基于路徑優(yōu)化的智能疏散指示系統(tǒng)在商場(chǎng)中的應(yīng)用

張蕓栗，張 良

（1.沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院；2.沈陽(yáng)市市政設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

科學(xué)技術(shù)研究

基于路徑優(yōu)化的智能疏散指示系統(tǒng)在商場(chǎng)中的應(yīng)用

張蕓栗1，張 良2

（1.沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院；2.沈陽(yáng)市市政設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

建立基于路徑優(yōu)化的智能疏散指示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能疏散指示信息動(dòng)態(tài)、即時(shí)的調(diào)整，將以往傳統(tǒng)的就近固定方向疏散的理念，提升為遠(yuǎn)離火災(zāi)源的主動(dòng)疏散理念，使疏散指示實(shí)現(xiàn)了性能化、智能化和聯(lián)動(dòng)控制.與傳統(tǒng)疏散指示系統(tǒng)相比具有較高的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和實(shí)用價(jià)值，對(duì)改變我國(guó)現(xiàn)有人員密集公共建筑消防安全疏散現(xiàn)狀具有非常重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義.

智能疏散；指示系統(tǒng)；路徑優(yōu)化

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，各地相繼建成了一些大型商場(chǎng)、超市，這些大型商場(chǎng)的出現(xiàn)，在給消費(fèi)者帶來(lái)了很大便利的同時(shí)，也給人們帶來(lái)了巨大的安全隱患.如2004年吉林市中百商廈火災(zāi)事故、2010年吉林市商業(yè)大廈火災(zāi)事故、2012年天津市萊德商廈火災(zāi)事故，均造成了大量的人員傷亡.究其原因，是由于商場(chǎng)營(yíng)業(yè)期間安全疏散出口被鎖閉或疏散通道被封堵，人員疏散無(wú)路可逃.成熟的安全疏散指示標(biāo)志系統(tǒng)，良好的疏散秩序和正確的疏散方法起了重要的作用.Dorota L.[1]利用遺傳算法進(jìn)行了客船人員疏散路徑的優(yōu)化，何大志、王長(zhǎng)波、謝步瀛[2]提出了基于幾何學(xué)的人員疏散模型，按照路徑最短的原則確定出了人員疏散的方向和路徑.李晶晶、紀(jì)慶革[3]提出了一種基于遺傳學(xué)來(lái)優(yōu)化疏散路徑問(wèn)題的方法.肖國(guó)清、溫麗敏[4]討論了遺傳算法在人員疏散路徑優(yōu)化中的應(yīng)用，張培紅[5,6]應(yīng)用隨機(jī)理論對(duì)人員疏散路徑優(yōu)化進(jìn)行了初步的探討.

受到蟻群尋找最短路徑的啟發(fā)，20世紀(jì)90年代初意大利的Dorigo M[7].等學(xué)者提出的蟻群優(yōu)化算法，這種用于組合優(yōu)化問(wèn)題具有很強(qiáng)的能力.自適應(yīng)蟻群算法對(duì)傳統(tǒng)蟻群算法進(jìn)行了改進(jìn)，自適應(yīng)地調(diào)節(jié)路徑選擇和更新優(yōu)化策略，大大提高了優(yōu)化求解速度，有利于實(shí)現(xiàn)真正意義上的全局優(yōu)化決策[8-10].疏散人員呈現(xiàn)顯著的趨眾性、自組織性、系統(tǒng)的整體性等行為特點(diǎn)，和蟻群系統(tǒng)具有很多共同的特點(diǎn).因此，利用蟻群算法建立新的疏散路徑優(yōu)化算法，根據(jù)建筑物火災(zāi)時(shí)人員疏散行為規(guī)律和疏散通道通行能力的分析，在實(shí)現(xiàn)人員疏散路徑全局動(dòng)態(tài)優(yōu)化決策基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的疏散誘導(dǎo)，對(duì)實(shí)現(xiàn)大型公共建筑物內(nèi)人員智能疏散，預(yù)防群集踩踏事故和加強(qiáng)公共安全具有非常重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義.

