基于改進(jìn)RRT算法的室內(nèi)火災(zāi)動(dòng)態(tài)逃生路徑規(guī)劃

張學(xué)鋒，劉 明

（安徽工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032）

在智慧樓宇建設(shè)時(shí)，大型商場(chǎng)、寫字樓等室內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)生火災(zāi)時(shí)如何選擇最佳的逃生路線是智慧樓宇建設(shè)過程中一個(gè)重要的研究課題。隨著智能消防的發(fā)展，在火災(zāi)中不僅要求將被困人員疏散出來，而且還要求減少火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧、高溫等火災(zāi)致死因素對(duì)人員在疏散過程中的傷害。如若有一款能夠?qū)崟r(shí)判斷火勢(shì)及火災(zāi)相關(guān)因素并動(dòng)態(tài)規(guī)劃出逃生路線的系統(tǒng)，將大大降低火災(zāi)逃生疏散的難度，為被困人員帶來寶貴的逃生機(jī)會(huì)。

針對(duì)火災(zāi)逃生路徑規(guī)劃，目前國(guó)內(nèi)外研究者使用的算法有：A Star算法、蟻群算法、Dijkstar算法等。文中則選用RRT算法，此算法對(duì)路徑規(guī)劃時(shí)不需要對(duì)環(huán)境進(jìn)行具體建模，并且對(duì)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景有很好的適應(yīng)性[1]，因此，對(duì)于文中所需的動(dòng)態(tài)逃生路徑規(guī)劃具有適用性。

在火災(zāi)逃生中，對(duì)人危害最大的不僅僅是燒傷，由于室內(nèi)較為封閉的環(huán)境，室內(nèi)火災(zāi)產(chǎn)生的火災(zāi)產(chǎn)物往往更為致命，比如高溫、有毒煙霧等。根據(jù)室內(nèi)火災(zāi)火勢(shì)的變化，可以將火災(zāi)分為三個(gè)階段：初起階段、發(fā)展階段、下降階段，在不同階段中火場(chǎng)的煙霧濃度和火勢(shì)溫度也是不同的[2]。該算法模擬根據(jù)溫度傳感器和煙霧傳感器的數(shù)據(jù)來分析火勢(shì)溫度和煙霧濃度等關(guān)乎逃生的重要因素，將這些因素通過分區(qū)間量化反饋在柵格法構(gòu)建的地圖中，做到快速動(dòng)態(tài)地規(guī)劃出適宜的逃生路線，為火災(zāi)被困人員爭(zhēng)取寶貴的逃生機(jī)會(huì)[3]。

1 火災(zāi)因素分析及環(huán)境搭建

1.1 影響火災(zāi)逃生疏散的因素

文中主要考慮有害氣體和高溫兩種因素，在實(shí)際建筑中都裝有煙霧警報(bào)器和火災(zāi)報(bào)警器，可以分別反映有害氣體是否超標(biāo)和溫度是否超標(biāo)，為逃生者規(guī)劃逃生路徑從而能夠避開這些危險(xiǎn)區(qū)域，減少人員傷亡。

在單層建筑內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，要想安全的逃出建筑不僅僅是找到出口這么簡(jiǎn)單。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，火災(zāi)中致死率最高的并不是燒傷，而是吸入大量有害氣體，火災(zāi)中致死率最高的氣體是一氧化碳，因此，在逃生中通過煙霧警報(bào)器判斷火災(zāi)煙霧大小是否允許逃生通過顯得十分重要。

火場(chǎng)中在燃燒不同可燃物時(shí)會(huì)釋放出不同的有毒氣體，這將直接影響逃生者的生命安全，如果逃生人員在不知情的情況下，貿(mào)然通過這些有毒氣體區(qū)域，可能導(dǎo)致當(dāng)場(chǎng)昏迷。表1[4]列出火場(chǎng)中主要的有毒有害氣體，其中火災(zāi)可通過濃度將直接影響逃生路徑的規(guī)劃。

表1 有害氣體的可通過濃度

在室內(nèi)火災(zāi)中，特別是一些大型的室內(nèi)場(chǎng)所由于通風(fēng)相對(duì)不暢和可燃物有限，火勢(shì)不會(huì)一直強(qiáng)烈，隨著火勢(shì)的變化火災(zāi)可大致分為初起階段、發(fā)展階段和下降階段。通過圖1中室內(nèi)火災(zāi)溫度變化曲線可以看出，逃生的最佳時(shí)期是在A-B點(diǎn)這段火災(zāi)初起階段，火勢(shì)范圍較小，被困人員應(yīng)抓緊時(shí)間逃生；B-G點(diǎn)為火災(zāi)發(fā)展階段，大量空氣進(jìn)入，更多的可燃物被點(diǎn)燃，隨時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生轟燃現(xiàn)象，這段時(shí)間逃生會(huì)十分危險(xiǎn)；G點(diǎn)之后為下降階段，溫度逐漸降低，如果幸存者仍然安全的話可以繼續(xù)逃生[5]。

