摘要：隨著城市化進(jìn)程的加速，大型建筑如雨后春筍般涌現(xiàn)，對(duì)建筑的消防安全提出了更高的要求。在火災(zāi)等緊急情況下，如何迅速、安全地疏散人員，成為了建筑設(shè)計(jì)中不可忽視的重要環(huán)節(jié)。近年來(lái)，隨著智能算法的發(fā)展，利用算法進(jìn)行建筑消防疏散路徑規(guī)劃已成為研究熱點(diǎn)。研究提出一種基于自適應(yīng)蟻群算法的建筑工程消防疏散路徑規(guī)劃方法。該方法通過(guò)綜合考慮建筑內(nèi)部的空間布局、火災(zāi)狀況、人員疏散的影響因素，實(shí)現(xiàn)了高效、安全的疏散路徑規(guī)劃。通過(guò)與傳統(tǒng)蟻群算法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法在收斂速度和路徑優(yōu)化方面的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)蟻群算法"建筑消防"疏散路徑規(guī)劃"優(yōu)化算法

A"Fire"Evacuation"Path"Planning"Method"for"Construction"Projects"Based"on"Adaptive"Ant"Colony"Algorithm

WANG"Junbin

Hainan"Vocational"College"of"Politics"and"Law，Haikou，"Hainan"Province，"571100"China

Abstract："With"the"acceleration"of"urbanization，"large"buildings"have"been"emerging"like"mushrooms"after"rain，"which"puts"highernbsp;requirements"on"the"fire"safety"of"buildings."In"emergency"situations"such"as"fires，"how"to"quickly"and"safely"evacuate"personnel"has"become"an"important"aspect"that"cannot"be"ignored"in"architectural"design."In"recent"years，"with"the"development"of"intelligent"algorithms，"using"algorithms"for"building"fire"evacuation"path"planning"has"become"a"research"hotspot."This"article"proposes"a"fire"evacuation"path"planning"method"for"building"engineering"based"on"Adaptive"Ant"Colony"algorithm."This"method"achieves"efficient"and"safe"evacuation"path"planning"by"comprehensively"considering"the"spatial"layout"inside"the"building，"fire"conditions，"and"factors"affecting"personnel"evacuation."Through"comparative"experiments"with"traditional"ant"colony"algorithm，"the"superiority"of"this"method"in"convergence"speed"and"path"optimization"has"been"verified.

Key"Words："Adaptive"Ant"Colony"algorithm;"Building"fire"protection;"Evacuation"path"planning;"optimization"algorithm

隨著城市化進(jìn)程的加速，大型建筑如雨后春筍般涌現(xiàn)，城市人口密度不斷增加，使建筑的消防安全成為了社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，火災(zāi)等緊急情況下的人員疏散問(wèn)題更是建筑設(shè)計(jì)中不可忽視的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的疏散路徑規(guī)劃方法往往依賴人工經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則，難以適應(yīng)復(fù)雜多變的建筑環(huán)境和火災(zāi)狀況。近年來(lái)，智能算法的發(fā)展為建筑消防疏散路徑規(guī)劃提供了新的思路和方法。其中，蟻群算法作為一種效仿自然蟻群覓食的優(yōu)化策略，因其強(qiáng)大的全局搜索能力和自適應(yīng)性，在建筑消防疏散路徑規(guī)劃中展現(xiàn)出了巨大的潛力。本文旨在深入探討基于自適應(yīng)蟻群算法的建筑工程消防疏散路徑規(guī)劃方法，通過(guò)綜合考慮建筑內(nèi)部的空間布局、火災(zāi)狀況、人員疏散的影響因素，實(shí)現(xiàn)高效、安全的疏散路徑規(guī)劃。期望通過(guò)研究，為建筑消防安全設(shè)計(jì)提供新的視角和思路，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，為城市的安全發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。

1建筑消防疏散路徑規(guī)劃的理論分析

1.1"建筑消防疏散路徑規(guī)劃的設(shè)計(jì)原則

建筑的消防疏散路線設(shè)計(jì)至關(guān)重要，其基礎(chǔ)是確保人員的安全撤離。在進(jìn)行疏散時(shí)，必須高度重視安全性，避免由于疏散策略不當(dāng)而導(dǎo)致疏散過(guò)程中人員傷害的增加。

在規(guī)劃疏散路徑時(shí)，應(yīng)考慮到人員分流的策略，建筑內(nèi)部通常會(huì)設(shè)有數(shù)條主要通道。在緊急情況下，由于人的自然反應(yīng)，人們往往會(huì)不自覺(jué)地趨向同一個(gè)主要通道，導(dǎo)致該區(qū)域發(fā)生擁堵。為確保高效而有序的疏散，理想的做法是將人群合理地分散引導(dǎo)至這些不同的疏散路徑，避免擁堵提升逃生效率[1]。

