基于醫(yī)療功能分區(qū)的消防疏散路徑多目標優(yōu)化研究

引言

在城市化進程的強力推動下，醫(yī)療建筑規(guī)模呈持續(xù)擴張態(tài)勢，醫(yī)院功能區(qū)域的復雜化直接導致消防疏散工作的難度與日俱增。當火災等突發(fā)情況發(fā)生時，醫(yī)療建筑不僅要確保普通人員的快速撤離，還需將病患的生命安全置于首位，特別是重癥患者、老年群體及行動不便人員的安全轉移。由于醫(yī)療建筑內部功能分區(qū)的特殊性會顯著影響疏散路徑的設計與實施，因此開展基于功能分區(qū)的疏散路徑優(yōu)化研究，成為提升消防安全水平的核心課題。本文構建了一種基于功能分區(qū)的多目標優(yōu)化模型，力求在多元目標間達成有效平衡，從而顯著提升醫(yī)療建筑的消防疏散效率，切實保障患者與工作人員的生命安全[1]。

一、醫(yī)療建筑功能分區(qū)與消防疏散現(xiàn)狀

（一）醫(yī)療建筑的功能分區(qū)

醫(yī)療建筑功能分區(qū)的復雜性顯著增加了消防疏散路徑規(guī)劃難度。以病房區(qū)、手術區(qū)、急診區(qū)、醫(yī)技檢查區(qū)及后勤區(qū)為代表的核心功能區(qū)域，在人員構成、建筑結構與設備配置上存在顯著差異，衍生出多樣化的疏散需求與目標。例如，病房區(qū)因集中收治大量行動不便的患者，疏散設計需精準匹配患者數(shù)量與身體狀況，優(yōu)先規(guī)劃平緩、無障礙的撤離路線，并預留充足的輔助轉運時間；手術區(qū)需兼顧患者生命體征監(jiān)測設備的移動需求，要求疏散路徑具備高度靈活性與快速響應能力，確保醫(yī)療救治與人員轉移同步進行；急診區(qū)作為人員流動密集的關鍵區(qū)域，需著重考慮突發(fā)人流的快速分流，通過設置多出口導向標識、優(yōu)化通道寬度等措施，實現(xiàn)緊急狀態(tài)下的高效疏散。因此，只有立足各功能區(qū)的使用特性，制定差異化、精細化的疏散路徑設計方案，才能在火災等緊急事件中實現(xiàn)人員的安全、快速撤離，最大限度地降低損失[2]

（二）醫(yī)療建筑的消防疏散現(xiàn)狀

當前，醫(yī)療建筑消防疏散設計仍多依賴傳統(tǒng)的安全規(guī)范與建筑法規(guī)，隨著醫(yī)院規(guī)模持續(xù)擴張、建筑結構日趨復雜，傳統(tǒng)設計的局限性愈發(fā)明顯。傳統(tǒng)設計在規(guī)劃疏散路徑時，常忽視建筑功能分區(qū)特性與人流密度差異，導致在緊急情況下難以形成最優(yōu)疏散方案。例如，傳統(tǒng)設計往往以最短距離為單一導向，既未考慮病房區(qū)病患行動受限、手術區(qū)設備轉移需求等特殊情況，也未區(qū)分人員疏散優(yōu)先級，致使疏散過程中出現(xiàn)路徑?jīng)_突、高密度區(qū)域擁堵等問題，顯著降低疏散效率。在醫(yī)療建筑功能復合化、人員構成多元化的背景下，單一疏散路徑設計已無法滿足復雜場景需求。因此，亟須基于多目標優(yōu)化理念，緊密結合醫(yī)療建筑各功能區(qū)的實際需求，重新規(guī)劃消防疏散路徑[3]。

二、消防疏散路徑優(yōu)化模型

（一）優(yōu)化目標的設定

在醫(yī)療建筑消防疏散設計環(huán)節(jié)，優(yōu)化目標要全面顧及建筑的復雜形態(tài)、病患的特殊需求、人員的安全保障以及疏散效率指標。為達成在突發(fā)火災等緊急場景下高效、安全地完成疏散，本研究設定四個關鍵優(yōu)化目標。

1.最短疏散時間

在醫(yī)療建筑消防疏散優(yōu)化中，最短疏散時間是保障病患與工作人員生命安全的核心目標，尤其在突發(fā)火災時，實現(xiàn)快速撤離意義重大。醫(yī)院建筑功能分區(qū)繁多、人員密集，疏散過程中的任何時間延誤都可能造成嚴重后果。為實現(xiàn)這一目標，疏散路徑設計需優(yōu)先確保危險區(qū)域人員迅速撤離，特別是病房區(qū)、手術區(qū)等高風險區(qū)域。病房區(qū)內重癥患者及行動不便人員眾多，疏散需兼顧特殊照護需求；手術區(qū)要求疏散過程中不中斷手術，避免患者的二次傷害。因此，優(yōu)化疏散時間不能單純追求路徑最短，需綜合考量建筑布局、人員分布、病患健康狀況等多維因素[4]。

