有限狀態(tài)機(jī)控制下虛擬消防疏散動(dòng)態(tài)循環(huán)模擬

潘 瑜

(東南大學(xué)成賢學(xué)院，江蘇 南京 210088)

1 引言

大型公共建筑的空間布局和架構(gòu)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(méi)有方法對(duì)這些人群的疏散能力進(jìn)行較為全面的檢查。在大型火災(zāi)等緊急事故發(fā)生時(shí)，建筑里的通信系統(tǒng)大多都會(huì)被因?yàn)榛馂?zāi)所產(chǎn)生的燃燒物質(zhì)掩蓋，導(dǎo)致其無(wú)法向外界傳輸有效的信息。這時(shí)，就無(wú)法對(duì)受困人員集群的疏散行為、心理反應(yīng)與建筑物疏散狀態(tài)進(jìn)行分析。但是，憑借虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)建造虛擬的火災(zāi)事故環(huán)境，然后對(duì)人員的疏散反應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，就可以較好解決上述出現(xiàn)的問(wèn)題。

用戶不僅僅可以在虛擬的火災(zāi)事故突發(fā)空間內(nèi)，使用一定的行為規(guī)范觀測(cè)疏散人員的布局，利用蒙特卡洛隨機(jī)發(fā)生器對(duì)人群加以控制，從而觀察不同的人員布局與行為反應(yīng)。用戶可以在系統(tǒng)的提示中，注冊(cè)并加入虛擬環(huán)境內(nèi)，會(huì)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(dòng)，通過(guò)這種測(cè)試與模擬的流程，模擬系統(tǒng)可以較為充分得到有關(guān)于火災(zāi)事故發(fā)生時(shí)疏散動(dòng)態(tài)反應(yīng)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(méi)有方法預(yù)測(cè)的反應(yīng)，或者是疏散設(shè)計(jì)里不明顯的缺陷問(wèn)題。雖然不會(huì)徹底解決突發(fā)事件產(chǎn)生的各類問(wèn)題，但這種模擬方法能夠使用到消防演習(xí)或應(yīng)急決策里，現(xiàn)實(shí)意義較強(qiáng)。

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)出現(xiàn)火災(zāi)事故時(shí)人群的疏散行為進(jìn)行分析，建造一種與疏散控制存在關(guān)聯(lián)的虛擬火災(zāi)模型，同時(shí)將模型的出口進(jìn)行坐標(biāo)標(biāo)記，對(duì)疏散通道的大小、目標(biāo)出口的尺寸與障礙物的布局進(jìn)行隨機(jī)調(diào)整，觀察火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境狀況、人員疏散行為反應(yīng)與疏散控制結(jié)構(gòu)的特征變化。進(jìn)一步的優(yōu)化疏散人員的行為準(zhǔn)則，憑借系統(tǒng)疏散信息的可靠性，來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)最優(yōu)疏散路徑。

2 有限狀態(tài)機(jī)控制下虛擬消防疏散動(dòng)態(tài)循環(huán)模擬

2.1 有限狀態(tài)機(jī)模型構(gòu)建

有限狀態(tài)機(jī)即通過(guò)一定總量的狀態(tài)與互相之間移動(dòng)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(shí)間驅(qū)動(dòng)的形式進(jìn)行運(yùn)作，在接收到一種事件之后，狀態(tài)機(jī)出現(xiàn)一種[1]輸出，并且也可能會(huì)隨著狀態(tài)進(jìn)行移動(dòng)。

這對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，層級(jí)式有限狀態(tài)機(jī)通過(guò)一系列基礎(chǔ)的[2]有限狀態(tài)相應(yīng)與上層有限狀態(tài)機(jī)組合起來(lái)，一種或多種下層有限狀態(tài)機(jī)相應(yīng)與上層有限狀態(tài)機(jī)內(nèi)的某種狀態(tài)。在有限狀態(tài)機(jī)位于某種組合情況時(shí)，一種或多種下層有限狀態(tài)機(jī)就能夠按照順序或并行運(yùn)行。

