基于建筑空間模型的大型工業園區內保安巡邏系統研究

呂淑賢 黃錳鋼 崔真源

(1.韓國延世大學生活學院居住環境專業;2.韓國延世大學土木環境工程學院)

基于建筑空間模型的大型工業園區內保安巡邏系統研究

呂淑賢1黃錳鋼2崔真源1

(1.韓國延世大學生活學院居住環境專業;2.韓國延世大學土木環境工程學院)

城市犯罪和公共安全是最重要的城市公共問題之一。作為產學研載體的大型工業園區大量的興起，隨之而來的園區內犯罪活動也日益增多。基于建筑信息模型(BIM)，結合閉路電視監控系統(CCTV)以及工業園區內的警衛巡邏，是一個有效預防犯罪的方法。在固有大型工業園區環境基礎上，本文提出了一個大型工業園區內保安巡邏系統的數學模型。根據現有區內建筑物及車道、人行道等的分布，經過定量分析，獲得空間的可視性、接近性和本征性，找出園區內防犯薄弱點，針對防范薄弱區域增添CCTV，確定保安的巡邏路徑。最后通過基因遺傳算法，對保安巡邏路徑進行拓撲優化，得出最佳巡邏路徑。通過文中的案例分析，本文所提出的模型可有效的預防大型工業園區內的犯罪發生，并大大提高了分析的效率。

大型工業園區;建筑信息模型;通過環境設計預防犯罪;保安巡邏系統;基因遺傳算法;閉路電視監控系統

1 引言

1.1 通過環境設計預防犯罪的簡介

現代的犯罪問題主要是一種城市現象。在我國，隨著城市化進程的不斷加速，大量的農村人口涌入城市，使城市犯罪躍居整體犯罪的首位，而農村犯罪已不再占據主要地位。在城市，高價值的物質財富很容易獲得，以及大城市匿名生活的方式使得對財富的監督變得困難。這些因素都不同程度地刺激了城市犯罪率的急速上升，而增長的相當大比率的犯罪發生在城市居住區。只有社區安全得到保障，人們才能安居樂業。如果居住的城市區犯罪發案率高，人們就會缺少安全感，大城市的人可以接受市區某些場所不安全的現實，例如娛樂區。為了降低受害風險，他們回避這些地方或者只是偶爾特別警惕地進入這些地區。但是，當住宅及其周圍環境都不再安全時，整個社會結構就有動蕩的危險。因此，必須確保城市居住環境的安全，使之免受犯罪侵害。

紐曼［1］認為犯罪的發生是人與環境相互作用的結果，而環境所提供的刺激與誘導經常處于主導地位，因此，要改變個人行為，首先要改變環境。在某種程度上，環境設計能夠影響犯罪的發生和人們的安全感，它雖然不能預防所有的犯罪問題，但是可以消除某些誘發犯罪的因素，并為營造一個安全的環境創造條件，尤其是運用在社區預防犯罪方面。通過環境設計預防犯罪(Crime Prevention Through Environmental Design)(簡稱CPTED)策略于國外已倡議多年。此策略是透過妥善的地區環境規劃設計，增加竊盜者犯案時的困難及風險，并降低犯案報酬以減少犯案機會的預防策略。

簡·雅各布［2］是最早研究城市空間如何影響犯罪模式且對往后的研究產生較大影響的學者。雅各布提倡開放的、可滲透的社區空間，強調傳統的、充滿活力的“穿越性街道”形式對于社區生活的重要作用。1971年杰斐利［3］在《通過環境設計預防犯罪》中首先使用CPTED一詞，引發對空間環境中犯罪及犯罪恐懼現象的更為廣泛而深入的研究。他提出了兩個著名理論:生物社會的學習理論和社會疏離理論。紐曼［1］所提出的“可防衛空間”是該理論從理論研究走向實用的分界，它較系統的論述了環境與社區犯罪之間的關系，對建筑設計，后續研究以及政府制定政策等方面產生了巨大的影響。在1996年，75名來自相關行業的建筑師規劃師、警員、安全顧問在加拿大召開第一屆大會，并成立國際協會(ICA)［4］。ICA認為恰當的設計和對物質環境的有效使用可以減少犯罪并降低人們對犯罪的恐懼感，從而改進生活質量。ICA繼承了“可防衛空間”理論的主要觀點并吸收了“情景犯罪預防”的若干原則而形成并處在不斷發展完善之中。近年來，Bill Hillier與 S.SHU［5］開辟了城市空間與犯罪的新視角。他們利用“空間句法(Space Syntax)”復雜的圖式與數字技術，來研究空間構成，運動和土地使用之間的關系，從而進一步研究住宅區的犯罪模式。在國外，關于犯罪的設計已經有所發展，而在國內，目前關于預防或減少犯罪設計的研究卻比較初步。袁曉芬［6］以大連市地區為例，對我國城市居住區的安全性進行了研究。將實例研究分為城市整體性研究和居住區的空間構成特征研究兩部分。研究結果肯定了空間環境因素對于居住安全的間接作用，并提出了我國安全居住區的空間設計導則。

