有限狀態機控制下虛擬消防疏散動態循環模擬

潘 瑜

(東南大學成賢學院，江蘇 南京 210088)

1 引言

大型公共建筑的空間布局和架構都是各不相同的，這些建筑內存在著較多不同疏散能力的人群。如果并未發生緊急事故的話，就沒有方法對這些人群的疏散能力進行較為全面的檢查。在大型火災等緊急事故發生時，建筑里的通信系統大多都會被因為火災所產生的燃燒物質掩蓋，導致其無法向外界傳輸有效的信息。這時，就無法對受困人員集群的疏散行為、心理反應與建筑物疏散狀態進行分析。但是，憑借虛擬現實技術來建造虛擬的火災事故環境，然后對人員的疏散反應進行動態模擬，就可以較好解決上述出現的問題。

用戶不僅僅可以在虛擬的火災事故突發空間內，使用一定的行為規范觀測疏散人員的布局，利用蒙特卡洛隨機發生器對人群加以控制，從而觀察不同的人員布局與行為反應。用戶可以在系統的提示中，注冊并加入虛擬環境內，會沉浸在虛擬突發事件的環境里，模擬參與緊急疏散行動，通過這種測試與模擬的流程，模擬系統可以較為充分得到有關于火災事故發生時疏散動態反應數據。尤其是可以得到在出現不同的事故狀態下，出現的一些沒有方法預測的反應，或者是疏散設計里不明顯的缺陷問題。雖然不會徹底解決突發事件產生的各類問題，但這種模擬方法能夠使用到消防演習或應急決策里，現實意義較強。

利用虛擬現實技術，對出現火災事故時人群的疏散行為進行分析，建造一種與疏散控制存在關聯的虛擬火災模型，同時將模型的出口進行坐標標記，對疏散通道的大小、目標出口的尺寸與障礙物的布局進行隨機調整，觀察火災現場的環境狀況、人員疏散行為反應與疏散控制結構的特征變化。進一步的優化疏散人員的行為準則，憑借系統疏散信息的可靠性，來模擬實現最優疏散路徑。

2 有限狀態機控制下虛擬消防疏散動態循環模擬

2.1 有限狀態機模型構建

有限狀態機即通過一定總量的狀態與互相之間移動組成，在通常情況下只可以處于擬定數量狀態內的一種。其憑借一種時間驅動的形式進行運作，在接收到一種事件之后，狀態機出現一種[1]輸出，并且也可能會隨著狀態進行移動。

這對于復雜系統來說，層級式有限狀態機通過一系列基礎的[2]有限狀態相應與上層有限狀態機組合起來，一種或多種下層有限狀態機相應與上層有限狀態機內的某種狀態。在有限狀態機位于某種組合情況時，一種或多種下層有限狀態機就能夠按照順序或并行運行。

憑借狀態機的輸入是否和輸出條件存在關聯[3]，能夠把狀態機分成兩大類：米勒型狀態機與摩爾型狀態機：

1)摩爾型狀態機的輸出只能夠憑借當前狀態[4]數據進行處理，并不能和其它條件產生關聯。

2)米勒型狀態機的輸出不僅需要依靠目前狀態，并且還取決于該狀態的輸入條件，如圖1所示。

圖1 米勒型狀態機結構

在擬定的邏輯里，狀態機能夠進行表示的方法含有三種，分別是[5]狀態轉移列表、HDL語言表示與狀態轉移圖。狀態轉移圖就是依靠圖形化的形式來表示狀態機的每一種狀況的變換關聯，狀態轉移列表就是依靠列表的形式來表示狀態機，并且還是數字邏輯電路里比較常見的一種設定方法，往往被用在簡化狀態化上，HDL語言表示狀態機就是依靠[6]硬件來對語言進行描述，或是通過VHDL設定高速與穩定的狀態機。

2.2 疏散虛擬估算

在火災事故現場里，人員疏散是一種較為復雜的問題[7]，因其存在共同作用或相干擾的狀態，對這些狀態存在一定干擾的有人員的[8]疏散反應、火災場景特征、建筑物分布狀況等多種因素。所以，在估算疏散模擬的時候，也需要分析這些因素特征。對此，本文構建行為模擬子模塊、毒性評測和[9]場景分析組成的疏散估算引擎。依靠所有子模塊之間的交互協作，來模擬和預測火災事故出現時，疏散人員的行為反應。

場景分析子模塊主要是依靠CIS空間分析的性能，來構建運算集合模型的[10]網狀架構。網狀模型憑借節點來填充結合空間，每一種節點都會含有自身的坐標與尺寸等屬性，節點之間會通過長度弧段對圖架構進行連接。其架構的模式與網狀模型是相應的，這種架構模式存在可擴展性高與表述靈活等優點。本文在分析疏散場景時，依靠空間的尺寸直徑，構建圓形節點，進而離散化火災場景。在此基礎上，使用搜索算法對人員個體的疏散路徑進行模擬

