時效性的關(guān)鍵。隨著三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)的成熟，國內(nèi)外火災(zāi)應(yīng)急疏散研究在應(yīng)急疏散路徑獲取、建筑物火災(zāi)環(huán)境表達等方面，已取得了相應(yīng)的進展[2，5-7]。Dijkstra算法、Floyd算法、動態(tài)規(guī)劃算法、A*算法等二/三維幾何路徑搜索算法的日益完善，為室內(nèi)應(yīng)急疏散路徑的計算提供了基礎(chǔ)計算支撐。也有少量研究[8-9]通過集成三維地理信息系統(tǒng)模型，例如幾何網(wǎng)絡(luò)模型(geometric network model，GNM)[2, 10]和二/三維建筑物模型(如CityGML和building information modeling等)，實現(xiàn)建筑物室內(nèi)幾何、拓撲結(jié)構(gòu)以及建筑材料等語義信息的集成表達，以支撐復雜建筑物室內(nèi)火災(zāi)情境的模擬與應(yīng)急疏散決策。傳統(tǒng)應(yīng)急疏散方法主要利用建筑物二維靜態(tài)消防圖和幾何路徑搜索算法計算最優(yōu)逃生路徑，且大多以最短幾何長度作為人員疏散最優(yōu)路徑的判定依據(jù)，并未充分考慮火災(zāi)實時演進、毒煙蔓延等動態(tài)威脅態(tài)勢信息對疏散路徑連通性和有效性的影響，應(yīng)急疏散方案的可靠性難以保證，滯后性問題突出[11]。近年來室內(nèi)傳感網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展，各大型現(xiàn)代建筑室內(nèi)外均布設(shè)了豐富的傳感器，可實時感知、監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境變化，如何利用傳感器實時感知數(shù)據(jù)，實現(xiàn)室內(nèi)火災(zāi)疏散路徑的動態(tài)優(yōu)化，已成為國內(nèi)外室內(nèi)應(yīng)急疏散研究關(guān)注焦點[9, 11-15]。

本文提出一種實時態(tài)勢感知的室內(nèi)火災(zāi)疏散路徑動態(tài)優(yōu)化方法，通過有效集成多源傳感器實時感知的建筑內(nèi)部火災(zāi)發(fā)展態(tài)勢數(shù)據(jù)，融合生成建筑物內(nèi)部整體火災(zāi)威脅態(tài)勢場，以此約束應(yīng)急疏散路徑構(gòu)建與路徑拓撲的動態(tài)更新。

1 實時態(tài)勢感知的室內(nèi)火災(zāi)疏散路徑動態(tài)優(yōu)化原理

實時態(tài)勢感知的室內(nèi)火災(zāi)疏散路徑動態(tài)優(yōu)化原理如圖1所示，主要包括3個關(guān)鍵步驟：室內(nèi)火災(zāi)實時威脅態(tài)勢三維信息場構(gòu)建、室內(nèi)三維網(wǎng)絡(luò)模型提取、顧及實時火災(zāi)威脅態(tài)勢信息的應(yīng)急疏散路徑動態(tài)優(yōu)化。

圖1 實時態(tài)勢感知的疏散路徑動態(tài)優(yōu)化原理Fig.1 The schematic diagram of evacuation route dynamic optimization based on real-time situational awareness

1.1 室內(nèi)火災(zāi)實時威脅態(tài)勢三維信息場

1.1.1 室內(nèi)火災(zāi)威脅態(tài)勢三維信息場模型

復雜建筑物室內(nèi)火災(zāi)環(huán)境蘊含十分豐富的語義信息，具體如圖 2 所示。其中，建筑物室內(nèi)環(huán)境主要描述各時刻室內(nèi)聯(lián)通部件狀態(tài)、室內(nèi)開口部件狀態(tài)、室內(nèi)分隔部件狀態(tài)；室內(nèi)火場信息記錄實時的室內(nèi)溫度場、毒煙濃度分布場、能見度分布場等。將建筑物室內(nèi)環(huán)境、室內(nèi)火場、人群分布3類核心威脅因素的動態(tài)變化信息，在三維時空上進行統(tǒng)一抽象表達，并在語義上進一步統(tǒng)一抽象為“室內(nèi)火災(zāi)威脅態(tài)勢三維信息場模型”。

