杜微微，張玉紅

（哈爾濱師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，哈爾濱150025）

1 引言

近年來，校園火災(zāi)頻發(fā)，校園的消防安全也逐漸引起高校管理者的重視，促使了人力、物力投入的加大，也取得了一定的成果。但是，在高校大幅度擴(kuò)招和后勤市場化改革之后，新時(shí)期的高校校園消防安全管理也面臨著新的挑戰(zhàn)。尤其是，國內(nèi)很多高校的校園建筑是上世紀(jì)的老舊建筑，電氣設(shè)備老化，耐火性能差，消防設(shè)施陳舊，建筑復(fù)雜度高；與此同時(shí)，在教育改革及科技進(jìn)步的背景下，電腦、手機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，校園建筑物內(nèi)的電路負(fù)載不斷加大，校園安全隱患也日益突出。近期，國內(nèi)多所高校接連有火災(zāi)發(fā)生，導(dǎo)致了重大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。高校建筑內(nèi)部人員密度大，而且存在大量易燃裝飾物、木質(zhì)課桌等，很容易導(dǎo)致火災(zāi)并隨之產(chǎn)生煙霧的蔓延。為此，在高校建筑火災(zāi)發(fā)生后，必須考慮逃生線路上所存在的火災(zāi)和煙霧危險(xiǎn)，以及線路上的人員擁塞情況，設(shè)法實(shí)現(xiàn)疏散方案的動(dòng)態(tài)調(diào)整，以保障火災(zāi)發(fā)生時(shí)高校建筑內(nèi)人員的順利逃生和獲救。

故此，本研究基于GIS技術(shù)，在空間、時(shí)間兩個(gè)維度上對(duì)高校建筑物內(nèi)的火災(zāi)發(fā)生過程進(jìn)行模擬，制定有針對(duì)性的高校建筑內(nèi)火災(zāi)災(zāi)情快速評(píng)估及人員疏散方案，以輔助高校建筑內(nèi)部火災(zāi)災(zāi)害的預(yù)防與減災(zāi)。

2 火災(zāi)場景空間模型構(gòu)建

2.1 火災(zāi)場景幾何分解

高校建筑火災(zāi)救援中的幾何模型是指建立起與高校建筑真實(shí)布局與計(jì)算機(jī)模型之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使用計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行高校建筑布局特征的描述。在使用GIS技術(shù)進(jìn)行高校建筑內(nèi)幾何場景進(jìn)行分解時(shí)，首先需要通過高校內(nèi)建筑幾何模型的分解，實(shí)現(xiàn)高校建筑連續(xù)幾何空間的離散化描述，使用圖論等理論進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，是火災(zāi)疏散模型研究的基礎(chǔ)。當(dāng)前常見的建筑內(nèi)部場景解析方案如圖1所示。

圖1 高校內(nèi)建筑幾何模型解析

計(jì)算幾何模型分為粗細(xì)兩種類型的網(wǎng)絡(luò)模型。在粗網(wǎng)絡(luò)模型中，將高校建筑物內(nèi)的房間作為圖中的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)的連接通道作為圖中的弧段。這種方式在于計(jì)算簡單，可在宏觀上把控疏散特征，其缺點(diǎn)在于過于抽象，難以對(duì)高校建筑內(nèi)人員軌跡進(jìn)行精確跟蹤。細(xì)網(wǎng)絡(luò)模型采用圓形、六邊形或矩形等形式對(duì)建筑空間進(jìn)行更加細(xì)致的劃分，劃分的粒度保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)無法被兩個(gè)以上的人同時(shí)占據(jù)。由于高校建筑物內(nèi)的人員數(shù)量較多，若幾何節(jié)點(diǎn)過于抽象，難以實(shí)現(xiàn)人員軌跡的精確跟蹤，為此在本模型中，使用細(xì)網(wǎng)模型進(jìn)行火災(zāi)場景解析。

2.2 空間模型節(jié)點(diǎn)描述

合理的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有利于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間的優(yōu)化，和有利于提高程序的運(yùn)行效率。由于所采用的建筑內(nèi)空間的網(wǎng)狀幾何模型的數(shù)據(jù)量大，節(jié)點(diǎn)間的聯(lián)系非常靈活。因此，針對(duì)建筑空間的網(wǎng)狀幾何模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。通過對(duì)圖形結(jié)構(gòu)特征的分析可以看出，節(jié)點(diǎn)應(yīng)具備一定的可擴(kuò)展性，以適應(yīng)不同情形的屬性。為此，選用如下的結(jié)構(gòu)體，對(duì)圖形節(jié)點(diǎn)進(jìn)行描述：

其中，no中保存集結(jié)點(diǎn)編號(hào)，DATA為用戶自定義數(shù)據(jù)類型，例如表示建筑物內(nèi)某個(gè)具體房間內(nèi)空間節(jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)、節(jié)點(diǎn)類型、節(jié)點(diǎn)半徑、此時(shí)是否有人占據(jù)該節(jié)點(diǎn)的標(biāo)志等。

