基于建筑空間模型的大型工業(yè)園區(qū)內(nèi)保安巡邏系統(tǒng)研究

呂淑賢 黃錳鋼 崔真源

(1.韓國延世大學(xué)生活學(xué)院居住環(huán)境專業(yè);2.韓國延世大學(xué)土木環(huán)境工程學(xué)院)

基于建筑空間模型的大型工業(yè)園區(qū)內(nèi)保安巡邏系統(tǒng)研究

呂淑賢1黃錳鋼2崔真源1

(1.韓國延世大學(xué)生活學(xué)院居住環(huán)境專業(yè);2.韓國延世大學(xué)土木環(huán)境工程學(xué)院)

城市犯罪和公共安全是最重要的城市公共問題之一。作為產(chǎn)學(xué)研載體的大型工業(yè)園區(qū)大量的興起，隨之而來的園區(qū)內(nèi)犯罪活動也日益增多?；诮ㄖ畔⒛Ｐ?BIM)，結(jié)合閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)(CCTV)以及工業(yè)園區(qū)內(nèi)的警衛(wèi)巡邏，是一個有效預(yù)防犯罪的方法。在固有大型工業(yè)園區(qū)環(huán)境基礎(chǔ)上，本文提出了一個大型工業(yè)園區(qū)內(nèi)保安巡邏系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)現(xiàn)有區(qū)內(nèi)建筑物及車道、人行道等的分布，經(jīng)過定量分析，獲得空間的可視性、接近性和本征性，找出園區(qū)內(nèi)防犯薄弱點(diǎn)，針對防范薄弱區(qū)域增添CCTV，確定保安的巡邏路徑。最后通過基因遺傳算法，對保安巡邏路徑進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得出最佳巡邏路徑。通過文中的案例分析，本文所提出的模型可有效的預(yù)防大型工業(yè)園區(qū)內(nèi)的犯罪發(fā)生，并大大提高了分析的效率。

大型工業(yè)園區(qū);建筑信息模型;通過環(huán)境設(shè)計預(yù)防犯罪;保安巡邏系統(tǒng);基因遺傳算法;閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)

1 引言

1.1 通過環(huán)境設(shè)計預(yù)防犯罪的簡介

現(xiàn)代的犯罪問題主要是一種城市現(xiàn)象。在我國，隨著城市化進(jìn)程的不斷加速，大量的農(nóng)村人口涌入城市，使城市犯罪躍居整體犯罪的首位，而農(nóng)村犯罪已不再占據(jù)主要地位。在城市，高價值的物質(zhì)財富很容易獲得，以及大城市匿名生活的方式使得對財富的監(jiān)督變得困難。這些因素都不同程度地刺激了城市犯罪率的急速上升，而增長的相當(dāng)大比率的犯罪發(fā)生在城市居住區(qū)。只有社區(qū)安全得到保障，人們才能安居樂業(yè)。如果居住的城市區(qū)犯罪發(fā)案率高，人們就會缺少安全感，大城市的人可以接受市區(qū)某些場所不安全的現(xiàn)實(shí)，例如娛樂區(qū)。為了降低受害風(fēng)險，他們回避這些地方或者只是偶爾特別警惕地進(jìn)入這些地區(qū)。但是，當(dāng)住宅及其周圍環(huán)境都不再安全時，整個社會結(jié)構(gòu)就有動蕩的危險。因此，必須確保城市居住環(huán)境的安全，使之免受犯罪侵害。

紐曼［1］認(rèn)為犯罪的發(fā)生是人與環(huán)境相互作用的結(jié)果，而環(huán)境所提供的刺激與誘導(dǎo)經(jīng)常處于主導(dǎo)地位，因此，要改變個人行為，首先要改變環(huán)境。在某種程度上，環(huán)境設(shè)計能夠影響犯罪的發(fā)生和人們的安全感，它雖然不能預(yù)防所有的犯罪問題，但是可以消除某些誘發(fā)犯罪的因素，并為營造一個安全的環(huán)境創(chuàng)造條件，尤其是運(yùn)用在社區(qū)預(yù)防犯罪方面。通過環(huán)境設(shè)計預(yù)防犯罪(Crime Prevention Through Environmental Design)(簡稱CPTED)策略于國外已倡議多年。此策略是透過妥善的地區(qū)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計，增加竊盜者犯案時的困難及風(fēng)險，并降低犯案報酬以減少犯案機(jī)會的預(yù)防策略。