圖2 復雜室內(nèi)火災(zāi)環(huán)境威脅態(tài)勢信息的語義及其統(tǒng)一表達Fig.2 Semantic of complex indoor fire environment and its unified presentation

室內(nèi)火災(zāi)威脅態(tài)勢三維信息場模型的每個體元稱為一個體素V，如圖3(a)所示。各體素V=(D,T,C) 表示，其中D為體素占據(jù)的三維空間域，三維空間域一般是由室內(nèi)幾何空間確定；T為時間域，是室內(nèi)火災(zāi)演變過程的時間區(qū)間；C為體素V處的室內(nèi)火災(zāi)威脅威脅等級，通過融合當前時刻室內(nèi)多種威脅態(tài)勢三維信息，可獲取建筑物室內(nèi)不同位置的火災(zāi)威脅等級，并用不同顏色區(qū)分威脅等級；如圖3(b)所示。圖3(e)所示為一個實例化的室內(nèi)火災(zāi)威脅態(tài)勢等級場。

實時威脅態(tài)勢等級場，是將不同語義的威脅信息統(tǒng)一為簡明實用的威脅態(tài)勢等級?；馂?zāi)演變過程規(guī)律大致需要先后經(jīng)過初期增長、全面發(fā)展和衰減3個階段[16]。本文根據(jù)火災(zāi)發(fā)展3個階段的溫度變化、CO氣體濃度變化隨推進規(guī)律，結(jié)合人體在不同溫度和CO濃度環(huán)境下所能忍受的最長時間，可將室內(nèi)火災(zāi)過程中監(jiān)測的溫度因素造成的威脅態(tài)勢分為4個等級(表1)。

圖3 室內(nèi)火災(zāi)威脅態(tài)勢三維信息場模型Fig.3 Fire threat situation information field 3D model

表1 火災(zāi)威脅態(tài)勢分級Tab.1 Fire threat situation level

由于不同語義的室內(nèi)火災(zāi)威脅信息在數(shù)據(jù)來源、精度、時空基準、表現(xiàn)形式多樣，因此，本文的室內(nèi)火災(zāi)威脅態(tài)勢三維信息場模型針對不同語義威脅態(tài)勢信息的時空差異，分別構(gòu)建威脅態(tài)勢三維信息場，然后通過多個威脅態(tài)勢場的配準與融合，在語義空間統(tǒng)一為威脅態(tài)勢等級信息場模型。該模型的目標是建立簡明、可信的用于約束室內(nèi)疏散路徑動態(tài)拓撲更新的威脅環(huán)境態(tài)勢圖，需解決以下兩個關(guān)鍵技術(shù)：面向室內(nèi)火災(zāi)應(yīng)急疏散的多源傳感器一致性描述和實時室內(nèi)火災(zāi)威脅態(tài)勢三維信息場的動態(tài)提取。

1.1.2 面向室內(nèi)火災(zāi)應(yīng)急疏散的多源傳感器一致性描述

多源火災(zāi)監(jiān)測傳感器的一致性描述，是實現(xiàn)多源傳感器的注冊、管理、控制[17]與動態(tài)觀測數(shù)據(jù)實時接入的核心。多源火災(zāi)動態(tài)觀測數(shù)據(jù)實時接入，是將不同火災(zāi)監(jiān)測傳感器的動態(tài)觀測數(shù)據(jù)，按照各自更新采樣頻率實時接入至應(yīng)急疏散系統(tǒng)，為后續(xù)動態(tài)生成實時室內(nèi)火災(zāi)威脅態(tài)勢三維信息場提供數(shù)據(jù)源。常用的室內(nèi)火災(zāi)監(jiān)測傳感器包括視頻傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器以及氣體探測傳感器等。室內(nèi)火災(zāi)情境下，多源傳感器組成的室內(nèi)火災(zāi)監(jiān)測傳感網(wǎng)[18-20]，可實時感知火災(zāi)發(fā)生全過程中威脅態(tài)勢變化信息，例如室內(nèi)空間結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化(消防系統(tǒng))、火源位置、火災(zāi)發(fā)展態(tài)勢(強度、溫度的動態(tài)分布信息等)、人員位置及分布等。火災(zāi)過中程涉及的多源傳感器[21]歸納如表 2。

