發(fā)布時(shí)間：2021-12-14所屬分類：建筑師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要 高層建筑結(jié)構(gòu)規(guī)模巨大、人員眾多, 而疏散出口數(shù)量有限, 如何有效安排疏散出口人員分布, 提高疏散效率, 是火災(zāi)應(yīng)急管理的重要研究?jī)?nèi)容. 以人為中心的疏散系統(tǒng)是典型的復(fù)雜系統(tǒng), 具有難以真實(shí)實(shí)驗(yàn)分析的困難. 本文基于 ACP (人工系統(tǒng)、計(jì)算實(shí)驗(yàn)、平行執(zhí)行) 方法,
摘 要 高層建筑結(jié)構(gòu)規(guī)模巨大、人員眾多, 而疏散出口數(shù)量有限, 如何有效安排疏散出口人員分布, 提高疏散效率, 是火災(zāi)應(yīng)急管理的重要研究?jī)?nèi)容. 以人為中心的疏散系統(tǒng)是典型的復(fù)雜系統(tǒng), 具有難以真實(shí)實(shí)驗(yàn)分析的困難. 本文基于 ACP (人工系統(tǒng)、計(jì)算實(shí)驗(yàn)、平行執(zhí)行) 方法, 以智能體技術(shù)為核心建立了人工疏散系統(tǒng), 基于火災(zāi)場(chǎng)景, 利用計(jì)算實(shí)驗(yàn)對(duì)疏散策略進(jìn)行了驗(yàn)證、評(píng)估, 給出了實(shí)際疏散系統(tǒng)與人工疏散系統(tǒng)的平行執(zhí)行實(shí)現(xiàn)思想. 最后, 通過(guò)案例驗(yàn)證了方法的可行性.
關(guān)鍵詞 高層建筑, 火災(zāi)應(yīng)急管理, 疏散策略, ACP 方法, 計(jì)算實(shí)驗(yàn)
火災(zāi)作為突發(fā)性災(zāi)害, 具有發(fā)生的頻度高、帶來(lái)的災(zāi)難性后果嚴(yán)重、社會(huì)影響與經(jīng)濟(jì)損失巨大等特點(diǎn), 國(guó)內(nèi)外對(duì)于火災(zāi)應(yīng)急管理的研究正受到越來(lái)越多的關(guān)注. 涉及到的研究?jī)?nèi)容包括火災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)估、火災(zāi)模型研究、火災(zāi)信息獲取與管理、火災(zāi)保護(hù)與決策支持, 以及人員疏散等[1−5] .
高層建筑作為我國(guó)及世界上其他國(guó)家建筑結(jié)構(gòu)的主流, 具有結(jié)構(gòu)規(guī)模巨大、內(nèi)部人員密集、疏散通路長(zhǎng)且復(fù)雜, 而疏散出口有限的特點(diǎn), 一旦發(fā)生火災(zāi), 外部救援異常困難. 有效的自救是減少損失的主要手段, 這就使得應(yīng)急疏散策略與疏散預(yù)案的研究成為高層建筑火災(zāi)應(yīng)急管理的重點(diǎn). 探索有效和優(yōu)化的高層建筑人員疏散策略, 一方面可以作為火災(zāi)應(yīng)急疏散預(yù)案, 指導(dǎo)人員進(jìn)行有序疏散, 盡可能地避免排隊(duì)、擁堵、以及可能出現(xiàn)的踩踏現(xiàn)象, 以期用最短時(shí)間, 使盡可能多的人逃離危險(xiǎn)建筑, 降低損失. 另一方面, 針對(duì)場(chǎng)景的優(yōu)化的疏散策略可以用于人員的培訓(xùn)及演練, 是火災(zāi)應(yīng)急管理的重要內(nèi)容, 具有重大的現(xiàn)實(shí)意義. 然而, 以人為核心的疏散系統(tǒng)是典型的復(fù)雜系統(tǒng), 具有復(fù)雜系統(tǒng)難以數(shù)學(xué)解析建模、難以進(jìn)行分解還原分析, 以及無(wú)法進(jìn)行常規(guī)的實(shí)驗(yàn)研究等特點(diǎn). 再加上建筑結(jié)構(gòu)因素、火災(zāi)環(huán)境因素, 以及人的因素在內(nèi)的多種不確定因素的影響,使得基于應(yīng)急管理層面的高層建筑火災(zāi)應(yīng)急疏散策略研究問(wèn)題異常復(fù)雜和困難.