2.最小化病患風險

在醫(yī)療建筑疏散路徑優(yōu)化中，將病患風險降至最低是核心要務。由于病患健康狀況直接決定疏散策略的制定，醫(yī)院內重癥患者、術后康復者及行動不便人群等特殊群體與普通人員疏散需求存在顯著差異。因此，必須優(yōu)先規(guī)劃專屬疏散路線。在火災發(fā)生時，手術區(qū)患者因醫(yī)療設備依賴，病情特殊，病房區(qū)患者因行動受限，需專業(yè)護理，撤離過程不僅耗時更長，需更多人力、物力輔助，常規(guī)疏散路徑難以滿足其特殊需求。因此，在路徑設計環(huán)節(jié)，需將特殊群體撤離需求置于首位，確保疏散過程既安全又及時。針對重癥病患，應規(guī)劃獨立疏散通道，并配備必要的醫(yī)療設備以保障轉運安全；對于行動不便人群，需設計寬敞、無障礙且路線連貫的通道，避免因路徑狹窄、曲折影響撤離效率。

3.路徑資源的最大化利用

在醫(yī)院復雜的建筑結構中，實現(xiàn)路徑資源最大化利用的核心在于科學配置與動態(tài)調度疏散通道、出口等資源，避免因資源錯配導致疏散低效或人員擁堵。醫(yī)院雖設有多條疏散通道與出口，但受限于設計寬度和數(shù)量，如何確保各通道負荷處于安全承載范圍內，成為疏散優(yōu)化設計的關鍵。在火災發(fā)生時，病患與工作人員需通過這些通道撤離，若設計不合理，極易引發(fā)局部通道堵塞，致使人員滯留[5]。因此，路徑資源的最大化利用不能僅著眼于路徑長度，還需依據(jù)各區(qū)域人員密度與疏散需求靈活調整路徑選擇。

4.疏散通道的負荷平衡

疏散通道的負荷平衡是優(yōu)化疏散路徑的關鍵目標之一。在火災突發(fā)時，疏散路徑與通道常出現(xiàn)負荷不均問題，部分通道可能因超負載引發(fā)堵塞，顯著降低人員疏散速度。為實現(xiàn)負荷平衡，在設計疏散路徑時需合理調配各通道負荷，避免單一通道因使用過度造成擁堵。醫(yī)院不同功能區(qū)人流特性差異顯著，急診區(qū)人員流動性強、瞬時流量大，病房區(qū)以行動不便的病患為主、流動速度慢，手術區(qū)因人員密集且需兼顧醫(yī)療設備轉移，對通道通行效率要求更高。因此，疏散通道規(guī)劃需充分考量各區(qū)域特性，依據(jù)人員分布密度與流動規(guī)律動態(tài)分配負荷。通過優(yōu)化通道布局、實時監(jiān)測人流數(shù)據(jù)并調整引導策略，確保各通道在疏散過程中負荷均衡，有效防范局部擁堵，保障整個疏散過程平穩(wěn)、有序進行。

（二）優(yōu)化變量與約束條件

在優(yōu)化醫(yī)療建筑消防疏散路徑時，核心變量涵蓋疏散路徑選擇、病患分布狀態(tài)與建筑結構配置三大要素。病患位置直接影響通道選擇，與建筑結構布局、通道寬窄、出口數(shù)量等緊密關聯(lián)。針對病患分布，需綜合考量各區(qū)域病人數(shù)量、病種特性及特殊護理需求。醫(yī)院功能分區(qū)差異顯著，手術區(qū)需兼顧手術設備轉移，急診區(qū)面臨人流瞬時激增，病房區(qū)以行動不便患者為主，因此必須依區(qū)域特性靈活調整疏散策略。同時，建筑結構實際限制作為關鍵約束條件，如通道最大承載量、空間連接方式等，極大地限定了疏散路徑選擇范圍。具體而言，疏散通道的人員容納上限、樓層病患密度分布、疏散門有效寬度等均為優(yōu)化過程中不可逾越的邊界條件[6]。