本文方法在OGC標準SensorML[22]基礎(chǔ)上進行了擴展，構(gòu)建了面向火災(zāi)事件的傳感器語義信息描述模型(圖4)，對室內(nèi)火災(zāi)應(yīng)急疏散的需求、傳感器資源信息(具體包括傳感器標識信息、物理特征信息、觀測能力信息和傳感器觀測對象信息等)、傳感器監(jiān)測事件及其室內(nèi)微環(huán)境變化與動態(tài)行為進行統(tǒng)一、可擴展的規(guī)范化描述，并在此基礎(chǔ)上建立了多源傳感器監(jiān)測事件與火災(zāi)演進過程特征之間的語義關(guān)聯(lián)。表 3總結(jié)歸納了火災(zāi)演進過程中所涉及的傳感器和易發(fā)的常規(guī)突發(fā)事件。

表2 火災(zāi)傳感器分類Tab.2 The classification of fire sensors

圖4 基于SensorML的火災(zāi)傳感器語義描述模型Fig.4 The semantic description model of fire sensors based on SensorML

表3 火災(zāi)事件-傳感器關(guān)聯(lián)模式片段Tab.3 Association patterns segments of fire events-sensors linking

1.1.3 實時室內(nèi)火災(zāi)威脅態(tài)勢三維信息場

多源火災(zāi)傳感器觀測數(shù)據(jù)采樣的時間空間分辨率不一，且多為固定位置上的多個離散觀測點，因此首先要對觀測數(shù)據(jù)進行時空配準與插值，以獲取各體素單元的火災(zāi)實時威脅態(tài)勢信息，包括時間上建立統(tǒng)一的時間基準和時間步長，空間上確立統(tǒng)一的三維格網(wǎng)分辨率。時間步長統(tǒng)一方面，面向應(yīng)急疏散，本文取動態(tài)威脅態(tài)勢場更新時間基準Tstep=0.5 min。

空間上三維格網(wǎng)配準的首要步驟是建立構(gòu)建建筑室內(nèi)三維幾何空間的格網(wǎng)框架；通過將建筑物室內(nèi)全三維空間進行體素化表達即可，首先對各個建筑物語義部件(房間、大廳、樓梯、走廊等)進行幾何空間剖分(圖5)，然后將生成的幾何單元以多層次八叉樹結(jié)構(gòu)進行組織和存儲[23]，以此作為建筑物室內(nèi)三維幾何空間的格網(wǎng)框架。

圖5 建筑物室內(nèi)空間體素化表達Fig.5 Building inter-structure voxelization representation

空間上，在對離散觀測點進行插值時，以室內(nèi)全三維空間體素網(wǎng)格為基準，對各體素網(wǎng)格內(nèi)外與之具備空間通達性的傳感器觀測數(shù)據(jù)點，采用反距離權(quán)重內(nèi)插模型計算各體素的火場威脅態(tài)勢特征值。即對每個與體素具備通達性的傳感器，根據(jù)傳感器位置與體素中心點的距離分配相應(yīng)的權(quán)，離體素中心點越近的傳感器觀測數(shù)據(jù)數(shù)值所占得權(quán)重越大，對體素單元的結(jié)果值影響也越大。其一般形式的計算公式為

式中，Z是體素單元中心點的估計值；Zi是已知觀測點i的火場觀測值；di是已知觀測點i與當前體素單元中心點間的距離；n是在估算中用到的已知觀測點的數(shù)目；k是指定的冪，一般k=2。