Φ=f(G(V，E)，V0)

(1)

式中，f代表依靠圖架構搜索方法，如A*方法、Dijkstra方法等，G(V，E)即場景分析出現的圖架構，V0即目標的原坐標，Φ代表估算所獲得的路徑內每種結點的集合。

初步疏散路徑和場景的人員原始坐標與集合布置存在關聯，映射了火災現場里疏散人員的大致策略。而在模擬的流程里，人員實際疏散路徑還會被環境內火場[11]、燃燒產物與場景里其他人員所干擾。

怎樣精確評測人體暴露在存有一定含量的燃燒產物內所產生的危險強度，是火災科學技術研究難題之一。本文設置一種相應的測評函數來評測火災場景內所有煙氣毒性的危險程度。一般來說，評測函數F具有以下描述形式：

F=f(pos，t，Δt，Xo2，Xco，Xco2，…)

(2)

式中，f代表燃燒產物的毒性評測量化函數，參照pos與t擬定了危險評測相應的時空屬性，X就是相應與每種關鍵燃燒產物的有效估算劑量。利用FDS模擬，能夠估算出場景里每一種點o2，co，co2等氣體的濃度。本文利用N-Gas模型，經過有效劑量分數對燃燒產物的毒性進行評測。

行為模擬子模塊需要對每個時間段里的疏散人員預測其行為反應。通過當前儲存的[12]疏散路徑來評測疏散人員行為模型是否合理，從而評定是否需要對疏散策略進行修改。測評具有三個方向的因素：

1)目前疏散速度的快慢

(3)

式中，flow-rate就是人員個體所在的人群整體疏散效率，speed就是疏散人員在自由狀態下的疏散效率。

2)受煙氣的影響程度

β=Visbility(S)

(4)

式中，S代表人員的可觀察范圍。能夠將人員當前所處的坐標當作中心，憑借一定的大小來形成緩沖區，進而對該區域的能見度進行測量。

3)路徑尺寸

γ=LEN(V0，Vexit)

(5)

即依靠人員的大致坐標至目標出口的疏散路徑的距離測量。

在此基礎上，依靠雙通道映射，對視差參數進行設定，從而模擬出人眼觀測的視覺圖像觀測者憑借一些外部裝置就能夠觀測立體視覺，從而沉浸在虛擬場景里，這就可以讓觀測者充分了解火災出現之后的疏散知識，加強消防意識。

和人員與煙氣兩種因素相比，火災環境是疏散模擬內相對較為穩定的模型，不存在動態特征，所以能夠將其擬定成靜態模型，本文在火災環境里建造虛擬建筑模型，同時利用粘貼法收集比較現實的火災效果。在建造圖形后，憑借光照條件和坐標等參量，把虛擬現實模型微調至渲染閾值，最后輸出對應的描述效果至用戶界面上。

憑借FED6-Gas模型評測火災煙氣里經常出現的六種氣體的綜合毒性，其結果如下所示

(6)

其中，氣體符號代表在30min暴露期間的平均體積分數，能夠經過FDS模擬得到，m與b代表CO與CO2的組合毒性效應，LC50代表致使50%的實驗動物在暴露30min后死亡的有毒氣體濃度。

FED6-Gas越高，煙氣的綜合毒性就越強，在FED6-Gas=1.0時，人員死亡的概率會上升。

煙氣的熱危害含有熱對流與熱輻射。憑借FED，經過對流域輻射分數進行求和，估算在暴露期間得到熱量的有效劑量分數FEDheat，其流程如下所示

(7)

其中，Δt代表模擬里的時間步長，tconv代表因為對流熱而失去性能的時間，min在溫度T內估算，如式(8)所示

(8)

式(7)里的變量trad代表因為符合熱而失去性能的時間，min，在輻射通量是q(kW/m2)內估算，如式(9)所示

(9)

FEDheat所需要的溫度T與輻射通量q的數據能夠利用FDS模擬得到，FEDheat越高，熱危害就越高，在FEDheat=1.0時，輻射熱與對流熱靠近人體的可承受閾值，人員的生命受到威脅。

毒性與熱量存在不同的傷害機制，假如暴露程度充足，可能都是致命的。憑借上述的煙氣危害，提出煙氣危害的綜合評測模型，就是綜合危害劑量，其過程如下所示

IHD=max(FED6-Gas，FEDheat)

(10)

