基于超分辨率SAR成像技術(shù)的地下空間火災(zāi)疏散路徑自適應(yīng)設(shè)計(jì)

于利堯

（江蘇省方圓建筑設(shè)計(jì)研究有限公司，沭陽 223600）

0 引言

公共場(chǎng)所火災(zāi)的蔓延速度相對(duì)較快，尤其是地下空間，火災(zāi)疏散難度也是極高的。針對(duì)這一類群體性的疏散工作，路徑規(guī)劃是十分關(guān)鍵的［1］。傳統(tǒng)的路徑規(guī)劃一般以定位或者目標(biāo)規(guī)劃為主，對(duì)于簡(jiǎn)單建筑的火災(zāi)疏散效果較好，一旦應(yīng)用在復(fù)雜建筑之中，極容易形成規(guī)劃混亂，所設(shè)定的疏散目標(biāo)也并不清晰，無法達(dá)到預(yù)期的火災(zāi)處理速率［2］。因此，為解決上述問題，提升整體火災(zāi)疏散的能力，結(jié)合超分辨率SAR 成像技術(shù)，設(shè)計(jì)更加宏觀、靈活的自適應(yīng)路徑規(guī)劃方法。

超分辨率SAR 成像實(shí)際上是一種具有高分辨力的成像雷達(dá)，可以根據(jù)周圍環(huán)境的變化，采集定位區(qū)域的數(shù)據(jù)、信息，通過特定的格式匯總整合，轉(zhuǎn)換成指令之后，傳輸?shù)狡脚_(tái)之中，以待使用。將其應(yīng)用于地下空間火災(zāi)疏散路徑自適應(yīng)處理之中，一定程度上可以更好地增強(qiáng)火災(zāi)疏散工作的效果，同時(shí)，在面對(duì)復(fù)雜、狹小的地下空間時(shí)，依據(jù)環(huán)境的變化，調(diào)整成像范圍與數(shù)據(jù)采集區(qū)域，為疏散路徑的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，設(shè)計(jì)多目標(biāo)的逃生路徑。另外，在特定的環(huán)境中，還可以排除火災(zāi)中煙霧、氣體或熱輻射等因素的影響，篩選出最優(yōu)路徑，結(jié)合自適應(yīng)技術(shù)，對(duì)火災(zāi)疏散模式進(jìn)行進(jìn)一步完善［3］。

1 火災(zāi)疏散路徑規(guī)劃時(shí)間自適應(yīng)方法

1.1 識(shí)別火災(zāi)動(dòng)態(tài)

復(fù)雜建筑物內(nèi)部一般會(huì)建設(shè)一定的地下空間，例如：地下停車場(chǎng)、地下室、倉庫等，這一類建筑均存在相同的特征：密閉、空間狹小、設(shè)施關(guān)聯(lián)緊密［4］。所以，這也導(dǎo)致火災(zāi)的識(shí)別及路徑的規(guī)劃難度相對(duì)較高［5］。針對(duì)地下空間建筑自身的特點(diǎn)，結(jié)合SAR 成像技術(shù)識(shí)別火災(zāi)動(dòng)態(tài)［6］。利用雷達(dá)裝置觀測(cè)室內(nèi)聯(lián)通部件、設(shè)施的實(shí)際狀態(tài)，結(jié)合三維時(shí)空定位法，先測(cè)定出火災(zāi)易發(fā)生位置，標(biāo)記起火源［7］。

與此同時(shí)，在起火源周圍半徑1.5 m 處布設(shè)監(jiān)測(cè)異常節(jié)點(diǎn)，一旦出現(xiàn)濃煙或者有毒氣體，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)會(huì)立即感知異常，發(fā)生警示，并及時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)、信息轉(zhuǎn)換為特定的格式，傳輸至對(duì)應(yīng)位置上，形成三維信息成像，具體環(huán)節(jié)如圖1所示。

圖1 三維信息SAR成像環(huán)節(jié)

根據(jù)圖1，可以完成對(duì)三維信息SAR成像環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建。根據(jù)環(huán)節(jié)的執(zhí)行，利用SAR成像技術(shù)，對(duì)地下空間的異常區(qū)域作二次識(shí)別，同時(shí)，關(guān)聯(lián)各個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，形成動(dòng)態(tài)的三維空間，增設(shè)獲取的數(shù)值、信息，以便于管理人員掌握火災(zāi)的實(shí)際情況，為后續(xù)的疏散路徑的規(guī)劃提供參考依據(jù)［8］。