本文利用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言建立基于自適應(yīng)蟻群算法的人員疏散路徑優(yōu)化算法，并實(shí)現(xiàn)算法與消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的集成，建立基于路徑優(yōu)化的智能疏散指示系統(tǒng).根據(jù)消防設(shè)施的動(dòng)態(tài)信息，應(yīng)用人員疏散路徑優(yōu)化算法對(duì)不同火災(zāi)態(tài)勢(shì)下的疏散路徑進(jìn)行及時(shí)優(yōu)化動(dòng)態(tài)的改變疏散標(biāo)識(shí)的指示方向，實(shí)現(xiàn)疏散標(biāo)識(shí)的智能指示.

1 基于路徑優(yōu)化的智能疏散指示系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

基于路徑優(yōu)化的智能疏散指示系統(tǒng)是將人員疏散路徑優(yōu)化算法與消防系統(tǒng)集成，根據(jù)消防設(shè)施的動(dòng)態(tài)信息，應(yīng)用人員疏散路徑優(yōu)化算法對(duì)不同火災(zāi)態(tài)勢(shì)下的疏散路徑進(jìn)行及時(shí)優(yōu)化動(dòng)態(tài)的改變疏散標(biāo)識(shí)的指示方向，實(shí)現(xiàn)疏散標(biāo)識(shí)的智能指示.

1.1 對(duì)人員疏散路徑優(yōu)化算法的改進(jìn)

為了更好的實(shí)現(xiàn)人員疏散路徑優(yōu)化算法與消防系統(tǒng)的集成，對(duì)節(jié)點(diǎn)布置和數(shù)據(jù)庫(kù)建立方面做了如下的改進(jìn).同時(shí)將建筑物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)人員疏散的影響引入算法當(dāng)中，重新定義火災(zāi)時(shí)人員疏散的最優(yōu)路徑.

對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物，節(jié)點(diǎn)的分布不再人為的建立，而是將建筑物內(nèi)所有的疏散標(biāo)識(shí)和影響疏散的消防設(shè)施作為計(jì)算節(jié)點(diǎn).這樣可以很好的實(shí)現(xiàn)與消防系統(tǒng)建立聯(lián)系，直接將聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)中的相關(guān)信息導(dǎo)入數(shù)據(jù)中應(yīng)用即可.其中包括：設(shè)備的坐標(biāo)、設(shè)備的編號(hào)、設(shè)備的機(jī)器號(hào)、設(shè)備的回路號(hào)等.對(duì)于設(shè)有地埋疏散標(biāo)識(shí)的建筑物，探測(cè)器不作為計(jì)算節(jié)點(diǎn)用于路徑的優(yōu)化，而是用于對(duì)建筑物內(nèi)火災(zāi)信息的判斷.將整個(gè)疏散通道上的疏散標(biāo)示和影響路徑通行的消防設(shè)施作為計(jì)算節(jié)點(diǎn)，用于疏散路徑的優(yōu)化.

為了進(jìn)一步減少算法應(yīng)用前的準(zhǔn)備，在程序中新增了一個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)判斷的模塊，用來(lái)自動(dòng)生成相鄰節(jié)點(diǎn)信息并存儲(chǔ)在表中.然而在自動(dòng)生成的過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間通道穿墻等現(xiàn)象，為了避免這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，可以在算法運(yùn)行前在數(shù)據(jù)庫(kù)管理窗口對(duì)個(gè)別計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修改.同時(shí)與探測(cè)器相關(guān)的疏散標(biāo)識(shí)編號(hào)也可以通過(guò)程序自動(dòng)生成.

1.2 人員疏散路徑優(yōu)化算法與消防系統(tǒng)集成的原理及步驟

在人員疏散路徑優(yōu)化算法中加入疏散標(biāo)識(shí)判斷模塊，該模塊根據(jù)算法運(yùn)算得到的最優(yōu)疏散路徑判斷疏散標(biāo)識(shí)的指示方向.加入疏散標(biāo)識(shí)指示方向判別后的人員疏散路徑優(yōu)化算法和消防報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，獲知火警信息，選擇、執(zhí)行相應(yīng)的聯(lián)動(dòng)預(yù)案，完成了從以往消防應(yīng)急燈“就近指引”的原則到現(xiàn)在“安全指引疏散”的原則的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)人員“更安全、更準(zhǔn)確、更迅速”地逃離火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng).