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

1)摩爾型狀態(tài)機(jī)的輸出只能夠憑借當(dāng)前狀態(tài)[4]數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并不能和其它條件產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。

2)米勒型狀態(tài)機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)

在擬定的邏輯里，狀態(tài)機(jī)能夠進(jìn)行表示的方法含有三種，分別是[5]狀態(tài)轉(zhuǎn)移列表、HDL語(yǔ)言表示與狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖就是依靠圖形化的形式來(lái)表示狀態(tài)機(jī)的每一種狀況的變換關(guān)聯(lián)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移列表就是依靠列表的形式來(lái)表示狀態(tài)機(jī)，并且還是數(shù)字邏輯電路里比較常見的一種設(shè)定方法，往往被用在簡(jiǎn)化狀態(tài)化上，HDL語(yǔ)言表示狀態(tài)機(jī)就是依靠[6]硬件來(lái)對(duì)語(yǔ)言進(jìn)行描述，或是通過(guò)VHDL設(shè)定高速與穩(wěn)定的狀態(tài)機(jī)。

2.2 疏散虛擬估算

在火災(zāi)事故現(xiàn)場(chǎng)里，人員疏散是一種較為復(fù)雜的問(wèn)題[7]，因其存在共同作用或相干擾的狀態(tài)，對(duì)這些狀態(tài)存在一定干擾的有人員的[8]疏散反應(yīng)、火災(zāi)場(chǎng)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(shí)候，也需要分析這些因素特征。對(duì)此，本文構(gòu)建行為模擬子模塊、毒性評(píng)測(cè)和[9]場(chǎng)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(lái)模擬和預(yù)測(cè)火災(zāi)事故出現(xiàn)時(shí)，疏散人員的行為反應(yīng)。

場(chǎng)景分析子模塊主要是依靠CIS空間分析的性能，來(lái)構(gòu)建運(yùn)算集合模型的[10]網(wǎng)狀架構(gòu)。網(wǎng)狀模型憑借節(jié)點(diǎn)來(lái)填充結(jié)合空間，每一種節(jié)點(diǎn)都會(huì)含有自身的坐標(biāo)與尺寸等屬性，節(jié)點(diǎn)之間會(huì)通過(guò)長(zhǎng)度弧段對(duì)圖架構(gòu)進(jìn)行連接。其架構(gòu)的模式與網(wǎng)狀模型是相應(yīng)的，這種架構(gòu)模式存在可擴(kuò)展性高與表述靈活等優(yōu)點(diǎn)。本文在分析疏散場(chǎng)景時(shí)，依靠空間的尺寸直徑，構(gòu)建圓形節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而離散化火災(zāi)場(chǎng)景。在此基礎(chǔ)上，使用搜索算法對(duì)人員個(gè)體的疏散路徑進(jìn)行模擬

Φ=f(G(V，E)，V0)

(1)

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

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

怎樣精確評(píng)測(cè)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(xiǎn)強(qiáng)度，是火災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究難題之一。本文設(shè)置一種相應(yīng)的測(cè)評(píng)函數(shù)來(lái)評(píng)測(cè)火災(zāi)場(chǎng)景內(nèi)所有煙氣毒性的危險(xiǎn)程度。一般來(lái)說(shuō)，評(píng)測(cè)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(píng)測(cè)量化函數(shù)，參照pos與t擬定了危險(xiǎn)評(píng)測(cè)相應(yīng)的時(shí)空屬性，X就是相應(yīng)與每種關(guān)鍵燃燒產(chǎn)物的有效估算劑量。利用FDS模擬，能夠估算出場(chǎng)景里每一種點(diǎn)o2，co，co2等氣體的濃度。本文利用N-Gas模型，經(jīng)過(guò)有效劑量分?jǐn)?shù)對(duì)燃燒產(chǎn)物的毒性進(jìn)行評(píng)測(cè)。