此外，還需遵循“遠(yuǎn)近兼顧”的原則。面對(duì)火災(zāi)突發(fā)，人們的本能是迅速撤離險(xiǎn)境，傾向于尋找最接近的撤離路線。通道的通行流暢度直接受到人數(shù)的顯著影響，人數(shù)激增會(huì)導(dǎo)致通行速度大幅下降。在規(guī)劃建筑物的疏散方案時(shí)，只以通道的物理距離作為衡量標(biāo)準(zhǔn)是不夠的，必須更加重視疏散路線的實(shí)際效用與效率，目標(biāo)是確保每個(gè)通道都能得到有效利用，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)近兼顧，確保所有人員能夠安全疏散[2-3]。

1.2"蟻群算法優(yōu)化建筑消防疏散路徑的概述

自適應(yīng)蟻群疏散方法會(huì)將建筑的空間布局信息轉(zhuǎn)化為算法可以理解的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，建筑內(nèi)不同區(qū)域的連接被抽象為節(jié)點(diǎn)間的距離，建筑內(nèi)的疏散路徑長(zhǎng)度則以兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的等效距離作為標(biāo)準(zhǔn)[4]。當(dāng)火災(zāi)爆發(fā)時(shí)，運(yùn)用自適應(yīng)蟻群優(yōu)化算法來(lái)評(píng)估建筑內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，篩選出滿足疏散要求的節(jié)點(diǎn)，計(jì)算出相應(yīng)的有效疏散路徑長(zhǎng)度，持續(xù)探尋疏散節(jié)點(diǎn)，直至定位到建筑的所有安全出口位置。圖1描繪該算法在建筑環(huán)境中執(zhí)行路徑探索的基本運(yùn)作機(jī)制。

通過(guò)觀察圖1，可知，在建筑物內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)的情況下，存在多條潛在的疏散路線以供人員撤離。例如，人員可以從火災(zāi)發(fā)生地經(jīng)由節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B抵達(dá)安全出口1，或者選擇通過(guò)節(jié)點(diǎn)C和節(jié)點(diǎn)D到達(dá)安全出口2作為逃生路徑，還有通過(guò)節(jié)點(diǎn)E和節(jié)點(diǎn)F前往安全出口3的疏散方案可供選擇。

在疏散進(jìn)程中，各條疏散路徑的實(shí)際長(zhǎng)度可能會(huì)存在差異。如圖1所展示的那樣，火災(zāi)起點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)A、C、E的距離分別是2、1、1。盡管疏散效率在很大程度上取決于所選路徑，但若大多數(shù)人集中選擇最短的疏散路徑，則很可能會(huì)引發(fā)人流擁堵，反而會(huì)造成疏散效率的下降。該方法旨在通過(guò)智能算法找到既安全又高效的疏散路徑。

2"蟻群算法優(yōu)化建筑消防疏散路徑的設(shè)計(jì)

2.1"建筑疏散算法空間模型建立

在設(shè)計(jì)自適應(yīng)蟻群算法的空間模型過(guò)程中，運(yùn)用直角坐標(biāo)系來(lái)標(biāo)記柵格位置。在此坐標(biāo)系中，原點(diǎn)被定位在左上角，X軸的正方向定義為水平向右，Y的正方向則是豎直向下。坐標(biāo)軸上的每一個(gè)單位長(zhǎng)度都對(duì)應(yīng)著柵格矩陣中的一個(gè)特定區(qū)域，每一個(gè)柵格都能夠通過(guò)其獨(dú)一無(wú)二的直角坐標(biāo)（X，"Y）來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)識(shí)。圖2闡明自適應(yīng)蟻群算法下空間模型的柵格布局與其邏輯框架之間的映射關(guān)系，其中，圖2所展示的柵格與各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

在著手進(jìn)行建筑物的消防疏散路徑規(guī)劃與設(shè)計(jì)時(shí)，采用N來(lái)代表建筑內(nèi)所有消防節(jié)點(diǎn)的集合，E則用來(lái)表示建筑內(nèi)消防疏散通道的集合，這些通道即連接建筑中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的路徑。

在建筑消防疏散算法的應(yīng)用中，建筑的空間信息被抽象為由建筑消防節(jié)點(diǎn)集合N和建筑消防疏散通道集合E組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型M（N，"E）。在這個(gè)模型中，N"="{N1，"N2，"...，"Nn-1，"Nn}是一個(gè)包含n個(gè)建筑消防疏散節(jié)點(diǎn)信息的集合。

