智能疏散指示系统的疏散路线生成技术

智能疏散指示系统的疏散路线生成技术　ｊ硝酶瓣簿碡襄ｉ　侯玉成　，刘玉宝　，梅志斌　，吴小川　（１．陕西省消防总队，陕西西安７１００１８；２．公安部沈阳消防研究所，辽宁沈阳１１００３４）　摘要：依据安全疏散的基本原则包括疏散路线基本原　则、有序疏散原则、整体快速原则等，结合典型火灾场景和建筑　空间结构，提出了常态和应急两种情况下的智能疏散指示系统　的疏散路线指示要求，并开发了智能疏散指示系统的疏散路线　生成算法，通过工程验证，疏散路线计算准确，使用效果良好。　关键词：疏散指示系统；疏散路线；Ｆｌｏｙｄ算法　中图分类号：Ｘ９２４．４。ＴＵ８９２　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００９—００２９（２Ｏ１４）０１—００８９—０３　随着社会经济的快速发展，复杂建筑数量越来越多，　火灾风险也呈现上升趋势。这些建筑物在火灾或其他紧　急情况下，首要的问题是人员的安全疏散。此类建筑由　于使用功能的需要，可能出现以下情况：防火分区面积　大、建筑疏散距离长且复杂、疏散宽度不足等而向相邻防　火分区借用安全出口、各安全出口分布不均衡、首层疏散　楼梯未直通室外等，并且，这些建筑内人员密集，大多对　疏散路线不熟悉，火灾时人员安全疏散更为困难。　目前，作为弥补复杂建筑疏散设计不足的增强性消　防设施配置，智能疏散指示系统的应用逐渐广泛。这种　系统将以往传统疏散指示系统与火灾发生位置无关的固　定方向引导理念，提升为远离火灾的安全方向引导、合理　快速疏散理念，使火灾现场人员疏散更加科学合理。这　种疏散指示系统都是集中控制型疏散指示系统，它可与　火灾自动报警系统实现协同联动，对提高我国复杂建筑　消防安全疏散水平有着非常重要的意义。　迄今为止，国内已有数十家企业开发出智能疏散指　示系统，这些系统虽然都满足了国家标准ＧＢ　１７９４５—　２０１Ｏ《消防应急照明和疏散指示系统》的基本要求，但在　工程应用中的性能表现不一。有的缺乏疏散路线优化算　法的支持，仅在系统硬件上实现了改变指示方向的功能，　疏散路线缺乏全路径安全性；有的没有和建筑空间布局　紧密关联，不能实现科学合理的疏散路线动态全局优化。　因此，目前在复杂建筑工程应用中的部分集中控制型疏　散指示系统，虽然自称为智能疏散指示系统，但在火灾发　生时并非一定能发挥安全、合理、高效的引导作用，甚至　可能将疏散路线错误地指向火灾危险区域，进而形成严　重的消防安全隐患。　如何依据安全疏散的基本原则及疏散路线指示的要　求，结合典型火灾场景和建筑空间结构，建立智能疏散指　示系统的疏散路线生成算法，是开发智能疏散指示系统　消防科学与技术２０１４年１月第３３卷第１期　的一项关键技术。　１　智能疏散指示系统的疏散路线设计原则及依据　（１）疏散路线安全原则。当火灾发生时，火灾区域内　人员要迅速判断火势的来源，朝与火势趋向相反的方向　逃生，避免盲目做出错误的疏散方向选择。该疏散原则　要求智能疏散指示系统在火灾发生时疏散路线指示方向　正确，从而保证疏散行动的安全、快速、顺利。　（２）有序疏散原则。确认火灾后，火灾警报装置和消　防应急广播启动，人员经预动作时间开始疏散，这时同一　疏散路线上人员的疏散行动应保证方向一致，否则可能　产生逆流而导致拥堵。该原则要求智能疏散指示系统应　急指示应及时联动，且任何一条疏散路线上各类疏散指　示标志灯具应协同指示，不应存在矛盾指向。　（３）整体快速原则（就近与均衡兼顾）。复杂建筑的　防火分区一般情况下有多个安全出口，应急疏散时应综　合考虑疏散距离、出口宽度、路线通行难易程度以及人员　属性与分布等影响因素，合理引导人员向各个安全出口　均衡疏散，避免一味就近疏散导致选择同一出口的人员　过多而引发等待排队时间延长。该原则要求智能疏散指　示系统应合理设置和指示，以引导人流缩短整体疏散时　间，提高整体疏散效率。　智能疏散指示系统的疏散路线设计还应该考虑建筑　空间布局信息和典型场景信息。建筑空间布局信息包　括：安全出口的位置、数量；疏散走道类型（袋形走道、双　向走道、环形走道、交叉路口等）；疏散宽度；部分建筑占　地面积较大，在疏散设计中，部分疏散楼梯首层出口为直　通室外；疏散宽度可能存在不足或者分布不均衡，出现防　火分区相互借用安全出口的情况；防烟分区设计，如挡烟　垂壁和建筑横梁的设计等。　典型场景主要包括以下方面：一是火灾位置，包括疏　散通道、安全出口、开敞式营业区、亚安全区、防火分区分　隔处等；二是烟气蔓延速度，烟气蔓延速度较烟气温度上　升速度快，水平方向扩散对人员安全疏散的威胁最大，烟　气的水平扩散速度约为０．３～０．８　ｍ／ｓ；三是人员受限疏　散速度，当人群密度ｐ一１．０人／ｍ　左右时，水平疏散速　度为　一１．３　ｍ／ｓ；当．０—２．０人／ｍ。左右时，水平疏散速　度为　一０．７　ｍ／ｓ；当ｐ一５．３８人／ｍ。左右时，人流迁移流　动完全处于停滞状态，水平疏散速度为　一０．０　ｍ／ｓ。　２智能疏散指示系统的疏散路线指示要求　根据疏散路线设计的基本原则，结合目前智能疏散　８９　指示系统的工程应用现状，研究不同场景的实际情况，笔　者提出了智能疏散指示系统的疏散路线指示要求。　２．