數字孿生驅動的多層建筑火災智能應急系統研究

張麗巖，劉婧，馬健

(蘇州科技大學土木工程學院，江蘇蘇州，215000）

0 引言

隨著國家的經濟社會發展的越來越快，人民的經濟水平飛速增長，建筑樓層越來越高。當多層建筑發生火災時，會產生大量煙氣并迅速蔓延擴散至整個建筑物，這增加了多層建筑火災的人員疏散難度。最近，國內外多層建筑頻繁的發生火災，導致人員傷亡和經濟損失巨大，也加大了人員疏散難度和消防救援工作難度。在智能化的時代，火災智能應急系統能夠有效準確的根據火災發生的情況作出反應，維護群眾生命和財產的安全。因此，在物聯網飛速發展的今天火災智能應急系統取代傳統人工應急措施顯得尤為重要。

本文為有效減少多層建筑火災發生產生的損失提出了基于數字孿生的應急系統，即火災智能應急系統?；馂闹悄軕毕到y組合了Flow-3D技術和GIS技術，為火災中的逃生者提供實時精確的逃生路線，并且為消防救援人員提供救援指引，利用數字孿生技術，對實時接收火災現場狀況信息，對人員疏散路徑和時間進行實時通知，最大程度的減少受災人員的傷亡和經濟損失。為此，本文以某多層建筑為研究對象，運用Flow-3D軟件對該多層建筑樓發生火災時煙氣擴散速率進行了數值模擬分析，為多層建筑火災安全管理提供依據。

1 方法概述

本文提出的數字孿生驅動的火災智能應急系統的原理框架圖如下（圖1）。該系統由三個模塊構成，分別是數字孿生模塊、信息感知模塊和實時通知模塊。

圖1 數字孿生驅動的火災智能應急系統

數字孿生模塊：將Flow-3D和GIS技術集成，從而等到建筑的幾何尺寸和空間位置；信息感知模塊：通過建筑內的傳感器來獲取火災信息，包括火災發生現場煙霧的濃度、室內的溫度等；實時通知模塊：由數字孿生驅動的火災智能應急系統通過信息感知模塊收集的信息分析火災情況，實時動態地通知受災人員最佳的逃生時間和逃生路徑、可取用滅火裝置位置以及及時通知消防部門[1]。

1.1 數字孿生模塊

數字孿生(Digital Twin)是表述虛擬空間對物理實體空間的一種映射關系，數字孿生模型是一種融合虛擬和實體的模型[2]。在物理實體世界進行數據的記錄和收集，傳輸到數字虛擬世界進行仿真和預測，對研究對象的全程監測與控制，從而達到現實資源的合理配置。數字孿生技術的出現很大程度上是因為大數據時代的出現，各種建模、人工智能技術的出現也加速了數字孿生技術的發展。特別是因為現今傳感器技術的飛速進步，物理實體世界的實時動態信息由傳感器收集并精準快速地傳輸到對應的虛擬世界。數據化和網絡化的發展是現實世界進入虛擬世界的技術支撐；智能化和網絡化的發展也使得現實世界與虛擬世界相融合，虛實結合，綿延不絕。由此，物理實體世界在與虛擬世界的交互下有序的運行[3]。

本系統中的，Flow-3D模型提供建筑物的幾何尺寸和建筑物內各類設備位置等信息；GIS模型提供所研究的建筑物所處城市位置的基本信息。所以，Flow-3D和GIS所構成的數字孿生模型相當于是與現實世界相對應的一個虛擬的鏡像。因此，構成的數字孿生模型可以為火災智能應急系統提供建筑物內外的基本環境信息[4][5]。

1.2 信息感知模塊

龐大的實時動態數據由各種傳感器設備收集和傳輸，并由物聯網技術分析、反饋和處理，形成數據信息的交互。在本系統中，物聯網技術用于煙氣濃度和溫度等各類數據采集，從而判斷火源、火情等級等，為后續人們逃生路徑的確定奠定了多源信息基礎，從而有效的防范各種危險。

1.3 實時通知模塊

火災發生后，火災信息被前端的火災傳感器所感知并且實時傳遞，通過數字孿生模型信息和信息感知的結合分析，可以通過室內廣播、手機通知實時獲得逃生路徑、滅火路徑以及對消防部門的快速通知，從而最大限度的減少人員傷亡和經濟損失。室內廣播不間斷播報可通行區域、安全防火區域等；手機可以聯入室內WiFi獲得動態的可通行區域的信息。