簡·雅各布［2］是最早研究城市空間如何影響犯罪模式且對往后的研究產(chǎn)生較大影響的學(xué)者。雅各布提倡開放的、可滲透的社區(qū)空間，強(qiáng)調(diào)傳統(tǒng)的、充滿活力的“穿越性街道”形式對于社區(qū)生活的重要作用。1971年杰斐利［3］在《通過環(huán)境設(shè)計預(yù)防犯罪》中首先使用CPTED一詞，引發(fā)對空間環(huán)境中犯罪及犯罪恐懼現(xiàn)象的更為廣泛而深入的研究。他提出了兩個著名理論:生物社會的學(xué)習(xí)理論和社會疏離理論。紐曼［1］所提出的“可防衛(wèi)空間”是該理論從理論研究走向?qū)嵱玫姆纸?，它較系統(tǒng)的論述了環(huán)境與社區(qū)犯罪之間的關(guān)系，對建筑設(shè)計，后續(xù)研究以及政府制定政策等方面產(chǎn)生了巨大的影響。在1996年，75名來自相關(guān)行業(yè)的建筑師規(guī)劃師、警員、安全顧問在加拿大召開第一屆大會，并成立國際協(xié)會(ICA)［4］。ICA認(rèn)為恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計和對物質(zhì)環(huán)境的有效使用可以減少犯罪并降低人們對犯罪的恐懼感，從而改進(jìn)生活質(zhì)量。ICA繼承了“可防衛(wèi)空間”理論的主要觀點(diǎn)并吸收了“情景犯罪預(yù)防”的若干原則而形成并處在不斷發(fā)展完善之中。近年來，Bill Hillier與 S.SHU［5］開辟了城市空間與犯罪的新視角。他們利用“空間句法(Space Syntax)”復(fù)雜的圖式與數(shù)字技術(shù)，來研究空間構(gòu)成，運(yùn)動和土地使用之間的關(guān)系，從而進(jìn)一步研究住宅區(qū)的犯罪模式。在國外，關(guān)于犯罪的設(shè)計已經(jīng)有所發(fā)展，而在國內(nèi)，目前關(guān)于預(yù)防或減少犯罪設(shè)計的研究卻比較初步。袁曉芬［6］以大連市地區(qū)為例，對我國城市居住區(qū)的安全性進(jìn)行了研究。將實(shí)例研究分為城市整體性研究和居住區(qū)的空間構(gòu)成特征研究兩部分。研究結(jié)果肯定了空間環(huán)境因素對于居住安全的間接作用，并提出了我國安全居住區(qū)的空間設(shè)計導(dǎo)則。

1.2 本文主要研究內(nèi)容

在通過環(huán)境設(shè)計預(yù)防犯罪方面，以前的研究［1-6］大多集中于居民住宅區(qū)的安全設(shè)計。隨著社會主義經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，作為產(chǎn)學(xué)研的載體，大型工業(yè)園區(qū)正在大量的興起。隨之而來的，工業(yè)園區(qū)內(nèi)的犯罪活動日益增多。工業(yè)園區(qū)內(nèi)的安全設(shè)計也變得十分重要。閉路電視(CCTV)監(jiān)控與工業(yè)園區(qū)內(nèi)的警衛(wèi)巡邏是預(yù)防犯罪的主要手段之一。在針對大型工業(yè)園區(qū)的環(huán)境設(shè)計與安全規(guī)劃研究的基礎(chǔ)上，本文提出了一個大型工業(yè)園區(qū)內(nèi)保安巡邏的數(shù)學(xué)模型。首先根據(jù)BIM信息獲取的園區(qū)內(nèi)構(gòu)筑物的分布及車道、人行道等信息的分布，經(jīng)過定量分析空間的可視性、接近性、本征性找出防犯薄弱部分，針對防范薄弱部分來確定保安巡邏路徑。最后通過基因遺傳算法，對警衛(wèi)巡邏路徑進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，確定了最佳的巡邏路徑。