行為模擬子模塊需要對(duì)每個(gè)時(shí)間段里的疏散人員預(yù)測(cè)其行為反應(yīng)。通過(guò)當(dāng)前儲(chǔ)存的[12]疏散路徑來(lái)評(píng)測(cè)疏散人員行為模型是否合理，從而評(píng)定是否需要對(duì)疏散策略進(jìn)行修改。測(cè)評(píng)具有三個(gè)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(gè)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?qū)⑷藛T當(dāng)前所處的坐標(biāo)當(dāng)作中心，憑借一定的大小來(lái)形成緩沖區(qū)，進(jìn)而對(duì)該區(qū)域的能見度進(jìn)行測(cè)量。

3)路徑尺寸

γ=LEN(V0，Vexit)

(5)

即依靠人員的大致坐標(biāo)至目標(biāo)出口的疏散路徑的距離測(cè)量。

在此基礎(chǔ)上，依靠雙通道映射，對(duì)視差參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，從而模擬出人眼觀測(cè)的視覺(jué)圖像觀測(cè)者憑借一些外部裝置就能夠觀測(cè)立體視覺(jué)，從而沉浸在虛擬場(chǎng)景里，這就可以讓觀測(cè)者充分了解火災(zāi)出現(xiàn)之后的疏散知識(shí)，加強(qiáng)消防意識(shí)。

和人員與煙氣兩種因素相比，火災(zāi)環(huán)境是疏散模擬內(nèi)相對(duì)較為穩(wěn)定的模型，不存在動(dòng)態(tài)特征，所以能夠?qū)⑵鋽M定成靜態(tài)模型，本文在火災(zāi)環(huán)境里建造虛擬建筑模型，同時(shí)利用粘貼法收集比較現(xiàn)實(shí)的火災(zāi)效果。在建造圖形后，憑借光照條件和坐標(biāo)等參量，把虛擬現(xiàn)實(shí)模型微調(diào)至渲染閾值，最后輸出對(duì)應(yīng)的描述效果至用戶界面上。

憑借FED6-Gas模型評(píng)測(cè)火災(zāi)煙氣里經(jīng)常出現(xiàn)的六種氣體的綜合毒性，其結(jié)果如下所示

(6)

其中，氣體符號(hào)代表在30min暴露期間的平均體積分?jǐn)?shù)，能夠經(jīng)過(guò)FDS模擬得到，m與b代表CO與CO2的組合毒性效應(yīng)，LC50代表致使50%的實(shí)驗(yàn)動(dòng)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(qiáng)，在FED6-Gas=1.0時(shí)，人員死亡的概率會(huì)上升。

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

(7)

其中，Δt代表模擬里的時(shí)間步長(zhǎng)，tconv代表因?yàn)閷?duì)流熱而失去性能的時(shí)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?yàn)榉蠠岫バ阅艿臅r(shí)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(shí)，輻射熱與對(duì)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(jī)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(píng)測(cè)模型，就是綜合危害劑量，其過(guò)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(dá)1.0時(shí)，煙氣的危害對(duì)人體是致命的。

在疏散場(chǎng)景里疏散群體是具有動(dòng)態(tài)特征的單獨(dú)個(gè)體，并且隨著動(dòng)態(tài)特征的變化控制坐標(biāo)也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的轉(zhuǎn)變，同時(shí)行動(dòng)人員也會(huì)更改自身的姿態(tài)，如在逃離的過(guò)程中，逃離人員的手臂擺動(dòng)等，這些都是需要在虛擬現(xiàn)實(shí)中描述的行為特征。但只考慮更改場(chǎng)景里的朝向方法與實(shí)體坐標(biāo)，并不能對(duì)徹底描述疏散人員的細(xì)節(jié)動(dòng)態(tài)特征。本文將動(dòng)態(tài)人物融入至虛擬環(huán)境里，通過(guò)疏散引擎的估算結(jié)果，來(lái)預(yù)測(cè)目標(biāo)人員的大致動(dòng)態(tài)，進(jìn)而模擬疏散流程內(nèi)人員的反應(yīng)行為，通過(guò)Vega與DI-GUY良好的兼容性，能夠?qū)ㄖh(huán)境、人員模型與煙氣等因素在同等虛擬現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行動(dòng)態(tài)循環(huán)模擬。