關(guān)于建筑火災(zāi)中人員疏散的研究已有三十余年的歷史, 主要集中在人員個(gè)體及群體疏散行為的研究上. 1977 年英國(guó)倫敦的 Surrey 大學(xué)和 1978 年美國(guó)的 NIST (National Institute of Standard and Technology) 分別舉辦了第一屆和第二屆 “火災(zāi)中人的行為” 國(guó)際研討會(huì), 代表著疏散行為研究的開(kāi)始[6] . 研究的手段經(jīng)歷了基于事故的調(diào)查研究、基于統(tǒng)計(jì)的分析研究, 以及 80 年代之后基于計(jì)算機(jī)的仿真研究. 近年來(lái), 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù), 以及人工智能技術(shù)的發(fā)展, 建立合理有效的疏散行為模型成為了研究的重點(diǎn). 國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)了多種仿真軟件, 代表性的軟件有 buildingEXODUS, EVACENT, SIMULEX, 以及 CRISP 等[7−10] . 現(xiàn)有的與疏散策略相關(guān)的研究, 從方法上可以分為宏觀研究方法和微觀研究方法. 宏觀研究方法代表性的主要是基于解析數(shù)學(xué)關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)流方法[11] , 又可細(xì)分為靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)流法[12]、動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)流法[13] 和快速流方法[14] . 此外, 還有一些智能算法被引入來(lái)研究解決疏散路徑的優(yōu)化問(wèn)題, 如蟻群算法[15]、粒子群算法[16] 等. 然而, 這些基于建筑結(jié)構(gòu)的解析的宏觀研究方法, 無(wú)法考慮到疏散者的個(gè)體差異, 也很難與動(dòng)態(tài)的火災(zāi)環(huán)境相結(jié)合, 這就使得獲得的優(yōu)化疏散路徑與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn), 其應(yīng)用的合理性受到質(zhì)疑. 近年來(lái), 微觀研究方法由于考慮了疏散者個(gè)體的特征與差異, 考慮了環(huán)境對(duì)個(gè)體的生理、心理等影響, 對(duì)疏散者行為描述更接近于現(xiàn)實(shí). 現(xiàn)有的微觀研究方法主要是基于元胞自動(dòng)機(jī)[17]、基于社會(huì)力[18] 以及基于 Agent 智能體的微觀模型基礎(chǔ)上的仿真研究[19] . 目前, 上述微觀仿真方法主要被用于基于建筑結(jié)構(gòu)的個(gè)體逃生決策研究. 由于疏散系統(tǒng)存在著隨機(jī)性和多種不確定因素, 缺乏綜合多種不確定因素的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究, 以及統(tǒng)計(jì)分析處理的單次仿真不能獲得具有統(tǒng)計(jì)意義的結(jié)論, 因而, 基于管理層面在綜合考慮建筑結(jié)構(gòu)、火災(zāi)環(huán)境, 以及疏散者相互作用基礎(chǔ)上的疏散策略的研究非常困難和少見(jiàn).