另外，為了獲取能全面覆蓋室內(nèi)三維空間的威脅態(tài)勢場信息，降低因數(shù)據(jù)不完備造成不確定性，在計算得到不同語義的威脅態(tài)勢三維信息場后，將插值融合以獲取信息更全面的威脅態(tài)勢等級信息場，例如將相同時刻溫度威脅態(tài)勢場和CO氣體濃度威脅態(tài)勢場進行融合等。圖6(a)所示為三維格網(wǎng)分辨率為10 cell·10 cell·10 cell火場溫度威脅態(tài)勢信息場A，圖6(b)所示為三維格網(wǎng)分辨率為5 cell·5 cell·5 cell的CO濃度威脅態(tài)勢信息場B，通過融合火場溫度威脅態(tài)勢信息場和CO濃度威脅態(tài)勢信息場，即可插值生成三維格網(wǎng)分辨率為5 cell·5 cell·5 cell的綜合威脅態(tài)勢場C(圖6(c))，cell為建筑物室內(nèi)空間體素單元的度量單位。

圖6 室內(nèi)火災(zāi)威脅態(tài)勢信息場空間融合 Fig.6 The integration of different fire threat situation information fields

1.2 顧及實時火災(zāi)威脅態(tài)勢信息的應(yīng)急疏散路徑動態(tài)優(yōu)化算法

本文選用經(jīng)典的最優(yōu)路徑生成算法(Dijkstra)計算疏散幾何路徑，以室內(nèi)火災(zāi)威脅態(tài)勢三維動態(tài)信息場約束疏散路徑通達性的更新，實現(xiàn)顧及室內(nèi)空間結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息、火源位置信息、火災(zāi)發(fā)展態(tài)勢信息的疏散路徑動態(tài)拓撲構(gòu)建。算法流程如圖7所示。

圖7 應(yīng)急疏散路徑動態(tài)優(yōu)化算法Fig.7 An illustration of evacuation route optimizing

1.2.1 構(gòu)建疏散路徑幾何

采用基于圖論的節(jié)點-弧段結(jié)構(gòu)(node-relation structure，NRS)構(gòu)建室內(nèi)空間三維幾何路徑網(wǎng)絡(luò)，并綜合采用邏輯網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型與幾何網(wǎng)絡(luò)模型，用于表示建筑內(nèi)對象間的拓撲關(guān)系，其中建筑內(nèi)所有對象(例如房間、走廊、樓梯等)被抽象為點，對象間的拓撲關(guān)系被抽象為線(圖8(a))；建筑物室內(nèi)幾何網(wǎng)絡(luò)模型(圖8(b))用來表示室內(nèi)對象的幾何屬性(例如走廊長度、房間之間的距離、三維空間位置等)。

圖8 建筑物室內(nèi)邏輯數(shù)據(jù)模型與幾何網(wǎng)路模型示意圖Fig.8 An illustration of building dual space model and geometric network model

創(chuàng)建建筑物室內(nèi)幾何網(wǎng)絡(luò)模型的關(guān)鍵是從簡單多邊形(如走廊、通道)中提取線要素，本文采用直中軸線轉(zhuǎn)換(straight medial axis transformation，S-MAT)方法[24]，實現(xiàn)走廊、通道、樓梯、消防電梯等幾何對象中心線的提取。例如走廊Corridor4、樓梯Stair2在邏輯網(wǎng)絡(luò)模型中表示為結(jié)點(圖9(b)中方形結(jié)點和三角形結(jié)點)，利用S-MAT在對應(yīng)的幾何網(wǎng)絡(luò)模型中轉(zhuǎn)換為線段(如圖9(c)中粗實線條和虛粗線條)。

1.2.2 火災(zāi)威脅態(tài)勢語義約束的逃生路徑動態(tài)優(yōu)化

在實際應(yīng)急疏散過程中，隨著火勢的蔓延發(fā)展，室內(nèi)情況將會不斷惡化(人群擁堵、溫度過高、煙氣濃度過高等)，當室內(nèi)空間某個體素單元存在威脅態(tài)勢等級過高時，途徑該體素單元的幾何路徑需語義標識為不可通行；某條通道不可通行時，對凡是經(jīng)過障礙路段的疏散人群，需重新計算到達出口的有效路徑。具體步驟描述如下：

