地下建筑物室內疏散引導地圖的構建

朱 豫，周京春

地下建筑物室內疏散引導地圖的構建

朱 豫，周京春

（云南師范大學 地理學部/云南省高校資源與環境遙感重點實驗室/云南省地理空間信息工程技術研究中心, 昆明 650500）

在大型建筑地下空間事故中逃生是涉及空間數據模型構建、空間路徑化和疏散路徑規劃，綜合建筑、人和災情態勢因素相互作用的復雜科學問題。針對目前已有的地下室內空間數據模型缺乏描述室內災害事件、地理實體動態語義特征的情況，從地下建筑物功能和結構特征出發，從幾何、語義和時態3個角度設計了一種突出災情語義、面向地理實體對象的部件級地下建筑物室內時空語義數據模型，并形成物理數據庫。在此基礎上，結合約束德勞奈（Delaunay）三角形剖分的思想實現室內3維疏散引導地圖的高效構建，為復雜地下建筑物災害事件發生時室內空間的路網快速構建和表達提供參考。實驗結果表明，該方法構建的室內疏散引導地圖可行、高效，可支撐后續疏散路徑規劃的研究。

地下建筑物；時空語義數據模型；災害語義；約束德勞奈三角剖分；室內疏散引導地圖

0 引言

我國自“十二五”以來，大力開發和深層次挖掘地下空間資源已成為城市可持續發展的必由之路和戰略需求[1]。地下室內空間與室外空間在空間尺度、空間組成要素、空間約束上存在顯著區別[2]，具有空間封閉性、氣密性等特點[3]，使得復雜地下空間中的災害逃生變成了一場無序的求生博弈。為此，需要及時掌握建筑結構、功能分區、消防設備的分布、消防通道的可通行狀態及其與其他地下空間的連通狀況等數據，并建立以地下建筑物為單位的部件級的室內空間數據模型和路網模型，從而動態、科學地對地下突發事故進行評估并施行有效的救援。

室內空間數據模型從面向位置服務的角度出發可分為3種：幾何模型[4-6]、符號模型[7-11]和混合模型[12-15]。幾何模型關注建筑實體的空間位置信息。符號模型關注室內實體之間的連通性和可達性。后續為了滿足對位置服務的高精度、多情境、個性化和智能化等全方位要求提出了混合模型，通過在幾何空間層上疊加語義信息實現了路徑規劃、導航地圖和室內定位等室內空間位置服務。其中，室內導航路網的構建是實現室內位置服務的關鍵，這需要將建筑實體位置及其空間關系從空間數據模型中復原并抽取出來，通過提取路網將室內空間路徑化。目前，學者們使用多個2維平面路網拼接表示3維空間路徑，從而提高3維空間的導航效率。根據構建原則的不同將其路網構建方法分為2種：一是規則柵格劃分[16-17]，多用于機器人導航與疏散仿真；二是不規則矢量網格劃分[18-19]，多用于室內路徑規劃與導航。

雖然學者們針對室內空間數據模型和室內空間位置服務做了大量研究，但目前的研究還多停留在3維可視化和簡單查詢分析的層次，只適用于靜態、和平安全的環境，難以應對室內災害高動態環境變化所引發的建筑部件功能、狀態與生命周期的改變[20]。針對該問題，本文面向大型建筑公共地下空間，從導航和災情語義的角度出發，考慮空間實體狀態、結構和功能隨災害事件的演變過程而發生幾何、語義的動態變化，研究地下建筑物室內時空語義數據模型的構建及其室內疏散引導地圖的高效、自動化生成方法，為將逃生的無序博弈變為強干預的有效、快速的疏散提供參考。

1 顧及地下空間災情語義的室內時空數據模型

現有的地下建筑物室內空間數據模型缺乏對室內實體隨災情演變動態行為的時空語義表達，以及對室內事故事件發生位置和發展態勢的時空語義表達，無法滿足地下空間室內災害動態分析對建筑物結構空間的特定需求。為此，本文采用基于本體的描述方法，以地下建筑物室內特征對象為核心，構建與室內災害應急疏散相關的部件對象（例如防火分區、防火門、走道、樓梯、出口、監控設備、消防設備及其從屬、連通關系等）以及事故事件對象的數據模型，集語義、幾何和時態3個層次為一體，各層次之間相互關聯與轉換（如圖1所示），形成一個完整的地下建筑物室內時空語義數據模型，定性、定量地表現室內空間，并落地形成數據庫，以支持后續的室內位置應用和服務。