為了實(shí)現(xiàn)人員疏散路徑優(yōu)化算法與消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的集成，建立兩個(gè)可共享的文本文件，一個(gè)用于存儲(chǔ)消防設(shè)施動(dòng)作信息，命名為“FireSensor”.另一個(gè)用于存儲(chǔ)疏散標(biāo)識(shí)信息，命名為“Eva_Marker”.兩個(gè)共享文件用于人員疏散路徑優(yōu)化算法與消防系統(tǒng)信息的傳遞.人員疏散路徑優(yōu)化算法可以通過(guò)FireSensor文件判別當(dāng)前建筑物內(nèi)的火災(zāi)狀態(tài)，同時(shí)確定節(jié)點(diǎn)的通行能力.Eva_Marker文件中存儲(chǔ)了經(jīng)人員疏散路徑優(yōu)化算法判斷后建筑物內(nèi)所有疏散標(biāo)識(shí)的指示方向，消防系統(tǒng)可以根據(jù)文件內(nèi)的指示信息改變疏散標(biāo)識(shí)的指示方向.

正常情況下，建筑物內(nèi)疏散標(biāo)識(shí)的指示方向根據(jù)人員疏散路徑優(yōu)化算法確定的指示方向指示.當(dāng)建筑物內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，首先，火災(zāi)探測(cè)器報(bào)警，消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作.并將發(fā)生動(dòng)作的消防設(shè)施信息存儲(chǔ)到FireSensor文件中.接著算法根據(jù)FireSensor中的信息確定建筑物內(nèi)的火災(zāi)信息，強(qiáng)制與報(bào)警探測(cè)器相關(guān)的疏散標(biāo)識(shí)節(jié)點(diǎn)不能通行，再應(yīng)用人員疏散路徑優(yōu)化算法對(duì)該建筑物進(jìn)行火災(zāi)狀態(tài)人員疏散路徑的優(yōu)化，得到路徑后在對(duì)建筑內(nèi)所有疏散標(biāo)識(shí)的指示方向進(jìn)行判斷，再將得到的指示方向傳遞給Eva_Marke文件存儲(chǔ).最后消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)E-va_Marker文件中的信息及時(shí)的改變建筑物內(nèi)疏散標(biāo)識(shí)的指示方向.集成步驟見(jiàn)圖1.

圖1 人員疏散路徑優(yōu)化算法與消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)集成步驟

2 基于路徑優(yōu)化的智能疏散指示系統(tǒng)在商場(chǎng)中的應(yīng)用

2.1 商場(chǎng)火災(zāi)時(shí)人員疏散的特點(diǎn)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外商場(chǎng)、超市相繼發(fā)生了不少特大火災(zāi)事故近年公眾聚集場(chǎng)所發(fā)生的特大火災(zāi)事故中，商場(chǎng)火災(zāi)發(fā)生起數(shù)、人員傷亡數(shù)以及直接經(jīng)濟(jì)損失都占了極大的比例.從商場(chǎng)火災(zāi)案例中，可以看到商場(chǎng)發(fā)生群死群傷事故主要原因是：商場(chǎng)營(yíng)業(yè)期間安全疏散出口被鎖閉或疏散通道被封堵，人員疏散無(wú)路可逃.

2.1.1 人員活動(dòng)空間大，活動(dòng)集中

一般商場(chǎng)每層的建筑面積都比較大，總建筑面積高達(dá)50000m2以上.比如成都的普爾斯馬特倉(cāng)儲(chǔ)式會(huì)員商場(chǎng)，建筑單層建筑面積為12000m2，營(yíng)業(yè)面積9000m2.且商場(chǎng)中人員流動(dòng)量比較大，活動(dòng)比較集中，尤其是節(jié)假日等購(gòu)物高峰期，情況更甚.據(jù)統(tǒng)計(jì)，如深圳沃爾瑪山姆會(huì)員店，平均客流量每日3.2萬(wàn)人，節(jié)假日一般可達(dá)6.5萬(wàn)人，最高曾超過(guò)8萬(wàn)人.

