基于Matlab層次分析法的建筑火災人員安全疏散系統研究

劉淑金，朱國慶，張 磊

（1.中國礦業大學安全工程學院，江蘇 徐州，221116；2.中國礦業大學煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室，江蘇 徐州，221116；3.中國礦業大學消防工程研究所，江蘇 徐州，221116）

在建筑火災中，人員安全疏散與人員的生命安全直接相關。人員能否安全疏散主要取決于疏散到安全區域所用時間的長短。人員疏散時間由報警時間、人員反應時間和人員疏散運動時間組成。人員疏散時間既要考慮建筑物結構和人員疏散距離等環境因素，又要考慮處于火災緊急情況下人員的自然狀況和人員心理及行為特征。

物聯網引發了新一輪信息產業浪潮，已被廣泛應用于各個領域。而GIS擅長處理物聯網中傳輸的空間數據和屬性數據，因此物聯網技術的廣泛應用為地理信息技術的發展提供了機會，同時物聯網借助GIS也強化了自身的信息管理水平。目前，GIS和物聯網技術在火災預警、防火監督等諸多方面得到了初步的應用［1］。本文利用GIS和物聯網技術的優勢互補功能，實時掌握建筑內部情況，并運用Matlab層次分析法評價建筑火災各疏散路徑的優劣，以提高人員疏散效果。

1 建筑火災人員安全疏散系統總體結構

物聯網作為一項新技術，可實現物品自動化的可見性和可測量性，實時高分辨率地捕捉信息，并進行性能信息的分析。物聯網的自動化、高運行效率、準確性、靈活性，尤其適用于建筑消防的智能管理和信息服務。GIS融合了數據庫技術、圖形學技術和計算機技術，可利用計算機系統軟件、GIS軟件和應用分析程序，并結合地理數據庫，對接收信息進行空間領域的處理［2］。基于GIS和物聯網技術的建筑火災人員安全疏散系統整體結構如圖1所示［3］。

圖1 建筑火災人員安全疏散系統整體結構圖Fig.1 Overall structure of personnel evacuation system for building fire

該人員安全疏散系統整體設計為：①利用傳感器采集被監控環境的參數信息，如溫度、CO濃度、光密度、比流量等；②各傳感節點的信息經無線傳感網絡匯集傳輸到監測指揮中心，利用GIS強大的信息分析和處理功能對數據進行處理；③根據數據處理結果，一旦確認建筑物內發生火災，啟動相應的消防系統，為火災中人員疏散創造條件，指揮人員迅速撤離。

2 火情探測與信息傳輸

2.1 傳感器布局

在監測區域內布置大量的微型傳感器，如溫度傳感器、CO傳感器、光密度傳感器、人體紅外傳感器等，其體積微小，安裝靈活性高。其中，非接觸式溫度傳感器可測量溫度場的溫度分布，其測量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，且分辨率高；電化學CO傳感器可連續監測建筑物內CO濃度，具有精度高、穩定可靠、使用方便、功耗低等特點。在商城內走廊、疏散通道和面積超過100m2的店鋪內安裝傳感器（溫度、CO、光密度傳感器），主要采用正方形安裝方式，邊長為10m。同時，根據人體身高，負責采集溫度、CO濃度、光密度的傳感器應安裝在距離地面高度為2m處；人體紅外傳感器應安裝在疏散通道兩側，安裝間隔為5m，距離地面高度為1.2m處。

假設通道的寬度為B、長度為L，在疏散通道中均勻部署n個人體紅外傳感器，每隔Δt時間傳感器測一次人員比流量，其結果見表1。

表1 不同時間的人員比流量Table 1 Specific personnel discharge at time t

對表1數據進行分析，可得到一個擬合函數關系式，即通道寬度B取1m時，通道中的人數關于時間和所處位置的函數關系式為

則通道內（l2－l1）段處平均人員密度為

上式中：ρ為平均人員密度（人/m2）；Q總為t時刻疏散通道中（l2－l1）段處的人數（人）；S為疏散通道中（l2－l1）段處的面積（m2）；Q（l，t）為t時刻、B＝1m時，疏散通道中（l2－l1）段處的人數（人）；l1、l2為人員離安全出口的距離（m），0＜l1＜l2≤L；q（l，t）為隨t、l變化的比流量函數［人/（m·s）］。

