基于數(shù)字孿生的某文體中心消防疏散算法設(shè)計(jì)

王 亮, 張涵清, 李鵬飛, 王艷敏

[1.中元國際(上海)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司, 上海 200126;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動化學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001]

0 引 言

智慧消防作為智慧城市的重要組成部分,是構(gòu)建在智慧城市大腦基礎(chǔ)設(shè)施上的一個重要應(yīng)用分支,是智慧城市智能感知、互聯(lián)互通、智慧化應(yīng)用架構(gòu)的典型應(yīng)用場景[1]。隨著現(xiàn)代建筑物由小、零散、低型等特點(diǎn)向大、集中、高型等特點(diǎn)轉(zhuǎn)變,如何有效地對火災(zāi)進(jìn)行判斷、報(bào)警和實(shí)施救援變得至關(guān)重要[2]。

目前,市場上智慧消防應(yīng)急疏散模擬和信息化管理平臺方面的技術(shù)和產(chǎn)品比較少,仍以傳統(tǒng)的消防系統(tǒng)設(shè)備為主。分析目前市場上已有的智能消防系統(tǒng)后發(fā)現(xiàn),智慧消防信息化管控和智能決策平臺的智能化水平不高,存在著過度依賴設(shè)備間聯(lián)動與通信、著火點(diǎn)定位不準(zhǔn)、人員疏散過多依賴疏散指示標(biāo)志等問題[3]。

目前,市場上消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與升級改造主要由設(shè)計(jì)院和消防產(chǎn)品類科技公司兩方承擔(dān)[4]。設(shè)計(jì)院通常將消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)歸于建筑電氣的強(qiáng)電設(shè)計(jì)范疇,側(cè)重各類消防設(shè)備的選型,使得智能化程度嚴(yán)重依賴于市場上的消防設(shè)備,且在項(xiàng)目驗(yàn)收時多采用“放一把火”的原始方法,即消防支隊(duì)驗(yàn)收現(xiàn)場必須看實(shí)物是否因煙氣或者明火引發(fā)排煙風(fēng)機(jī)、消防泵等消防設(shè)備自動開啟,進(jìn)而通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)判斷消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣[5]。目前,設(shè)計(jì)院消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的問題具體如下:

(1) 火災(zāi)探測器誤報(bào)和漏報(bào)率比較高,消防信息滯后、不完整,無法有效整合資源實(shí)施有組織的滅火和救援措施。

(2) 弱電設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)比較薄弱,智能化程度不高,通常不涉及消防疏散路徑規(guī)劃,在火災(zāi)緊急情況下人員疏散方式單一,完全依賴應(yīng)急分散指示和應(yīng)急照明系統(tǒng)[6]。

(3) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方面水平不高,過度依賴設(shè)計(jì)師的工程經(jīng)驗(yàn),建筑、結(jié)構(gòu)、水暖電及物業(yè)等各設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)協(xié)同程度不高,存在大量消防隱患[7]。

消防產(chǎn)品類科技公司的經(jīng)營范圍多涵蓋消防一體化產(chǎn)品系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)[8],其智能化程度多依賴于現(xiàn)場消防設(shè)備的集成化工程設(shè)計(jì),然而目前諸如大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)在實(shí)際產(chǎn)品中的應(yīng)用還處于初級階段,故建筑消防系統(tǒng)的智能化水平并不高[9]。近年,建筑信息建模(Building Information Modeling,BIM)的數(shù)字孿生技術(shù)在消防系統(tǒng)中開始應(yīng)用?；跀?shù)字孿生的智慧消防系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示[10]。圖1為其基本工作原理,即綜合利用BIM和物聯(lián)網(wǎng)形成“感、傳、知、用”等技術(shù)手段,通過整合該模型中的空間、室內(nèi)環(huán)境和人員位置信息,利用AI算法進(jìn)行疏散路徑規(guī)劃,解決目前疏散路徑規(guī)劃不能根據(jù)火災(zāi)的發(fā)展態(tài)勢動態(tài)更新、不能考慮人員的位置因素等問題,進(jìn)而使得智慧消防系統(tǒng)“人防+技防”相結(jié)合,形成立體化、智能化、全覆蓋的火災(zāi)防控體系[11]。

圖1 基于數(shù)字孿生的智慧消防系統(tǒng)構(gòu)成框圖

1 項(xiàng)目案例與BIM建模

本文以某文體中心項(xiàng)目為例開展研究。建筑高度為25.1 m,建筑面積約10 000 m2,共3層,主體為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。該建筑物主要開展各種球類運(yùn)動、節(jié)目排練、舞臺表演等活動,建筑內(nèi)部客容量大,高峰時段人流量可達(dá)每小時2 000人。