針對(duì)上述研究的困難與不足, 本文從復(fù)雜系統(tǒng)研究的角度, 應(yīng)用復(fù)雜系統(tǒng)的新理論和新方法 ACP (人工系統(tǒng) (Artificial system)、計(jì)算實(shí)驗(yàn) (Computational experiments)、平行執(zhí)行 (Parallel execution)), 探索基于管理層面的高層建筑火災(zāi)環(huán)境下的應(yīng)急疏散策略. ACP 方法的核心思想包括應(yīng)用基于 Agent 智能體技術(shù)的人工系統(tǒng)來(lái)描述復(fù)雜系統(tǒng), 解決復(fù)雜系統(tǒng)本質(zhì)上不能解析建模的問(wèn)題. 以計(jì)算機(jī)為實(shí)驗(yàn)室通過(guò)對(duì)人工系統(tǒng)的計(jì)算實(shí)驗(yàn)來(lái)解決真實(shí)系統(tǒng)難以實(shí)驗(yàn)以及重復(fù)實(shí)驗(yàn)的難題. 最后, 通過(guò)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)與人工系統(tǒng)構(gòu)成的平行系統(tǒng)進(jìn)行平行執(zhí)行來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管理和控制[20−23] . 近年來(lái), ACP 方法已經(jīng)成功地應(yīng)用于交通[24]、化工[25]、經(jīng)濟(jì)[26]、社會(huì)安全[27] 等多領(lǐng)域, 為面向以人為核心的復(fù)雜社會(huì)問(wèn)題的研究提供了完整的解決方案. 高層建筑火災(zāi)疏散系統(tǒng)同樣是以人為核心的典型復(fù)雜系統(tǒng), 存在著無(wú)法解析建模、無(wú)法還原分解的特點(diǎn), 再加上經(jīng)濟(jì)上、道德上的原因, 真實(shí)的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)難以進(jìn)行, 更不用說(shuō)多次的重復(fù)實(shí)驗(yàn). 本研究以 ACP 方法為指導(dǎo), 可以通過(guò)構(gòu)建人工疏散系統(tǒng)將建筑結(jié)構(gòu)、火災(zāi)環(huán)境, 以及疏散者進(jìn)行綜合描述; 通過(guò)單因素和多因素的計(jì)算實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施, 可以解決火災(zāi)環(huán)境下疏散策略的實(shí)驗(yàn)難題; 同時(shí), 彌補(bǔ)仿真研究對(duì)具有隨機(jī)性和不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)缺乏統(tǒng)計(jì)意義的不足.
本文下述內(nèi)容包括: 基于 ACP 方法研究的基本框架; 人工高層建筑火災(zāi)疏散系統(tǒng); 基于火災(zāi)場(chǎng)景的疏散策略計(jì)算實(shí)驗(yàn); 疏散策略的平行執(zhí)行思想; 通過(guò)案例實(shí)現(xiàn)上述研究思想; 最后, 給出結(jié)論與研究展望.
1 基于 ACP 方法的研究框架
基于 ACP 方法研究高層建筑火災(zāi)疏散策略的核心內(nèi)容包括建立人工疏散系統(tǒng)、針對(duì)人工疏散系統(tǒng)的計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究以及將實(shí)際疏散系統(tǒng)與人工疏散系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)的平行執(zhí)行機(jī)制, 組成框架如圖 1 所示.
人工疏散系統(tǒng)由相互作用與影響的疏散者模型庫(kù)、建筑結(jié)構(gòu)庫(kù), 以及火災(zāi)場(chǎng)景庫(kù)組成. 基于 “自底向上” 的思想, 通過(guò)對(duì)疏散者、建筑結(jié)構(gòu)以及火災(zāi)場(chǎng)景的靈活設(shè)置與組合可以實(shí)現(xiàn) “多重世界” 的觀點(diǎn), 建立不以真實(shí)疏散系統(tǒng)為唯一目標(biāo)的 “多重疏散系統(tǒng)”. 計(jì)算實(shí)驗(yàn)是對(duì)人工系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的重要手段. 針對(duì)人工疏散系統(tǒng)的計(jì)算實(shí)驗(yàn)突破了無(wú)法實(shí)驗(yàn)以及通過(guò)重復(fù)實(shí)驗(yàn)對(duì)疏散策略研究的局限, 通過(guò)合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)實(shí)施, 以及對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與評(píng)價(jià), 可對(duì)疏散策略進(jìn)行疏散效率的驗(yàn)證與評(píng)估. 由于火災(zāi)人員疏散系統(tǒng)中存在著多種確定的和不確定的因素, 對(duì)疏散策略的效率具有控制或影響的作用, 進(jìn)行合理的因素分析與設(shè)定, 展開(kāi)單因素以及多因素的綜合實(shí)驗(yàn)研究, 是全面評(píng)估疏散策略效率的有效手段. 在軟、硬件資源與設(shè)備條件, 以及計(jì)算環(huán)境許可的情況下, 可對(duì)人工系統(tǒng)和實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行平行執(zhí)行, 實(shí)現(xiàn)疏散的平行應(yīng)急管理. 通過(guò)平行機(jī)制可將對(duì)人工系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)獲得的有效和優(yōu)化的疏散策略應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)急管理, 并通過(guò)對(duì)實(shí)際疏散系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、信息采集與融合將動(dòng)態(tài)的信息反饋給人工系統(tǒng), 人工系統(tǒng)通過(guò)時(shí)間調(diào)整方法推演事態(tài)的發(fā)展?fàn)顩r, 并以疏散系統(tǒng)設(shè)定目標(biāo)為依據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整疏散策略, 實(shí)現(xiàn)人工系統(tǒng)和實(shí)際系統(tǒng)的平行執(zhí)行是研究的最高目標(biāo).
