基于路徑優化的智能疏散指示系統在商場中的應用

張蕓栗，張 良

（1.沈陽城市建設學院；2.沈陽市市政設計研究院，遼寧 沈陽 110168）

科學技術研究

基于路徑優化的智能疏散指示系統在商場中的應用

張蕓栗1，張 良2

（1.沈陽城市建設學院；2.沈陽市市政設計研究院，遼寧 沈陽 110168）

建立基于路徑優化的智能疏散指示系統，實現智能疏散指示信息動態、即時的調整，將以往傳統的就近固定方向疏散的理念，提升為遠離火災源的主動疏散理念，使疏散指示實現了性能化、智能化和聯動控制.與傳統疏散指示系統相比具有較高的技術優勢和實用價值，對改變我國現有人員密集公共建筑消防安全疏散現狀具有非常重要的理論價值和現實意義.

智能疏散；指示系統；路徑優化

隨著經濟建設的迅速發展，各地相繼建成了一些大型商場、超市，這些大型商場的出現，在給消費者帶來了很大便利的同時，也給人們帶來了巨大的安全隱患.如2004年吉林市中百商廈火災事故、2010年吉林市商業大廈火災事故、2012年天津市萊德商廈火災事故，均造成了大量的人員傷亡.究其原因，是由于商場營業期間安全疏散出口被鎖閉或疏散通道被封堵，人員疏散無路可逃.成熟的安全疏散指示標志系統，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]利用遺傳算法進行了客船人員疏散路徑的優化，何大志、王長波、謝步瀛[2]提出了基于幾何學的人員疏散模型，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、紀慶革[3]提出了一種基于遺傳學來優化疏散路徑問題的方法.肖國清、溫麗敏[4]討論了遺傳算法在人員疏散路徑優化中的應用，張培紅[5,6]應用隨機理論對人員疏散路徑優化進行了初步的探討.

受到蟻群尋找最短路徑的啟發，20世紀90年代初意大利的Dorigo M[7].等學者提出的蟻群優化算法，這種用于組合優化問題具有很強的能力.自適應蟻群算法對傳統蟻群算法進行了改進，自適應地調節路徑選擇和更新優化策略，大大提高了優化求解速度，有利于實現真正意義上的全局優化決策[8-10].疏散人員呈現顯著的趨眾性、自組織性、系統的整體性等行為特點，和蟻群系統具有很多共同的特點.因此，利用蟻群算法建立新的疏散路徑優化算法，根據建筑物火災時人員疏散行為規律和疏散通道通行能力的分析，在實現人員疏散路徑全局動態優化決策基礎上進行合理的疏散誘導，對實現大型公共建筑物內人員智能疏散，預防群集踩踏事故和加強公共安全具有非常重要的理論價值和現實意義.

本文利用計算機語言建立基于自適應蟻群算法的人員疏散路徑優化算法，并實現算法與消防聯動系統的集成，建立基于路徑優化的智能疏散指示系統.根據消防設施的動態信息，應用人員疏散路徑優化算法對不同火災態勢下的疏散路徑進行及時優化動態的改變疏散標識的指示方向，實現疏散標識的智能指示.

1 基于路徑優化的智能疏散指示系統的實現

基于路徑優化的智能疏散指示系統是將人員疏散路徑優化算法與消防系統集成，根據消防設施的動態信息，應用人員疏散路徑優化算法對不同火災態勢下的疏散路徑進行及時優化動態的改變疏散標識的指示方向，實現疏散標識的智能指示.

1.1 對人員疏散路徑優化算法的改進

為了更好的實現人員疏散路徑優化算法與消防系統的集成，對節點布置和數據庫建立方面做了如下的改進.同時將建筑物結構特點對人員疏散的影響引入算法當中，重新定義火災時人員疏散的最優路徑.

對于結構復雜的建筑物，節點的分布不再人為的建立，而是將建筑物內所有的疏散標識和影響疏散的消防設施作為計算節點.這樣可以很好的實現與消防系統建立聯系，直接將聯動系統中的相關信息導入數據中應用即可.其中包括：設備的坐標、設備的編號、設備的機器號、設備的回路號等.對于設有地埋疏散標識的建筑物，探測器不作為計算節點用于路徑的優化，而是用于對建筑物內火災信息的判斷.將整個疏散通道上的疏散標示和影響路徑通行的消防設施作為計算節點，用于疏散路徑的優化.