在建筑消防疏散模型中，節(jié)點(diǎn)根據(jù)其特性和狀態(tài)被劃分為4種類型：普通節(jié)點(diǎn)代表建筑中常規(guī)的可通行區(qū)域，障礙節(jié)點(diǎn)表示由于障礙物或火災(zāi)等原因而不可通行的區(qū)域；已通過(guò)節(jié)點(diǎn)指的是已經(jīng)被疏散人員或搜索算法訪問(wèn)過(guò)的節(jié)點(diǎn)，未知節(jié)點(diǎn)代表尚未被探索或狀態(tài)不確定的區(qū)域，分別用FD0、FD1、FD2和FD3來(lái)表示。建筑內(nèi)部的消防節(jié)點(diǎn)類型并非一成不變，它們可能會(huì)隨著火災(zāi)形勢(shì)的演變而發(fā)生屬性的變化。

2.2"蟻群算法優(yōu)化建筑消防疏散路徑的優(yōu)化

在建筑物火災(zāi)疏散場(chǎng)景中，找到最優(yōu)的疏散路徑至關(guān)重要。這不僅是找到最短的逃生路線，更要確保這條路線的安全性。通道內(nèi)的人員密度、火場(chǎng)溫度、有毒氣體濃度、能見(jiàn)度等多個(gè)因素都會(huì)對(duì)疏散效率和安全性產(chǎn)生影響[5]。

人員活動(dòng)性的計(jì)算是這一優(yōu)化策略的核心之一。這個(gè)概念綜合考慮了多種影響人員移動(dòng)能力的因素，并將其量化為一個(gè)系數(shù)。在火災(zāi)等緊急情況下，這個(gè)系數(shù)能夠動(dòng)態(tài)地反映人員在不同環(huán)境和條件下的移動(dòng)能力，從而為疏散路徑的選擇提供重要參考。

2.3蟻群算法優(yōu)化建筑消防疏散路徑的實(shí)現(xiàn)

利用自適應(yīng)蟻群算法，可以高效地找到最佳逃生路徑。

2.3.1初始化環(huán)境及參數(shù)

為構(gòu)建柵格地圖矩陣，需要依據(jù)建筑物的實(shí)際空間配置、火源的具體位置及其狀態(tài)、各類消防安全設(shè)施的信息來(lái)定義柵格環(huán)境。在這個(gè)過(guò)程中，初始化所有節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)信息，涵蓋逃生通道的固有屬性和可能發(fā)生的變化，設(shè)定與火場(chǎng)相關(guān)的各項(xiàng)參數(shù)、逃生通道的通行難度系數(shù)等關(guān)鍵指標(biāo)。

2.3.2參數(shù)配置

在算法配置階段，需要設(shè)定一系列關(guān)鍵參數(shù)，包括：迭代次數(shù)的最大值，以限制算法的運(yùn)行時(shí)間；預(yù)計(jì)需要疏散的人員總數(shù)，以確保疏散計(jì)劃的充分性；信息素的揮發(fā)速率，影響著路徑選擇中信息素的更新和路徑的優(yōu)先級(jí)；記錄已訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)的禁忌表，用于避免算法陷入局部最優(yōu)解，提高全局搜索能力。

2.3.3計(jì)算路徑長(zhǎng)度

根據(jù)建筑內(nèi)人員疏散的影響因素，計(jì)算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的等效路徑長(zhǎng)度。

2.3.4節(jié)點(diǎn)評(píng)估

評(píng)估當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否為障礙物。如果不是，則繼續(xù)前行；如果是，則返回重新計(jì)算路徑。

2.3.5路徑搜索

將搜索過(guò)程中經(jīng)過(guò)的普通節(jié)點(diǎn)記錄在禁忌表中，并實(shí)時(shí)更新此表，以避免重復(fù)訪問(wèn)。

2.3.6出口判斷

判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否為出口。如果是，則記錄路徑；如果不是，則返回重新搜索。

2.3.7記錄路徑

記錄下本次迭代找到的路徑及其長(zhǎng)度，以便后續(xù)比較和優(yōu)化。

2.3.8全局更新

根據(jù)找到的路徑更新全局的信息素濃度，并做自適應(yīng)的調(diào)整，以便算法能夠更快地收斂到最優(yōu)解。

2.3.9最優(yōu)路徑輸出

檢查算法是否達(dá)到了預(yù)設(shè)的最大迭代次數(shù)。如果達(dá)到，則輸出找到的最優(yōu)逃生路徑；如果沒(méi)有，則繼續(xù)搜索。