綜上, 基于 ACP 方法的總體研究思路如下:
1) 建立人工疏散系統(tǒng);
2) 對(duì)人工系統(tǒng)提出疏散策略;
3) 通過(guò)計(jì)算實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證疏散策略, 并對(duì)其進(jìn)行分析和評(píng)價(jià);
4) 通過(guò)平行執(zhí)行機(jī)制將優(yōu)化的疏散策略應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng), 通過(guò)實(shí)際系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反饋對(duì)疏散策略進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整.
2 人工疏散系統(tǒng)
應(yīng)用 ACP 方法解決疏散策略問(wèn)題, 構(gòu)造人工疏散系統(tǒng)是基礎(chǔ). 人工疏散系統(tǒng)將不以逼近真實(shí)的實(shí)際疏散系統(tǒng)作為其唯一標(biāo)準(zhǔn), 而是基于多重世界的觀點(diǎn), 可以靈活且低成本地展現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)的多種可能版本, 成為實(shí)際疏散系統(tǒng)的一種或多種可能的替代.
高層建筑疏散系統(tǒng)有三種基本的組成部分需要描述: 具有自主行為能力的疏散者、疏散者所處的復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu), 以及動(dòng)態(tài)的火災(zāi)環(huán)境.
在整個(gè)疏散過(guò)程中, 疏散者的疏散行為受到其他疏散者、建筑結(jié)構(gòu)以及動(dòng)態(tài)的火災(zāi)環(huán)境的作用和影響, 共同構(gòu)成一個(gè)無(wú)法解析建模的復(fù)雜系統(tǒng). 基于人工生命和人工社會(huì)的思想[20] , 應(yīng)用 Agent 智能體技術(shù)來(lái)描述具有自治性、社會(huì)性、學(xué)習(xí)性、反應(yīng)性、以及不同物理特征、運(yùn)動(dòng)能力, 并對(duì)火災(zāi)環(huán)境中熱、毒性不同反應(yīng)的疏散者是人工疏散系統(tǒng)的核心. 如圖 2 所示, 基于 Agent 智能體技術(shù)的疏散者需要通過(guò)一套屬性定義來(lái)描述. 這些屬性包括靜態(tài)屬性和動(dòng)態(tài)屬性. 一些生理屬性如性別、年齡、身高、體重等在整個(gè)疏散過(guò)程中應(yīng)是固定的, 可以用來(lái)幫助區(qū)分不同的個(gè)體, 并作為合理設(shè)定其他屬性參數(shù)的依據(jù), 設(shè)為靜態(tài)屬性. 還有一些屬性如移動(dòng)距離、運(yùn)動(dòng)靈敏度、運(yùn)動(dòng)速度, 逃離時(shí)間等則是火災(zāi)以及其他影響因素的結(jié)果, 應(yīng)該是動(dòng)態(tài)變化的, 用于在疏散過(guò)程中對(duì)個(gè)體進(jìn)行動(dòng)態(tài)描述, 設(shè)為動(dòng)態(tài)屬性. 具有靜、動(dòng)態(tài)屬性的 Agent 個(gè)體通過(guò)對(duì)位置環(huán)境、火災(zāi)環(huán)境、管理環(huán)境等外部環(huán)境的感知, 基于決策規(guī)則和行為規(guī)則進(jìn)行疏散運(yùn)動(dòng). 基于 Agent 智能體建模可以描述出具有生理差異的個(gè)體, 并通過(guò)大量個(gè)體之間的交互作用體現(xiàn)出人群的整體行為和整體涌現(xiàn)現(xiàn)象.