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中的弧而言，考慮到弧的弧長和權(quán)值等因素，也需要將圖形結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為可擴(kuò)展形式，與網(wǎng)絡(luò)模型中的節(jié)點(diǎn)類似，利用EDEG結(jié)構(gòu)體存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中的弧信息：

其中ori_no變量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中的弧起始節(jié)點(diǎn)編號(hào)；dest_no存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中的弧終端節(jié)點(diǎn)編號(hào)；data變量存儲(chǔ)邊的描述信息。

在網(wǎng)狀幾何模型的存儲(chǔ)過程中，除了需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的點(diǎn)和弧信息進(jìn)行存儲(chǔ)以外，還需要對(duì)節(jié)點(diǎn)間的組織連接方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)前常見的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)方式包括鄰接矩陣、鄰接表和鄰接多重表等方式。如果圖中的弧數(shù)量遠(yuǎn)少于節(jié)點(diǎn)數(shù)量時(shí)，使用鄰接矩陣的方式存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，將會(huì)導(dǎo)致大量零元素的存在，導(dǎo)致存儲(chǔ)空間的浪費(fèi)。鄰接表可節(jié)省存儲(chǔ)空間，而且與鄰接多重表相比，其結(jié)構(gòu)更加簡單，查詢和便利功能也更加易于實(shí)現(xiàn)，也更加符合常規(guī)思維方式。為此，本模型選用鄰接表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及其連接方式進(jìn)行存儲(chǔ)。

鄰接表的核心就是針對(duì)網(wǎng)路中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)建立鏈表，鏈表中存儲(chǔ)了節(jié)點(diǎn)間的弧信息。網(wǎng)絡(luò)的鄰接表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的具體描述如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)的鄰接表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式

圖2的左邊為網(wǎng)絡(luò)的具體形式，右邊為相應(yīng)圖形的鏈表結(jié)構(gòu)表現(xiàn)形式。采用如圖2所示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)即可對(duì)建筑物內(nèi)的幾何模型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行描述。?

2.3 基于GIS技術(shù)的火災(zāi)場景空間解析

如上所示，通過計(jì)算集合模型的設(shè)計(jì)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)，可以根據(jù)高校建筑物內(nèi)的幾何信息，生成由眾多節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的圖結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有一定的面積，而且在火災(zāi)救援過程模擬時(shí)，可以被且僅被1個(gè)人所占據(jù)。人員可以通過節(jié)點(diǎn)間的連接弧，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的移動(dòng)。對(duì)于高校內(nèi)不同建筑物的布局，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以是出口、梯段等不同類型的節(jié)點(diǎn)，每條弧都有長度等擴(kuò)展屬性。圖形結(jié)構(gòu)不僅可以用于建筑內(nèi)集合空間拓?fù)潢P(guān)系的描述，同時(shí)也存儲(chǔ)了高校建筑物內(nèi)空間布局的相關(guān)信息。

針對(duì)建筑物內(nèi)空間平面的具體布局情況，可以使用GIS技術(shù)自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)圖結(jié)構(gòu)。每個(gè)高校建筑內(nèi)平面空間可被看作一系列計(jì)算機(jī)圖結(jié)構(gòu)的集合。用GIS文件實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形的訪問。

使用GIS技術(shù)對(duì)建筑平面空間信息進(jìn)行解析的算法設(shè)計(jì)如下：

①指定建筑內(nèi)平面空間的任意節(jié)點(diǎn)P0，將P0節(jié)點(diǎn)加入到節(jié)點(diǎn)列表中；

②以P0節(jié)點(diǎn)為起點(diǎn)，按照順時(shí)針方向進(jìn)行搜索，如果未遇到障礙物，則建立新節(jié)點(diǎn)，并將節(jié)點(diǎn)加入到節(jié)點(diǎn)列表中，同時(shí)根據(jù)搜索情況，在計(jì)算機(jī)圖形結(jié)構(gòu)中加入相應(yīng)的弧信息，如果在該搜索方向上已經(jīng)存在節(jié)點(diǎn)，或無足夠有效空間，則執(zhí)行下一個(gè)搜索方向，若該節(jié)點(diǎn)的所有方向搜索完畢，則跳轉(zhuǎn)到對(duì)下一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理；

③遍歷所有節(jié)點(diǎn)列表，直到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)均處理完畢為止，至此完成整個(gè)建筑幾何空間的搜索建模。

上述過程整體描述如圖3所示。

圖3 建筑幾何平面節(jié)點(diǎn)解析過程

在得到GIS技術(shù)解析后，最終的建筑幾何平面結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于GIS技術(shù)解析的建筑幾何平面結(jié)構(gòu)圖