圖1 地下建筑物室內時空語義數據模型

1.1 地下建筑物室內語義數據模型

針對地下建筑物室內特征實體的時空特點、信息分類、研究目標和應用需求，對建筑物室內空間進行語義劃分，采用混合本體的方法建立3個層次的語義模型（如圖2所示），并可形式化表示為一個三元組Semantic_Model={DO，TO，AO}。其中：DO表示領域本體；TO表示任務本體；AO表示應用本體。

圖2 地下建筑物室內語義層

1）領域本體層?？紤]本體的靜態性，從地下建筑物的室內功能和結構出發，結合人們對地下建筑物內部空間的認知劃分領域本體層次，包括出入口、容器、通道、附屬設施、障礙物、事件和規則6個領域本體，用來描述特定應用情境下地下建筑物室內空間對象的屬性、狀態、操作及其相互之間的關系，為動態室內導航提供空間推理機制和尋路條件，如表1所示。

2）任務本體層?？紤]本體的動態性，從地下建筑領域本體的應用場景和生命周期變化的特點出發，根據其涉及的主要業務場景劃分任務本體，為形成不同應用情境的子系統語義模型奠定基礎。

表1 領域本體層

3）應用本體層。根據特定的應用情境對地下建筑物室內部件的狀態進行粒度劃分，本文的劃分粒度如圖3所示。將每個應用本體映射到地下建筑物室內部件對象的幾何模型上，對其進行顯式表達（物理實現），從而實現現實世界中的地下建筑物室內部件à地下建筑物室內本體系統à地下建筑物室內特征對象類庫à地下建筑物室內時空對象的映射和轉換，將地下建筑物室內實體部件的幾何特征、時間特征、語義特征有機地結合起來。

1.2 地下建筑物室內幾何數據模型

精細的地下建筑物室內幾何數據模型是實現室內空間位置服務的基礎。本文根據上述地下建筑物室內語義數據模型中的領域本體來劃分和組織幾何數據模型，采用點、線、面3種幾何要素描述地下建筑物的室內部件實體，并建立部件之間的拓撲規則，其可形式化表示為一個二元組Geometry_Model={GE，TE}，其中：GE表示幾何要素的集合，是領域本體所對應的空間區域和實體對象的集合；TE表示拓撲要素，是室內幾何要素之間拓撲關系的集合，來源于規則本體。

1.3 地下建筑物室內時態數據模型

地下建筑物室內部件具有顯著的時間特征，會隨著其生命周期的展開而發生空間和語義的變化，例如地下功能子區的變化、通道通行方向的改變等。本文將地下建筑物室內部件對象隨時間變化的信息與語義層中的任務本體映射，設計為規劃設計時態、建設施工時態、在用時態、在線監測時態、運行維護時態和事件時態6大主題進行分類組織，每個地下建筑物室內特征對象都具有時間表達和與時間相關的屬性表達2個組成部分，時間和屬性的表達層次將通過對象身份標識號（identity, ID）與語義成分中的任務本體相關聯。

以事件時態為例, 事件指的是地下建筑物室內部件在運行過程中的異常狀況，事件時態反映地下建筑內部事件的發生過程，通過設置一個事件時空對象類接收分析來自外界（人工輸入或物聯網接入等）的消息，并記錄和表達某一事件在某一時間點的態勢，進而觸發領域本體的語義變化和幾何變化。在此類中，將地下建筑內部發生的每件事件抽象為一個點事件時空對象，可形式化表示為一個二元組Event_Temporal_Object={SO,TO}，其中：SO表示事件空間對象，用來表達該事件某時刻引起語義或幾何信息變化的地下建筑物室內部件，包括了對象ID、是否可通行等動態屬性信息；TO是事件時態對象，用來表達在特定時間點上事件狀態發生變化的時間語義，包括時態ID、事件ID、事件類型、事件等級、應急預案等動態屬性信息。通過設置事件時空對象類，完整地呈現事件的發生過程以及造成的建筑空間結構和人的行為改變，為后續的動態路徑規劃算法提供導航規則和路線優化參數。圖4以火災事件為例，展示了事件時空對象的運行機制。

