火災應急疏散路徑優化研究綜述

黃夢溪 王 哲

（1、鄭州輕工業大學建筑環境工程學院，河南 鄭州450002 2、河南省國防工業設計研究院有限公司，河南 鄭州450000）

1 概述

隨著我國經濟快速發展，超高層建筑、大型商業綜合體、地下購物中心等現代化的多功能建筑越來越多，巨大的建筑規模，復雜的內部結構，高密度的人群，使得室內火災的救援難度加大，人群自我疏散更加趨于盲目性。并且室內火災發生時有其突發性、多變性和煙毒性等特點，傳統的應急照明和疏散指示系統在數據信息含量、空間表現、分析能力上的不足日益明顯，難以準確、動態直觀地反映火災發生時室內建筑的空間通達性、有效逃生空間與相對安全區域，無法正確判斷失火點相關的局部區域的建筑部件的動態行為與特征規律[1]。傳統的應急照明與疏散指示系統無法感知動態數據，無法實時動態地根據現場環境改變疏散指示方向，所以在火災發生時對疏散路徑實時動態地優化至關重要。

本文通過對四種優化路徑的方法進行歸納，了解國內外對于火災疏散研究的現狀，研究如何能進一步優化疏散路徑，極大可能地降低室內火災的危害。

2 BIM 技術在火災疏散中的應用研究

BIM的作用是創建一個包含了所有建筑信息的虛擬建筑模型，以多視角的、參數化的、智能的建筑構件為基礎，建立一個完全的3D 環境，以此BIM作為構建基礎的項目管理系統可以持續的、及時的提供各項實時數據，并在網絡環境下，保持信息隨時處在更新完善的狀態，并提供信息訪問、信息變更、信息增刪等操作支持，確保建筑工程師、設計師、施工人員、業主、及其他項目參與方等項目相關用戶清楚的、全面的獲得項目此時此刻的狀態信息，促使設計、施工、運營等階段的管理過程中達到提高決策進度和質量、降低項目成本、提高項目質量，增加收益的目的[2]。

BIM作為建筑行業的新技術，目前國內對其研究和應用還不突出，國外也僅應用在設計和施工階段，在火災應急疏散方面較少有新理論新成果。

Uwe Rüppel 等設計了“危險的人類救援”，基于BIM 創建模型，其中包括火災，煙霧，爆炸和結構損壞。該設計使用嚴肅的游戲方法對緊急情況進行交互式實時模擬。根據這個概念，BIM模型作為游戲場景的基礎。這允許通過改進在BIM應用程序和嚴肅游戲之間傳遞數據的互操作性來快速設置場景。通過這些研究救援過程中各環境因素的影響，進而優化火災中的救援路徑[3]。國內年輕學者陳遠將消防信息整合到BIM模型中，制定預案，指導救援。在運行維護階段，通過將BIM數據庫整合到智能消防系統中，與傳感器、控制器、網絡相連，，通過系統平臺實現主動防火功能和被動防火功能，以達到最佳的防火保護[4]。王林等提出將BIM技術聯合消防GIS 平臺，實現了消防日常工作的信息處理網絡化，旨在增強高層建筑消防指揮能力，提高預防和撲滅現代火災的能力[5]。

綜上所述，目前BIM技術在火災應急疏散中的應用還不完善，但已有各國的學者對其進行研究。BIM不僅僅能構建建筑的信息模型，我認為它的主導思想是實現信息的同步和共享。現如今，軟件信息不能良性兼容拖延了BIM技術的發展和延伸應用，比如Revit 文件不能直接導入到pathfinder 疏散軟件中，這就導致信息不能完全共享[6]。未來想把BIM技術應用到更多領域，首要問題就是解決信息的共享與同步。

3 Wi-Fi 技術在火災疏散中的應用研究

Wi-Fi 是一種允許電子設備連接到一個無線局域網（WLAN）的技術，現階段，各公司、家庭、商場等公共建筑中基本已實現Wi-Fi 信號的覆蓋。Wi-Fi 其主要功能是實現移動設備的無線上網，但已有學者將其應用到火災疏散中。

羅明等將Wi-Fi 作為定位的手段，通過手持智能終端上的App 顯示使用者當前的位置，在火災發生時，還可根據監控中心對火情的分析，自動為使用者設計最佳導航路線，管理人員還可通過記錄計算人員移動軌跡，分析疏散過程的疏散時間、距離、人群特點等[7]。

