潘 瑜

(東南大學成賢學院，江蘇 南京 210088)

1 引言

大型公共建筑的空間布局和架構都是各不相同的，這些建筑內(nèi)存在著較多不同疏散能力的人群。如果并未發(fā)生緊急事故的話，就沒有方法對這些人群的疏散能力進行較為全面的檢查。在大型火災等緊急事故發(fā)生時，建筑里的通信系統(tǒng)大多都會被因為火災所產(chǎn)生的燃燒物質(zhì)掩蓋，導致其無法向外界傳輸有效的信息。這時，就無法對受困人員集群的疏散行為、心理反應與建筑物疏散狀態(tài)進行分析。但是，憑借虛擬現(xiàn)實技術來建造虛擬的火災事故環(huán)境，然后對人員的疏散反應進行動態(tài)模擬，就可以較好解決上述出現(xiàn)的問題。

用戶不僅僅可以在虛擬的火災事故突發(fā)空間內(nèi)，使用一定的行為規(guī)范觀測疏散人員的布局，利用蒙特卡洛隨機發(fā)生器對人群加以控制，從而觀察不同的人員布局與行為反應。用戶可以在系統(tǒng)的提示中，注冊并加入虛擬環(huán)境內(nèi)，會沉浸在虛擬突發(fā)事件的環(huán)境里，模擬參與緊急疏散行動，通過這種測試與模擬的流程，模擬系統(tǒng)可以較為充分得到有關于火災事故發(fā)生時疏散動態(tài)反應數(shù)據(jù)。尤其是可以得到在出現(xiàn)不同的事故狀態(tài)下，出現(xiàn)的一些沒有方法預測的反應，或者是疏散設計里不明顯的缺陷問題。雖然不會徹底解決突發(fā)事件產(chǎn)生的各類問題，但這種模擬方法能夠使用到消防演習或應急決策里，現(xiàn)實意義較強。

利用虛擬現(xiàn)實技術，對出現(xiàn)火災事故時人群的疏散行為進行分析，建造一種與疏散控制存在關聯(lián)的虛擬火災模型，同時將模型的出口進行坐標標記，對疏散通道的大小、目標出口的尺寸與障礙物的布局進行隨機調(diào)整，觀察火災現(xiàn)場的環(huán)境狀況、人員疏散行為反應與疏散控制結構的特征變化。進一步的優(yōu)化疏散人員的行為準則，憑借系統(tǒng)疏散信息的可靠性，來模擬實現(xiàn)最優(yōu)疏散路徑。

2 有限狀態(tài)機控制下虛擬消防疏散動態(tài)循環(huán)模擬

2.1 有限狀態(tài)機模型構建

有限狀態(tài)機即通過一定總量的狀態(tài)與互相之間移動組成，在通常情況下只可以處于擬定數(shù)量狀態(tài)內(nèi)的一種。其憑借一種時間驅動的形式進行運作，在接收到一種事件之后，狀態(tài)機出現(xiàn)一種[1]輸出，并且也可能會隨著狀態(tài)進行移動。

這對于復雜系統(tǒng)來說，層級式有限狀態(tài)機通過一系列基礎的[2]有限狀態(tài)相應與上層有限狀態(tài)機組合起來，一種或多種下層有限狀態(tài)機相應與上層有限狀態(tài)機內(nèi)的某種狀態(tài)。在有限狀態(tài)機位于某種組合情況時，一種或多種下層有限狀態(tài)機就能夠按照順序或并行運行。