以前的研究者［1-6］所做的關(guān)于通過環(huán)境預(yù)防犯罪的研究多為定性的研究，本文的原創(chuàng)點(diǎn)在于將通過環(huán)境設(shè)計預(yù)防犯罪(CPTED)同建筑信息模型(BIM)的結(jié)合，一定程度上實(shí)現(xiàn)了對于通過環(huán)境設(shè)計預(yù)防犯罪進(jìn)行定量化研究的目的。利用建筑信息模型中包含的建筑物各組成部分的幾何尺寸、建筑物之間空間位置關(guān)系、光照分析、場地路徑等信息，結(jié)合遺傳算法等數(shù)學(xué)優(yōu)化方法，優(yōu)化保安巡邏路徑，建立了一個基于建筑信息模型的定量化的數(shù)學(xué)模擬系統(tǒng)，進(jìn)而達(dá)到通過環(huán)境預(yù)防犯罪的目的。

2 工業(yè)園區(qū)的安全現(xiàn)狀和保安巡邏系統(tǒng)的開發(fā)

2.1 工業(yè)園區(qū)的安全現(xiàn)狀

隨著工業(yè)園區(qū)面積的逐步擴(kuò)大，企業(yè)越來越多，園區(qū)內(nèi)治安形勢日趨復(fù)雜，社會穩(wěn)定和日常管理就顯得尤為重要。但在實(shí)際情況中，日常工作和管理中卻存在不少問題，主要表現(xiàn)在:

(1)保衛(wèi)人員管理體制混亂。保衛(wèi)人員處置突發(fā)事件的能力弱。各單位現(xiàn)有的保衛(wèi)人員，沒有通過必要的專業(yè)訓(xùn)練和培訓(xùn)，遇有緊急情況和突發(fā)事件，處置能力相當(dāng)有限。

(2)安全保衛(wèi)措施不健全。對于突發(fā)的偷盜搶劫事件，應(yīng)急反應(yīng)慢并且采取措施的效率低下，尤其對于空間比較復(fù)雜的大型工業(yè)園區(qū)，更需要考慮警衛(wèi)巡邏的時間和路線，提高應(yīng)對突發(fā)事件的效率。為切實(shí)加強(qiáng)園區(qū)內(nèi)的治安防范和管理，打造平安穩(wěn)定工業(yè)園區(qū)，需要加強(qiáng)監(jiān)測技術(shù)和模擬保安巡邏選擇路線的仿真系統(tǒng)。

2.2 保安巡邏系統(tǒng)

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)是利用數(shù)字模型對項(xiàng)目實(shí)施設(shè)計、施工和運(yùn)營的過程［7］。這個過程的結(jié)果就是集成了所有建筑構(gòu)件幾何信息、空間關(guān)系、材料特性、地理信息、以及項(xiàng)目的工期計劃、量價數(shù)據(jù)、維護(hù)管理等建筑全生命周期相關(guān)信息的BIM模型(Building Information Model)。同時，在使用開放的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，BIM可以解決規(guī)劃、設(shè)計、施工以及維護(hù)管理等各項(xiàng)目階段之間，各項(xiàng)目參與方之間的信息共享困難、信息流失以及重復(fù)建模等問題。BIM模型中所包含的建筑空間關(guān)系和地理信息為本文基于環(huán)境空間設(shè)計的犯罪預(yù)防研究提供了準(zhǔn)確可靠的信息基礎(chǔ)。