圖4 事件時空對象的運行機制

2 地下建筑物室內疏散引導地圖

室內空間相較于室外空間有著“路網模糊”的特性，且樓層在垂直和水平方向上通過樓梯和走廊等連接，形成了較室外空間更為錯綜復雜的路網連通關系。如何合理地劃分地下建筑物的室內空間，進而高效地進行室內導航是難點。本文從構建地下建筑物室內時空語義數據庫出發，引入“室內疏散引導地圖”的概念，利用語義對地下空間區域通達性的描述形成道路約束，自動化生成室內疏散引導地圖，來解決這一難題。即采用格網法，以三角網格作為導航網格的最小單元，根據數據庫中地下建筑物室內部件的語義自動化生成僅與疏散引導相關的初始可通達路網圖（室內疏散引導地圖）；后續則以此圖為基礎，結合數據庫底層的即時語義轉換觸發器，驅動室內疏散引導地圖隨災情的演變而動態更新，形成一種高效、動態、全自動化的地下建筑物室內導航方法。

2.1 地下建筑物室內空間區域的劃分及數據庫建設

2.1.1 地下建筑物室內空間區域劃分與索引

為了解決地下建筑物室內空間劃分不明確、空間差別感弱且無明確指路標識[21]的問題，本文結合語義模型對地下建筑物室內空間進行了細粒度劃分，充分考慮特定災害情境下不同區域之間幾何結構和區域功能的差別對地下建筑物室內空間進行劃分，將空間分為“地下建筑物-樓層子區-功能部件”3個嵌套層次，并建立空間區域索引快速選擇要素對象。

地下空間數據分布呈區域化，子區域分布密度不均且集中，可以結合建筑區域層次特征設計唯一要素標識碼，并利用R樹（R-tree）最小限定矩形（minimum bounding rectangle, MBR）對區域位置進行描述，依此建立的空間索引（如表2所示）可快速識別地下空間中的不同子區域，既解決了導航網格劃分的性能問題，又保留了其快速定位的優點。

表2 地下建筑物室內空間區域的空間索引

（續）

2.1.2 地下建筑物室內時空語義數據庫

以地下建筑物室內時空語義數據模型為基礎，結合區域空間索引形成地下建筑物室內時空語義物理數據庫，采用微軟通道（Microsoft Access）MDB格式進行儲存。地下建筑物室內部件實體按照其空間特性從幾何層出發，將建筑物實體處理為點、線、面3種幾何要素類型（如表3所示）。

表3 數據要素類型和結構

2.2 地下建筑物室內疏散引導地圖的生成

2.2.1 室內路網組織方式

地下建筑物的室內疏散引導地圖是由整幢建筑中各樓層可通達路網連接組合成的，其面向室內高動態環境變化兼具水平方向的延伸和垂直方向的拓展，同時要求路網算法能全方位、多尺度和多粒度地刻畫室內空間要素。目前不規則矢量網格劃分算法主要有：中軸變換[22]、可視圖法[23]和格網法[24]。

由于地下建筑物室內空間實際上不存在真正理論意義上的道路地理要素，無法采用可視路點法和中軸變化法提取路點和中軸線；圖論法側重位置語義的表達，缺乏空間信息的展現，當面對復雜空間尋路問題時顯得力不從心。以上3種方法在解決地下停車場這種大型開放空間，缺乏明顯地理空間分割要素的情況十分困難，相對而言，格網法針對地下建筑物室內空間這種特殊情境十分適合。

格網單元的幾何形態可以劃分為三角形、正方形和六邊形3種，其中三角形作為最簡單的平面凸邊形，其面積小巧、高度獨立，網格內任意二點連線可看作是最短路徑且都在其內部。因此本文采用德勞奈（Delaunay）三角形作為路網的最小劃分單元格，利用約束Delaunay三角剖分（constrained Delaunay triangulation，CDT）[25-27]劃分路網，支撐后續各種路徑規劃算法的實現。

2.2.2 地下通道中心線拓展算法

在地下空間普查時，地下通道僅包含了中心線數據，在構建路網時將會產生2個問題：1）無法按照道路寬度還原真實的場景路網地圖，影響對道路人流量承載力的判斷；2）由于建筑部件獨立于樓層平面構網，對于點數少于3的通道部件將無法構網。針對上述問題需根據地下通道的中心線進行邊線拓展。

同理可求出另一個端點的左、右偏移三維坐標，從而獲得通道的邊界位置，如圖5所示。

圖5 某消防通道/滾梯拓展前后示例

2.2.3 路網生成算法

本節對平面區域進行約束構網。約束要素包括約束點、約束邊和約束面，用以表示數據庫中不可通行的建筑物，例如豎井、設備房等狹窄封閉無法跨越的空間。本文采用平面直線圖（planar straight line graph，PSLG）法（如圖6所示）對這些約束元素進行了定義，在佩·查姆（PyCharm）平臺上實現了基于CDT算法的地下建筑物室內路網圖的構建（如圖7所示）。