憑借狀態(tài)機的輸入是否和輸出條件存在關聯(lián)[3]，能夠把狀態(tài)機分成兩大類：米勒型狀態(tài)機與摩爾型狀態(tài)機：

1)摩爾型狀態(tài)機的輸出只能夠憑借當前狀態(tài)[4]數(shù)據(jù)進行處理，并不能和其它條件產(chǎn)生關聯(lián)。

2)米勒型狀態(tài)機的輸出不僅需要依靠目前狀態(tài)，并且還取決于該狀態(tài)的輸入條件，如圖1所示。

圖1 米勒型狀態(tài)機結構

在擬定的邏輯里，狀態(tài)機能夠進行表示的方法含有三種，分別是[5]狀態(tài)轉移列表、HDL語言表示與狀態(tài)轉移圖。狀態(tài)轉移圖就是依靠圖形化的形式來表示狀態(tài)機的每一種狀況的變換關聯(lián)，狀態(tài)轉移列表就是依靠列表的形式來表示狀態(tài)機，并且還是數(shù)字邏輯電路里比較常見的一種設定方法，往往被用在簡化狀態(tài)化上，HDL語言表示狀態(tài)機就是依靠[6]硬件來對語言進行描述，或是通過VHDL設定高速與穩(wěn)定的狀態(tài)機。

2.2 疏散虛擬估算

在火災事故現(xiàn)場里，人員疏散是一種較為復雜的問題[7]，因其存在共同作用或相干擾的狀態(tài)，對這些狀態(tài)存在一定干擾的有人員的[8]疏散反應、火災場景特征、建筑物分布狀況等多種因素。所以，在估算疏散模擬的時候，也需要分析這些因素特征。對此，本文構建行為模擬子模塊、毒性評測和[9]場景分析組成的疏散估算引擎。依靠所有子模塊之間的交互協(xié)作，來模擬和預測火災事故出現(xiàn)時，疏散人員的行為反應。

場景分析子模塊主要是依靠CIS空間分析的性能，來構建運算集合模型的[10]網(wǎng)狀架構。網(wǎng)狀模型憑借節(jié)點來填充結合空間，每一種節(jié)點都會含有自身的坐標與尺寸等屬性，節(jié)點之間會通過長度弧段對圖架構進行連接。其架構的模式與網(wǎng)狀模型是相應的，這種架構模式存在可擴展性高與表述靈活等優(yōu)點。本文在分析疏散場景時，依靠空間的尺寸直徑，構建圓形節(jié)點，進而離散化火災場景。在此基礎上，使用搜索算法對人員個體的疏散路徑進行模擬

Φ=f(G(V，E)，V0)

(1)

式中，f代表依靠圖架構搜索方法，如A*方法、Dijkstra方法等，G(V，E)即場景分析出現(xiàn)的圖架構，V0即目標的原坐標，Φ代表估算所獲得的路徑內(nèi)每種結點的集合。

初步疏散路徑和場景的人員原始坐標與集合布置存在關聯(lián)，映射了火災現(xiàn)場里疏散人員的大致策略。而在模擬的流程里，人員實際疏散路徑還會被環(huán)境內(nèi)火場[11]、燃燒產(chǎn)物與場景里其他人員所干擾。

怎樣精確評測人體暴露在存有一定含量的燃燒產(chǎn)物內(nèi)所產(chǎn)生的危險強度，是火災科學技術研究難題之一。本文設置一種相應的測評函數(shù)來評測火災場景內(nèi)所有煙氣毒性的危險程度。一般來說，評測函數(shù)F具有以下描述形式：

F=f(pos，t，Δt，Xo2，Xco，Xco2，…)

(2)

式中，f代表燃燒產(chǎn)物的毒性評測量化函數(shù)，參照pos與t擬定了危險評測相應的時空屬性，X就是相應與每種關鍵燃燒產(chǎn)物的有效估算劑量。利用FDS模擬，能夠估算出場景里每一種點o2，co，co2等氣體的濃度。本文利用N-Gas模型，經(jīng)過有效劑量分數(shù)對燃燒產(chǎn)物的毒性進行評測。

行為模擬子模塊需要對每個時間段里的疏散人員預測其行為反應。通過當前儲存的[12]疏散路徑來評測疏散人員行為模型是否合理，從而評定是否需要對疏散策略進行修改。測評具有三個方向的因素：

1)目前疏散速度的快慢

(3)

式中，flow-rate就是人員個體所在的人群整體疏散效率，speed就是疏散人員在自由狀態(tài)下的疏散效率。

2)受煙氣的影響程度

β=Visbility(S)

(4)

式中，S代表人員的可觀察范圍。能夠將人員當前所處的坐標當作中心，憑借一定的大小來形成緩沖區(qū)，進而對該區(qū)域的能見度進行測量。

3)路徑尺寸

γ=LEN(V0，Vexit)

