火災(zāi)應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化研究綜述

黃夢溪 王 哲

（1、鄭州輕工業(yè)大學(xué)建筑環(huán)境工程學(xué)院，河南 鄭州450002 2、河南省國防工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州450000）

1 概述

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，超高層建筑、大型商業(yè)綜合體、地下購物中心等現(xiàn)代化的多功能建筑越來越多，巨大的建筑規(guī)模，復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，高密度的人群，使得室內(nèi)火災(zāi)的救援難度加大，人群自我疏散更加趨于盲目性。并且室內(nèi)火災(zāi)發(fā)生時有其突發(fā)性、多變性和煙毒性等特點，傳統(tǒng)的應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)在數(shù)據(jù)信息含量、空間表現(xiàn)、分析能力上的不足日益明顯，難以準確、動態(tài)直觀地反映火災(zāi)發(fā)生時室內(nèi)建筑的空間通達性、有效逃生空間與相對安全區(qū)域，無法正確判斷失火點相關(guān)的局部區(qū)域的建筑部件的動態(tài)行為與特征規(guī)律[1]。傳統(tǒng)的應(yīng)急照明與疏散指示系統(tǒng)無法感知動態(tài)數(shù)據(jù)，無法實時動態(tài)地根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境改變疏散指示方向，所以在火災(zāi)發(fā)生時對疏散路徑實時動態(tài)地優(yōu)化至關(guān)重要。

本文通過對四種優(yōu)化路徑的方法進行歸納，了解國內(nèi)外對于火災(zāi)疏散研究的現(xiàn)狀，研究如何能進一步優(yōu)化疏散路徑，極大可能地降低室內(nèi)火災(zāi)的危害。

2 BIM 技術(shù)在火災(zāi)疏散中的應(yīng)用研究

BIM的作用是創(chuàng)建一個包含了所有建筑信息的虛擬建筑模型，以多視角的、參數(shù)化的、智能的建筑構(gòu)件為基礎(chǔ)，建立一個完全的3D 環(huán)境，以此BIM作為構(gòu)建基礎(chǔ)的項目管理系統(tǒng)可以持續(xù)的、及時的提供各項實時數(shù)據(jù)，并在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，保持信息隨時處在更新完善的狀態(tài)，并提供信息訪問、信息變更、信息增刪等操作支持，確保建筑工程師、設(shè)計師、施工人員、業(yè)主、及其他項目參與方等項目相關(guān)用戶清楚的、全面的獲得項目此時此刻的狀態(tài)信息，促使設(shè)計、施工、運營等階段的管理過程中達到提高決策進度和質(zhì)量、降低項目成本、提高項目質(zhì)量，增加收益的目的[2]。

BIM作為建筑行業(yè)的新技術(shù)，目前國內(nèi)對其研究和應(yīng)用還不突出，國外也僅應(yīng)用在設(shè)計和施工階段，在火災(zāi)應(yīng)急疏散方面較少有新理論新成果。

Uwe Rüppel 等設(shè)計了“危險的人類救援”，基于BIM 創(chuàng)建模型，其中包括火災(zāi)，煙霧，爆炸和結(jié)構(gòu)損壞。該設(shè)計使用嚴肅的游戲方法對緊急情況進行交互式實時模擬。根據(jù)這個概念，BIM模型作為游戲場景的基礎(chǔ)。這允許通過改進在BIM應(yīng)用程序和嚴肅游戲之間傳遞數(shù)據(jù)的互操作性來快速設(shè)置場景。通過這些研究救援過程中各環(huán)境因素的影響，進而優(yōu)化火災(zāi)中的救援路徑[3]。國內(nèi)年輕學(xué)者陳遠將消防信息整合到BIM模型中，制定預(yù)案，指導(dǎo)救援。在運行維護階段，通過將BIM數(shù)據(jù)庫整合到智能消防系統(tǒng)中，與傳感器、控制器、網(wǎng)絡(luò)相連，，通過系統(tǒng)平臺實現(xiàn)主動防火功能和被動防火功能，以達到最佳的防火保護[4]。王林等提出將BIM技術(shù)聯(lián)合消防GIS 平臺，實現(xiàn)了消防日常工作的信息處理網(wǎng)絡(luò)化，旨在增強高層建筑消防指揮能力，提高預(yù)防和撲滅現(xiàn)代火災(zāi)的能力[5]。