2.4自適應(yīng)蟻群算法的最優(yōu)參數(shù)設(shè)置

蟻群算法是一種模擬自然界中螞蟻覓食行為的優(yōu)化算法，通過(guò)模擬螞蟻釋放信息素和跟隨信息素的行為來(lái)尋找最優(yōu)解。在應(yīng)用中，為了得到最佳的性能，需要對(duì)算法的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)置。

蟻群算法涉及幾個(gè)核心參數(shù)：信息啟發(fā)式因子（α）、期望啟發(fā)式因子（β）、信息素?fù)]發(fā)因子（ρ）、信息素強(qiáng)度（Q）以及螞蟻的數(shù)量（m）。這些參數(shù)的設(shè)定會(huì)直接影響到算法的性能和收斂速度。

（1）信息啟發(fā)式因子（α）控制著信息素在路徑選擇中的重要性。當(dāng)α值較大時(shí)，算法會(huì)更快地趨向于選擇信息素濃度高的路徑，這可能會(huì)加強(qiáng)算法的正反饋效果。但過(guò)高的α值也可能降低算法的隨機(jī)性，導(dǎo)致過(guò)早收斂到局部最優(yōu)解。

（2）期望啟發(fā)式因子（β）決定了啟發(fā)式信息（如距離、可見(jiàn)性等）在路徑選擇中的權(quán)重。β值較高會(huì)加速算法的收斂，但同樣可能陷入局部最優(yōu)。需要謹(jǐn)慎選擇β值，以在全局搜索和局部搜索之間找到平衡。

（3）信息素?fù)]發(fā)因子（ρ）決定了信息素隨時(shí)間揮發(fā)的速度。較低的ρ值意味著信息素?fù)]發(fā)較慢，這有助于算法在全局范圍內(nèi)進(jìn)行搜索，但可能導(dǎo)致收斂速度變慢。相反，較高的ρ值會(huì)加速算法的收斂，但可能限制了全局搜索能力。

（4）信息素強(qiáng)度（Q）反映了螞蟻在走過(guò)的路徑上釋放的信息素量。Q值越大，信息素的累積速度越快，正反饋效果越顯著，從而可能加快算法的收斂速度。過(guò)高的Q值也可能導(dǎo)致算法過(guò)早收斂。

（5）螞蟻的數(shù)量（m）也是一個(gè)重要的參數(shù)。較少的螞蟻數(shù)量可能減弱全局搜索能力，容易導(dǎo)致局部最優(yōu)解。而過(guò)多的螞蟻則會(huì)增加算法的隨機(jī)性，降低正反饋效果，從而影響算法的收斂速度。

針對(duì)建筑消防疏散路徑優(yōu)化的問(wèn)題，在Matlab環(huán)境中進(jìn)行仿真時(shí)，需要根據(jù)具體問(wèn)題的特點(diǎn)來(lái)調(diào)整這些參數(shù)。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)和比較，可以找到一組最適合該問(wèn)題的參數(shù)設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的疏散路徑規(guī)劃。在調(diào)整參數(shù)時(shí)，需要綜合考慮算法的收斂速度、全局搜索能力和解的質(zhì)量，以達(dá)到最佳的性能。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

針對(duì)建筑在火災(zāi)發(fā)展的不同階段——火災(zāi)初期、火勢(shì)開(kāi)始蔓延、火災(zāi)后期——進(jìn)行了人員疏散路徑的規(guī)劃模擬實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用兩種算法對(duì)比在不同火災(zāi)階段的收斂速度。通過(guò)深入分析數(shù)據(jù)，相比于傳統(tǒng)的蟻群算法模型，本文提出的自適應(yīng)蟻群算法在尋找建筑消防疏散路徑規(guī)劃的最優(yōu)解時(shí)表現(xiàn)出了更快的收斂速度。

4結(jié)語(yǔ)

針對(duì)建筑工程消防疏散路徑規(guī)劃問(wèn)題，本研究提出了一種基于自適應(yīng)蟻群算法的解決方案。通過(guò)綜合考慮建筑內(nèi)部的空間布局、火災(zāi)狀況、人員疏散的影響因素，該方法實(shí)現(xiàn)了高效、安全的疏散路徑規(guī)劃。試驗(yàn)結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)蟻群算法，本方法在收斂速度和路徑優(yōu)化方面展現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢(shì)。在建筑火災(zāi)疏散路徑規(guī)劃的實(shí)際應(yīng)用中，本方法能夠快速適應(yīng)火災(zāi)發(fā)展的不同階段，為人員疏散提供最優(yōu)路徑，從而有效提升疏散效率，減少潛在的人員傷亡。

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