(5)

即依靠人員的大致坐標至目標出口的疏散路徑的距離測量。

在此基礎上，依靠雙通道映射，對視差參數(shù)進行設定，從而模擬出人眼觀測的視覺圖像觀測者憑借一些外部裝置就能夠觀測立體視覺，從而沉浸在虛擬場景里，這就可以讓觀測者充分了解火災出現(xiàn)之后的疏散知識，加強消防意識。

和人員與煙氣兩種因素相比，火災環(huán)境是疏散模擬內(nèi)相對較為穩(wěn)定的模型，不存在動態(tài)特征，所以能夠將其擬定成靜態(tài)模型，本文在火災環(huán)境里建造虛擬建筑模型，同時利用粘貼法收集比較現(xiàn)實的火災效果。在建造圖形后，憑借光照條件和坐標等參量，把虛擬現(xiàn)實模型微調(diào)至渲染閾值，最后輸出對應的描述效果至用戶界面上。

憑借FED6-Gas模型評測火災煙氣里經(jīng)常出現(xiàn)的六種氣體的綜合毒性，其結果如下所示

(6)

其中，氣體符號代表在30min暴露期間的平均體積分數(shù)，能夠經(jīng)過FDS模擬得到，m與b代表CO與CO2的組合毒性效應，LC50代表致使50%的實驗動物在暴露30min后死亡的有毒氣體濃度。

FED6-Gas越高，煙氣的綜合毒性就越強，在FED6-Gas=1.0時，人員死亡的概率會上升。

煙氣的熱危害含有熱對流與熱輻射。憑借FED，經(jīng)過對流域輻射分數(shù)進行求和，估算在暴露期間得到熱量的有效劑量分數(shù)FEDheat，其流程如下所示

(7)

其中，Δt代表模擬里的時間步長，tconv代表因為對流熱而失去性能的時間，min在溫度T內(nèi)估算，如式(8)所示

(8)

式(7)里的變量trad代表因為符合熱而失去性能的時間，min，在輻射通量是q(kW/m2)內(nèi)估算，如式(9)所示

(9)

FEDheat所需要的溫度T與輻射通量q的數(shù)據(jù)能夠利用FDS模擬得到，F(xiàn)EDheat越高，熱危害就越高，在FEDheat=1.0時，輻射熱與對流熱靠近人體的可承受閾值，人員的生命受到威脅。

毒性與熱量存在不同的傷害機制，假如暴露程度充足，可能都是致命的。憑借上述的煙氣危害，提出煙氣危害的綜合評測模型，就是綜合危害劑量，其過程如下所示

IHD=max(FED6-Gas，F(xiàn)EDheat)

(10)

IHD越高，煙氣的綜合危害性就越高。憑借FED6-Gas與FEDheat，在IHD到達1.0時，煙氣的危害對人體是致命的。

在疏散場景里疏散群體是具有動態(tài)特征的單獨個體，并且隨著動態(tài)特征的變化控制坐標也會出現(xiàn)相應的轉變，同時行動人員也會更改自身的姿態(tài)，如在逃離的過程中，逃離人員的手臂擺動等，這些都是需要在虛擬現(xiàn)實中描述的行為特征。但只考慮更改場景里的朝向方法與實體坐標，并不能對徹底描述疏散人員的細節(jié)動態(tài)特征。本文將動態(tài)人物融入至虛擬環(huán)境里，通過疏散引擎的估算結果，來預測目標人員的大致動態(tài)，進而模擬疏散流程內(nèi)人員的反應行為，通過Vega與DI-GUY良好的兼容性，能夠對建筑環(huán)境、人員模型與煙氣等因素在同等虛擬現(xiàn)實中進行動態(tài)循環(huán)模擬。

3 疏散路徑的評測模型

(11)

因為在式(5)內(nèi)擬定了LC50的限制，[Ci]一定要在30min的暴露時間里被轉換為平均濃度。Ci(x，y，z，t)代表路徑里第i種氣體濃度的空間，時間函數(shù)。變量a與b分別代表路徑的開始點與完成點。