綜上所述，目前BIM技術(shù)在火災(zāi)應(yīng)急疏散中的應(yīng)用還不完善，但已有各國的學(xué)者對其進行研究。BIM不僅僅能構(gòu)建建筑的信息模型，我認為它的主導(dǎo)思想是實現(xiàn)信息的同步和共享。現(xiàn)如今，軟件信息不能良性兼容拖延了BIM技術(shù)的發(fā)展和延伸應(yīng)用，比如Revit 文件不能直接導(dǎo)入到pathfinder 疏散軟件中，這就導(dǎo)致信息不能完全共享[6]。未來想把BIM技術(shù)應(yīng)用到更多領(lǐng)域，首要問題就是解決信息的共享與同步。

3 Wi-Fi 技術(shù)在火災(zāi)疏散中的應(yīng)用研究

Wi-Fi 是一種允許電子設(shè)備連接到一個無線局域網(wǎng)（WLAN）的技術(shù)，現(xiàn)階段，各公司、家庭、商場等公共建筑中基本已實現(xiàn)Wi-Fi 信號的覆蓋。Wi-Fi 其主要功能是實現(xiàn)移動設(shè)備的無線上網(wǎng)，但已有學(xué)者將其應(yīng)用到火災(zāi)疏散中。

羅明等將Wi-Fi 作為定位的手段，通過手持智能終端上的App 顯示使用者當(dāng)前的位置，在火災(zāi)發(fā)生時，還可根據(jù)監(jiān)控中心對火情的分析，自動為使用者設(shè)計最佳導(dǎo)航路線，管理人員還可通過記錄計算人員移動軌跡，分析疏散過程的疏散時間、距離、人群特點等[7]。

綜上所述，已有學(xué)者對于Wi-Fi 的應(yīng)用越來越有深度，雖然提出的想法很有意義，但目前市場上還未出現(xiàn)關(guān)于Wi-Fi 定位的火災(zāi)應(yīng)急疏散系統(tǒng)的產(chǎn)品，由此可見，其中還存在不少未解決的問題。今后在理論提出的基礎(chǔ)上，加大對產(chǎn)品的研發(fā)推進，必定能促進火災(zāi)應(yīng)急疏散的改善。

4 智能消防疏散指示和應(yīng)急照明系統(tǒng)的應(yīng)用研究

智能消防疏散指示及應(yīng)急照明系統(tǒng)是由應(yīng)急照明燈具、消防報警系統(tǒng)、智能疏散系統(tǒng)等多種設(shè)備組成的、應(yīng)用于大型公共場所的一套智能消防疏散指示系統(tǒng)。它具備實時監(jiān)控、動態(tài)控制、疏散邏輯等功能。

丁雨淋等設(shè)計了實時威脅態(tài)勢感知的室內(nèi)火災(zāi)疏散路徑動態(tài)優(yōu)化方法，根據(jù)建筑環(huán)境信息和火場實時狀態(tài)信息，動態(tài)調(diào)整路徑規(guī)劃信息，從而提高精準性[8]。鄧詒宵等將主機通過RS232 接口和Modbus 協(xié)議與底層M－BUS 燈具網(wǎng)絡(luò)建立通信，實現(xiàn)系統(tǒng)的集中監(jiān)控，使用VB 開發(fā)上位機軟件，設(shè)計了資源管理，網(wǎng)絡(luò)管理，事件管理和用戶界面等功能，實現(xiàn)了火災(zāi)應(yīng)急疏散時監(jiān)控和管理的自動化[9]。陳全帥等以微處理器STM32 為核心設(shè)計了智能應(yīng)急照明疏散指示系統(tǒng)控制器，并以某大型建筑為例設(shè)計了智能應(yīng)急照明疏散指示系統(tǒng)，為實際建設(shè)提供了參考[10]。

