高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水調(diào)度控制方法研究

王蕾

摘要：在高層建筑火災(zāi)供水調(diào)度控制中，傳統(tǒng)方法的供水量與需水量一致性系數(shù)較低。針對(duì)這一問題，提出一種新的高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水調(diào)度控制方法。將高層建筑水箱主閥門控制開度、水泵水壓、水泵轉(zhuǎn)差率以及水泵開關(guān)狀態(tài)作為控制變量，以火場(chǎng)最低需水量為目標(biāo)建立目標(biāo)函數(shù)，再將供水最小成本作為子目標(biāo)函數(shù)，通過設(shè)定約束條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)高層建筑供水管網(wǎng)初始邊界、最小服務(wù)水頭、供水流量、水箱水位、水泵水壓等參數(shù)的約束。在此基礎(chǔ)上，尋求高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水調(diào)度控制最佳模式，切實(shí)保障隊(duì)伍實(shí)戰(zhàn)打贏能力的有效提升。

關(guān)鍵詞：高層建筑；火場(chǎng)供水；調(diào)度控制；目標(biāo)函數(shù)；人工蜂群算法

中圖分類號(hào)：TU998.1? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：2096-1227（2023）01-0037-03

火災(zāi)是公共危機(jī)事件的種類之一，具有危害度高、突發(fā)性強(qiáng)、隨機(jī)性強(qiáng)等特點(diǎn)。任何環(huán)境中都存在或多或少的火災(zāi)隱患，火災(zāi)一旦發(fā)生，不僅會(huì)對(duì)起火點(diǎn)周邊建筑和生態(tài)環(huán)境造成不同程度的破壞，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)還會(huì)對(duì)居民的生命安全造成巨大的威脅[1]。由于高層建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且高度較高，并不是每個(gè)樓層都安裝了水箱。因此，需要考慮火災(zāi)發(fā)生時(shí)火場(chǎng)供水調(diào)度控制問題。如果調(diào)取的水量太少無法滿足火場(chǎng)消防用水，如果調(diào)取的水量太多將會(huì)造成用水浪費(fèi)。如何在最短的時(shí)間內(nèi)調(diào)取到最近的能夠滿足救火需求的水成了高層建筑火災(zāi)救援難題。由于目前現(xiàn)有的火場(chǎng)供水調(diào)度控制方法在實(shí)際應(yīng)用中并沒有達(dá)到預(yù)期控制效果，供水量與需求量一致性系數(shù)較小，已經(jīng)難以滿足高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水調(diào)度控制需求。為此，本研究提出了一種新的高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水調(diào)度控制方法。

1 方法設(shè)計(jì)

本文方法主要由三部分組成，首先根據(jù)火場(chǎng)供水調(diào)度控制目標(biāo)建立目標(biāo)函數(shù)，然后根據(jù)火場(chǎng)供水調(diào)度控制需求設(shè)定約束條件，最后結(jié)合約束條件對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，從而設(shè)計(jì)出火場(chǎng)供水調(diào)度控制最優(yōu)策略。

1.1? 建立火場(chǎng)供水調(diào)度控制目標(biāo)函數(shù)

對(duì)于高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水調(diào)度控制，首先需要確立火場(chǎng)供水調(diào)度控制目標(biāo)，切實(shí)保障供水量要滿足火災(zāi)救援需求量，同時(shí)還不能過多浪費(fèi)水資源，因此此次選取高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)最低需水量為目標(biāo)，以高層建筑水箱主閥門控制開度、水泵水壓、水泵轉(zhuǎn)差率以及水泵開關(guān)狀態(tài)為控制變量，建立火場(chǎng)供水調(diào)度控制目標(biāo)函數(shù)如下：

式中，F(xiàn)min表示高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)最低需水量；t表示高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水時(shí)間；wt表示時(shí)間t時(shí)高層建筑水箱的額定供水流量；y表示高層建筑各樓層變速泵的額定供水流量；s表示高層建筑各樓層變速泵的控制決策變量。該變量有0和1兩個(gè)狀態(tài)，0表示高層建筑各樓層變速泵開啟狀態(tài)，1表示高層建筑各樓層變速泵關(guān)閉狀態(tài)[2]。