圖1 室內(nèi)火災(zāi)溫度變化曲線

在火災(zāi)初期階段，溫度可以瞬時(shí)達(dá)到很高的水平，經(jīng)研究人體雖然在高溫下具有一定的耐受時(shí)間，但是隨著溫度指數(shù)型增長(zhǎng)，留給逃生人員的時(shí)間并不多。人體在一定溫度范圍內(nèi)可通過性見表2。

表2 區(qū)域溫度可通過范圍

1.2 火災(zāi)產(chǎn)物分區(qū)間量化

文中改進(jìn)RRT算法引用一些火災(zāi)系數(shù)公式，使得該算法更加適用于火災(zāi)場(chǎng)景的路徑規(guī)劃，將火災(zāi)產(chǎn)物中的煙霧濃度、火勢(shì)大?。ㄍㄟ^環(huán)境溫度來判斷）通過公式進(jìn)行分區(qū)間量化。將火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧和高溫量化后替換為RRT算法中隨機(jī)樹擴(kuò)展的步長(zhǎng)，讓改進(jìn)后的RRT算法更加適用于文中的火災(zāi)動(dòng)態(tài)逃生路徑規(guī)劃。

1.2.1 火災(zāi)產(chǎn)物影響系數(shù)

分別引入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)煙霧濃度、溫度對(duì)疏散的影響系數(shù)fij（ρv），fij（T），從而計(jì)算影響被困人員逃生的火災(zāi)產(chǎn)物影響系數(shù)Mij（t）。

1.2.2幾何長(zhǎng)度

將任意柵格之間的距離定義為幾何長(zhǎng)度，記作L（gi，gj）或L（p（xi，yi），p（xj，yj））。L（gi，gj）由以下公式確定

式中，gi，gj分別表示第i和第j個(gè)柵格；L（p（xi，yi），p（xj，yj））中p（xi，yi），p（xj，yj）分別表示gi，gj的直角坐標(biāo)。

1.2.3 當(dāng)量長(zhǎng)度（動(dòng)態(tài)步長(zhǎng)）

由于被困人員在逃生過程中需要避開濃煙和高溫，所以幾何空間上兩點(diǎn)最短距離并不總是適合逃生路徑。因此，引入當(dāng)量長(zhǎng)度Dij（t），將當(dāng)量長(zhǎng)度作為RRT算法中隨機(jī)樹擴(kuò)展的最大步長(zhǎng)，從而減少碰撞檢測(cè)的次數(shù)，優(yōu)化RRT算法中隨機(jī)樹擴(kuò)展的效率，為逃生人員避開煙霧警報(bào)器和溫度警報(bào)器不允許通過的區(qū)域，公式如下

式中Mij（t）為t時(shí)刻在火場(chǎng)中火災(zāi)產(chǎn)物影響系數(shù)；Lij為柵格i和j的幾何長(zhǎng)度。

1.3 改進(jìn)RRT算法原理

快速擴(kuò)展隨機(jī)樹（RRT）是在指定的工作環(huán)境中，從起始點(diǎn)以節(jié)點(diǎn)搜索的方式不斷探索到終點(diǎn)的一種路徑規(guī)劃算法，可以應(yīng)用在完整系統(tǒng)與非完整性系統(tǒng)中，為高維復(fù)雜環(huán)境的機(jī)器人路徑規(guī)劃提供一種新的解決方案[6]。但是傳統(tǒng)的RRT在含有大量障礙物或者狹小的工作空間時(shí)，該算法的收斂速率會(huì)大幅度下降。并且傳統(tǒng)的RRT算法具有一定的隨機(jī)性，使得最終生成的路徑并非是最優(yōu)解[7]。文獻(xiàn)[8]提出一種針對(duì)狹窄通道的RRT－Connect算法，避免擴(kuò)展大量無用的節(jié)點(diǎn)，與原始RRT－Connect算法相比，有效地提高了路徑規(guī)劃的效率；文獻(xiàn)[9]為了增加RRT節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展的效率，引入目標(biāo)偏向和氣味擴(kuò)散的策略，讓隨機(jī)樹在生長(zhǎng)的過程中更加偏向目標(biāo)點(diǎn)；文獻(xiàn)[10]提出了RP－RRT*算法，引入人工勢(shì)場(chǎng)算法，并和RRT算法結(jié)合；文獻(xiàn)[11]提出了改進(jìn)RRT－Connect算法，在目標(biāo)點(diǎn)和起始點(diǎn)中間選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)，三個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行隨機(jī)樹生長(zhǎng)，搜尋路徑；文獻(xiàn)[12]優(yōu)化了改進(jìn)RRT算法中隨機(jī)樹生長(zhǎng)的方向，讓隨機(jī)樹的生長(zhǎng)更偏向目標(biāo)點(diǎn)，增加算法收斂的效率[13]。