1.2 構(gòu)建多目標(biāo)火災(zāi)疏散結(jié)構(gòu)

在完成對(duì)SAR 成像動(dòng)態(tài)識(shí)別的預(yù)處理之后，需要根據(jù)火災(zāi)實(shí)際情況作出判定，構(gòu)建多目標(biāo)的火災(zāi)疏散結(jié)構(gòu)。利用監(jiān)測(cè)裝置可以獲取火災(zāi)的數(shù)據(jù)、信號(hào)，針對(duì)這部分材料，對(duì)火災(zāi)的環(huán)境進(jìn)行預(yù)測(cè)、分析。當(dāng)?shù)叵驴臻g的火災(zāi)發(fā)生蔓延時(shí)，采用SAR成像技術(shù)對(duì)人員進(jìn)行全方位識(shí)別，測(cè)定計(jì)算出人員的密度，具體如公式（1）所示：

公式（1）中，G(t)表示火災(zāi)監(jiān)測(cè)的人員密度，k表示感應(yīng)距離，n表示單向感應(yīng)時(shí)間，i表示成像感應(yīng)速度。結(jié)合上述測(cè)算出的火災(zāi)監(jiān)測(cè)人員的實(shí)際密度，開啟地下空間地面水平位置兩端的紅外傳感器，并實(shí)現(xiàn)傳感關(guān)聯(lián)。

需要注意的是，不同型號(hào)的傳感器，應(yīng)用探測(cè)的范圍也是不同的。可以將煙霧探測(cè)傳感器、氣體探測(cè)傳感器設(shè)置安裝在地下建筑的下方，而熱探測(cè)傳感器和視頻圖像傳感器則可以設(shè)定在建筑的上方，便于對(duì)火災(zāi)的強(qiáng)度進(jìn)行直觀探測(cè)。結(jié)合傳感器及逃生出口，設(shè)定多個(gè)疏散位置點(diǎn)，構(gòu)建多目標(biāo)火災(zāi)疏散結(jié)構(gòu)，具體如圖2所示。

圖2 多目標(biāo)火災(zāi)疏散結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖2，可以完成對(duì)多目標(biāo)火災(zāi)疏散結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在多目標(biāo)疏散結(jié)構(gòu)的引導(dǎo)之下，根據(jù)人員、分布密度，將地下空間火場(chǎng)人員同時(shí)排布在各個(gè)觀測(cè)節(jié)點(diǎn)處，等待疏散。

1.3 自適應(yīng)SAR三維成像路徑規(guī)劃模型設(shè)計(jì)

在完成對(duì)多目標(biāo)火災(zāi)疏散結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)之后，根據(jù)火災(zāi)的蔓延情況，利用超分辨率SAR 成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)路徑的自適應(yīng)規(guī)劃。利用多源火災(zāi)傳感器采集數(shù)據(jù)，通過所布設(shè)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)獲取的數(shù)值進(jìn)行時(shí)空配準(zhǔn)處理，利用SAR 三維成像裝置，營(yíng)造火災(zāi)模型場(chǎng)景，并建立統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)規(guī)劃時(shí)間步長(zhǎng)，計(jì)算出此時(shí)的態(tài)勢(shì)分辨率，具體如公式（2）所示：

公式（2）中，M表示威脅態(tài)勢(shì)分辨率，a表示統(tǒng)一疏散單元時(shí)間，b表示分辨范圍，μ表示動(dòng)態(tài)分辨基準(zhǔn)值，?表示常數(shù)值。根據(jù)得出的威脅態(tài)勢(shì)分辨率，調(diào)整火災(zāi)疏散的三維格網(wǎng)框架，進(jìn)行空間體素化表達(dá)即可。

隨著疏散目標(biāo)的調(diào)整與更改，通過SAR 三維成像，定位出最優(yōu)的路徑節(jié)點(diǎn)。啟動(dòng)地下空間中該位置周圍的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，確保無危險(xiǎn)之后，結(jié)合自適應(yīng)技術(shù)，構(gòu)架三維模擬路徑。隨著火災(zāi)場(chǎng)溫度的變化，威脅態(tài)勢(shì)信息場(chǎng)的覆蓋范圍也會(huì)形成變動(dòng)，自適應(yīng)技術(shù)會(huì)自動(dòng)平衡空間內(nèi)部的威脅態(tài)勢(shì)信息場(chǎng)，營(yíng)造更加安全的動(dòng)態(tài)疏散路徑，具體的模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 自適應(yīng)SAR三維成像路徑規(guī)劃模型結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖3，可以完成對(duì)自適應(yīng)SAR三維成像路徑規(guī)劃模型結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。遵循上述流程，結(jié)合火災(zāi)的實(shí)際情況，作出定向的調(diào)整與修改，以促使疏散路徑規(guī)劃效果達(dá)到最大化。將路徑規(guī)劃模型與超分辨率SAR 三維成像技術(shù)相融合，還可以對(duì)火場(chǎng)中的人員進(jìn)行探測(cè)與識(shí)別，在一定程度上便于疏散工作的延伸，且進(jìn)一步確保了人員的生命安全。