１　常态指示（未发生火灾时）要求　同一防火分区内，疏散路线一般应按照就近疏散的　原则确定，当各安全出口的位置、宽度（或人员密度）分布　明显不均衡时，可按照以下方式计算得出。　计算从灯具所在位置到可能利用的安全出口或者疏　散楼梯的当量距离，选择当量距离小的方向指示。如图１　所示，灯具距离安全出口Ｅ　、Ｅ　的当量距离按式（１）、式　（２）计算。　Ｉ　ｉ　｜　图ｌ灯具距离安全出口的当量计算不例图　Ｌ　×　＋Ｌｚ×　，１、　Ｍｉｎ（Ｗｌ，Ｗ，，Ｗ　）　Ｌ　×　＋Ｌ　×　，。、　～　丽　式中：Ｌ　为某段疏散通道的实际长度；ｗ　、Ｗ　为安全出　口Ｅ。、Ｅ　的净宽度；Ｗ　－－Ｗ　、Ｗ　分别为疏散通道的最小　净宽度；　～　分别为疏散通道的通行难易程度系数，通　行难易程度系数依据平直通道、上楼梯、下楼梯、上坡、下　坡等情况取不同值。　若　。≤　，则灯具的指示方向为安全出口Ｅ。方向；　若　。＞　，则灯具的指示方向为安全出口Ｅ　方向。　计算某灯具所在位置到安全出口时，若经过通道的　路况，即通行难易程度系数发生变化，则应分别取相邻通　道的实际长度和通行难易程度系数进行计算。　２．２应急指示（发生火灾时）要求　火灾发生时，根据不同场景和建筑结构，疏散路线的　确定应按照安全快速的原则设计，以下要求针对不同具　体情况，给出一般要求，若出现其他特殊情况，应综合考　虑，保证整体的安全性和疏散效率。　（１）首警防火分区内，当首警探测区域位于或邻近疏　散走道、安全出口时，相关疏散路线的疏散方向指示应远　离火灾，避免疏散行动受烟气蔓延过程影响。　（２）当首警探测区域位于首层未直通室外疏散楼梯　间出口，且该疏散楼梯间无其他安全出口时，各楼层相关　疏散路线不应通往该疏散楼梯间。　（３）着火防火分区内，后续火灾报警不应改变已完成　的疏散路线应急指示，避免出现人员按应急疏散路线撤　离时，突然改变疏散路线方向，造成人员恐慌或逆流。　（４）当相邻防火分区存在安全出口相互借用的情况　时，所有相邻防火分区的相关疏散路线不应指示通往首　警防火分区。　９ｎ　（５）手动火灾报警按钮报警不应改变着火防火分区　内疏散路线，因为手动报警按钮的位置不一定是火灾实　际发生的位置，而且往往位于疏散通道内。　３疏散路线生成算法　建筑物火灾中最优疏散路线的计算，实质上就是计　算安全的最短疏散时间，即每个疏散人员尽量选择最短　的疏散路线，但要考虑整体疏散效率，实现全局优化。最　短路径问题是图论中的经典问题，计算算法有几十种，它　们在空间复杂度、时间复杂度、易实现性及应用范围等方　面各具特色。为实现智能疏散指示系统的疏散路线生　成，笔者采用了改进的Ｆｌｏｙｄ（弗洛伊德）算法进行计算。　Ｆｌｏｙｄ算法是一种用于寻找给定的加权图中顶点问　最短路径的算法，通过一个图的权值矩阵计算出其每两　点间的最短路径矩阵。Ｆｌｏｙｄ算法与其他图的最短路径　生成算法（Ｄｉｊｋｓｔｒａ、ＳＰＦＡ、Ｂｅｌｌｍａｎ—ｆｏｒｄ等）相比，其优点　是：可计算出任意两个节点间的最短距离和路径，代码编　写较简单，对于稠密图计算效率较高，实用性较强。　笔者将安全出口、消防应急标志灯具抽象为Ｆｌｏｙｄ　算法中图的节点；疏散通道抽象为图的路径；通过疏散距　离、疏散宽度、通行难易程度计算灯具到安全出口的当量　距离，从而确定疏散路线上灯具的指示方向，采用邻接矩　阵作为存储的数据结构。　图２和图３分别为智能疏散指示系统在常态和应急　时生成的疏散路线。　图２常态疏散路线　４疏散路线合理性验证　为验证软件生成的疏散路线的合理性，笔者通过　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ＥＸＯＤＵＳ软件进行模拟验证。　通过Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ＥＸＯＤＵＳ软件计算，此软件生成的疏　散路线能够比现有疏散路线缩短疏散时间１Ｏ　～２Ｏ　。　以某购物中心的一个防火分区为例，此防火分区共有５　个安全出口，分布在防火分区的四角。Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ＥＸＯ—　ＤＵＳ软件未优化前平均分配各个安全出口的吸引度，正　常计算疏散时间为１７３　Ｓ，评测软件生成的疏散路线指示　如图４所示，Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ＥＸＯＤＵＳ软件按此调整后，各个安　Ｆｉｒｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊａｎｕａｒｙ　２０１４，Ｖｏｌ　３３，Ｎｏ．１　全出口的吸引度如图５所示，计算的疏散时间为１４８　Ｓ，　疏散时间缩短１４．４５　。采用均衡疏散的设计原则能够　缩短整体的疏散时间，从而提高疏散效率。　图３应急疏散路线　了智能疏散指示系统安全、合理、高效的引导作用。　参考文献：　Ｅｌｉ　ＧＢ　１７９４５—２０１０，消防应急照明和疏散指示系统Ｅｓ］．　［２］刘博，刘玉宝，吴小川．浅谈智能疏散指示系统软件的设计原则［Ｊ］　消防科学与技术，２０１２，３１（３）：３０３—３０５．　［３］ＧＢ　５ＯＯ１６—２００６，建筑设计防火规范ＥＳ］．　