圖6 某樓層離散點圖和PSLG特征

圖7 路網生成流程

2.2.4 實驗結果

通過路網生成算法實現了逐層、逐部件的自動化生成地下建筑物的室內疏散引導路網（如圖8所示，灰色部分為不可通行區域），隨后通過對通道、門等功能部件與各樓層建立拓撲關系，形成上下連通的初始態3維室內疏散引導地圖。后續地圖的動態變化可依靠路網生成算法通過區域索引和事件時空對象驅動進行局部的更新和刪除，實現面向地下建筑物室內復雜場景的高效、動態表達。

圖8 某樓層疏散引導路網

采用上述流程和方法對地下空間普查中實測的2個不同類型地下建筑物進行了建庫和室內疏散導航地圖的構建實驗。圖9為某3層地下商場及其附屬停車場；圖10為某住房小區地下3層停車場。證明了本方法的可行性和普適性，為后續突發地下空間事故時疏散路徑的規劃打下堅實基礎。

圖9 某地下商場3維疏散引導地圖

圖10 某小區地下停車場3維疏散引導地圖

3 結束語

本文的主要研究工作包含了二部分內容：1）針對目前地下建筑物室內空間數據模型缺乏災害事件語義描述的情況，提出了一種顧及災害語義的數據模型，集幾何、語義和時態一體對數據進行建模，并落地形成數據庫；2）在此基礎上，充分考慮地下建筑物室內部件的幾何特征及其在區域上的分布特點，導入PSLG圖，結合CDT，自動化、動態化生成地下建筑物室內疏散引導地圖。實驗表明，這種室內疏散引導地圖的構建方法是高效、可行、普適的，此方法從“導航網格”這一游戲智能尋徑的思想出發，將3維空間簡化為二維平面中含有地圖拓撲關系的三角格網集合，大大降低了由維度產生的算法復雜度，可為后續的尋徑算法，例如元胞機算法，提供數據基礎。

隨著室內定位技術的不斷發展，地下應急搶險是一件分秒必爭的事情，對實時室內導航的要求也隨之上升，尤其在地下空間突發災害需要進行人工干預和快速引導時，精密可靠的3維引導地圖和高效的尋徑算法尤為關鍵。本文研究的室內疏散引導地圖提供了一種高效、高精度、即時性的地圖構建思路；但針對更復雜的地下建筑物室內場景，例如大型地下綜合體，還須進一步實踐研究，以便尋徑算法為地下空間災害情境下的人群提供精準、及時、有效的空間指引。

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Construction of indoor evacuation guidance maps for underground buildings

ZHU Yu, ZHOU Jingchun

（Faculty of Geography,Yunnan Normal University/Key Laboratory of Resources and Environmental Remote Sensing for Universities in Yunnan/Center for Geospatial Information Engineering and Technology of Yunnan Province, Kunming 650500, China）

Escaping from a large building underground space accident is a complex scientific problem involving spatial data model construction, spatial pathing and evacuation path planning, and the interaction of integrated building, human and disaster posture factors. In response to the lack of existing underground indoor spatial data models describing indoor disaster events and dynamic semantic features of geographic entities, this paper designs a component-level underground building indoor spatio-temporal semantic data model highlighting disaster semantics and oriented to geographic entity objects from three perspectives of geometry, semantics and temporality from the functional and structural characteristics of underground buildings, and forms a physical database. On this basis, the idea of constrained Delaunay triangle dissection is combined to realize the efficient construction of indoor 3D evacuation guidance maps, which provides a new method for the rapid construction and expression of road networks in indoor space when disaster events occur in complex underground buildings. The experimental results indicate that the indoor evacuation guidance map constructed by this method is feasible and efficient, and can support the subsequent research on evacuation path planning.

underground buildings; spatio-temporal semantic data model; disaster semantics; constrained delaunay triangulation; indoor evacuation guidance maps

P228

A

2095-4999(2022)06-0097-10

朱豫，周京春. 地下建筑物室內疏散引導地圖的構建[J].導航定位學報, 2022, 10(6): 97-106.（ZHU Yu, ZHOU Jingchun. Construction of indoor evacuation guidance maps for underground buildings[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2022, 10(6): 97-106.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20220613.

2022-07-04

云南省高?？萍紕撔聢F隊資助項目（IRTSTYN）；云南師范大學青年科學基金項目（2019XJLK08）。

朱豫（1999—），女，云南昭通人，碩士研究生，研究方向為空間信息服務。

周京春（1972—），女，河北新城人，博士，教授，研究方向為空間信息服務和工程測量。