張蕓栗，張 良

（1.沈陽城市建設(shè)學(xué)院；2.沈陽市市政設(shè)計研究院，遼寧 沈陽 110168）

科學(xué)技術(shù)研究

基于路徑優(yōu)化的智能疏散指示系統(tǒng)在商場中的應(yīng)用

張蕓栗1，張 良2

（1.沈陽城市建設(shè)學(xué)院；2.沈陽市市政設(shè)計研究院，遼寧 沈陽 110168）

建立基于路徑優(yōu)化的智能疏散指示系統(tǒng)，實現(xiàn)智能疏散指示信息動態(tài)、即時的調(diào)整，將以往傳統(tǒng)的就近固定方向疏散的理念，提升為遠離火災(zāi)源的主動疏散理念，使疏散指示實現(xiàn)了性能化、智能化和聯(lián)動控制.與傳統(tǒng)疏散指示系統(tǒng)相比具有較高的技術(shù)優(yōu)勢和實用價值，對改變我國現(xiàn)有人員密集公共建筑消防安全疏散現(xiàn)狀具有非常重要的理論價值和現(xiàn)實意義.

智能疏散；指示系統(tǒng)；路徑優(yōu)化

隨著經(jīng)濟建設(shè)的迅速發(fā)展，各地相繼建成了一些大型商場、超市，這些大型商場的出現(xiàn)，在給消費者帶來了很大便利的同時，也給人們帶來了巨大的安全隱患.如2004年吉林市中百商廈火災(zāi)事故、2010年吉林市商業(yè)大廈火災(zāi)事故、2012年天津市萊德商廈火災(zāi)事故，均造成了大量的人員傷亡.究其原因，是由于商場營業(yè)期間安全疏散出口被鎖閉或疏散通道被封堵，人員疏散無路可逃.成熟的安全疏散指示標志系統(tǒng)，良好的疏散秩序和正確的疏散方法起了重要的作用.Dorota L.[1]利用遺傳算法進行了客船人員疏散路徑的優(yōu)化，何大志、王長波、謝步瀛[2]提出了基于幾何學(xué)的人員疏散模型，按照路徑最短的原則確定出了人員疏散的方向和路徑.李晶晶、紀慶革[3]提出了一種基于遺傳學(xué)來優(yōu)化疏散路徑問題的方法.肖國清、溫麗敏[4]討論了遺傳算法在人員疏散路徑優(yōu)化中的應(yīng)用，張培紅[5,6]應(yīng)用隨機理論對人員疏散路徑優(yōu)化進行了初步的探討.

受到蟻群尋找最短路徑的啟發(fā)，20世紀90年代初意大利的Dorigo M[7].等學(xué)者提出的蟻群優(yōu)化算法，這種用于組合優(yōu)化問題具有很強的能力.自適應(yīng)蟻群算法對傳統(tǒng)蟻群算法進行了改進，自適應(yīng)地調(diào)節(jié)路徑選擇和更新優(yōu)化策略，大大提高了優(yōu)化求解速度，有利于實現(xiàn)真正意義上的全局優(yōu)化決策[8-10].疏散人員呈現(xiàn)顯著的趨眾性、自組織性、系統(tǒng)的整體性等行為特點，和蟻群系統(tǒng)具有很多共同的特點.因此，利用蟻群算法建立新的疏散路徑優(yōu)化算法，根據(jù)建筑物火災(zāi)時人員疏散行為規(guī)律和疏散通道通行能力的分析，在實現(xiàn)人員疏散路徑全局動態(tài)優(yōu)化決策基礎(chǔ)上進行合理的疏散誘導(dǎo)，對實現(xiàn)大型公共建筑物內(nèi)人員智能疏散，預(yù)防群集踩踏事故和加強公共安全具有非常重要的理論價值和現(xiàn)實意義.

本文利用計算機語言建立基于自適應(yīng)蟻群算法的人員疏散路徑優(yōu)化算法，并實現(xiàn)算法與消防聯(lián)動系統(tǒng)的集成，建立基于路徑優(yōu)化的智能疏散指示系統(tǒng).根據(jù)消防設(shè)施的動態(tài)信息，應(yīng)用人員疏散路徑優(yōu)化算法對不同火災(zāi)態(tài)勢下的疏散路徑進行及時優(yōu)化動態(tài)的改變疏散標識的指示方向，實現(xiàn)疏散標識的智能指示.