綜合犯罪預(yù)防系統(tǒng)包括環(huán)境功能設(shè)計評價系統(tǒng)、CCTV設(shè)置評價系統(tǒng)、保安巡邏路線評價3個部分。如圖1所示:(1)環(huán)境功能設(shè)計評價系統(tǒng)包括車道和人行道的建設(shè)布局和位置，如分析位置的能見度、交通、流動空間，通過定量分析間發(fā)現(xiàn)的空間薄弱點(diǎn);(2)CCTV監(jiān)控系統(tǒng)可以設(shè)置在剛剛評估的薄弱點(diǎn)處，根據(jù)環(huán)境功能設(shè)計，考慮CCTV放置的位置;(3)保安巡邏作為一種預(yù)防犯罪的方式，應(yīng)對突發(fā)的緊急事件以及完成日常的保安任務(wù)。

對于空間分析，由于 GPS、Internet、Web等相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化，相關(guān)的空間信息技術(shù)直接或者間接的都在自己的應(yīng)用領(lǐng)域有著一定程度的發(fā)展。圖2給出了空間信息技術(shù)的發(fā)展情況，包括具體技術(shù)及技術(shù)方向兩個方面。

工業(yè)園區(qū)保安巡邏綜合安全系統(tǒng)，是時間與空間兩個方面的數(shù)據(jù)庫和地理信息系統(tǒng)建模，以及現(xiàn)有的城市數(shù)據(jù)、數(shù)字化模型、衛(wèi)星照片、建筑圖紙(DWG格式Real)的合成建模與城市的可視化［8］。如圖3所示，工業(yè)園區(qū)保安巡邏綜合系統(tǒng)包含各種層次的信息，例如空間地理信息、交通系統(tǒng)信息和建筑組成信息等。

圖1 綜合犯罪預(yù)防系統(tǒng)的構(gòu)成

在獲取城市信息與建筑信息后，通過空間可視化分析公共空間的安全區(qū)域和危險區(qū)域。視覺可視化分析的基本原理如圖4所示，從一個視點(diǎn)出發(fā)，將工業(yè)園區(qū)的建筑空間分為可視區(qū)和非可視區(qū)兩個部分。

下面以工業(yè)園區(qū)的一部分作為例，對其進(jìn)行保安巡邏路徑的模擬仿真和路徑選取的優(yōu)化組合。

圖5是部分工業(yè)園區(qū)的平面圖(該部分工業(yè)園區(qū)的長為450米，寬為250米)。該平面圖由三個部分構(gòu)成:建筑物A，B，C，D，綠化和道路等公共空間。通常盜竊搶劫等犯罪活動多發(fā)生在一些安全措施薄弱和可視化程度低的公共空間內(nèi)。對于建筑物臨近草地的部分，由于沒有道路，通常通過添加CCTV(閉路電視監(jiān)視系統(tǒng))來實(shí)現(xiàn)對于建筑物安全的實(shí)時監(jiān)控。

圖6給出了部分的安全區(qū)域和危險區(qū)域(可視化程度低)的示意圖。通常，安全區(qū)域由兩部分構(gòu)成:可視化區(qū)域和行人較多的區(qū)域;危險區(qū)域由三部分構(gòu)成:可視化較差的區(qū)域、行人較少的區(qū)域和光線比較差的區(qū)域。

圖4 視覺可視化可行性概念圖

圖5 部分工業(yè)園區(qū)的平面圖

圖6 部分的安全區(qū)域和危險區(qū)域的示意圖

圖7 以序號的形式標(biāo)出的該工業(yè)園區(qū)內(nèi)的危險區(qū)域

圖7以序號的形式標(biāo)出了該工業(yè)園區(qū)內(nèi)的危險區(qū)域。這些危險點(diǎn)可以作為保安巡邏的參考路徑。由圖7所示，共存在24個危險點(diǎn)。按照排列組合的原理，共存在24的階乘條巡邏路徑。我們當(dāng)前的任務(wù)是在所有的路徑之中，找出一條最優(yōu)的路徑。按照一般的窮舉法，該計算過程遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了普通計算機(jī)的計算能力，所以需要合適的數(shù)學(xué)模型算法來解決當(dāng)前的問題。