1.4 路徑空間規(guī)劃矩陣實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

在完成對(duì)自適應(yīng)SAR 三維成像路徑規(guī)劃模型的設(shè)計(jì)之后，根據(jù)火災(zāi)處理要求，建立路徑空間規(guī)劃矩陣。利用所布設(shè)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，設(shè)定最優(yōu)疏散區(qū)域，將節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)格分塊進(jìn)行多層級(jí)匹配，獲取火災(zāi)安全疏散時(shí)間，計(jì)算出聯(lián)合分布密度函數(shù)，具體如公式（3）所示：

公式（3）中，u表示聯(lián)合分布密度函數(shù)，δ表示疏散距離，d1表示疏散預(yù)設(shè)時(shí)間，d2表示疏散實(shí)際時(shí)間，m表示識(shí)別次數(shù)。通過測(cè)定，得出的聯(lián)合分布密度函數(shù)可設(shè)定為單向路徑的規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，形成多層級(jí)的空間規(guī)劃自適應(yīng)矩陣，測(cè)定此時(shí)的修正疏散軌跡，具體如圖4所示。

圖4 路徑空間規(guī)劃矩陣修正疏散軌跡

根據(jù)圖4，可以完成對(duì)路徑空間規(guī)劃矩陣修正疏散軌跡的分析。利用動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃模型，獲取修正后的火災(zāi)路徑規(guī)劃方案，針對(duì)存在的細(xì)節(jié)性問題，還可以進(jìn)行對(duì)應(yīng)的調(diào)整與修改，以此來確保整體的疏散效果，為火災(zāi)撲救奠定基礎(chǔ)環(huán)境。

2 方法測(cè)試

本次針對(duì)超分辨率SAR 成像技術(shù)的地下空間火災(zāi)疏散路徑自適應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用效果，作出定向的分析與研究。為確保測(cè)試結(jié)果的可靠性，采用對(duì)比的形式展開分析，設(shè)定傳統(tǒng)BIM 動(dòng)態(tài)火災(zāi)疏散路徑自適應(yīng)測(cè)試組、傳統(tǒng)改進(jìn)蟻群算法火災(zāi)疏散路徑自適應(yīng)測(cè)試組以及本文所設(shè)計(jì)的SAR 成像火災(zāi)疏散路徑自適應(yīng)測(cè)試組。對(duì)測(cè)試得出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建實(shí)際測(cè)試環(huán)境。

2.1 測(cè)試準(zhǔn)備

為驗(yàn)證地下空間建筑內(nèi)部火災(zāi)疏散路徑的自適應(yīng)設(shè)計(jì)效果，進(jìn)行具體的測(cè)驗(yàn)和分析。為確保最終測(cè)試結(jié)果的精準(zhǔn)性，需要選取D 地鐵站作為測(cè)試的主要對(duì)象。首先，在D 地鐵站相關(guān)位置處布設(shè)一定數(shù)量的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，用于采集數(shù)據(jù)的同時(shí)，還可以提升人員安全疏散中的應(yīng)用性能。利用SAR 成像技術(shù)，設(shè)定三維成像的種群數(shù)量比，一般設(shè)定為0.25。經(jīng)測(cè)定，空間的場(chǎng)地規(guī)模需要?jiǎng)澐譃槿糠郑恳徊糠志仟?dú)立的，且安裝有特定的火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)，建立循環(huán)火災(zāi)疏散路徑庫，并結(jié)合多目標(biāo)火災(zāi)路徑規(guī)劃?rùn)C(jī)制，計(jì)算出人流的瓶頸密度，具體如公式（4）所示：