1.2 本文主要研究內容

在通過環境設計預防犯罪方面，以前的研究［1-6］大多集中于居民住宅區的安全設計。隨著社會主義經濟的發展，作為產學研的載體，大型工業園區正在大量的興起。隨之而來的，工業園區內的犯罪活動日益增多。工業園區內的安全設計也變得十分重要。閉路電視(CCTV)監控與工業園區內的警衛巡邏是預防犯罪的主要手段之一。在針對大型工業園區的環境設計與安全規劃研究的基礎上，本文提出了一個大型工業園區內保安巡邏的數學模型。首先根據BIM信息獲取的園區內構筑物的分布及車道、人行道等信息的分布，經過定量分析空間的可視性、接近性、本征性找出防犯薄弱部分，針對防范薄弱部分來確定保安巡邏路徑。最后通過基因遺傳算法，對警衛巡邏路徑進行拓撲優化，確定了最佳的巡邏路徑。

以前的研究者［1-6］所做的關于通過環境預防犯罪的研究多為定性的研究，本文的原創點在于將通過環境設計預防犯罪(CPTED)同建筑信息模型(BIM)的結合，一定程度上實現了對于通過環境設計預防犯罪進行定量化研究的目的。利用建筑信息模型中包含的建筑物各組成部分的幾何尺寸、建筑物之間空間位置關系、光照分析、場地路徑等信息，結合遺傳算法等數學優化方法，優化保安巡邏路徑，建立了一個基于建筑信息模型的定量化的數學模擬系統，進而達到通過環境預防犯罪的目的。

2 工業園區的安全現狀和保安巡邏系統的開發

2.1 工業園區的安全現狀

隨著工業園區面積的逐步擴大，企業越來越多，園區內治安形勢日趨復雜，社會穩定和日常管理就顯得尤為重要。但在實際情況中，日常工作和管理中卻存在不少問題，主要表現在:

(1)保衛人員管理體制混亂。保衛人員處置突發事件的能力弱。各單位現有的保衛人員，沒有通過必要的專業訓練和培訓，遇有緊急情況和突發事件，處置能力相當有限。

(2)安全保衛措施不健全。對于突發的偷盜搶劫事件，應急反應慢并且采取措施的效率低下，尤其對于空間比較復雜的大型工業園區，更需要考慮警衛巡邏的時間和路線，提高應對突發事件的效率。為切實加強園區內的治安防范和管理，打造平安穩定工業園區，需要加強監測技術和模擬保安巡邏選擇路線的仿真系統。

2.2 保安巡邏系統

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)是利用數字模型對項目實施設計、施工和運營的過程［7］。這個過程的結果就是集成了所有建筑構件幾何信息、空間關系、材料特性、地理信息、以及項目的工期計劃、量價數據、維護管理等建筑全生命周期相關信息的BIM模型(Building Information Model)。同時，在使用開放的數據標準的基礎上，BIM可以解決規劃、設計、施工以及維護管理等各項目階段之間，各項目參與方之間的信息共享困難、信息流失以及重復建模等問題。BIM模型中所包含的建筑空間關系和地理信息為本文基于環境空間設計的犯罪預防研究提供了準確可靠的信息基礎。

綜合犯罪預防系統包括環境功能設計評價系統、CCTV設置評價系統、保安巡邏路線評價3個部分。如圖1所示:(1)環境功能設計評價系統包括車道和人行道的建設布局和位置，如分析位置的能見度、交通、流動空間，通過定量分析間發現的空間薄弱點;(2)CCTV監控系統可以設置在剛剛評估的薄弱點處，根據環境功能設計，考慮CCTV放置的位置;(3)保安巡邏作為一種預防犯罪的方式，應對突發的緊急事件以及完成日常的保安任務。

對于空間分析，由于 GPS、Internet、Web等相關的數字化技術的應用發展已經發生了巨大的變化，相關的空間信息技術直接或者間接的都在自己的應用領域有著一定程度的發展。圖2給出了空間信息技術的發展情況，包括具體技術及技術方向兩個方面。