為了進一步減少算法應用前的準備，在程序中新增了一個相鄰節點判斷的模塊，用來自動生成相鄰節點信息并存儲在表中.然而在自動生成的過程中可能會出現節點間通道穿墻等現象，為了避免這種現象的產生，可以在算法運行前在數據庫管理窗口對個別計算節點進行修改.同時與探測器相關的疏散標識編號也可以通過程序自動生成.

1.2 人員疏散路徑優化算法與消防系統集成的原理及步驟

在人員疏散路徑優化算法中加入疏散標識判斷模塊，該模塊根據算法運算得到的最優疏散路徑判斷疏散標識的指示方向.加入疏散標識指示方向判別后的人員疏散路徑優化算法和消防報警系統聯動，獲知火警信息，選擇、執行相應的聯動預案，完成了從以往消防應急燈“就近指引”的原則到現在“安全指引疏散”的原則的轉變，實現火災現場人員“更安全、更準確、更迅速”地逃離火災現場.

為了實現人員疏散路徑優化算法與消防聯動系統的集成，建立兩個可共享的文本文件，一個用于存儲消防設施動作信息，命名為“FireSensor”.另一個用于存儲疏散標識信息，命名為“Eva_Marker”.兩個共享文件用于人員疏散路徑優化算法與消防系統信息的傳遞.人員疏散路徑優化算法可以通過FireSensor文件判別當前建筑物內的火災狀態，同時確定節點的通行能力.Eva_Marker文件中存儲了經人員疏散路徑優化算法判斷后建筑物內所有疏散標識的指示方向，消防系統可以根據文件內的指示信息改變疏散標識的指示方向.

正常情況下，建筑物內疏散標識的指示方向根據人員疏散路徑優化算法確定的指示方向指示.當建筑物內發生火災時，首先，火災探測器報警，消防聯動系統動作.并將發生動作的消防設施信息存儲到FireSensor文件中.接著算法根據FireSensor中的信息確定建筑物內的火災信息，強制與報警探測器相關的疏散標識節點不能通行，再應用人員疏散路徑優化算法對該建筑物進行火災狀態人員疏散路徑的優化，得到路徑后在對建筑內所有疏散標識的指示方向進行判斷，再將得到的指示方向傳遞給Eva_Marke文件存儲.最后消防聯動系統根據E-va_Marker文件中的信息及時的改變建筑物內疏散標識的指示方向.集成步驟見圖1.

圖1 人員疏散路徑優化算法與消防聯動系統集成步驟

2 基于路徑優化的智能疏散指示系統在商場中的應用

2.1 商場火災時人員疏散的特點

近年來，國內外商場、超市相繼發生了不少特大火災事故近年公眾聚集場所發生的特大火災事故中，商場火災發生起數、人員傷亡數以及直接經濟損失都占了極大的比例.從商場火災案例中，可以看到商場發生群死群傷事故主要原因是：商場營業期間安全疏散出口被鎖閉或疏散通道被封堵，人員疏散無路可逃.

2.1.1 人員活動空間大，活動集中

一般商場每層的建筑面積都比較大，總建筑面積高達50000m2以上.比如成都的普爾斯馬特倉儲式會員商場，建筑單層建筑面積為12000m2，營業面積9000m2.且商場中人員流動量比較大，活動比較集中，尤其是節假日等購物高峰期，情況更甚.據統計，如深圳沃爾瑪山姆會員店，平均客流量每日3.2萬人，節假日一般可達6.5萬人，最高曾超過8萬人.

2.1.2 出口不明顯

由于商家主要意圖是突出商品和賣場功能，故場內布置復雜，形如迷宮，內部設置大型貨架，這些貨架嚴重阻礙人的視線，人員在貨架行列中自選商品時容易迷失方向，很難確認疏散方向，更難看見安全出口.

2.1.3 疏散距離過長

建筑設計中一般在商場的周邊設置疏散樓梯，中部最不利地點至最近樓梯的直線距離往往超過30米，如果在貨架之間通行，其折線距離更是大大超過30米.

商場的安全疏散是確保商場消防安全的關鍵，無論是在消防安全設計上或是在運營期間的管理上，保證商場建筑的安全疏散條件有著至關重要的意義.

2.2 某商場幾何模型及疏散方案的建立

以某商場二層為例，該商場的建筑平面圖如圖2所示.商場二層的建筑面積約為8000m2，將7個樓梯作為出口，空間模化得到84個節點，在建筑物內共設置了36個疏散標識.節點與疏散標識的分布如圖2所示.圖中圓圈代表消防設施所在的位置，長方形代表疏散標識所在地位置.