高層建筑結(jié)構(gòu)的描述也是人工疏散系統(tǒng)的重要內(nèi)容. 空間網(wǎng)格技術(shù)的發(fā)展為空間結(jié)構(gòu)的詳細(xì)和完整描述提供了基礎(chǔ). 通過(guò)合理的空間網(wǎng)格劃分方法可以建立復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)以及建筑結(jié)構(gòu)庫(kù). 為了描述疏散者在火災(zāi)環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)以及火災(zāi)的動(dòng)態(tài)影響, 整個(gè)建筑空間的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)同樣需要通過(guò)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)屬性來(lái)描述和表示. 靜態(tài)屬性可將網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)靈活定義為不同的物理空間, 動(dòng)態(tài)屬性可實(shí)時(shí)地反映火災(zāi)的熱、煙和毒性. 綜合網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)與 Agent 智能體技術(shù)可使疏散者在不同建筑結(jié)構(gòu)的空間進(jìn)行疏散運(yùn)動(dòng).
火災(zāi)動(dòng)態(tài)環(huán)境是人工疏散系統(tǒng)需要描述的另一重要內(nèi)容. 不同火災(zāi)環(huán)境下的疏散系統(tǒng)可以看成為人工疏散系統(tǒng) “多重世界” 的具體實(shí)現(xiàn). 利用火災(zāi)數(shù)值模擬技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)動(dòng)態(tài)環(huán)境的描述. 火災(zāi)數(shù)值模擬技術(shù)是基于火的數(shù)學(xué)模型, 采用計(jì)算機(jī)來(lái)分析和模擬火的發(fā)展以及煙氣的擴(kuò)散規(guī)律. 目前, 火的數(shù)值模型主要有網(wǎng)絡(luò)模型、區(qū)域模型以及場(chǎng)模型. 網(wǎng)絡(luò)模擬的優(yōu)點(diǎn)是模型簡(jiǎn)單, 每一個(gè)房間只用一個(gè)均勻參數(shù)來(lái)表示, 計(jì)算量少, 但對(duì)火災(zāi)煙氣的處理手法十分粗糙, 不能模擬房間內(nèi)部的溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)的詳細(xì)分布情況, 屬于半物理模擬層次. 區(qū)域模型將火災(zāi)房間分為上下 2 個(gè)區(qū)域, 即上部的熱煙氣區(qū)和下部的冷空氣區(qū), 通過(guò)建立羽流卷吸模型來(lái)進(jìn)行上下層質(zhì)量和能量的分析, 進(jìn)而對(duì)火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中煙氣層的沉降和上下層平均溫度的發(fā)展進(jìn)行計(jì)算. 場(chǎng)模擬方法對(duì)建筑需要?jiǎng)澐州^多的網(wǎng)格, 計(jì)算精度高, 但是計(jì)算量大, 計(jì)算效率較低[28] . 在綜合考慮研究的問(wèn)題、研究的目標(biāo)以及計(jì)算環(huán)境等的基礎(chǔ)上, 分析采用合適的模型作為人工系統(tǒng)中火災(zāi)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的描述.
綜上, 在充分考慮交互的基礎(chǔ)上, 基于智能體技術(shù)、空間網(wǎng)格技術(shù)以及火災(zāi)數(shù)值模擬技術(shù), 可以建立高層建筑火災(zāi)環(huán)境下的人工疏散系統(tǒng), 如圖 3 所示. 圖 3 人工疏散系統(tǒng)框架 Fig. 3 Framework of artificial evacuation systems 人工疏散系統(tǒng)作為真實(shí)疏散系統(tǒng)的多重替代, 可以推演已發(fā)生和未發(fā)生的多種火災(zāi)場(chǎng)景下的動(dòng)態(tài)疏散過(guò)程, 為疏散策略的計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ).
3 基于場(chǎng)景的疏散策略計(jì)算實(shí)驗(yàn)
英國(guó)的 SIME 指出 “火災(zāi)中人員行為的任何研究, 面臨的首要困難是進(jìn)行真實(shí)火災(zāi)試驗(yàn)的不道德性” [29] . 在現(xiàn)實(shí)中, 由于經(jīng)濟(jì)和道德等原因, 高層建筑火災(zāi)的疏散實(shí)驗(yàn)研究異常困難. 正是由于現(xiàn)實(shí)中難以進(jìn)行疏散實(shí)驗(yàn)以及重復(fù)性實(shí)驗(yàn), 高層建筑的性能化防火設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)仍然非常薄弱, 疏散策略的研究也極為困難.