2.2 信息傳輸

無線傳感網絡是物聯網的核心技術，其結構如圖2所示。傳感節點是網絡的基本節點，負責環境狀態數據的采集和分析。每個傳感器都有一個編碼，互不重復，與系統中的網絡地址一一對應［4］。傳感器采集數據后會自動搜索設備的網絡地址，將信息傳輸給匯聚節點。每個傳感網絡都要有一個網關，用以連接傳感網絡和外部傳輸網絡，并通過網關把收集到的信息傳輸到監控中心。采用計算機技術，將傳感器獲得的溫度、CO濃度、光密度、人員比流量等火災信號加以整合，使系統信息更加準確、充分。

圖2 無線傳感網絡結構圖Fig.2 Structure of the wireless sensor network

3 建筑火災人員安全疏散系統路徑選擇

目前，GIS主要被應用于大區域地理信息的分析處理，可借助GIS對空間形體位置關系的描述能力和數據庫信息，建立建筑火災人員安全疏散系統。該系統可接收傳感器獲取的監測點信息（如溫度、光密度、CO濃度等），調用數據庫信息（如建筑平面圖、建筑屬性和功能、火災增長模型、煙氣的危害性等），判定起火地點，分析火情的擴散。建筑火災時人員疏散是一種非常復雜的群體行為，由于各種因素的影響，容易造成人員疏散路徑沖突，而運用Matlab層次分析法可解決人員疏散路徑選擇這一關鍵問題［5—6］，并通過廣播、照明、疏散標志等手段，指揮人員撤離火場，輔助消防隊員滅火救援。

3.1 Matlab層次分析法

由傳感器測得的數據，利用GIS軟件，可以以圖形方式表征不同時刻和不同地點建筑物內煙氣的流動、建筑物內能見度變化、建筑物內人員密度等情況［7］。因此，據此可以詳細地了解火災時建筑物內疏散路線中火、煙氣、人員等要素的分布信息。由于火場中人員疏散的復雜性，除了基本的救援和疏散策略外，還需要制定擴展的疏散策略來解決特殊情況［8］，并根據系統中設定的各要素危險判定標準，評價各疏散路線的安全度及疏散效率。建筑火災人員安全疏散系統以安全出口分布及屬性、路徑狀況、疏散標志分布等信息為基礎，選取溫度、人員密度、CO濃度、能見度、疏散距離作為判定的參數［9］，并采用Matlab層次分析法求出可行的疏散路線，以規避高風險路線。

人員疏散路徑選擇層次結構模型如圖3所示。圖3中準則層B各因素的極限值如下：①溫度極限值為60℃；②人員密度極限值為3.8人/m2；③CO濃度極限值為500×10－6；④能見度極限值為10m；⑤疏散距離B5不超過相關規范的要求。方案層C被評價的疏散路徑在早期就已確定，路線構成應滿足以下條件：①根據建筑物的使用功能和平面圖，以防火分區為單元，將防火分區中心位置定義為路線起點，該分區安全出口定義為路線終點，沿走道連接起點與終點，形成路徑；②路線不得穿過建筑內的店鋪；③疏散距離不得超過相關規范中規定的最大距離。

圖3 人員疏散路徑選擇層次結構模型Fig.3 Hierarchical model of path selection

3.2 Matlab計算程序設計

建筑物火災發展過程是動態的，這就要求建筑火災人員安全疏散系統能夠實時掌握現場情況，并實時對疏散路徑進行評價，引導人員疏散。因此，將由GIS處理和分析的數據以Excel表格形式存儲，系統利用Matlab自動獲取Excel表格中的數據，通過層次分析法實時評價各疏散路徑，并輸出評價結果。Matlab計算程序流程設計為：運行程序，獲取傳感器數據；判斷各因素是否達到極限值，若達到極限值，則彈出警告，顯示超限因素所在路徑及其數值，并返回讀取下一個數據；若未達到極限值，將各參數值以方案層判斷矩陣形式表示，并檢驗矩陣一致性是否符合要求，如不符合對其進行調整，直至符合；計算方案層單排序權值，并輸出結果；計算層次總排序權值，輸出結果；返回繼續，Matlab間隔Δt時間計算一次。Matlab計算程序流程見圖4［10—11］。