2 案例研究

以某多層建筑為原型，建立基于Flow-3D模擬仿真的建筑模型，假設一個火災發生地點，主要研究多層建筑大樓中自帶的樓梯間、電梯井和合用前室火災發生后的煙氣擴散濃度和速率，結合火災智能應急系統對豎向通道進行研究，分析提出關于火災預警、處理、疏散的建議[6]。

2.1 數字孿生模型的建立

2.1.1 多層建筑樓概況

建立火災仿真模型如圖2、3。建筑的全部高度約42米，樓層高度約3.8米，樓層數為10層?，F對某多層建筑大樓進行火災的仿真模擬，主要研究多層建筑大樓中自帶的樓梯間、電梯井和合用前室火災發生后的狀態及煙氣充滿豎井的速率，通過數字孿生技術對這些豎向通道進行火災的應急處理。

圖2 多層建筑模型側視圖

圖3 多層建筑模型平面圖

2.1.2 火災場景設置

火源設置：將火源設為發生在合用前室的固定火源，建立相應的火災場景。需要注意的是，火災場景不是實實在在發生的火災，而是在大量數據統計下的結果。在進行設計時，應該先確定研究模型的幾何形狀和著火點的位置。假定火源發生在一樓的合用前室（如圖4），主要研究合用前室起火以及樓梯間和電梯井煙氣擴散的速率。

圖4 多層建筑模型起火點

邊界條件設置：（1）火災中存在的任何氣體都視為理想氣體；（2）火災發生過程以全封閉區域為研究對象； （3）著火點在合用前室；（4）模擬時間為500s。本論文建筑模型邊界條件的設置如下圖所示（如圖5）。

圖5 多層建筑模型邊界條件

網格劃分：火災仿真燃燒模擬時采用網格大小為0.1m×0.1m×0.1m，模擬網格總數量為6699000個（如圖6）。

圖6 多層建筑模型網格圖

2.2 煙氣濃度和擴散速率模擬分析

火災發生時豎向通道煙氣擴散的狀況如圖7?；馂膭偘l生時，煙氣在著火層的濃度最大，煙氣不斷產生并且往上擴散。隨著時間的增長，煙氣逐漸擴散在建筑物頂部。由于樓梯間和合用前室在自身的垂直區域內向上擴散有墻壁的阻擋，而電梯井在垂直方向上毫無阻力，所以電梯井的擴散速度最快。圖8、9為火災場景下，多層建筑火災煙氣濃度以及煙氣擴散到達的層數隨時間的變化曲線。

圖7 多層建筑模型中的煙氣運動

圖8 多層建筑火災煙氣濃度曲線圖

圖9 多層建筑火災煙氣擴散速率曲線圖

由圖8、9，我們可以看出該多層建筑著火后，隨著時間的增長，煙氣擴散層數不斷上升。但隨著層數越來越多，煙氣擴散速率逐漸下降，即曲線圖中斜率越來越小；當每層的煙氣濃度達到人體所不能通行的濃度（A=1mg/m3）時，室內廣播則會進行播報通知，例如，在80s時，1層的煙氣濃度達到1mg/m3，在沒有任何排煙措施下，此時1層的樓梯疏散已不可選用。所以上層受災人員的樓梯疏散最佳時間則在發生火災的80秒內，此后可以通知未疏散人員采用其他設備進行逃生，例如自動逃生梯、擦窗吊籃等[7]。

在火災初期，實時動態地提示火源位置，匹配距離最近的滅火器位置進行快速滅火，有效防止火災擴散；在火災擴散期，及時通知人員疏散和消防部門趕赴現場，合理安排人員逃生路徑[8]。

3 結語

本文提出一種適用于多層建筑的火災智能應急系統，將Flow-3D、GIS等技術相結合，進行火災數值模擬，為火災逃生人員提供有效的逃生信息，同時也有利于消防部門救援工作的展開。本例中，數字孿生模塊中的數字孿生模型由Flow-3D軟件和GIS技術結合組成；物聯網與火災傳感器組成系統的信息感知模塊，及時收集和傳輸實時的火災信息；實時通知模塊主要由室內廣播和手機通知組成，并以某多層建筑為例進行分析。

本文的模擬仿真只對煙氣濃度和速率進行了研究，還可以結合溫度因素考慮。本系統受室內WiFi技術限制，火災中環境的變化也會影響到系統的工作效能。如果在火災中建筑物內額定位設備、信息感知設備損壞，將會導致系統結果出現誤差。由此，設想在火災智能應急系統中進一步結合AR和5G技術來增強性能、提高準確度。