為了實(shí)現(xiàn)高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水調(diào)度控制節(jié)能，在保證供水量最小的同時(shí)還能確保高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水成本最低，在上述目標(biāo)函數(shù)的基礎(chǔ)上還設(shè)計(jì)了一個(gè)子目標(biāo)函數(shù)，即高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水成本最低。高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水費(fèi)用特指為火場(chǎng)供水過程中消耗的電能，而電能主要消耗在高層建筑各個(gè)樓層泵站水泵和閥門在火災(zāi)處置過程中的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)上，因此將高層建筑水泵和閥門作為火災(zāi)供水調(diào)度控制變量，得出高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水調(diào)度控制子目標(biāo)函數(shù)，用公式表示如下：

式中，fmin表示高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水最小成本；n表示高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)所在樓層；kn表示第n個(gè)樓層供水調(diào)度時(shí)間間隔大小；d表示火場(chǎng)供水調(diào)度時(shí)間段的階梯電價(jià)；x表示高層建筑供水系統(tǒng)的水泵數(shù)量；P表示高層建筑供水系統(tǒng)中水泵效率；a表示高層建筑供水系統(tǒng)的水泵揚(yáng)程，水泵揚(yáng)程主要與任意時(shí)刻高層建筑定速泵轉(zhuǎn)差率以及開關(guān)狀態(tài)相關(guān)；v表示高層建筑供水系統(tǒng)水泵的等效阻尼系數(shù)[3]。表示水泵數(shù)量。利用以上兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)確保高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水量最小和成本最小，以此完成火場(chǎng)供水調(diào)度控制目標(biāo)函數(shù)建立。

1.2? 設(shè)定約束條件

高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水調(diào)度控制過程中，各個(gè)調(diào)度控制指令所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)變量要滿足相應(yīng)的約束條件，因此在已經(jīng)建立的目標(biāo)函數(shù)基礎(chǔ)上，還需要對(duì)目標(biāo)函數(shù)求解設(shè)定約束條件。首先，以高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水調(diào)度時(shí)間周期為單位，對(duì)高層建筑供水系統(tǒng)的初始邊界進(jìn)行約束，要求高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水調(diào)度周期內(nèi)水箱的初始時(shí)段水位與末期時(shí)段水位控制始終相等[4]。其次，已經(jīng)建立的火場(chǎng)供水調(diào)度控制目標(biāo)函數(shù)解要滿足高層建筑供水管網(wǎng)服務(wù)區(qū)域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)自由水壓，要始終滿足最小服務(wù)水頭約束條件，該約束條件用公式表示如下：

式中，Zi表示高層建筑供水管網(wǎng)服務(wù)區(qū)域內(nèi)第i個(gè)水泵節(jié)點(diǎn)的自由揚(yáng)程；mmin表示高層建筑供水管網(wǎng)規(guī)定的最低服務(wù)水頭。

利用上述約束條件對(duì)火場(chǎng)供水調(diào)度控制目標(biāo)函數(shù)解進(jìn)行約束，不僅要滿足該條件，同時(shí)還要滿足火場(chǎng)供水流量約束條件[5]。高層建筑供水系統(tǒng)相對(duì)比較復(fù)雜，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過程中水泵設(shè)備極易出現(xiàn)低效運(yùn)行或者高效運(yùn)行等突發(fā)情況，當(dāng)水泵處于低效運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，水泵內(nèi)的流量無法達(dá)到火場(chǎng)供水需求；而當(dāng)水泵處于高效運(yùn)行時(shí)，水泵內(nèi)的流量會(huì)大于平均供水流量，如果在高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水過程中水泵內(nèi)流量過大會(huì)導(dǎo)致水資源浪費(fèi)，因此通過對(duì)水泵供水流量實(shí)施約束，使高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水始終處于最佳狀態(tài)，該約束條件用公式表示如下：