(1) 構(gòu)建傳感器資源管理中心，提取初始建筑物內(nèi)部幾何通達疏散路徑。結(jié)合1.1節(jié)提出的面向火災(zāi)事件的傳感器語義信息描述模型，構(gòu)建傳感器資源注冊與管理中心，對室內(nèi)空間所有火災(zāi)監(jiān)測傳感器進行注冊、統(tǒng)一控制和管理；根據(jù)1.2.1節(jié)中構(gòu)建的建筑內(nèi)部三維空間邏輯網(wǎng)絡(luò)模型和幾何網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)路徑算法，便可計算室內(nèi)空間有效可行的幾何通達疏散路徑。

(2) 建筑內(nèi)部火災(zāi)威脅態(tài)勢三維信息場動態(tài)更新。根據(jù)第(1)步獲取的幾何路徑的空間位置信息，以及傳感器資源管理器中的傳感器位置信息與姿態(tài)信息，查詢與各幾何路徑部件關(guān)聯(lián)的傳感器。然后從當前時刻接入的火災(zāi)傳感器實時監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取室內(nèi)火災(zāi)環(huán)境信息，并以此插值融合并動態(tài)更新當前時刻建筑內(nèi)部火災(zāi)威脅態(tài)勢三維信息場。

圖9 建筑內(nèi)部空間三維網(wǎng)絡(luò)模型Fig.9 3D network model of building internal space

(3) 顧及室內(nèi)火場實時威脅態(tài)勢信息的應(yīng)急疏散路徑動態(tài)優(yōu)化。將第(2)步計算獲取的幾何路徑與當前時刻火災(zāi)威脅態(tài)勢信息場體素單元進行幾何求交計算，用體素單元的威脅態(tài)勢信息對與其相交的各疏散路徑弧段進行火災(zāi)危險等級的語義標識，以此確定各路徑弧段的空間可通達性；最后根據(jù)室內(nèi)幾何路徑網(wǎng)各弧段的可通達性標識，重新計算當前時刻室內(nèi)空間有效可行的應(yīng)急疏散路徑。依此類推，實現(xiàn)火災(zāi)演進過程中室內(nèi)火災(zāi)疏散路徑的動態(tài)優(yōu)化過程。

圖10為逃生路徑動態(tài)優(yōu)化過程的一個示例：T1時刻，房間Room4門口走廊發(fā)生火災(zāi)(事件1)和樓梯Stair1出現(xiàn)擁堵(事件2)；根據(jù)實時接入的傳感器觀測數(shù)據(jù)，計算當前時刻火災(zāi)威脅環(huán)境態(tài)勢信息場(圖10(a))，圖10(b)為根據(jù)建筑物三維幾何模型提取的初始室內(nèi)幾何網(wǎng)絡(luò)模型；將兩者進行幾何求交計算(圖10(c))，并對初始幾何網(wǎng)絡(luò)模型進行通達性語義標識；最后根據(jù)通達性，更新幾何網(wǎng)絡(luò)模型拓撲，得到新的幾何網(wǎng)絡(luò)模型(圖10(d))；對比圖10(b)和圖10(d)可知，由于房間Room4和走廊Corridor2處火災(zāi)威脅等級高，因此與這兩處節(jié)點連接的路徑弧段均不在具備通達性。

2 實時態(tài)勢感知的室內(nèi)火災(zāi)疏散路徑動態(tài)優(yōu)化原理

2.1 試驗數(shù)據(jù)

本文采用新疆亞博館為試驗場景模型(圖11)，整個場館的室內(nèi)三維空間網(wǎng)絡(luò)模型如圖12所示。

亞博館整棟建筑里的火災(zāi)傳感器主要有溫度傳感器、煙霧傳感器、視頻傳感器3大類，具體各樓層的傳感器分布如圖13，為了描述方便將4個樓梯井分別描述為一號、二號、三號、四號樓梯。