1 基于路徑優(yōu)化的智能疏散指示系統(tǒng)的實現(xiàn)

基于路徑優(yōu)化的智能疏散指示系統(tǒng)是將人員疏散路徑優(yōu)化算法與消防系統(tǒng)集成，根據(jù)消防設(shè)施的動態(tài)信息，應(yīng)用人員疏散路徑優(yōu)化算法對不同火災(zāi)態(tài)勢下的疏散路徑進行及時優(yōu)化動態(tài)的改變疏散標識的指示方向，實現(xiàn)疏散標識的智能指示.

1.1 對人員疏散路徑優(yōu)化算法的改進

為了更好的實現(xiàn)人員疏散路徑優(yōu)化算法與消防系統(tǒng)的集成，對節(jié)點布置和數(shù)據(jù)庫建立方面做了如下的改進.同時將建筑物結(jié)構(gòu)特點對人員疏散的影響引入算法當中，重新定義火災(zāi)時人員疏散的最優(yōu)路徑.

對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物，節(jié)點的分布不再人為的建立，而是將建筑物內(nèi)所有的疏散標識和影響疏散的消防設(shè)施作為計算節(jié)點.這樣可以很好的實現(xiàn)與消防系統(tǒng)建立聯(lián)系，直接將聯(lián)動系統(tǒng)中的相關(guān)信息導(dǎo)入數(shù)據(jù)中應(yīng)用即可.其中包括：設(shè)備的坐標、設(shè)備的編號、設(shè)備的機器號、設(shè)備的回路號等.對于設(shè)有地埋疏散標識的建筑物，探測器不作為計算節(jié)點用于路徑的優(yōu)化，而是用于對建筑物內(nèi)火災(zāi)信息的判斷.將整個疏散通道上的疏散標示和影響路徑通行的消防設(shè)施作為計算節(jié)點，用于疏散路徑的優(yōu)化.

為了進一步減少算法應(yīng)用前的準備，在程序中新增了一個相鄰節(jié)點判斷的模塊，用來自動生成相鄰節(jié)點信息并存儲在表中.然而在自動生成的過程中可能會出現(xiàn)節(jié)點間通道穿墻等現(xiàn)象，為了避免這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，可以在算法運行前在數(shù)據(jù)庫管理窗口對個別計算節(jié)點進行修改.同時與探測器相關(guān)的疏散標識編號也可以通過程序自動生成.

1.2 人員疏散路徑優(yōu)化算法與消防系統(tǒng)集成的原理及步驟

在人員疏散路徑優(yōu)化算法中加入疏散標識判斷模塊，該模塊根據(jù)算法運算得到的最優(yōu)疏散路徑判斷疏散標識的指示方向.加入疏散標識指示方向判別后的人員疏散路徑優(yōu)化算法和消防報警系統(tǒng)聯(lián)動，獲知火警信息，選擇、執(zhí)行相應(yīng)的聯(lián)動預(yù)案，完成了從以往消防應(yīng)急燈“就近指引”的原則到現(xiàn)在“安全指引疏散”的原則的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場人員“更安全、更準確、更迅速”地逃離火災(zāi)現(xiàn)場.

為了實現(xiàn)人員疏散路徑優(yōu)化算法與消防聯(lián)動系統(tǒng)的集成，建立兩個可共享的文本文件，一個用于存儲消防設(shè)施動作信息，命名為“FireSensor”.另一個用于存儲疏散標識信息，命名為“Eva_Marker”.兩個共享文件用于人員疏散路徑優(yōu)化算法與消防系統(tǒng)信息的傳遞.人員疏散路徑優(yōu)化算法可以通過FireSensor文件判別當前建筑物內(nèi)的火災(zāi)狀態(tài)，同時確定節(jié)點的通行能力.Eva_Marker文件中存儲了經(jīng)人員疏散路徑優(yōu)化算法判斷后建筑物內(nèi)所有疏散標識的指示方向，消防系統(tǒng)可以根據(jù)文件內(nèi)的指示信息改變疏散標識的指示方向.