式中，minR表示高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水流量最小值；R表示高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水流量；maxR表示高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水流量最大值。

最后對(duì)高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水調(diào)度周期內(nèi)水箱水位進(jìn)行約束。由于正常情況下高層建筑水箱水位會(huì)出現(xiàn)放空或者溢流的現(xiàn)象，為了滿足高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水需求，高層建筑水箱水位要滿足在火場(chǎng)供水調(diào)度周期內(nèi)水箱水位始終在最高限值和最低限值范圍之間[6]。除此之外，還設(shè)定了供水水壓的約束條件，供水水壓是高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水調(diào)度控制主要參數(shù)之一，如果水壓過大，高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水過程中水量會(huì)增多，會(huì)造成水資源浪費(fèi)；如果水壓過小，高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水過程中水泵揚(yáng)程無法達(dá)到火災(zāi)救援需求。因此，高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水水壓要始終在最大限值和最小限值范圍內(nèi)，利用以上設(shè)定的約束條件對(duì)火場(chǎng)供水調(diào)度控制目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行約束。

1.3? 實(shí)現(xiàn)火場(chǎng)供水調(diào)度控制

結(jié)合設(shè)定的約束條件，利用ABC算法（人工蜂群算法）對(duì)高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水調(diào)度控制目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算求解，從眾多解中選取出最優(yōu)的控制策略，其過程如下：

首先以蜜蜂食物源的位置作為目標(biāo)函數(shù)解空間中的一個(gè)可能解，假設(shè)目標(biāo)函數(shù)的解集合為N，該集合由n個(gè)火場(chǎng)供水調(diào)度控制策略組成，根據(jù)集合隨機(jī)產(chǎn)生蜜蜂初始種群，從集合N中隨機(jī)挑選一個(gè)解作為初始解。然后蜜蜂開始循環(huán)搜索食物，蜜蜂對(duì)應(yīng)的初始解進(jìn)行一次領(lǐng)域搜索，并使用適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算該解的適應(yīng)度，用公式表示如下：

式中，f（x）表示初始解的適應(yīng)度值；ρ表示蜜蜂按照食物鏈尋找到食物的概率；表示蜜蜂在該食物鏈上的行駛步長(zhǎng)[7]。

利用上述公式計(jì)算出初始解的適應(yīng)度，然后再從中隨機(jī)挑選一個(gè)解，按照上述過程計(jì)算出該解的適應(yīng)度，將其與初始解適應(yīng)度進(jìn)行比較，如果優(yōu)于初始解適應(yīng)度，則將其代替初始解適應(yīng)度。如果小于初始解適應(yīng)度，則保留舊的適應(yīng)度，從集合N中對(duì)下一個(gè)解進(jìn)行計(jì)算。按照上述過程將集合N中所有解進(jìn)行計(jì)算，以適應(yīng)度最高的解作為最優(yōu)解輸出，根據(jù)該解中的閥門動(dòng)作間隔、次數(shù)、水泵水壓、水量等向量數(shù)值作為最優(yōu)控制依據(jù)，執(zhí)行該解對(duì)應(yīng)的火場(chǎng)供水調(diào)度控制策略，以此完成高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水調(diào)度控制。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

為驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水調(diào)度控制方法的可行性，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)設(shè)定在某25層高層建筑中，層高為2.8m，火災(zāi)發(fā)生在12層，供水水箱在25層，每個(gè)樓層有3個(gè)動(dòng)力水泵，3個(gè)閥門開關(guān)，共計(jì)75個(gè)動(dòng)力水泵，75個(gè)閥門開關(guān)。此外，每個(gè)樓層還設(shè)有1個(gè)變速泵，并留有電控接口，實(shí)驗(yàn)利用此次設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法對(duì)該高層建筑火場(chǎng)的火場(chǎng)供水調(diào)度進(jìn)行控制。

實(shí)驗(yàn)根據(jù)該高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水調(diào)度控制需求，建立了目標(biāo)函數(shù)和約束條件，在ABC算法中采用大種群規(guī)模，設(shè)置算法迭代次數(shù)為100，蜜蜂數(shù)量為100只，算法的慣性權(quán)系數(shù)為0.15。