工業園區保安巡邏綜合安全系統，是時間與空間兩個方面的數據庫和地理信息系統建模，以及現有的城市數據、數字化模型、衛星照片、建筑圖紙(DWG格式Real)的合成建模與城市的可視化［8］。如圖3所示，工業園區保安巡邏綜合系統包含各種層次的信息，例如空間地理信息、交通系統信息和建筑組成信息等。

圖1 綜合犯罪預防系統的構成

在獲取城市信息與建筑信息后，通過空間可視化分析公共空間的安全區域和危險區域。視覺可視化分析的基本原理如圖4所示，從一個視點出發，將工業園區的建筑空間分為可視區和非可視區兩個部分。

下面以工業園區的一部分作為例，對其進行保安巡邏路徑的模擬仿真和路徑選取的優化組合。

圖5是部分工業園區的平面圖(該部分工業園區的長為450米，寬為250米)。該平面圖由三個部分構成:建筑物A，B，C，D，綠化和道路等公共空間。通常盜竊搶劫等犯罪活動多發生在一些安全措施薄弱和可視化程度低的公共空間內。對于建筑物臨近草地的部分，由于沒有道路，通常通過添加CCTV(閉路電視監視系統)來實現對于建筑物安全的實時監控。

圖6給出了部分的安全區域和危險區域(可視化程度低)的示意圖。通常，安全區域由兩部分構成:可視化區域和行人較多的區域;危險區域由三部分構成:可視化較差的區域、行人較少的區域和光線比較差的區域。

圖4 視覺可視化可行性概念圖

圖5 部分工業園區的平面圖

圖6 部分的安全區域和危險區域的示意圖

圖7 以序號的形式標出的該工業園區內的危險區域

圖7以序號的形式標出了該工業園區內的危險區域。這些危險點可以作為保安巡邏的參考路徑。由圖7所示，共存在24個危險點。按照排列組合的原理，共存在24的階乘條巡邏路徑。我們當前的任務是在所有的路徑之中，找出一條最優的路徑。按照一般的窮舉法，該計算過程遠遠超出了普通計算機的計算能力，所以需要合適的數學模型算法來解決當前的問題。

2.3 遺傳算法簡介

遺傳算法(Genetic Algorithm)是一類借鑒生物界的進化規律(適者生存，優勝劣汰遺傳機制)演化而來的隨機搜索方法。它是由美國的J.Holland［9］教授首先提出，其主要特點是直接對結構對象進行操作，不存在求導和函數連續性的限定;具有內在的隱并行性和更好的全局尋優能力;采用概率化的尋優方法，能自動獲取和指導優化的搜索空間，自適應地調整搜索方向，不需要確定的規則。遺傳算法的這些性質，已被人們廣泛地應用于組合優化、機器學習、信號處理、自適應控制和人工生命等領域。

如圖8所示，遺傳算法的基本運算過程［10-12］如下:

a)初始化:設置進化代數計數器i=0，設置最大進化代數T，隨機生成M個個體作為初始群體P(0)。

b)個體評價:計算群體P(i)中各個個體的適應度。

c)選擇運算:將選擇算子作用于群體。選擇的目的是把優化的個體直接遺傳到下一代或通過配對交叉產生新的個體再遺傳到下一代。選擇操作是建立在群體中個體的適應度評估基礎上的。

d)交叉運算;將交叉算子作用于群體。所謂交叉是指把兩個父代個體的部分結構加以替換重組而生成新個體的操作。遺傳算法中起核心作用的就是交叉算子。

e)變異運算:將變異算子作用于群體。即是對群體中的個體串的某些基因座上的基因值作變動。群體P(i)經過選擇、交叉、變異運算之后得到下一代群體P(i+1)。

f)終止條件判斷:若i＞T，則以進化過程中所得到的具有最大適應度個體作為最優解輸出，終止計算。

2.4 采用遺傳算法拓撲優化保安巡邏路徑

采用2.3節所述的基因遺傳算法，以距離最短的巡邏路徑為優化目標，對保安的巡邏路徑進行拓撲優化。拓撲優化的過程和結果在圖9、圖10、圖11和圖12中給出。圖9中所示為危險點的位置圖。危險點由三部分構成:可視化較差的區域、行人較少的區域和光線比較差的區域;圖10中所示為危險點之間的距離矩陣，每一個危險點與其本身之間的距離為0;圖11給出了距離最短的巡邏路徑，該巡邏路徑中的點的次序依次為［11 19 18 17 24 23 22 21 20 16 15 14 12 13 6 5 4 1 2 3 7 8 9 10］，最短的巡邏路徑為1347.87米;圖12給出了迭代求解過程。由圖8所示，隨著迭代次數的增加，計算的保安巡邏路徑的長度趨近于常數［9-11］，該常數即為最短的保安巡邏路徑。