［４］陈曦．人员疏散速度模型综述［Ｊ］．安防科技，２０１０，１０（３）：４６—４８．　Ｅｖａｃｕａｔｉｏｎ　ｐａｔｈ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｅｖａｃｕａｔｉｏｎ　ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ＨＯＵ　Ｙｕ—ｃｈｅｎｇ　，ＬＩＵ　Ｙｕ—ｂａｏ　，　图４　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ＥＸＯＤＵＳ生成疏散路线指示图　ＭＥＩ　Ｚｈｉ—ｂｉｎ　。ＷＵ　Ｘｉａｏ—ｃｈｕａｎ　（１．Ｓｈａａｎｘｉ　Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｆｉｒｅ　Ｂｒｉｇａｄｅ，Ｓｈａａｎｘｉ　Ｘｉ’ａｎ　７１００１８，　Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｆｉｒｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　ＭＰＳ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１　１００３４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ｓａｆｅｔｙ．ｅｖａｃｕａｔｉｏｎ，　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｅｖａｃｕａｔｉｏｎ　ｐａｔｈ，ｏｒｄｅｒｌｙ　ｅｖａｃｕａｔｉｏｎ，　ｂｅｉｎｇ　ｑｕｉｃｋｌｙ　ｏｖｅｒａｌｌ，ａｎｄ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｆｉｒｅ　ｓｃｅｎｅ　ａｎｄ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｓｐａｔｉａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｉｎ—　ｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｅｖａｃｕａｔｉｏｎ　ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｎｄｅｒ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｎｏｒ　ｅｒａｌ　ａｎｄ　ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ，ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｅｖａｃｕａｔｉｏｎ　ｐａｔｈ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｏｆ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｅｖａｃｕａｔｉｏｎ　ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｅｎｇｉ—　ｎｅｅｒｉｎｇ　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｃａｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｅ　ａｅ—　图５优化后的Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ＥＸＯＤＵＳ吸引度示意图　ｃｕｒａｔｅｌｙ，ａｎｄ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｗｅｌ１．　另外，通过若干性能化设计工程实例、２Ｏ余处特定　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｖａｃｕａｔｉｏｎ　ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ；ｅｖａｃｕａｔｉｏｎ　ｐａｔｈ；　火灾场景计算，未发现计算的疏散路线指向火灾危险区　Ｆｌｏｙｄ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　域的情况，即未出现软件计算错误的情况。　５　结束语　作者简介：侯玉成（１９６８一），男，陕西省消防总队　笔者开发了智能疏散指示系统的疏散路线生成算　防火监督部工程师，理学学士，主要从事建筑防火方面　法，将安全疏散的基本原则、智能疏散指示系统的指示要　的监督与研究工作，陕西省西安市未央区凤城二路１５　求、建筑空间结构及典型火灾场景有机结合，通过工程模　号，７１００１８。　拟验证，疏散路线计算准确，使用效果良好，进一步发挥　收稿日期：２０１３—０８—２７　９１　消防科学与技术２０１４年１月第３３卷第１期