1.2 試驗結(jié)果分析

本文的火災(zāi)情景模擬：T1時刻第4層二號樓梯A處發(fā)生火災(zāi)為起點，針對第4層休息室的人員進行疏散，假設(shè)火災(zāi)蔓延過程中，T2時刻第2層左側(cè)一號樓梯B處突發(fā)新火災(zāi)，T3時刻第1層右側(cè)四號樓梯出口C處因建筑物倒損導致此處被封(圖14)。針對所模擬的火災(zāi)情境，基于本文的方法，可計算出不同火災(zāi)階段的疏散路徑(圖15)。下面將對不同時刻處應(yīng)急疏散路徑進行詳細描述。

圖10 逃生路徑動態(tài)優(yōu)化過程示意圖Fig.10 An illustration of the dynamic optimizing process for 3D network model

圖11 各樓層平面圖及室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)模型Fig.11 The plan and indoor network model of each floor

圖12 亞博館室內(nèi)三維空間網(wǎng)絡(luò)模型Fig.12 The indoor 3D network model of CAE-EXPO XINJIANG

圖16所示為T1時刻火災(zāi)剛發(fā)生時態(tài)勢場及疏散路徑示意。TI時刻，火源位置為第4層左側(cè)二號樓梯A，以第4層休息室為初始逃生位置計算初始疏散路徑，如圖16(b)所示。同時根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)插值計算樓層的實時火災(zāi)威脅態(tài)勢信息場(16(a))，并將該威脅態(tài)勢信息場與圖12(b)中的幾何網(wǎng)絡(luò)路徑進行求交計算，將相交體素的威脅態(tài)勢語義信息映射至幾何網(wǎng)絡(luò)路徑。圖16(b)中的幾何網(wǎng)絡(luò)路徑為威脅態(tài)勢語義映射后的結(jié)果。由圖可知，發(fā)生火災(zāi)的第4層左側(cè)樓梯A處的節(jié)點不可通行，因此原圖12(b)中的幾何網(wǎng)絡(luò)路徑中與該結(jié)點聯(lián)接的所有結(jié)點的連通性均需斷開，即第4、3層左側(cè)A處的樓梯不可通行。根據(jù)幾何網(wǎng)絡(luò)路徑新的連通性標識，動態(tài)計算疏散線路，即可獲取圖16(b)中新的疏散路徑，可描述為第4層休息室人員進入左側(cè)一號樓梯直接下樓經(jīng)過第3、2、1層的一號樓梯到達一樓，然后穿過一樓大廳。

圖13 各樓層傳感器分布圖Fig.13 The distribution of sensors on each floor

圖14 亞博館整體樓層圖Fig.14 The whole building of CAE-EXPO XINJIANG

圖15 不同火災(zāi)階段的疏散路徑Fig.15 The evacuation route at different stages of the fire

圖16 初始疏散路徑Fig.16 The initial evacuation route

圖17所示為T2時刻第2層樓左側(cè)一號樓梯B突發(fā)新火災(zāi)，同樣將實時計算的火災(zāi)威脅態(tài)勢信息場(圖17(a))與上一時刻的幾何網(wǎng)絡(luò)路徑求交計算。由圖17(a)可知第2層一號樓梯不可通行，故圖17(b)的幾何網(wǎng)絡(luò)路徑中與第2層一號樓連接的所有結(jié)點均需斷開，根據(jù)幾何網(wǎng)絡(luò)路徑新的連通性標識，動態(tài)計算疏散線路，即可獲取圖17(b)中新的疏散路徑，疏散路線可描述為第4層休息室人員進入左側(cè)一號樓梯下樓經(jīng)第3層一號樓梯到達第3層，再橫穿第3層的中間走廊到達第3層右側(cè)四號樓梯，然后下樓經(jīng)第2層、1層四號樓梯到達一樓，最后穿過大廳。

圖17 火災(zāi)威脅態(tài)勢信息場及最新疏散路徑Fig.17 Fire threat situation information field and the latest evacuation route