圖2 商場平面及節點分布示意圖

該建筑共分為四個防火分區，防火分區劃分如圖3所示.其中1區有一個疏散樓梯，2區有2個疏散樓梯、一個扶梯，3區有三個疏散樓梯，四區有一個疏散樓梯.

圖3 防火分區示意圖

《建筑設計防火規范》[11]中規定商店的疏散人數應按每層營業廳建筑面積乘以面積折算系數和疏散人數換算系數計算，地上商店的面積折算系數為0.5～0.7，地下商店的面積折算系數不應小于0.7，疏散人數換算系數的規定與《商店建筑設計規范》[60]的規定是一致的.而《商店建筑設計規范》第4.2.5條規定的疏散人數換算系數為，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.由于該建筑內有三個中庭，所以這里面積折算系數選0.5，疏散人數換算系數取0.85人/m2.

無火災情況下，選取參數組合α=0.5、β=1，應用人員疏散路徑優化算法對該商場進行疏散路徑優化，優化結果見圖5、6.假設某時刻4號樓梯處發生火災，防火分區Ⅱ與其他防火分區間的通道不能通行.建筑內所有的扶梯停止運行且不作疏散用，也就是說此時建筑物內的人只能通過樓梯進行疏散逃生.為此建立如下兩種疏散方案：

方案一：不改變疏散標識指示方向.

方案二：智能改變疏散標識的指示方向.

方案一：在不改變疏散標識指示方向的基礎上，人們沿著疏散標識的方向及日常習慣選擇疏散路線，一旦遇到不能通行的地方則重新選擇逃生路線.正常情況下疏散標識的指示方向如圖4所示，根據此時疏散標識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，過多的人選擇7#樓梯疏散.這樣就容易在7#樓梯口處造成長時間的人員滯留，延長疏散所用的時間.

圖4 無火災狀態下疏散標識的指示方向

表1 不改變疏散標識指示方向時的疏散方案

方案二：利用人員疏散路徑優化算法對建筑物的疏散路徑進行優化，并動態的改變疏散標識的指示方向，其智能指示結果如圖5所示.根據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，樓梯使用的分配比較合理.

表2 改變疏散標識指示方向時的疏散方案

圖5 火災時疏散標識智能指示示意圖

5.2.3 某商場火災狀態下人員安全疏散性能化分析

利用大空間復雜建筑物防火安全計算機模擬軟件對上述兩種人員疏散方案進行性能化分析，利用人員安全疏散評價系統模擬人員疏散所用的時間，模擬結果如圖6所示.

圖6 商場人員疏散動態變化

從圖中可以看出扶梯停運時，疏散標識改變后的方案中人員完成安全疏散的行動時間為150s，疏散標識不改變的方案中人員完成安全疏散的行動時間為218s，可見方案二所用的人員安全疏散時間比方案一要少一分鐘.所以，疏散標識智能指示能很好的縮短了疏散時間，降低了火災的危險性.

3 結論

在商場案例中應用基于路徑優化的智能疏散指示系統，建立不同的疏散方案.利用大空間復雜建筑物防火安全計算機模擬軟件對兩種方案的疏散時間進行預測.結果發現，方案二（疏散標識動態改變后建立的疏散方案）能很好的分配人員選擇疏散樓梯，不會出現方案一中多數人選擇同一疏散樓梯疏散的現象.節省了安全疏散的時間，很好的緩解了建筑物內樓梯口處的人員滯留現象.

利用基于路徑優化的智能疏散指示系統得到不同狀態下疏散標識的指示方向，動態的改變建筑物內標識的指示方向，實現疏散標識的智能指示.智能指示后，建筑物內的疏散樓梯得到了合理的利用，提高了疏散的效率，從而節省了人員疏散所需的時間，緩解了建筑物內人員的滯留現象，降低了火災對人的傷害.

〔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.

〔2〕何大治，王長波，謝步瀛．基于幾何方法的人員疏散最佳路徑[J]．工程圖學學報，2006（5）：23-28.

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〔4〕肖國清，溫麗敏，陳寶智．基于遺傳算法的毒氣泄漏時最佳疏散路徑的研究[J]．湘潭礦業學院學報，2001，16(4)：9～11.

〔5〕張培紅，岳麗宏，陳寶智．最優應急疏散路線動態模擬的研究[J]．人類工效學，2001，7(1)：10～13.

〔6〕張培紅，陳寶智．人員應急疏散隨機服務系統的網絡流模型研究[J]．人類工效學，2001，7（2）：13～17.

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TP273

A

1673-260X（2017）08-0018-04

2017-04-08

住房城鄉建設部2016年科學技術項目（2016-R2-070）