綜上所述，已有學者對于Wi-Fi 的應用越來越有深度，雖然提出的想法很有意義，但目前市場上還未出現關于Wi-Fi 定位的火災應急疏散系統的產品，由此可見，其中還存在不少未解決的問題。今后在理論提出的基礎上，加大對產品的研發推進，必定能促進火災應急疏散的改善。

4 智能消防疏散指示和應急照明系統的應用研究

智能消防疏散指示及應急照明系統是由應急照明燈具、消防報警系統、智能疏散系統等多種設備組成的、應用于大型公共場所的一套智能消防疏散指示系統。它具備實時監控、動態控制、疏散邏輯等功能。

丁雨淋等設計了實時威脅態勢感知的室內火災疏散路徑動態優化方法，根據建筑環境信息和火場實時狀態信息，動態調整路徑規劃信息，從而提高精準性[8]。鄧詒宵等將主機通過RS232 接口和Modbus 協議與底層M－BUS 燈具網絡建立通信，實現系統的集中監控，使用VB 開發上位機軟件，設計了資源管理，網絡管理，事件管理和用戶界面等功能，實現了火災應急疏散時監控和管理的自動化[9]。陳全帥等以微處理器STM32 為核心設計了智能應急照明疏散指示系統控制器，并以某大型建筑為例設計了智能應急照明疏散指示系統，為實際建設提供了參考[10]。

綜上所述，智能消防系統是建立在軟硬件結合上，既需要理論的支持，又需要硬件的協調，這就對設計者的能力有了更高的要求。

5 路徑優化算法在火災疏散中的應用研究

近年來，隨著計算機水平的不斷提高，路徑優化算法從最初的遺傳算法、禁忌搜索算法、模擬退火算法、蟻群算法、粒子群優化算法、動態進化算法等，逐步衍生出新的智能優化算法。

張培紅等提出改進的自適應蟻群算法適用于大型公共建筑物火災時人員疏散路徑的動態優化，克服了傳統優化算法早熟和停滯等問題[11]。董崇杰等提出基于差分改進的布谷鳥算法，建立了基于疏散時間、擁擠度及總路徑長度為指標的人群疏散多目標優化模型[12]。李晶晶等提出基于遺傳算法，經過多次迭代求權值和最小路徑作為最優疏散路徑[13]。

Gino J.Lim 等提出了一種容量約束的網絡流優化方法，用于尋找疏散路徑、流量和時間安排，以最大限度地增加疏散計劃（SNEP）。他利用Dijkstra 算法來尋找疏散路徑和一個貪婪算法來查找每條路徑的最大流量，以及每個時間間隔執行流的調度，極大限度地增加撤離者[14]。Arturo Cuesta 等提出了一種新的實時決策方法，用于選擇建筑物的最佳疏散路線，優化算法基于隨機疏散模型預測，通過考慮諸如危險位置的緊急數據，并將隨機疏散模型與商業疏散模型STEPS 進行比較[15]。

綜上所述，以上學者提出的各種改進的路徑優化算法都適用于大型建筑中突發火災的情況，雖然都經過模擬仿真，但實際情況往往存在眾多因素的影響，尚未經過實際狀況鑒定。

通過這些文獻，許多學者都提出自己的改進的算法，但還未將火災現場的實時數據結合起來，比如燃燒造成的煙霧、高溫、有毒害氣體等因素，人群面對突發火災的精神上的變化等一系列因素會對算法的合理性造成干擾。因此，今后在路徑優化算法的研究上要結合更多環境信息，才能真正實現各類自適應算法的合理性和最優性。

6 結論

由于大型建筑物越來越多，其功能造就了人員聚集更加密集，因此關于火災疏散的問題得到許多國內外學者的關注，紛紛提出自己的意見。通過大量文獻的閱讀分析，對于火災應急疏散路徑優化問題，提出以下建議：

（1）樓宇設計階段：在建筑設計階段最好使用BIM技術，優化設計中的不合理，實現信息的同步和共享；

（2）預案生成階段：選擇合適的算法，找出最短最優逃生路徑，合理結合火災演變態勢，實時更新預案；

（3）后期運維階段：健全各聯動設備的可靠性，對建筑內部進行疏散標示覆蓋；

（4）模擬修正階段：結合具體工程，通過pyrosim、pathfinder等模擬軟件，確定算法是否合適。