正常情況下，建筑物內(nèi)疏散標識的指示方向根據(jù)人員疏散路徑優(yōu)化算法確定的指示方向指示.當建筑物內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，首先，火災(zāi)探測器報警，消防聯(lián)動系統(tǒng)動作.并將發(fā)生動作的消防設(shè)施信息存儲到FireSensor文件中.接著算法根據(jù)FireSensor中的信息確定建筑物內(nèi)的火災(zāi)信息，強制與報警探測器相關(guān)的疏散標識節(jié)點不能通行，再應(yīng)用人員疏散路徑優(yōu)化算法對該建筑物進行火災(zāi)狀態(tài)人員疏散路徑的優(yōu)化，得到路徑后在對建筑內(nèi)所有疏散標識的指示方向進行判斷，再將得到的指示方向傳遞給Eva_Marke文件存儲.最后消防聯(lián)動系統(tǒng)根據(jù)E-va_Marker文件中的信息及時的改變建筑物內(nèi)疏散標識的指示方向.集成步驟見圖1.

圖1 人員疏散路徑優(yōu)化算法與消防聯(lián)動系統(tǒng)集成步驟

2 基于路徑優(yōu)化的智能疏散指示系統(tǒng)在商場中的應(yīng)用

2.1 商場火災(zāi)時人員疏散的特點

近年來，國內(nèi)外商場、超市相繼發(fā)生了不少特大火災(zāi)事故近年公眾聚集場所發(fā)生的特大火災(zāi)事故中，商場火災(zāi)發(fā)生起數(shù)、人員傷亡數(shù)以及直接經(jīng)濟損失都占了極大的比例.從商場火災(zāi)案例中，可以看到商場發(fā)生群死群傷事故主要原因是：商場營業(yè)期間安全疏散出口被鎖閉或疏散通道被封堵，人員疏散無路可逃.

2.1.1 人員活動空間大，活動集中

一般商場每層的建筑面積都比較大，總建筑面積高達50000m2以上.比如成都的普爾斯馬特倉儲式會員商場，建筑單層建筑面積為12000m2，營業(yè)面積9000m2.且商場中人員流動量比較大，活動比較集中，尤其是節(jié)假日等購物高峰期，情況更甚.據(jù)統(tǒng)計，如深圳沃爾瑪山姆會員店，平均客流量每日3.2萬人，節(jié)假日一般可達6.5萬人，最高曾超過8萬人.

2.1.2 出口不明顯

由于商家主要意圖是突出商品和賣場功能，故場內(nèi)布置復(fù)雜，形如迷宮，內(nèi)部設(shè)置大型貨架，這些貨架嚴重阻礙人的視線，人員在貨架行列中自選商品時容易迷失方向，很難確認疏散方向，更難看見安全出口.

2.1.3 疏散距離過長

建筑設(shè)計中一般在商場的周邊設(shè)置疏散樓梯，中部最不利地點至最近樓梯的直線距離往往超過30米，如果在貨架之間通行，其折線距離更是大大超過30米.

商場的安全疏散是確保商場消防安全的關(guān)鍵，無論是在消防安全設(shè)計上或是在運營期間的管理上，保證商場建筑的安全疏散條件有著至關(guān)重要的意義.

2.2 某商場幾何模型及疏散方案的建立

以某商場二層為例，該商場的建筑平面圖如圖2所示.商場二層的建筑面積約為8000m2，將7個樓梯作為出口，空間模化得到84個節(jié)點，在建筑物內(nèi)共設(shè)置了36個疏散標識.節(jié)點與疏散標識的分布如圖2所示.圖中圓圈代表消防設(shè)施所在的位置，長方形代表疏散標識所在地位置.

圖2 商場平面及節(jié)點分布示意圖

該建筑共分為四個防火分區(qū)，防火分區(qū)劃分如圖3所示.其中1區(qū)有一個疏散樓梯，2區(qū)有2個疏散樓梯、一個扶梯，3區(qū)有三個疏散樓梯，四區(qū)有一個疏散樓梯.

圖3 防火分區(qū)示意圖

《建筑設(shè)計防火規(guī)范》[11]中規(guī)定商店的疏散人數(shù)應(yīng)按每層營業(yè)廳建筑面積乘以面積折算系數(shù)和疏散人數(shù)換算系數(shù)計算，地上商店的面積折算系數(shù)為0.5～0.7，地下商店的面積折算系數(shù)不應(yīng)小于0.7，疏散人數(shù)換算系數(shù)的規(guī)定與《商店建筑設(shè)計規(guī)范》[60]的規(guī)定是一致的.而《商店建筑設(shè)計規(guī)范》第4.2.5條規(guī)定的疏散人數(shù)換算系數(shù)為，第一、二層0.85人/m2，第三層0.77人/m2，第四層以上各層0.6人/m2.由于該建筑內(nèi)有三個中庭，所以這里面積折算系數(shù)選0.5，疏散人數(shù)換算系數(shù)取0.85人/m2.