3 疏散路徑的評(píng)測(cè)模型

(11)

因?yàn)樵谑?5)內(nèi)擬定了LC50的限制，[Ci]一定要在30min的暴露時(shí)間里被轉(zhuǎn)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(shí)間函數(shù)。變量a與b分別代表路徑的開始點(diǎn)與完成點(diǎn)。

把時(shí)間步長(zhǎng)之間的固定時(shí)間間隔擬定成Δt，估算固定時(shí)間步長(zhǎng)k坐標(biāo)的[Ci]，其過(guò)程如式(12)所示

(12)

(13)

(14)

在虛擬疏散訓(xùn)練里，因?yàn)闊煔獾牟痪夥植迹枭⒌牟煌窂酱嬖诓煌腎HDpath值，如果IHDpath越低，就說(shuō)明說(shuō)疏散路徑越安全。所以，使用IHDpath的虛擬疏散路徑訓(xùn)練能夠幫助學(xué)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(shí)用性，憑借本文模型，構(gòu)建某種建筑的一樓的3D模型。實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖2所示。

圖2 建筑3D模型

其中含有三個(gè)辦公室，兩個(gè)活動(dòng)室，一個(gè)大廳，兩個(gè)走廊與一個(gè)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(zāi)環(huán)境。本文針對(duì)出口寬度、樓層、與煙氣濃度為實(shí)驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。具體結(jié)果如下所示。

圖3即出口寬度與單位時(shí)間疏散流動(dòng)效果之間的關(guān)聯(lián)曲線。

圖3 疏散出口寬度對(duì)疏散流動(dòng)效果曲線

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

圖4 樓層數(shù)對(duì)疏散流動(dòng)效果曲線

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

在沒(méi)有任何防護(hù)情況下，設(shè)置不同煙氣濃度，觀測(cè)疏散流動(dòng)效果。

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

圖5 煙氣濃度對(duì)疏散流動(dòng)效果曲線

隨著人群密度的提升，群集移動(dòng)的效率因?yàn)榭臻g網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的約束而出現(xiàn)縮減。出口寬度、樓層、煙氣濃度都會(huì)干擾到疏散人員的目標(biāo)變化，也會(huì)影響限制條件與疏散人員的行為特征。

5 結(jié)論

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

1)對(duì)傳統(tǒng)的有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行分析，獲得其運(yùn)行的大致原理。

2)依靠輸入和輸出條件之間存在的關(guān)聯(lián)來(lái)構(gòu)建米勒型有限狀態(tài)機(jī)，并利用優(yōu)質(zhì)的獨(dú)熱碼對(duì)狀態(tài)機(jī)進(jìn)行編碼，再通過(guò)雙邊沿觸發(fā)器，使用數(shù)種的上下邊沿來(lái)優(yōu)化狀態(tài)機(jī)的運(yùn)行效率。

3)建造毒性評(píng)測(cè)、場(chǎng)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(duì)建筑環(huán)境、煙氣危害與人員行為進(jìn)行分析，并把結(jié)果融入至有限狀態(tài)機(jī)內(nèi)，通過(guò)狀態(tài)機(jī)對(duì)虛擬消防進(jìn)行疏散動(dòng)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(yīng)，同時(shí)所提方法擬定的模型還有運(yùn)行速度快的優(yōu)點(diǎn)。