IHD越高，煙氣的綜合危害性就越高。憑借FED6-Gas與FEDheat，在IHD到達1.0時，煙氣的危害對人體是致命的。

在疏散場景里疏散群體是具有動態特征的單獨個體，并且隨著動態特征的變化控制坐標也會出現相應的轉變，同時行動人員也會更改自身的姿態，如在逃離的過程中，逃離人員的手臂擺動等，這些都是需要在虛擬現實中描述的行為特征。但只考慮更改場景里的朝向方法與實體坐標，并不能對徹底描述疏散人員的細節動態特征。本文將動態人物融入至虛擬環境里，通過疏散引擎的估算結果，來預測目標人員的大致動態，進而模擬疏散流程內人員的反應行為，通過Vega與DI-GUY良好的兼容性，能夠對建筑環境、人員模型與煙氣等因素在同等虛擬現實中進行動態循環模擬。

3 疏散路徑的評測模型

(11)

因為在式(5)內擬定了LC50的限制，[Ci]一定要在30min的暴露時間里被轉換為平均濃度。Ci(x，y，z，t)代表路徑里第i種氣體濃度的空間，時間函數。變量a與b分別代表路徑的開始點與完成點。

把時間步長之間的固定時間間隔擬定成Δt，估算固定時間步長k坐標的[Ci]，其過程如式(12)所示

(12)

(13)

(14)

在虛擬疏散訓練里，因為煙氣的不均衡分布，疏散的不同路徑存在不同的IHDpath值，如果IHDpath越低，就說明說疏散路徑越安全。所以，使用IHDpath的虛擬疏散路徑訓練能夠幫助學員搜索到最安全的路徑。

4 仿真證明

仿真環境為Intel Celeron Tulatin1GHz CPU和384MB SD內存的硬件環境和MATLAB6.1的軟件環境。為了證明所提方法的實用性，憑借本文模型，構建某種建筑的一樓的3D模型。實驗環境如圖2所示。

圖2 建筑3D模型

其中含有三個辦公室，兩個活動室，一個大廳，兩個走廊與一個出口。建筑的面積約為300m2，參加模擬疏散人員擬定為兩百人，其中有70%為男性青年，剩下的為女性青年。所有模擬疏散的人員以1.0～1.5m/s的疏散效率離開火災環境。本文針對出口寬度、樓層、與煙氣濃度為實驗參數，進行實驗。具體結果如下所示。

圖3即出口寬度與單位時間疏散流動效果之間的關聯曲線。

圖3 疏散出口寬度對疏散流動效果曲線

通過圖3能夠得知，在出口寬度只上升500mm時，出口的流動效果卻幾乎能夠成倍上升。經過模擬，可以看出在出口的集合特征尺寸產生變化時，目標、約束與行動三種變量之間會出現相互干擾。在疏散剛要開始的時間段內，疏散通道邊沿的移動效率比中心位置的要快。而在出口的加寬時，橫斷面上就出現了均勻的流動。在人群密度與出口寬度的比例小于某個設定的閾值時，隨著人群密度的不斷縮減，流動的效率也就不再提升，人群之間已經不會受到相互作用的干擾了。

圖4 樓層數對疏散流動效果曲線

如圖4所示，隨著樓層數的增加，疏散出口流動速度降低，在樓層數高于6層時，速度明顯降低，達到3.1m/s，并且6層以上，流動速度下降較為緩慢。

在沒有任何防護情況下，設置不同煙氣濃度，觀測疏散流動效果。

如圖5所示，隨著煙氣濃度的增加，疏散出口流動速度逐漸降低，在濃度為140mg/m3時，疏散人員將無法流動，流動速度為0mg/m3。

圖5 煙氣濃度對疏散流動效果曲線

隨著人群密度的提升，群集移動的效率因為空間網絡系統的約束而出現縮減。出口寬度、樓層、煙氣濃度都會干擾到疏散人員的目標變化，也會影響限制條件與疏散人員的行為特征。

5 結論

為了有效了解火災發生時疏散人員的疏散行為與心理反應，本文提出了一種有限狀態機控制下虛擬消防疏散動態循環模擬方法。

1)對傳統的有限狀態機進行分析，獲得其運行的大致原理。

2)依靠輸入和輸出條件之間存在的關聯來構建米勒型有限狀態機，并利用優質的獨熱碼對狀態機進行編碼，再通過雙邊沿觸發器，使用數種的上下邊沿來優化狀態機的運行效率。

3)建造毒性評測、場景分析和行為模擬子模塊組成的疏散估算引擎，利用該引擎對建筑環境、煙氣危害與人員行為進行分析，并把結果融入至有限狀態機內，通過狀態機對虛擬消防進行疏散動態循環模擬。

4)仿真證明，所提方法能夠有效模擬出消防疏散的人員行為與心理反應，同時所提方法擬定的模型還有運行速度快的優點。