綜上所述，智能消防系統(tǒng)是建立在軟硬件結(jié)合上，既需要理論的支持，又需要硬件的協(xié)調(diào)，這就對設(shè)計者的能力有了更高的要求。

5 路徑優(yōu)化算法在火災(zāi)疏散中的應(yīng)用研究

近年來，隨著計算機水平的不斷提高，路徑優(yōu)化算法從最初的遺傳算法、禁忌搜索算法、模擬退火算法、蟻群算法、粒子群優(yōu)化算法、動態(tài)進化算法等，逐步衍生出新的智能優(yōu)化算法。

張培紅等提出改進的自適應(yīng)蟻群算法適用于大型公共建筑物火災(zāi)時人員疏散路徑的動態(tài)優(yōu)化，克服了傳統(tǒng)優(yōu)化算法早熟和停滯等問題[11]。董崇杰等提出基于差分改進的布谷鳥算法，建立了基于疏散時間、擁擠度及總路徑長度為指標的人群疏散多目標優(yōu)化模型[12]。李晶晶等提出基于遺傳算法，經(jīng)過多次迭代求權(quán)值和最小路徑作為最優(yōu)疏散路徑[13]。

Gino J.Lim 等提出了一種容量約束的網(wǎng)絡(luò)流優(yōu)化方法，用于尋找疏散路徑、流量和時間安排，以最大限度地增加疏散計劃（SNEP）。他利用Dijkstra 算法來尋找疏散路徑和一個貪婪算法來查找每條路徑的最大流量，以及每個時間間隔執(zhí)行流的調(diào)度，極大限度地增加撤離者[14]。Arturo Cuesta 等提出了一種新的實時決策方法，用于選擇建筑物的最佳疏散路線，優(yōu)化算法基于隨機疏散模型預(yù)測，通過考慮諸如危險位置的緊急數(shù)據(jù)，并將隨機疏散模型與商業(yè)疏散模型STEPS 進行比較[15]。

綜上所述，以上學(xué)者提出的各種改進的路徑優(yōu)化算法都適用于大型建筑中突發(fā)火災(zāi)的情況，雖然都經(jīng)過模擬仿真，但實際情況往往存在眾多因素的影響，尚未經(jīng)過實際狀況鑒定。

通過這些文獻，許多學(xué)者都提出自己的改進的算法，但還未將火災(zāi)現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)結(jié)合起來，比如燃燒造成的煙霧、高溫、有毒害氣體等因素，人群面對突發(fā)火災(zāi)的精神上的變化等一系列因素會對算法的合理性造成干擾。因此，今后在路徑優(yōu)化算法的研究上要結(jié)合更多環(huán)境信息，才能真正實現(xiàn)各類自適應(yīng)算法的合理性和最優(yōu)性。

6 結(jié)論

由于大型建筑物越來越多，其功能造就了人員聚集更加密集，因此關(guān)于火災(zāi)疏散的問題得到許多國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，紛紛提出自己的意見。通過大量文獻的閱讀分析，對于火災(zāi)應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化問題，提出以下建議：

（1）樓宇設(shè)計階段：在建筑設(shè)計階段最好使用BIM技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計中的不合理，實現(xiàn)信息的同步和共享；

（2）預(yù)案生成階段：選擇合適的算法，找出最短最優(yōu)逃生路徑，合理結(jié)合火災(zāi)演變態(tài)勢，實時更新預(yù)案；

（3）后期運維階段：健全各聯(lián)動設(shè)備的可靠性，對建筑內(nèi)部進行疏散標示覆蓋；

（4）模擬修正階段：結(jié)合具體工程，通過pyrosim、pathfinder等模擬軟件，確定算法是否合適。