2.3 遺傳算法簡介

遺傳算法(Genetic Algorithm)是一類借鑒生物界的進(jìn)化規(guī)律(適者生存，優(yōu)勝劣汰遺傳機(jī)制)演化而來的隨機(jī)搜索方法。它是由美國的J.Holland［9］教授首先提出，其主要特點(diǎn)是直接對結(jié)構(gòu)對象進(jìn)行操作，不存在求導(dǎo)和函數(shù)連續(xù)性的限定;具有內(nèi)在的隱并行性和更好的全局尋優(yōu)能力;采用概率化的尋優(yōu)方法，能自動獲取和指導(dǎo)優(yōu)化的搜索空間，自適應(yīng)地調(diào)整搜索方向，不需要確定的規(guī)則。遺傳算法的這些性質(zhì)，已被人們廣泛地應(yīng)用于組合優(yōu)化、機(jī)器學(xué)習(xí)、信號處理、自適應(yīng)控制和人工生命等領(lǐng)域。

如圖8所示，遺傳算法的基本運(yùn)算過程［10-12］如下:

a)初始化:設(shè)置進(jìn)化代數(shù)計數(shù)器i=0，設(shè)置最大進(jìn)化代數(shù)T，隨機(jī)生成M個個體作為初始群體P(0)。

b)個體評價:計算群體P(i)中各個個體的適應(yīng)度。

c)選擇運(yùn)算:將選擇算子作用于群體。選擇的目的是把優(yōu)化的個體直接遺傳到下一代或通過配對交叉產(chǎn)生新的個體再遺傳到下一代。選擇操作是建立在群體中個體的適應(yīng)度評估基礎(chǔ)上的。

d)交叉運(yùn)算;將交叉算子作用于群體。所謂交叉是指把兩個父代個體的部分結(jié)構(gòu)加以替換重組而生成新個體的操作。遺傳算法中起核心作用的就是交叉算子。

e)變異運(yùn)算:將變異算子作用于群體。即是對群體中的個體串的某些基因座上的基因值作變動。群體P(i)經(jīng)過選擇、交叉、變異運(yùn)算之后得到下一代群體P(i+1)。

f)終止條件判斷:若i＞T，則以進(jìn)化過程中所得到的具有最大適應(yīng)度個體作為最優(yōu)解輸出，終止計算。

2.4 采用遺傳算法拓?fù)鋬?yōu)化保安巡邏路徑

采用2.3節(jié)所述的基因遺傳算法，以距離最短的巡邏路徑為優(yōu)化目標(biāo)，對保安的巡邏路徑進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化的過程和結(jié)果在圖9、圖10、圖11和圖12中給出。圖9中所示為危險點(diǎn)的位置圖。危險點(diǎn)由三部分構(gòu)成:可視化較差的區(qū)域、行人較少的區(qū)域和光線比較差的區(qū)域;圖10中所示為危險點(diǎn)之間的距離矩陣，每一個危險點(diǎn)與其本身之間的距離為0;圖11給出了距離最短的巡邏路徑，該巡邏路徑中的點(diǎn)的次序依次為［11 19 18 17 24 23 22 21 20 16 15 14 12 13 6 5 4 1 2 3 7 8 9 10］，最短的巡邏路徑為1347.87米;圖12給出了迭代求解過程。由圖8所示，隨著迭代次數(shù)的增加，計算的保安巡邏路徑的長度趨近于常數(shù)［9-11］，該常數(shù)即為最短的保安巡邏路徑。

圖12 迭代求解過程

以上事例是對大型工業(yè)園區(qū)的一角進(jìn)行保安巡邏系統(tǒng)路線的模型。如圖13所示，現(xiàn)實(shí)中真實(shí)的工業(yè)園區(qū)要復(fù)雜得多，但是通過本文所建立的保安巡邏的安全系統(tǒng)，能自動算出并模擬出到達(dá)園內(nèi)任何一點(diǎn)的最佳路線，并通過CCTV能實(shí)時監(jiān)測到人流較少的危險區(qū)的安全情況。