圖18為T3時刻第1層右側(cè)樓梯出口C處因建筑物倒損導致此處被封，將實時計算的火災(zāi)威脅態(tài)勢信息場(圖18(a))與上一時刻的幾何網(wǎng)絡(luò)路徑求交計算。由圖18(a)可知第1層四號樓梯不可通行，故上一時刻幾何網(wǎng)絡(luò)路徑中與第1層四號樓梯連接的所有結(jié)點均需斷開，根據(jù)幾何網(wǎng)絡(luò)路徑新的連通性標識，動態(tài)計算疏散線路，即可獲取圖18(b)中新的疏散路徑，疏散路線可描述為第4層休息室人員進入左側(cè)一號樓梯下樓經(jīng)第3層一號樓梯到達第3層，再橫穿第3層中間走廊到達第3層右側(cè)四號樓梯，下樓經(jīng)第2層四號樓梯到達二樓，左轉(zhuǎn)進入第2層三號樓下樓達經(jīng)第1層三號樓梯到達一樓，最后穿過大廳。

圖18 火災(zāi)威脅態(tài)勢信息場及最新疏散路徑Fig.18 Fire threat situation information field and the latest evacuation route

為驗證本方法的有效性，本文選用Pathfinder仿真軟件，對同樣的火災(zāi)情境進行了模擬，以最短時間內(nèi)完成人員的疏散為最終目標，分析對比了本文方法與Pathfinder仿真軟件的火災(zāi)應(yīng)急疏散優(yōu)化能力。Pathfinder疏散仿真軟件可以利用建筑物三維幾何空間模型，提取連續(xù)性不規(guī)則三角形作為二維平面的導航網(wǎng)格，實現(xiàn)火災(zāi)等公共安全事件的應(yīng)急疏散模擬仿真[25-27]?；馂?zāi)情境設(shè)定如下：火災(zāi)先后發(fā)生事件個數(shù)為3個，建筑中待疏散人員個數(shù)為50人，人員密度為1人/m2，水平過道疏散速度為1.2 m/s，樓梯下行疏散速度為0.8 m/s，水平走道人群流動系數(shù)為1.5人/m·s-1，樓梯人群流動系數(shù)為1.3人/m·s-1。模擬試驗通過分析整個火災(zāi)過程中先后發(fā)生不同次數(shù)的突發(fā)事件的情況下，對使用本文疏散方案和傳統(tǒng)靜態(tài)疏散方案所需要的總疏散時間、總疏散路徑長度進行對比分析，如圖 19和圖20所示。試驗結(jié)果表明隨著火災(zāi)過程中突發(fā)事件個數(shù)越多，總疏散時間都呈上升趨勢，但按本文方法進行疏散路徑動態(tài)規(guī)劃完成疏散所需要的總疏散效率和總疏散路徑長度均優(yōu)于Pathfinder仿真軟件。