圖12 迭代求解過程

以上事例是對大型工業園區的一角進行保安巡邏系統路線的模型。如圖13所示，現實中真實的工業園區要復雜得多，但是通過本文所建立的保安巡邏的安全系統，能自動算出并模擬出到達園內任何一點的最佳路線，并通過CCTV能實時監測到人流較少的危險區的安全情況。

CCTV實時監測的工作原理如圖14所示。CCTV系統在默認情況下，將信息轉換成電信號，通過錄制視頻輸入，將轉換后的電信號傳輸到遠程控制的傳輸單元，發送到視頻信號的顯示部分。

中大型CCTV系統集成可以進行獨立安裝控制。每個部門視頻的錄制、播放的要求或信息，由圖像分析和處理加工設備確認，進而對視頻進行錄制、播放、處理。圖像處理單元負責處理閉路電視系統。通過對保安巡邏路線的優化以及CCTV監測系統的設置，可以提高空間的可見度，最大程度地實現通過環境設計模擬仿真預防犯罪的發生，可以節約時間并提高效率。

3 結論

本文提出了一個大型工業園區內保安巡邏系統的數學模型。以大型工業園區的一部分為例，闡述了該系統的建模以及模擬的過程。首先根據現有園區內建筑物的分布及車道、人行道等的分布，經過定量的分析空間的可視性、接近性、本征性來判斷防犯薄弱部分，針對防范薄弱部分來確定保安的巡邏路徑。最后通過基因遺傳算法，對保安巡邏路徑進行拓撲優化，確定了最佳的保安巡邏路徑。和本文中所舉的例子相比，現實中真實的工業園區要復雜得多，但是基本的建模方法和模擬過程類似，只是計算量有所增加。通過本文所建立的保安巡邏的安全系統，能自動算出并模擬出到達園內任何一點的最佳路線，并通過CCTV能實時監測到人流較少的危險區的安全情況。通過對保安巡邏路線的優化并結合CCTV監測系統的設置，最大程度地實現通過環境設計模擬仿真來預防犯罪的發生，節約時間并提高效率。

［1］ Newman，Oscar.Defensible Space:Crime Prevention through Urban Design.New York:Macmillan，1972.

［2］Jacobs，Jane.The Death and Life of Great American Cities，London:Jonathan Cape.1962.

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［4 ］ http://www.cpted.net/.

［5］Bill Hillier and Simon Shu.Design forsecure space，Planning in London，Issue 29，36-38，1999.

［6］袁曉芬.我國城市居住區的安全性研究—以大連市地區為例，大連理工大學碩士學位論文，2008.

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［8］ Perry Pei-Ju Yang，Simon Yunuar Putra，Wenjing Li.Viewsphere:a GIS-based 3D visibility analysis for urban design evaluation.Environment and Planning B:Planning and Design 2007，volume 34，pages 971-992.

［9 ］ J.Holland.Adaptation in Natural and Artificial Systems，Springer，1975.

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［11］ Willett P.“Genetic algorithms in molecular recognition and design”.Trends in Biotechnology 13(12):516-521，1995.

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The Research of the Guard Patrol System in Large Industrial Park

Lu Shuxian1，Huang Menggang2，Choi Jinwon1

(1.Department of Housing and Interior Design，Yonsei University，Korea;
2.School of Civil＆ Environmental Engineering，Yonsei University，Korea)

The crime and public safety in urban life is one of the most important public urban issues with the development of social market economic.As the large industrial parks which are the centers of industry-academic-research are significantly built，the crime prevention in these large industrial parks becomes more and more important.Closed-circuit television and guard patrol system are the major methods to prevent the crime through environment design.On the basis of environmental design and safe planning of large industrial park，this paper presents a mathematical model on the guard patrol system of large industrial park.Firstly，according to the distributions of buildings，roads，and sidewalks，the weak regions(relatively un-safe regions)can be obtained through the quantitative analysis of visibility，accessibility，and characteristic in the current site.Then，the track points of guard patrol system can be confirmed according to these weak regions.Finally，through the genetic algorithm，the tracks of guard patrol system are topologically optimized，and the best optimized guard patrol track is obtained.The case study illustrates the efficiency and accuracy of the proposed method.

Large Industrial Park;Building Information Modeling(BIM);Crime Prevention Through Environment Design(CPTED);Guard Patrol System;Genetic Algorithm(GA);Closed-circuit Television(CCTV)

TU984.13

A

1674-7461(2011)01-0006-07

呂淑賢(1981-)，女，博士研究生。主要研究方向:以BIM信息為基礎的建筑室內外空間設計，數字化城市設計等計算機輔助建筑設計方法。E-mail:sara_icerose@hotmail.com