2.1.2 出口不明顯

由于商家主要意圖是突出商品和賣(mài)場(chǎng)功能，故場(chǎng)內(nèi)布置復(fù)雜，形如迷宮，內(nèi)部設(shè)置大型貨架，這些貨架嚴(yán)重阻礙人的視線，人員在貨架行列中自選商品時(shí)容易迷失方向，很難確認(rèn)疏散方向，更難看見(jiàn)安全出口.

2.1.3 疏散距離過(guò)長(zhǎng)

建筑設(shè)計(jì)中一般在商場(chǎng)的周邊設(shè)置疏散樓梯，中部最不利地點(diǎn)至最近樓梯的直線距離往往超過(guò)30米，如果在貨架之間通行，其折線距離更是大大超過(guò)30米.

商場(chǎng)的安全疏散是確保商場(chǎng)消防安全的關(guān)鍵，無(wú)論是在消防安全設(shè)計(jì)上或是在運(yùn)營(yíng)期間的管理上，保證商場(chǎng)建筑的安全疏散條件有著至關(guān)重要的意義.

2.2 某商場(chǎng)幾何模型及疏散方案的建立

以某商場(chǎng)二層為例，該商場(chǎng)的建筑平面圖如圖2所示.商場(chǎng)二層的建筑面積約為8000m2，將7個(gè)樓梯作為出口，空間模化得到84個(gè)節(jié)點(diǎn)，在建筑物內(nèi)共設(shè)置了36個(gè)疏散標(biāo)識(shí).節(jié)點(diǎn)與疏散標(biāo)識(shí)的分布如圖2所示.圖中圓圈代表消防設(shè)施所在的位置，長(zhǎng)方形代表疏散標(biāo)識(shí)所在地位置.

圖2 商場(chǎng)平面及節(jié)點(diǎn)分布示意圖

該建筑共分為四個(gè)防火分區(qū)，防火分區(qū)劃分如圖3所示.其中1區(qū)有一個(gè)疏散樓梯，2區(qū)有2個(gè)疏散樓梯、一個(gè)扶梯，3區(qū)有三個(gè)疏散樓梯，四區(qū)有一個(gè)疏散樓梯.

圖3 防火分區(qū)示意圖

《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[11]中規(guī)定商店的疏散人數(shù)應(yīng)按每層營(yíng)業(yè)廳建筑面積乘以面積折算系數(shù)和疏散人數(shù)換算系數(shù)計(jì)算，地上商店的面積折算系數(shù)為0.5～0.7，地下商店的面積折算系數(shù)不應(yīng)小于0.7，疏散人數(shù)換算系數(shù)的規(guī)定與《商店建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》[60]的規(guī)定是一致的.而《商店建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.2.5條規(guī)定的疏散人數(shù)換算系數(shù)為，第一、二層0.85人/m2，第三層0.77人/m2，第四層以上各層0.6人/m2.由于該建筑內(nèi)有三個(gè)中庭，所以這里面積折算系數(shù)選0.5，疏散人數(shù)換算系數(shù)取0.85人/m2.

無(wú)火災(zāi)情況下，選取參數(shù)組合α=0.5、β=1，應(yīng)用人員疏散路徑優(yōu)化算法對(duì)該商場(chǎng)進(jìn)行疏散路徑優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)圖5、6.假設(shè)某時(shí)刻4號(hào)樓梯處發(fā)生火災(zāi)，防火分區(qū)Ⅱ與其他防火分區(qū)間的通道不能通行.建筑內(nèi)所有的扶梯停止運(yùn)行且不作疏散用，也就是說(shuō)此時(shí)建筑物內(nèi)的人只能通過(guò)樓梯進(jìn)行疏散逃生.為此建立如下兩種疏散方案：

方案一：不改變疏散標(biāo)識(shí)指示方向.

方案二：智能改變疏散標(biāo)識(shí)的指示方向.

方案一：在不改變疏散標(biāo)識(shí)指示方向的基礎(chǔ)上，人們沿著疏散標(biāo)識(shí)的方向及日常習(xí)慣選擇疏散路線，一旦遇到不能通行的地方則重新選擇逃生路線.正常情況下疏散標(biāo)識(shí)的指示方向如圖4所示，根據(jù)此時(shí)疏散標(biāo)識(shí)指示的方向建立的疏散方案如表1所示.可以看出該方案中樓梯使用的分配是不合理的，過(guò)多的人選擇7#樓梯疏散.這樣就容易在7#樓梯口處造成長(zhǎng)時(shí)間的人員滯留，延長(zhǎng)疏散所用的時(shí)間.