無火災(zāi)情況下，選取參數(shù)組合α=0.5、β=1，應(yīng)用人員疏散路徑優(yōu)化算法對該商場進行疏散路徑優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果見圖5、6.假設(shè)某時刻4號樓梯處發(fā)生火災(zāi)，防火分區(qū)Ⅱ與其他防火分區(qū)間的通道不能通行.建筑內(nèi)所有的扶梯停止運行且不作疏散用，也就是說此時建筑物內(nèi)的人只能通過樓梯進行疏散逃生.為此建立如下兩種疏散方案：

方案一：不改變疏散標識指示方向.

方案二：智能改變疏散標識的指示方向.

方案一：在不改變疏散標識指示方向的基礎(chǔ)上，人們沿著疏散標識的方向及日常習(xí)慣選擇疏散路線，一旦遇到不能通行的地方則重新選擇逃生路線.正常情況下疏散標識的指示方向如圖4所示，根據(jù)此時疏散標識指示的方向建立的疏散方案如表1所示.可以看出該方案中樓梯使用的分配是不合理的，過多的人選擇7#樓梯疏散.這樣就容易在7#樓梯口處造成長時間的人員滯留，延長疏散所用的時間.

圖4 無火災(zāi)狀態(tài)下疏散標識的指示方向

表1 不改變疏散標識指示方向時的疏散方案

方案二：利用人員疏散路徑優(yōu)化算法對建筑物的疏散路徑進行優(yōu)化，并動態(tài)的改變疏散標識的指示方向，其智能指示結(jié)果如圖5所示.根據(jù)改變后的指示方向確定疏散方案二，如表2所示，可以看出使用該方案疏散時，樓梯使用的分配比較合理.

表2 改變疏散標識指示方向時的疏散方案

圖5 火災(zāi)時疏散標識智能指示示意圖

5.2.3 某商場火災(zāi)狀態(tài)下人員安全疏散性能化分析

利用大空間復(fù)雜建筑物防火安全計算機模擬軟件對上述兩種人員疏散方案進行性能化分析，利用人員安全疏散評價系統(tǒng)模擬人員疏散所用的時間，模擬結(jié)果如圖6所示.

圖6 商場人員疏散動態(tài)變化

從圖中可以看出扶梯停運時，疏散標識改變后的方案中人員完成安全疏散的行動時間為150s，疏散標識不改變的方案中人員完成安全疏散的行動時間為218s，可見方案二所用的人員安全疏散時間比方案一要少一分鐘.所以，疏散標識智能指示能很好的縮短了疏散時間，降低了火災(zāi)的危險性.

3 結(jié)論

在商場案例中應(yīng)用基于路徑優(yōu)化的智能疏散指示系統(tǒng)，建立不同的疏散方案.利用大空間復(fù)雜建筑物防火安全計算機模擬軟件對兩種方案的疏散時間進行預(yù)測.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，方案二（疏散標識動態(tài)改變后建立的疏散方案）能很好的分配人員選擇疏散樓梯，不會出現(xiàn)方案一中多數(shù)人選擇同一疏散樓梯疏散的現(xiàn)象.節(jié)省了安全疏散的時間，很好的緩解了建筑物內(nèi)樓梯口處的人員滯留現(xiàn)象.

利用基于路徑優(yōu)化的智能疏散指示系統(tǒng)得到不同狀態(tài)下疏散標識的指示方向，動態(tài)的改變建筑物內(nèi)標識的指示方向，實現(xiàn)疏散標識的智能指示.智能指示后，建筑物內(nèi)的疏散樓梯得到了合理的利用，提高了疏散的效率，從而節(jié)省了人員疏散所需的時間，緩解了建筑物內(nèi)人員的滯留現(xiàn)象，降低了火災(zāi)對人的傷害.

〔1〕DorotaL，PiotrN．(2001)．Geneticmethod of optimization of evacuation ways in cases the fire growth at ferryboat．IFAC Conference on Control Applications in Marine Systems 2001 (CAMS 2001)，Glasgow，Scotland，UK.

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TP273

A

1673-260X（2017）08-0018-04

2017-04-08

住房城鄉(xiāng)建設(shè)部2016年科學(xué)技術(shù)項目（2016-R2-070）