CCTV實(shí)時監(jiān)測的工作原理如圖14所示。CCTV系統(tǒng)在默認(rèn)情況下，將信息轉(zhuǎn)換成電信號，通過錄制視頻輸入，將轉(zhuǎn)換后的電信號傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制的傳輸單元，發(fā)送到視頻信號的顯示部分。

中大型CCTV系統(tǒng)集成可以進(jìn)行獨(dú)立安裝控制。每個部門視頻的錄制、播放的要求或信息，由圖像分析和處理加工設(shè)備確認(rèn)，進(jìn)而對視頻進(jìn)行錄制、播放、處理。圖像處理單元負(fù)責(zé)處理閉路電視系統(tǒng)。通過對保安巡邏路線的優(yōu)化以及CCTV監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)置，可以提高空間的可見度，最大程度地實(shí)現(xiàn)通過環(huán)境設(shè)計模擬仿真預(yù)防犯罪的發(fā)生，可以節(jié)約時間并提高效率。

3 結(jié)論

本文提出了一個大型工業(yè)園區(qū)內(nèi)保安巡邏系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。以大型工業(yè)園區(qū)的一部分為例，闡述了該系統(tǒng)的建模以及模擬的過程。首先根據(jù)現(xiàn)有園區(qū)內(nèi)建筑物的分布及車道、人行道等的分布，經(jīng)過定量的分析空間的可視性、接近性、本征性來判斷防犯薄弱部分，針對防范薄弱部分來確定保安的巡邏路徑。最后通過基因遺傳算法，對保安巡邏路徑進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，確定了最佳的保安巡邏路徑。和本文中所舉的例子相比，現(xiàn)實(shí)中真實(shí)的工業(yè)園區(qū)要復(fù)雜得多，但是基本的建模方法和模擬過程類似，只是計算量有所增加。通過本文所建立的保安巡邏的安全系統(tǒng)，能自動算出并模擬出到達(dá)園內(nèi)任何一點(diǎn)的最佳路線，并通過CCTV能實(shí)時監(jiān)測到人流較少的危險區(qū)的安全情況。通過對保安巡邏路線的優(yōu)化并結(jié)合CCTV監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)置，最大程度地實(shí)現(xiàn)通過環(huán)境設(shè)計模擬仿真來預(yù)防犯罪的發(fā)生，節(jié)約時間并提高效率。

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The Research of the Guard Patrol System in Large Industrial Park

Lu Shuxian1，Huang Menggang2，Choi Jinwon1

(1.Department of Housing and Interior Design，Yonsei University，Korea;
2.School of Civil＆ Environmental Engineering，Yonsei University，Korea)

The crime and public safety in urban life is one of the most important public urban issues with the development of social market economic.As the large industrial parks which are the centers of industry-academic-research are significantly built，the crime prevention in these large industrial parks becomes more and more important.Closed-circuit television and guard patrol system are the major methods to prevent the crime through environment design.On the basis of environmental design and safe planning of large industrial park，this paper presents a mathematical model on the guard patrol system of large industrial park.Firstly，according to the distributions of buildings，roads，and sidewalks，the weak regions(relatively un-safe regions)can be obtained through the quantitative analysis of visibility，accessibility，and characteristic in the current site.Then，the track points of guard patrol system can be confirmed according to these weak regions.Finally，through the genetic algorithm，the tracks of guard patrol system are topologically optimized，and the best optimized guard patrol track is obtained.The case study illustrates the efficiency and accuracy of the proposed method.

Large Industrial Park;Building Information Modeling(BIM);Crime Prevention Through Environment Design(CPTED);Guard Patrol System;Genetic Algorithm(GA);Closed-circuit Television(CCTV)

TU984.13

A

1674-7461(2011)01-0006-07

呂淑賢(1981-)，女，博士研究生。主要研究方向:以BIM信息為基礎(chǔ)的建筑室內(nèi)外空間設(shè)計，數(shù)字化城市設(shè)計等計算機(jī)輔助建筑設(shè)計方法。E-mail:sara_icerose@hotmail.com