在 ACP 方法中提出的可控和可重復(fù)的計(jì)算實(shí)驗(yàn)[21] , 是以計(jì)算機(jī)為實(shí)驗(yàn)室, 采用自下而上的研究方法, 通過(guò)研究微觀層次的個(gè)體行為來(lái)獲取宏觀的系統(tǒng)整體涌現(xiàn). 通過(guò)對(duì)人工系統(tǒng)的計(jì)算實(shí)驗(yàn)可以來(lái)解決真實(shí)系統(tǒng)難以實(shí)驗(yàn)以及重復(fù)實(shí)驗(yàn)的難題. 所以, 以人工疏散系統(tǒng)為基礎(chǔ)的計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究是疏散和疏散策略研究的有力手段. 建造好的人工疏散系統(tǒng)成為疏散策略計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ). 由于針對(duì)具體火災(zāi)場(chǎng)景的疏散策略的研究是貼近現(xiàn)實(shí)和有意義的, 基于建筑疏散經(jīng)驗(yàn)以及專家知識(shí)或者宏觀算法尋優(yōu)確定的疏散策略通過(guò)加載于不同火災(zāi)場(chǎng)景的人工系統(tǒng), 可以進(jìn)行疏散效率的量化實(shí)驗(yàn)研究. 此外, 考慮人的因素 (如分布密度、人的不同屬性等)、建筑結(jié)構(gòu)的因素等多種確定的和不確定因素的影響, 通過(guò)合理設(shè)計(jì)的單因素、多因素計(jì)算實(shí)驗(yàn)以及多次重復(fù)的實(shí)驗(yàn), 一方面, 能夠?qū)Σ呗缘男蔬M(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)價(jià), 另一方面, 可以對(duì)因素的影響進(jìn)行量化分析. 基于上述考慮, 本研究計(jì)算實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的框圖如圖 4 所示, 在選取的火災(zāi)場(chǎng)景基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)驗(yàn)中人的因素和建筑結(jié)構(gòu)因素進(jìn)行單因素或多因素的設(shè)定, 通過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)對(duì)獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理以及評(píng)價(jià).
4 疏散策略的平行執(zhí)行
在前述構(gòu)造人工疏散系統(tǒng), 以及基于火災(zāi)場(chǎng)景的疏散策略計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上, 可以考慮來(lái)建立人工系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)的平行系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)基于應(yīng)急管理層面的疏散策略平行執(zhí)行.
基于應(yīng)急管理平臺(tái)的平行執(zhí)行機(jī)制如圖 5 所示.
實(shí)現(xiàn)的平行執(zhí)行包括以下幾方面的內(nèi)容: 1) 由于對(duì)實(shí)際疏散系統(tǒng)的疏散效率以及災(zāi)難性后果難以預(yù)測(cè)和評(píng)估, 將實(shí)際系統(tǒng)中的煙感、溫感, 以及一些視頻傳感器信息收集、整理、分析, 以及聚融對(duì)人工系統(tǒng)進(jìn)行信息同化, 可實(shí)現(xiàn)真實(shí)疏散系統(tǒng)與人工疏散系統(tǒng)的協(xié)同演化, 利用人工系統(tǒng)的計(jì)算實(shí)驗(yàn)對(duì)真實(shí)疏散系統(tǒng)的事態(tài)演化進(jìn)行預(yù)測(cè)與評(píng)估; 2) 人工系統(tǒng)利用計(jì)算速度超前、動(dòng)態(tài)模擬、效果評(píng)估、策略數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)比對(duì)等技術(shù)手段, 基于實(shí)際系統(tǒng)的同步信息給出優(yōu)化的疏散策略來(lái)指導(dǎo)實(shí)際系統(tǒng)的疏散; 3) 通過(guò)在線和同步的平行機(jī)制, 利用實(shí)際系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反饋, 可動(dòng)態(tài)地調(diào)整疏散策略, 以期使整個(gè)疏散效率最高、損失最小.