文中為了更加適用于火災(zāi)逃生的路徑規(guī)劃，創(chuàng)新地引入動(dòng)態(tài)的隨機(jī)樹擴(kuò)展步長(zhǎng)。通過模擬煙霧警報(bào)器和溫度警報(bào)器的數(shù)據(jù)改變，再使用公式對(duì)其進(jìn)行分區(qū)間量化，實(shí)現(xiàn)RRT算法中隨機(jī)樹擴(kuò)展時(shí)更新最大步長(zhǎng)長(zhǎng)度，此改進(jìn)可以使隨機(jī)樹在擴(kuò)展時(shí)不大于不可通過區(qū)域的半徑長(zhǎng)度，從而減少碰撞檢測(cè)的次數(shù)，提高搜索火災(zāi)逃生路徑的效率[14]。文中改進(jìn)RRT算法的擴(kuò)展方式如圖2所示。

圖2 改進(jìn)RRT算法的擴(kuò)展方式

在RRT算法中Xnew是由Xnear向Xrand擴(kuò)展一定步長(zhǎng)得到，公式如下

其中，ε為上文模擬出的動(dòng)態(tài)步長(zhǎng)，d（Xrand，Xnear）為Xrand和Xnear之間的距離。

文中根據(jù)煙霧濃度、火災(zāi)的大小因素通過公式（1）進(jìn)行加權(quán)，模擬出在現(xiàn)實(shí)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，隨著煙霧濃度和溫度高低來動(dòng)態(tài)改變柵格地圖和RRT算法中隨機(jī)樹擴(kuò)展的最大步長(zhǎng)長(zhǎng)度，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的逃生路徑規(guī)劃。

改進(jìn)RRT算法完整的迭代搜索方法的流程圖，如圖3所示。

圖3 改進(jìn)RRT算法流程圖

1.4 柵格法搭建室內(nèi)地圖

文中以某高校逸夫樓二樓室內(nèi)平面地圖為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過柵格法建立該場(chǎng)景的地圖，右下角為火災(zāi)被困人員，左上角為消防通道出口，如圖4所示。

2 改進(jìn)RRT算法在火災(zāi)逃生的應(yīng)用

2.1 未發(fā)生火災(zāi)情況下的安全疏散

在未發(fā)生火災(zāi)情況下，柵格地圖中無動(dòng)態(tài)障礙節(jié)點(diǎn)，疏散人員只要是繞過靜態(tài)障礙節(jié)點(diǎn)，找到疏散出口即可。通過改進(jìn)RRT算法運(yùn)算的結(jié)果所示，算法規(guī)劃的路徑和建筑內(nèi)固定的消防指定的逃生路徑基本一致，如圖5所示。

圖4 根據(jù)實(shí)際地圖構(gòu)建的柵格法地圖

圖5 未發(fā)生火災(zāi)時(shí)的逃生路徑

2.2 火災(zāi)初期的逃生路徑規(guī)劃

火災(zāi)初期階段，隨著煙霧警報(bào)器和溫度警報(bào)器的響起，建筑物內(nèi)的人員應(yīng)抓緊時(shí)間疏散。此時(shí)柵格地圖立刻模擬傳感器的數(shù)據(jù)確定起火點(diǎn)（如柵格地圖右下角第三間房間），添加動(dòng)態(tài)障礙節(jié)點(diǎn)，提醒疏散人群避開著火點(diǎn)和煙霧濃度較高的區(qū)域[15]。初期階段火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧和高溫對(duì)人群的疏散影響不大，疏散人員根據(jù)算法規(guī)劃的路徑跑到左上角消防出口，如圖6（a）所示。

2.3 火災(zāi)發(fā)展階段的逃生路徑規(guī)劃

火災(zāi)發(fā)展階段，隨著空氣的進(jìn)入和更多可燃物被點(diǎn)燃，如圖6（b）所示，整個(gè)房間都被火勢(shì)和濃煙包圍，逃生通道變窄。此時(shí)柵格地圖模擬傳感器數(shù)據(jù)換算成當(dāng)量長(zhǎng)度，更新逃生地圖中的動(dòng)態(tài)障礙節(jié)點(diǎn)（如柵格地圖右側(cè)）[16]。為逃生者避開火勢(shì)和濃煙，規(guī)劃出適宜逃生的路徑。