把時間步長之間的固定時間間隔擬定成Δt，估算固定時間步長k坐標的[Ci]，其過程如式(12)所示

(12)

(13)

(14)

在虛擬疏散訓練里，因為煙氣的不均衡分布，疏散的不同路徑存在不同的IHDpath值，如果IHDpath越低，就說明說疏散路徑越安全。所以，使用IHDpath的虛擬疏散路徑訓練能夠幫助學員搜索到最安全的路徑。

4 仿真證明

仿真環(huán)境為Intel Celeron Tulatin1GHz CPU和384MB SD內(nèi)存的硬件環(huán)境和MATLAB6.1的軟件環(huán)境。為了證明所提方法的實用性，憑借本文模型，構建某種建筑的一樓的3D模型。實驗環(huán)境如圖2所示。

圖2 建筑3D模型

其中含有三個辦公室，兩個活動室，一個大廳，兩個走廊與一個出口。建筑的面積約為300m2，參加模擬疏散人員擬定為兩百人，其中有70%為男性青年，剩下的為女性青年。所有模擬疏散的人員以1.0～1.5m/s的疏散效率離開火災環(huán)境。本文針對出口寬度、樓層、與煙氣濃度為實驗參數(shù)，進行實驗。具體結果如下所示。

圖3即出口寬度與單位時間疏散流動效果之間的關聯(lián)曲線。

圖3 疏散出口寬度對疏散流動效果曲線

通過圖3能夠得知，在出口寬度只上升500mm時，出口的流動效果卻幾乎能夠成倍上升。經(jīng)過模擬，可以看出在出口的集合特征尺寸產(chǎn)生變化時，目標、約束與行動三種變量之間會出現(xiàn)相互干擾。在疏散剛要開始的時間段內(nèi)，疏散通道邊沿的移動效率比中心位置的要快。而在出口的加寬時，橫斷面上就出現(xiàn)了均勻的流動。在人群密度與出口寬度的比例小于某個設定的閾值時，隨著人群密度的不斷縮減，流動的效率也就不再提升，人群之間已經(jīng)不會受到相互作用的干擾了。

圖4 樓層數(shù)對疏散流動效果曲線

如圖4所示，隨著樓層數(shù)的增加，疏散出口流動速度降低，在樓層數(shù)高于6層時，速度明顯降低，達到3.1m/s，并且6層以上，流動速度下降較為緩慢。

在沒有任何防護情況下，設置不同煙氣濃度，觀測疏散流動效果。

如圖5所示，隨著煙氣濃度的增加，疏散出口流動速度逐漸降低，在濃度為140mg/m3時，疏散人員將無法流動，流動速度為0mg/m3。

圖5 煙氣濃度對疏散流動效果曲線

隨著人群密度的提升，群集移動的效率因為空間網(wǎng)絡系統(tǒng)的約束而出現(xiàn)縮減。出口寬度、樓層、煙氣濃度都會干擾到疏散人員的目標變化，也會影響限制條件與疏散人員的行為特征。

5 結論

為了有效了解火災發(fā)生時疏散人員的疏散行為與心理反應，本文提出了一種有限狀態(tài)機控制下虛擬消防疏散動態(tài)循環(huán)模擬方法。

1)對傳統(tǒng)的有限狀態(tài)機進行分析，獲得其運行的大致原理。

2)依靠輸入和輸出條件之間存在的關聯(lián)來構建米勒型有限狀態(tài)機，并利用優(yōu)質(zhì)的獨熱碼對狀態(tài)機進行編碼，再通過雙邊沿觸發(fā)器，使用數(shù)種的上下邊沿來優(yōu)化狀態(tài)機的運行效率。

3)建造毒性評測、場景分析和行為模擬子模塊組成的疏散估算引擎，利用該引擎對建筑環(huán)境、煙氣危害與人員行為進行分析，并把結果融入至有限狀態(tài)機內(nèi)，通過狀態(tài)機對虛擬消防進行疏散動態(tài)循環(huán)模擬。

4)仿真證明，所提方法能夠有效模擬出消防疏散的人員行為與心理反應，同時所提方法擬定的模型還有運行速度快的優(yōu)點。