圖4 Matlab計算程序流程圖Fig.4 Program flowchart of Matlab calculation

3.3 基于Matlab層次分析法的人員疏散路徑選擇

層次分析法是由美國運籌學家T.L.Saaty提出，本文采用該方法將復雜的路徑選擇問題逐層分解為影響路徑選擇的各個因素，并依靠專家經驗和數據資料為每個影響因素賦予不同的權重，最終通過計算層與層的組合權重確定人員疏散路徑的優劣。T.L.Saaty等建議引用數字1～9及其倒數作為同層因素相互比較的標度值，隨機一致性指標見表2。依據專家經驗和數據資料，綜合評價準則層對疏散路徑選擇的影響，準則層的判斷矩陣見表3。

表2 隨機一致性指標Table 2 Random consistency index

表3 準則層的判斷矩陣Table 2 Judgment matrix of criterion layer

對疏散路徑進行選擇時，將3條（多條）疏散路徑中測得的參數值取平均值，根據同層因素相互比較的標度值，列出方案層的判斷矩陣，見表4。利用Matlab層次分析法得出疏散路徑選擇的層次總排序計算結果見表5和圖5。由表5可以看出：t時刻，①準則層對疏散路徑選擇的權重向量為W＝（0.041 1，0.118 8，0.467 6，0.287 8，0.084 8）；②3條疏散路徑各因素的權重向量為L1＝（0.549 9，0.097 4，0.136 5，0.279 0，0.798 6），L2＝（0.240 2，0.333 1，0.625 0，0.649 1，0.104 9），L3＝（0.209 8，0.569 5，0.238 5，0.071 9，0.096 5）；③各方案對于疏散路徑選擇的權重等于準則層對疏散路徑選擇的權重與方案層對準則層的權重的乘積，即WC＝W×（L1T，L2T，L3T），則3條路徑的總排序權值向量為WC＝（0.246 0，0.537 4，0.216 7）；④準則層中的各因素是影響人員疏散的主要因素，其值越大，對人員疏散阻礙程度越大，因此總排序權值越小的路徑，其危險性越低。通過比較可得，路徑三是最佳疏散路徑，路徑一次之，路徑二是最不利疏散路徑。

表4 方案層的判斷矩陣Table 4 Judgment matrix of scheme layer

表5 各因素權重值及層次總排序Table 5 Weights of each factor and total sequencing of each level

圖5 Matlab層次分析法計算結果Fig.5 Results of Matlab AHP

3.4 系統指揮功能的實現

為了提高人員疏散效果，本文提出以下措施：①在建筑物內地板和離地面1m高處的墻上涂蓄光型自發光材料［12］，在光照不足的情況下，人可沿著這些連續直線標志進行疏散；②通過改變系統疏散指示器控制點的輸入信號，改變其疏散指示方向；③在安全出口處設置廣播，火災時立即播放“此處為安全出口”等錄音，亦可采用人工廣播指揮人員安全疏散；④消防隊員可由系統信息確定危險區域、被困人員情況、現場消防設施水平等，有針對性地展開救援。

4 結 論

本文利用物聯網的自動化、高效性、靈活性，并基于Matlab層次分析法建立了建筑火災人員安全疏散系統。該系統利用GIS和互聯網技術實時獲取建筑火災現場信息，并運用Matlab層次分析法對疏散路徑進行快速、準確的評價，疏散路徑的優劣以數值形式展示，可以清晰、明了地掌握各路徑的優劣程度，確保系統快速指揮人員疏散，本研究為實現建筑火災人員安全疏散提供了一種新方法、新思路，對提高消防智能化水平具有重要的意義。

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