為進(jìn)一步深化建筑物的可視化,便于智慧消防方案的實(shí)施與建設(shè),本文引入BIM技術(shù),利用Revit 2021軟件分層繪制各層平面圖,細(xì)化其內(nèi)部結(jié)構(gòu),并直接生成建筑物的三維視圖。某文體中心的BIM消防系統(tǒng)數(shù)字孿生模型如圖2所示。

圖2 某文體中心的BIM消防系統(tǒng)數(shù)字孿生模型

在利用Revit軟件進(jìn)行消防系統(tǒng)布置時,需添加相關(guān)構(gòu)件族,均在圖2所示的BIM模型建模過程中體現(xiàn),包括消防設(shè)施建設(shè)、管道布線建設(shè)、溫濕度與壓力監(jiān)測設(shè)計(jì)等。所用消防構(gòu)件典型族庫如圖3所示。

圖3 所用消防構(gòu)件典型族庫

2 疏散人群的排隊(duì)模型建立

針對該文體中心的火災(zāi)發(fā)生特點(diǎn),消防應(yīng)急預(yù)案的設(shè)計(jì)原則是:人員必需安全疏散時間RSET小于可用安全疏散時間ASET,以保證人員安全。其中,RSET是指人員從起火時間到疏散到安全區(qū)域的時間;ASET是指火災(zāi)發(fā)展到危及疏散人員的時間,具體指從火災(zāi)發(fā)生到火災(zāi)危及人員生命的時間,這個時間主要由建筑的結(jié)構(gòu)及材料、消防系統(tǒng)等決定,與火災(zāi)的時長以及煙霧的傳動有很大的關(guān)系?；谝陨显O(shè)計(jì)目標(biāo),某文體中心的消防應(yīng)急疏散方案如圖4所示。

圖4 某文體中心的消防應(yīng)急疏散方案

基于圖4所示的消防應(yīng)急疏散方案,本文引入排隊(duì)理論,從疏散人群的排隊(duì)模型、疏散人群速度-密度模型及疏散路徑3個方面進(jìn)行建模與分析,進(jìn)而得到有效的人員應(yīng)急疏散方案。

2.1 疏散人群的排隊(duì)模型

首先,將每一個人員的疏散事件獨(dú)立化,并且使用泊松分布來表示人員疏散的時間間隔。假設(shè)該文體中心的疏散人數(shù)為n,則疏散人群的排隊(duì)模型可表示為

(1)

式中:λ——單疏散入口處疏散人員到達(dá)率;

E(T1)——單個疏散人員的期望疏散時間;

P0——疏散人群排隊(duì)模型的初始時刻值;

f(n)——人員疏散率。

(2)

(3)

(4)

式中:V1——單個疏散人員的自由速度;

Vn——有n個疏散人員時的疏散速度。

可見,該排隊(duì)系統(tǒng)模型與文體中心疏散人員的疏散速率緊密相關(guān)。

2.2 疏散人群的速度-密度模型

在消防疏散過程中,主要關(guān)注人員疏散與撤離的速度,需要著重考慮人群密度及人與人間的距離對速度的影響。疏散人群的速度-密度模型建立過程如圖5所示。

圖5 疏散人群的速度-密度模型建立過程

(1) 人群密度對速度的影響。一般情況下,假設(shè)疏散空間內(nèi)的人均面積達(dá)到S=0.28 m2時,該建筑空間便被劃分為極易發(fā)生事故的區(qū)域;假設(shè)疏散空間內(nèi)的人均面積達(dá)到S=0.25 m2時,則會直接導(dǎo)致人與人相互貼著。一旦發(fā)生意外事件,會直接使得室內(nèi)人員相互踩踏,甚至導(dǎo)致人員傷亡。由此可見,為了確保發(fā)生火災(zāi)時人員順利撤離,人均面積S至少應(yīng)等于0.28 m2,即限制每平方米最大人流量為3.57人。

(2) 人與人之間的距離對速度的影響?；馂?zāi)發(fā)生時,在人員疏散過程中,疏散速率計(jì)算主要依據(jù)人與人之間的行走關(guān)系。當(dāng)兩個人之間的距離超過1.6 m時,每人的行走速率各不影響;當(dāng)兩個人的距離小于1.6 m時,會直接導(dǎo)致每人的行走速率變慢,相互都有影響;當(dāng)兩個人的距離達(dá)到0.3 m時,行走速率為0,這時,計(jì)算人群密度在每平方米5～6人。