圖4 無(wú)火災(zāi)狀態(tài)下疏散標(biāo)識(shí)的指示方向

表1 不改變疏散標(biāo)識(shí)指示方向時(shí)的疏散方案

方案二：利用人員疏散路徑優(yōu)化算法對(duì)建筑物的疏散路徑進(jìn)行優(yōu)化，并動(dòng)態(tài)的改變疏散標(biāo)識(shí)的指示方向，其智能指示結(jié)果如圖5所示.根據(jù)改變后的指示方向確定疏散方案二，如表2所示，可以看出使用該方案疏散時(shí)，樓梯使用的分配比較合理.

表2 改變疏散標(biāo)識(shí)指示方向時(shí)的疏散方案

圖5 火災(zāi)時(shí)疏散標(biāo)識(shí)智能指示示意圖

5.2.3 某商場(chǎng)火災(zāi)狀態(tài)下人員安全疏散性能化分析

利用大空間復(fù)雜建筑物防火安全計(jì)算機(jī)模擬軟件對(duì)上述兩種人員疏散方案進(jìn)行性能化分析，利用人員安全疏散評(píng)價(jià)系統(tǒng)模擬人員疏散所用的時(shí)間，模擬結(jié)果如圖6所示.

圖6 商場(chǎng)人員疏散動(dòng)態(tài)變化

從圖中可以看出扶梯停運(yùn)時(shí)，疏散標(biāo)識(shí)改變后的方案中人員完成安全疏散的行動(dòng)時(shí)間為150s，疏散標(biāo)識(shí)不改變的方案中人員完成安全疏散的行動(dòng)時(shí)間為218s，可見(jiàn)方案二所用的人員安全疏散時(shí)間比方案一要少一分鐘.所以，疏散標(biāo)識(shí)智能指示能很好的縮短了疏散時(shí)間，降低了火災(zāi)的危險(xiǎn)性.

3 結(jié)論

在商場(chǎng)案例中應(yīng)用基于路徑優(yōu)化的智能疏散指示系統(tǒng)，建立不同的疏散方案.利用大空間復(fù)雜建筑物防火安全計(jì)算機(jī)模擬軟件對(duì)兩種方案的疏散時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè).結(jié)果發(fā)現(xiàn)，方案二（疏散標(biāo)識(shí)動(dòng)態(tài)改變后建立的疏散方案）能很好的分配人員選擇疏散樓梯，不會(huì)出現(xiàn)方案一中多數(shù)人選擇同一疏散樓梯疏散的現(xiàn)象.節(jié)省了安全疏散的時(shí)間，很好的緩解了建筑物內(nèi)樓梯口處的人員滯留現(xiàn)象.

利用基于路徑優(yōu)化的智能疏散指示系統(tǒng)得到不同狀態(tài)下疏散標(biāo)識(shí)的指示方向，動(dòng)態(tài)的改變建筑物內(nèi)標(biāo)識(shí)的指示方向，實(shí)現(xiàn)疏散標(biāo)識(shí)的智能指示.智能指示后，建筑物內(nèi)的疏散樓梯得到了合理的利用，提高了疏散的效率，從而節(jié)省了人員疏散所需的時(shí)間，緩解了建筑物內(nèi)人員的滯留現(xiàn)象，降低了火災(zāi)對(duì)人的傷害.

〔1〕DorotaL，PiotrN．(2001)．Geneticmethod of optimization of evacuation ways in cases the fire growth at ferryboat．IFAC Conference on Control Applications in Marine Systems 2001 (CAMS 2001)，Glasgow，Scotland，UK.

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〔6〕張培紅，陳寶智．人員應(yīng)急疏散隨機(jī)服務(wù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)流模型研究[J]．人類工效學(xué)，2001，7（2）：13～17.

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TP273

A

1673-260X（2017）08-0018-04

2017-04-08

住房城鄉(xiāng)建設(shè)部2016年科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目（2016-R2-070）