公式（4）中，g表示人流的瓶頸密度，r1表示成像范圍，r2表示局部成像區(qū)域，σ表示疏散時(shí)間，l表示出口數(shù)量，h表示定性自適應(yīng)常數(shù)值。根據(jù)計(jì)算得出的人流瓶頸密度，明確D 地鐵站火災(zāi)實(shí)際的路徑規(guī)劃范圍，完成對(duì)測(cè)試環(huán)境的搭建。針對(duì)建設(shè)需求，進(jìn)行具體測(cè)試。

2.2 測(cè)試過程及結(jié)果分析

結(jié)合上述測(cè)試環(huán)境的搭建，采用超分辨率SAR 成像技術(shù)，測(cè)定出D 地鐵站火災(zāi)疏散路徑自適應(yīng)設(shè)計(jì)的實(shí)際效果。在標(biāo)定的范圍之內(nèi)，設(shè)置一定數(shù)量的監(jiān)測(cè)規(guī)劃節(jié)點(diǎn)，并對(duì)測(cè)試模型中指標(biāo)參數(shù)作出調(diào)整、設(shè)定，具體如表1所示。

表1 火災(zāi)疏散路徑基礎(chǔ)指標(biāo)參數(shù)預(yù)設(shè)

根據(jù)表1，可以完成對(duì)火災(zāi)疏散路徑基礎(chǔ)指標(biāo)參數(shù)的預(yù)設(shè)，遵循上述的規(guī)定，在模型中設(shè)定路徑規(guī)劃的極限目標(biāo)，利用計(jì)算得出的人流瓶頸密度，測(cè)定3 個(gè)區(qū)域的人員路徑規(guī)劃情況，具體如圖5所示。

圖5 D地鐵站區(qū)域路徑規(guī)劃情況

根據(jù)圖5，可以完成對(duì)D 地鐵站區(qū)域路徑規(guī)劃情況的分析與研究。結(jié)合火災(zāi)的實(shí)時(shí)情況，利用SAR 成像技術(shù)，控制路徑規(guī)劃的分辨率必須在89～93之間，便于后續(xù)的測(cè)定處理。隨后，以此為基礎(chǔ)，分別測(cè)定D地鐵站內(nèi)部3個(gè)區(qū)域的火災(zāi)路徑規(guī)劃效果，并計(jì)算出實(shí)際的動(dòng)態(tài)規(guī)劃時(shí)間，具體如公式（5）所示：

公式（5）中，E表示動(dòng)態(tài)規(guī)劃時(shí)間；Q表示覆蓋區(qū)域；?1表示預(yù)設(shè)分辨率；?2表示實(shí)測(cè)分辨率；c表示綜合響應(yīng)時(shí)間；γ表示規(guī)劃距離。通過測(cè)定，可以得出最終的測(cè)試結(jié)果，對(duì)此進(jìn)行分析與研究，具體如表2所示。

表2 火災(zāi)路徑規(guī)劃測(cè)試結(jié)果分析 單位：s

根據(jù)表2，可以完成對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析：與傳統(tǒng)BIM 動(dòng)態(tài)火災(zāi)疏散路徑自適應(yīng)測(cè)試組、傳統(tǒng)改進(jìn)蟻群算法火災(zāi)疏散路徑自適應(yīng)測(cè)試組相對(duì)比，本文設(shè)計(jì)的SAR 成像火災(zāi)疏散路徑自適應(yīng)測(cè)試組最終得出的規(guī)劃時(shí)間均控制在了10 s以下，表明其對(duì)于火災(zāi)的感應(yīng)能力較強(qiáng)，且誤差小，具有實(shí)際的應(yīng)用意義。

3 結(jié)語

本文提出基于超分辨率SAR 成像技術(shù)的地下空間火災(zāi)疏散路徑自適應(yīng)設(shè)計(jì)方法，在復(fù)雜的火災(zāi)環(huán)境之中，采用自適應(yīng)模式，針對(duì)地下空間內(nèi)部實(shí)際情況，對(duì)火災(zāi)的演進(jìn)、毒煙的蔓延等進(jìn)行實(shí)時(shí)且動(dòng)態(tài)的觀測(cè)、預(yù)判。以此為基礎(chǔ)，及時(shí)調(diào)整超分辨率SAR 成像指標(biāo)參數(shù)，提升火災(zāi)疏散路徑的時(shí)效性與可靠性，關(guān)聯(lián)三維動(dòng)態(tài)信息場(chǎng)，不斷增強(qiáng)自適應(yīng)規(guī)劃的靈活度與復(fù)雜度，以此來約束應(yīng)急疏散路徑拓?fù)涞母拢罱K進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了路徑的動(dòng)態(tài)完善和優(yōu)化。