2.3 疏散人群的疏散路徑確定

在發(fā)生火災(zāi)時,人員行走的路線存在著較大的隨機(jī)性,需要采取多種方式計(jì)算出該文體中心的最佳疏散路徑,并且通過編程搜索出各種可能的疏散路線。解決此類問題最為常見的算法有深度優(yōu)先算法、Dijkstra算法以及Floyd算法等,本文選擇深度優(yōu)先算法,即將文體中心的所有設(shè)施看作一個個節(jié)點(diǎn),為了使得這些節(jié)點(diǎn)能夠形成一個集合,需要將所有節(jié)點(diǎn)連接起來,使用深度優(yōu)先算法計(jì)算出可能的路線,再將搜索到的路徑列舉出來。深度優(yōu)先算法原理如圖6所示,其中節(jié)點(diǎn)為行走設(shè)施,連線代指設(shè)施之間的關(guān)聯(lián),人員逃離的房間為1,疏散出口為7。

圖6 深度優(yōu)先算法原理

尋找疏散路徑的步驟如下:① 建立儲存單元節(jié)點(diǎn)的棧,然后將節(jié)點(diǎn)1入棧;② 將節(jié)點(diǎn)1作為開始節(jié)點(diǎn),找到非入棧鄰接節(jié)點(diǎn)2的地址,將節(jié)點(diǎn)2入棧;③ 從節(jié)點(diǎn)2開始查找,找到節(jié)點(diǎn)4的地址,將節(jié)點(diǎn)4入棧;④ 從節(jié)點(diǎn)4開始查找,找到節(jié)點(diǎn)7,將節(jié)點(diǎn)7入棧;⑤ 輸出完整的線路1—2—4—7;⑥ 將節(jié)點(diǎn)7從原來的棧內(nèi)移除,并將其設(shè)置為非入棧節(jié)點(diǎn),棧頂節(jié)點(diǎn)設(shè)置為4;⑦ 節(jié)點(diǎn)4的鄰接節(jié)點(diǎn)都在棧中,將節(jié)點(diǎn)4移除,棧頂節(jié)點(diǎn)設(shè)置為2;⑧ 與節(jié)點(diǎn)2相鄰的節(jié)點(diǎn)中非入棧的是節(jié)點(diǎn)5,將節(jié)點(diǎn)5入棧;⑨ 與節(jié)點(diǎn)5相鄰的節(jié)點(diǎn)中非入棧的是節(jié)點(diǎn)7,將節(jié)點(diǎn)7入棧;⑩ 輸出完整的線路1—2—5—7;重復(fù)以上操作流程,查找到節(jié)點(diǎn)1至節(jié)點(diǎn)7的全部路徑并輸出;清空棧,算法完成。

3 消防疏散方案的數(shù)值模擬

利用Revit API接口將圖2所示的BIM模型導(dǎo)入Pyrosim火災(zāi)模擬軟件,對疏散算法進(jìn)行數(shù)值模擬。以文體中心一樓右側(cè)區(qū)域的觀眾席為例,模擬火災(zāi)發(fā)生情況下較大區(qū)域的人員疏散情況。該觀眾席舞臺的總面積為1 500 m2,設(shè)置火源面積為10 m2,著火點(diǎn)在演出席的中央,假設(shè)火災(zāi)發(fā)生時觀眾席內(nèi)有200人,正常人對緊急情況的反應(yīng)時間是5～15 s,在該范圍內(nèi)選取一隨機(jī)數(shù)作為每個人的反應(yīng)時間。疏散模擬結(jié)果如圖7所示。在觀眾席內(nèi)部,不考慮其他額外的環(huán)境因素,火災(zāi)發(fā)生后的人員分布如圖7(a)所示。圖7(b)為t=0.5 s時疏散開始,圖7(c)為14.5 s時最后一名人員疏散完畢。

圖7 疏散模擬結(jié)果

此次人員疏散模擬在15 s內(nèi)完成。由于人員反應(yīng)時間設(shè)置具有不確定性,在不同的模擬中,疏散完成時間也不同,但疏散時間大體分布在14～18 s的區(qū)間內(nèi),進(jìn)而可證明本文設(shè)計(jì)的消防疏散算法的正確性和有效性。

4 結(jié) 語

本文以某文體中心建筑為例,綜合應(yīng)用BIM和Pyrosim火災(zāi)模擬軟件,并引入排隊(duì)理論,建立該文體中心發(fā)生火災(zāi)時疏散人群的排隊(duì)模型,給出最佳疏散路徑,實(shí)現(xiàn)對該建筑物的火災(zāi)、疏散人群和消防預(yù)警方案的設(shè)計(jì)與模擬。本文研究成果可為智慧消防系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)提供一種新思路。