5 案例
本節(jié)將一幢十層的高層辦公大樓作為案例. 整個(gè)建筑近 6 000 平方米, 大樓內(nèi)部設(shè)置兩部樓梯和兩部電梯. 第一層有兩個(gè)各為 2 米寬的對(duì)外出口. 除第一層外其余九層結(jié)構(gòu)相同, 且層高為 3.0 米, 通過(guò)帶有平臺(tái)的兩部樓梯進(jìn)行層連. 建筑的平面圖如圖 6 所示.
由于經(jīng)濟(jì)和道德的原因, 無(wú)法對(duì)該真實(shí)建筑進(jìn)行人員火災(zāi)疏散實(shí)驗(yàn), 從而也不能研究及驗(yàn)證應(yīng)急疏散策略的效率. 我們應(yīng)用 ACP 方法的研究過(guò)程如下.
5.1 建立人工疏散系統(tǒng)
本 例 采 用 英 國(guó) 格 林 威 治 大 學(xué) 開(kāi) 發(fā) 的 buildingEXODUS[7] 疏散仿真平臺(tái)與美國(guó) NIST 開(kāi)發(fā)的 CFAST[2] 來(lái)建立人工疏散系統(tǒng). buildingEXODUS 是一個(gè)開(kāi)放的動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái), 可以由使用者根據(jù)需要修改和選擇參數(shù)及變量. 其空間劃分采用的是先進(jìn)的精細(xì)網(wǎng)格劃分方法, 并采用 Agent 技術(shù)在綜合考慮疏散者的生理、心理、社會(huì)屬性基礎(chǔ)上, 基于規(guī)則對(duì)疏散者建模. 此外, 該軟件平臺(tái)留有火災(zāi)數(shù)據(jù)接口, 并可將動(dòng)態(tài)的火災(zāi)信息反映到 Agent 個(gè)體的生理和心理.
5.1.1 建筑結(jié)構(gòu)建模
應(yīng)用 buildingEXODUS 中的 Geometry 模式通過(guò)網(wǎng)格劃分與屬性定義對(duì)圖 6 中的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述, 如圖 7 所示.
其中, 灰色網(wǎng)格為自由空間節(jié)點(diǎn), 可以隨意通過(guò). 小的黑色網(wǎng)格為辦公室內(nèi)的座椅等固定設(shè)備, 可以繞過(guò)或跳過(guò). 層與層之間通過(guò)兩部樓梯進(jìn)行連接. 疏散者通過(guò)連接弧可以在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)間自由運(yùn)動(dòng).
5.1.2 疏散者模型
以 buildingEXODUS 的 POPULATION 模式為基礎(chǔ), 根據(jù)文獻(xiàn) [30], 男性疏散者的步行速度應(yīng)比女性疏散者快 10 %. 而靈活性 (Agility)、運(yùn)動(dòng)能力 (Mobility)、快速行走速度 (Fast walk speed) 隨著年齡的增加有所衰減, 本例設(shè)定衰減為前一年齡段的 90 %. 結(jié)合文獻(xiàn) [31] 中提供的中國(guó)人年齡、身高和體重關(guān)系的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 可以建立基于中國(guó)人生理特征的物理屬性均值表, 如表 1 所示.
用表 1 中的中國(guó)人生理參數(shù)修改 POPULATION 模式默認(rèn)的西方人生理參數(shù) (見(jiàn)表 2), 可建立不同生理數(shù)據(jù)的疏散者模型.
建筑中人員數(shù)目 (密度)、性別比例、年齡分布都是影響疏散過(guò)程的重要參數(shù). 在人工疏散系統(tǒng)中可以通過(guò)這些參數(shù)的靈活設(shè)置與重置建立多重的人工系統(tǒng), 甚至進(jìn)行極限實(shí)驗(yàn). 限于篇幅, 本文僅進(jìn)行了一種設(shè)定: 辦公室內(nèi)每 3 平方米 1 人、大廳走廊內(nèi)每 10 平方米 1 人, 且男女比例為 1 比 1, 女性年齡在 [20, 55], 男性年齡在 [20, 60] 均勻分布. 這樣, 第 1 層人數(shù)為 93 人, 第 2 ∼ 10 層每層人數(shù)為 104 人, 該高層辦公大廈中總的疏散人數(shù)為 1 245 人. 隨機(jī)分布在建筑中的疏散者情況如圖 8 所示.——論文作者：胡玉玲 1, 2 王飛躍 3 劉希未 3, 4
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