根據(jù)實(shí)際情況，將高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水水泵流量上限和下限設(shè)定為5.16L/s和1.35L/s，高層建筑水箱水位的上限設(shè)定為11.26m，水箱水位的下限設(shè)定為8.48m，水泵水壓上限設(shè)定為3.48MPa，水泵水壓下限設(shè)定為1.86MPa。實(shí)驗(yàn)共對(duì)該高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水調(diào)度控制8次，每次供水量與實(shí)際需求量如表1所示。

實(shí)驗(yàn)對(duì)每次調(diào)度控制數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，利用SFHIA軟件計(jì)算出控制策略執(zhí)行后高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水量與實(shí)際需求量的一致性系數(shù)值，一致性系數(shù)取值范圍為0～1，數(shù)值越大表示供水量與實(shí)際需求量越相符合，火場(chǎng)供水調(diào)度控制精度越高；相反，數(shù)值越小表示高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水量與實(shí)際需求量差距越大，火場(chǎng)供水調(diào)度控制精度越低。

實(shí)驗(yàn)將高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水量與實(shí)際需求量的一致性系數(shù)值作為檢驗(yàn)兩種控制方法的評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用電子表格對(duì)SFHIA軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行記錄。表2為兩種方法應(yīng)用下供水量與需求量一致性系數(shù)對(duì)比表格。

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，應(yīng)用本文方法后，火場(chǎng)供水量與需求量一致性系數(shù)值較大，平均為0.998，說明應(yīng)用此次設(shè)計(jì)的火場(chǎng)供水調(diào)度控制方法，火場(chǎng)供水量基本與需求量一致，不存在供水不足或者供水過多問題。而應(yīng)用傳統(tǒng)方法后，火場(chǎng)供水量與需求量的一致性需求值較小，平均值為0.786，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于本文方法。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文設(shè)計(jì)的高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水調(diào)度控制方法能夠滿足火場(chǎng)供水需求，可以根據(jù)火場(chǎng)用水需求量進(jìn)行準(zhǔn)確供水調(diào)度控制，相比較傳統(tǒng)方法更適用于高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水調(diào)度控制。

3 結(jié)語

此次結(jié)合高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水調(diào)度控制需求，采用ABC算法設(shè)計(jì)了一種新的控制方法，對(duì)高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水調(diào)度周期內(nèi)的水閥開關(guān)、水泵水壓、高程、水量等參數(shù)進(jìn)行控制，并利用實(shí)驗(yàn)證明該方法在高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水調(diào)度控制方面具有較高的可行性和可靠性，有效提高了高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水調(diào)度控制精度，對(duì)實(shí)現(xiàn)高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水節(jié)能降耗，降低高層建筑火災(zāi)的火場(chǎng)供水成本具有重要的現(xiàn)實(shí)研究意義。

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Research on the fire scene water supply

scheduling control method for high-rise building fires

Wang Lei

（Huhhot Municipal Fire and Rescue Brigade Special Firefighting and Rescue Detachment，Inner Mongolia Huhhot? 010010）

Abstract：In the scheduling control of water supply for high-rise building fires， the consistency coefficient between water supply and water demand of the traditional method is low. To address this problem， a new method of fire water supply scheduling control for high-rise building fires is proposed. The control opening degree of the main valve of the water tank of the high-rise building， the water pressure of the pump， the pump turning difference rate and the pump switching state are taken as the control variables， and the objective function is established with the minimum water demand at the fire scene as the target， and then the minimum cost of water supply is taken as the sub-objective function， and the constraints on the parameters such as the initial boundary of the water supply network of the high-rise building， the minimum service head， the water flow rate， the water level of the water tank and the water pressure of the pump are realized by setting the constraints. On this basis， the best mode of fire scene water supply scheduling control of high-rise building fire is sought out to effectively guarantee the effective improvement of the team's ability to fight and win in combat.

Keywords：high-rise building; water supply; scheduling control; objective function; artificial bee colony algorithm