3 建筑火災(zāi)人員疏散模型構(gòu)建

在完成建筑幾何平面的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)劃分后，結(jié)合圖結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，可采用Bellman-Ford-Moore算法、Dijkstra算法和A*算法等方式對(duì)建筑內(nèi)人員疏散路徑進(jìn)行分析，進(jìn)而生成建筑火災(zāi)人員疏散模型。同時(shí)，由于建筑內(nèi)人員疏散過程的復(fù)雜性，簡單的疏散路徑分析方法無法充分體現(xiàn)高校建筑內(nèi)火災(zāi)發(fā)生后建筑內(nèi)人員的真實(shí)疏散情形。為此，需要不斷進(jìn)行規(guī)則的修改、完善和增強(qiáng)，不斷健全建筑內(nèi)人員疏散過程的推理機(jī)制。

3.1 疏散線路選擇

在上述疏散路徑生成算法中，Bellman-Ford-Moore算法是公認(rèn)最好的賦權(quán)路徑算法，但是其計(jì)算量較大，收斂速度偏低；Dijkstra算法起點(diǎn)為中心，不斷線網(wǎng)擴(kuò)展，直到擴(kuò)展到終點(diǎn)幾點(diǎn)為止，該算法需要計(jì)算的節(jié)點(diǎn)較多，效率偏低，不適合高校大型建筑節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多的場合；A*算法屬于最好優(yōu)先的啟發(fā)式圖搜索算法，利用啟發(fā)信息以提高路徑搜索效率。在運(yùn)用A*算法進(jìn)行疏散路線搜索時(shí)，將已經(jīng)計(jì)算得到的線路長度進(jìn)行存儲(chǔ)，并根據(jù)長度對(duì)疏散路線進(jìn)行排序，實(shí)現(xiàn)線路長短比較。由于建筑內(nèi)疏散路線的可選擇性較多，本模型中使用快速排序算法，以保證疏散路線選擇的性能。

在確定可達(dá)的疏散路徑后，在GIS空間中，按照可達(dá)的疏散路線生成平行帶狀多邊形緩沖區(qū)。分析緩沖區(qū)內(nèi)的煙氣、火勢分布情況，并判斷該可達(dá)疏散路線的危險(xiǎn)性，以及線路上的人員擁擠程度，以規(guī)避高風(fēng)險(xiǎn)和擁塞的疏散線路。

3.2 疏散策略調(diào)整

通過上述分析，基于對(duì)疏散路徑的可達(dá)性、危險(xiǎn)性和擁塞程度的了解，就可對(duì)已有的疏散策略進(jìn)行調(diào)整，選擇其他可達(dá)的、危險(xiǎn)性低和擁塞程度低的疏散路徑，確保能夠及時(shí)從火災(zāi)建筑中撤離。

疏散策略調(diào)整的量化判斷條件如下式所示：

其中，flow_rate為建筑內(nèi)的人群整體移動(dòng)速度，取值[0.1,0.3]區(qū)間。若該疏散路徑具有較高的危險(xiǎn)度或擁塞度，則下式成立：

其中，F(xiàn)ireNodes、SmokeNodes、PeopleNodes分別表示疏散路徑上的著火節(jié)點(diǎn)、煙氣覆蓋節(jié)點(diǎn)和人員占領(lǐng)節(jié)點(diǎn)。通過如上疏散路徑判別公式的設(shè)計(jì)，使得高校建筑火災(zāi)救援中的行為更加真實(shí)，也可以科學(xué)合理地指導(dǎo)建筑內(nèi)人員的逃生。

在本模型的研究中，在圖結(jié)構(gòu)計(jì)算模型基礎(chǔ)上，主要利用A*算法，求解兩點(diǎn)間的最短路徑，其具體實(shí)現(xiàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 A*算法的最短路徑搜索結(jié)果

通過對(duì)建筑內(nèi)幾何平面關(guān)鍵點(diǎn)的A*算法最短路徑的結(jié)合，并且根據(jù)疏散策略調(diào)整結(jié)果，最終形成如圖6所示的建筑火災(zāi)人員疏散模型，以指導(dǎo)高校建筑火災(zāi)發(fā)生時(shí)建筑內(nèi)人員的逃生。

圖6 建筑火災(zāi)人員疏散模型

4 結(jié)束語

火災(zāi)是危害社會(huì)公眾安全的主要災(zāi)害之一，建筑火災(zāi)中的建筑空間布局、電能失效、濃煙、人員動(dòng)態(tài)等因素影響著人們快速撤離火場的效率。所提出的建筑火災(zāi)人員快速疏散模型可真實(shí)體現(xiàn)高校建筑內(nèi)火災(zāi)發(fā)生后建筑內(nèi)人員的真實(shí)疏散情形，有助于不斷健全建筑內(nèi)人員疏散過程的推理機(jī)制，確保在火災(zāi)中及時(shí)安全撤離，將損失降至最低。