圖19 總疏散路徑長度對比分析Fig.19 Comparison of the evacuation path length

圖20 總疏散時間對比分析Fig.20 Comparison of the evacuation efficiency

3 結(jié) 論

傳統(tǒng)復雜建筑物室內(nèi)火災(zāi)應(yīng)急疏散方法，并未充分考慮實時火災(zāi)演進、毒煙蔓延等動態(tài)火災(zāi)參數(shù)對疏散路徑連通性的影響，應(yīng)急疏散方案無法根據(jù)火災(zāi)動態(tài)演進參數(shù)進行及時調(diào)整，從而導致應(yīng)急疏散方案的時效性和可靠性難以保證。針對上述問題，本文提出實時態(tài)勢感知的室內(nèi)火災(zāi)疏散路徑動態(tài)優(yōu)化方法，通過動態(tài)接入多源傳感器實時感知的室內(nèi)火災(zāi)實時態(tài)勢(煙霧濃度、火勢蔓延和環(huán)境溫度等)以及室內(nèi)環(huán)境變化(電梯與防煙門的關(guān)閉等)信息，動態(tài)構(gòu)建室內(nèi)火災(zāi)威脅態(tài)勢三維動態(tài)信息場，并以此約束應(yīng)急疏散路徑拓撲的更新，實現(xiàn)疏散路徑的動態(tài)調(diào)整與優(yōu)化。本文以新疆亞博館為實際場景開展了火災(zāi)應(yīng)急疏散模擬試驗。試驗表明，基于本文的算法能夠有效地計算出滿足不同火災(zāi)情景的實時疏散路徑，可為有關(guān)部門在室內(nèi)突發(fā)事件應(yīng)急救援決策提供科學支持。進一步的研究，將在動態(tài)威脅態(tài)勢場模型的基礎(chǔ)上，集成室內(nèi)火災(zāi)擴散演進模擬模型，實現(xiàn)動態(tài)觀測數(shù)據(jù)與模擬模型耦合驅(qū)動的火災(zāi)煙氣溫度等威脅態(tài)勢預(yù)測，降低因動態(tài)觀測數(shù)據(jù)不完備、不確定性等問題的影響，提高應(yīng)急疏散方案的可靠性。

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(責任編輯：張艷玲)

A Dynamic Optimization Method of Indoor Fire Evacuation Route Based on Real-time Situation Awareness

DING Yulin1,2,3，HE Xiaobo4，ZHU Qing1,2，LIN Hui3，HU Mingyuan3

1. Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China; 2. State-Province Joint Engineering Laboratory of Spatial Information Technology of High-speed Rail Safety, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China; 3. Institute of Space and Earth Information Science, The Chinese University of Hong Kong, Hong Kong, China; 4. Chongqing Geomatics Center, Chongqing 401121, China

How to provide safe and effective evacuation routes is an important safeguard to correctly guide evacuation and reduce the casualties during the fire situation rapidly evolving in complex indoor environment. The traditional static path finding method is difficult to adjust the path adaptively according to the changing fire situation, which lead to the evacuation decision-making blindness and hysteresis. This paper proposes a dynamic method which can dynamically optimize the indoor evacuation routes based on the real-time situation awareness. According to the real-time perception of fire situation parameters and the changing indoor environment information, the evacuation route is optimized dynamically. The integrated representation of multisource indoor fire monitoring sensor observations oriented fire emergency evacuation is presented at first, real-time fire threat situation information inside building is then extracted from the observation data of multi-source sensors, which is used to constrain the dynamical optimization of the topology of the evacuation route. Finally, the simulation experiments prove that this method can improve the accuracy and efficiency of indoor evacuation routing.

sensor data; indoor fire; dynamic emergency evacuation; situation awareness; route optimization

The National Natural Science Foundation of China (Nos.41501421；41471320); The Foundation of Key Laboratory for Geo-Environmental Monitoring of Coastal Zone of the National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation; Open Research Fund of State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing (No.15I01)

DING Yulin(1987—)，female, PhD, research associate, majors in VGE and dynamic GIS.

ZHU Qing

丁雨淋，何小波，朱慶，等.實時威脅態(tài)勢感知的室內(nèi)火災(zāi)疏散路徑動態(tài)優(yōu)化方法[J].測繪學報，2016,45(12)：1464-1475.

10.11947/j.AGCS.2016.20160053. DING Yulin，HE Xiaobo，ZHU Qing，et al.A Dynamic Optimization Method of Indoor Fire Evacuation Route Based on Real-time Situation Awareness[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2016,45(12):1464-1475. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20160053.

P208

A

1001-1595(2016)12-1464-12

國家自然科學基金(41501421；41471320)；空間信息智能感知與服務(wù)深圳市重點實驗室(深圳大學)開放基金資助項目；測繪遙感信息工程國家重點實驗室資助項目(15I01)

2016-01-22

丁雨淋(1987—)，女，博士，副教授，研究方向為虛擬地理環(huán)境與多維動態(tài)地理信息系統(tǒng)。

E-mail：rainforests@126.com

朱慶

E-mail：zhuq66@263.net

修回日期：2016-10-28