三、多目標優(yōu)化算法與模型求解

（一）遺傳算法（GA）

遺傳算法（GA）作為一種高效的優(yōu)化方法，通過模擬自然選擇與遺傳機制，在處理復雜非線性多目標優(yōu)化問題中表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢[7。在醫(yī)療建筑消防疏散路徑優(yōu)化中，GA通過模擬“種群”競爭與進化過程，能夠從海量疏散路徑組合中探尋全局最優(yōu)解。在醫(yī)療場景中，GA可綜合考量疏散時間、病患需求、路徑負荷、區(qū)域密度等多元因素，實現(xiàn)靈活路徑搜索。面對醫(yī)院復雜的建筑布局，GA能針對病房區(qū)、手術區(qū)、急診區(qū)等功能分區(qū)的獨特需求，動態(tài)調整疏散路徑，規(guī)避疏散瓶頸。通過構建精細化的醫(yī)院功能分區(qū)模型，GA可高效篩選各類路徑組合，提高疏散效率，尤其在人員高密度區(qū)域或火災突發(fā)的緊急情況下，顯著提升疏散速度與安全性，為醫(yī)療建筑內人員的快速、有序撤離提供科學的算法支撐。

（二）模擬退火算法（SA）

模擬退火算法（SA）是一種全局優(yōu)化算法，其核心思想源于對物質退火過程中逐步降溫現(xiàn)象的模擬，通過引入隨機性，避免算法陷入局部最優(yōu)解[8]。SA在處理高維度、高復雜性的多目標優(yōu)化問題時優(yōu)勢顯著，尤其適用于醫(yī)療建筑疏散路徑優(yōu)化中涉及的非線性特征與多重約束條件。該算法通過逐步降低搜索“溫度”，在初始階段允許接受較差解以擴大搜索空間，隨著“溫度”遞減逐漸聚焦于全局最優(yōu)解。在醫(yī)療建筑疏散路徑優(yōu)化場景中，SA能夠高效應對路徑?jīng)_突、功能區(qū)域復雜關聯(lián)及多重約束等難題。以病房區(qū)和手術區(qū)為例，針對病房內行動不便患者的轉運需求與手術中醫(yī)療設備的同步撤離要求，SA可通過動態(tài)調整搜索參數(shù)（如降溫速率、初始溫度），優(yōu)先滿足緊急撤離需求，在確保病患生命安全的同時，規(guī)避通道擁堵。隨著“溫度”逐步降低，算法在疏散時間、病患安全與路徑負荷之間不斷尋優(yōu)，最終達成多目標平衡的最優(yōu)解決方案，為醫(yī)療建筑在緊急狀況下的人員安全、有序撤離提供科學的算法支持。

（三）優(yōu)化模型的求解與驗證

為破解醫(yī)療建筑消防疏散路徑的多目標優(yōu)化難題，本研究融合模擬退火算法（SA）與遺傳算法（GA），構建適用于醫(yī)療場景的多目標優(yōu)化模型[9。該模型以疏散時間最小化、負荷平衡、病患安全最大化為核心自標，通過對醫(yī)院功能分區(qū)（如病房區(qū)、手術區(qū)、急診區(qū)）、疏散通道參數(shù)（寬度、承載量）、人員分布特征（密度、行動能力）及疏散優(yōu)先級（重癥患者優(yōu)先、設備轉運需求）的精細化建模，在建筑結構約束（通道連接關系、出口數(shù)量）下生成最優(yōu)疏散路徑方案[10]?；趯嶋H醫(yī)院數(shù)據(jù)的驗證結果表明，優(yōu)化后的疏散路徑顯著提升了整體效率。模型通過動態(tài)平衡多目標需求，在保障病患安全（尤其是行動不便群體）的同時，有效避免了“瓶頸”通道的形成。此外，模型可根據(jù)不同功能分區(qū)的實時需求（如樓層病患密度變化），動態(tài)調整路徑策略，實現(xiàn)緊急狀態(tài)下疏散效率的最大化。研究結果證實，該多目標優(yōu)化模型為醫(yī)療建筑消防安全管理提供了科學、高效的技術方案，具有顯著的實際應用價值。

結語

本文基于構建醫(yī)療功能分區(qū)的消防疏散路徑多目標優(yōu)化模型，通過融合遺傳算法與模擬退火算法，有效地解決了醫(yī)療建筑復雜結構下的消防疏散難題。實驗結果表明，該模型在提升疏散效率、縮短人員疏散時間的同時，能夠在多疏散目標的相互關系中找到最佳平衡點。鑒于醫(yī)療建筑的復雜性與多樣性，模型的適用性和普適性仍需進一步驗證。后續(xù)研究可考慮納人建筑內設備設施、火災類型等更多約束條件，以進一步增強模型的精準度和實用性。

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