2.4 火災(zāi)下降階段的逃生路徑規(guī)劃

在火勢(shì)下降階段，轟燃已經(jīng)結(jié)束，隨著室內(nèi)空氣流通不暢和可燃物燃燒殆盡，火勢(shì)開始下降，此時(shí)火災(zāi)產(chǎn)生的大量有毒且高溫的濃煙最為致命，這時(shí)可通過的逃生通道被壓縮得越來越窄，柵格地圖更新動(dòng)態(tài)障礙節(jié)點(diǎn)（如柵格地圖右側(cè)）[17]，如圖6（c）所示。

圖6 火災(zāi)動(dòng)態(tài)逃生路徑規(guī)劃圖

2.5 不同階段火災(zāi)逃生路徑數(shù)據(jù)分析

根據(jù)火災(zāi)三個(gè)階段的逃生路徑的數(shù)據(jù)分析可以得出，在進(jìn)行火災(zāi)逃生路徑動(dòng)態(tài)規(guī)劃的過程中，初期階段和發(fā)展階段算法運(yùn)行時(shí)間和隨機(jī)樹擴(kuò)展的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)都較少，且每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散程度較低。但隨著火勢(shì)的發(fā)展，下降階段的逃生環(huán)境十分苛刻，算法運(yùn)行時(shí)間和隨機(jī)樹擴(kuò)展的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)都有所增加，且每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散程度相較有所升高。對(duì)于實(shí)驗(yàn)所得的最終逃生路徑，初起階段和發(fā)展階段穩(wěn)定在52～55 m區(qū)間，下降階段由于逃生環(huán)境嚴(yán)苛，導(dǎo)致可通過的區(qū)域十分有限，所以最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定在50 m左右，見表3。

表3 動(dòng)態(tài)火災(zāi)逃生路徑數(shù)據(jù)分析表

如圖7所示，火場(chǎng)中不同階段的逃生路徑，火災(zāi)初起階段和發(fā)展階段路徑相對(duì)較長(zhǎng)，火災(zāi)下降階段由于可通過空間狹小，所得路徑相對(duì)較短。由圖8所示搜索時(shí)間和隨機(jī)樹節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)基本相互對(duì)應(yīng)?？梢娝阉鞯臅r(shí)間越長(zhǎng)，隨機(jī)樹擴(kuò)展的節(jié)點(diǎn)更多。

圖7 不同階段逃生路徑長(zhǎng)度散點(diǎn)圖

圖8 不同階段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

此實(shí)驗(yàn)對(duì)于在非火災(zāi)和火災(zāi)三個(gè)階段的情況下，分別進(jìn)行模擬，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能根據(jù)火場(chǎng)中煙霧警報(bào)器和溫度警報(bào)器的數(shù)據(jù)，分析兩種火災(zāi)致死因素，達(dá)到模擬實(shí)時(shí)更新火場(chǎng)數(shù)據(jù)，為火災(zāi)逃生人員避開濃煙和高溫區(qū)域，增加逃生人員的生還概率[18]。

通過對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境下的3種情況分析可知，在不同情況下，隨著火勢(shì)的發(fā)展，煙霧濃度、溫度不斷增大，疏散的路徑會(huì)根據(jù)其影響動(dòng)態(tài)改變，可以快速規(guī)劃出逃生路線，達(dá)到智能疏散的目的。研究表明，文中所用的改進(jìn)RRT算法在某高校逸夫樓二樓動(dòng)態(tài)逃生路徑規(guī)劃中具有良好的使用價(jià)值[16]。

3 結(jié)語

（1）模擬火災(zāi)發(fā)生過程中煙霧和溫度的變化來進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)于實(shí)際的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，可以根據(jù)煙霧警報(bào)器和溫度檢測(cè)器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行真實(shí)的火災(zāi)逃生路徑規(guī)劃，達(dá)到實(shí)時(shí)地更新火場(chǎng)情況，讓逃生人員避開火災(zāi)產(chǎn)物的危險(xiǎn)區(qū)域，增加火災(zāi)生還概率[19]。

（2）隨著智慧樓宇的建設(shè)，更加智能的火災(zāi)逃生系統(tǒng)也必不可少，文中都是基于室內(nèi)二維的情況下進(jìn)行模擬，未來可以整個(gè)大樓為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，將二維逃生路徑規(guī)劃提升為三維的逃生路徑規(guī)。讓該系統(tǒng)能夠在實(shí)際的火災(zāi)環(huán)境下將逃生路徑規(guī)劃得更加合理、人性化，為智慧樓宇提供有價(jià)值的高層火災(zāi)疏散方案。