CN105654186B - 用于应急救援最优路径计算的室内外一体化规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于应急救援最优路径计算的室内外一体化规划方法，包括以下步骤：构建相互联接的三维导航网络，从而构建高层、超高层建筑内部三维导航数据模型INDM，并将建筑内部的三维导航网络与城市交通网络进行联接；通过智能交通系统获取车辆速度，并以车辆速度为基础，确定城市交通网络的交通通达性系数，通过智能建筑系统获取高层、超高层建筑内部的逃生速度，计算高层、超高层建筑三维导航网络的交通通达性系数，根据报警信息进行事故点确认，利用动态Dijkstra算法进行最优路径分析，获得救援的最优路径。使高层建筑救援从粗放救援到精细救援的转变，具有重要的理论意义和实际应用价值。

Description

用于应急救援最优路径计算的室内外一体化规划方法

技术领域

本发明涉及一种可用于最优路径计算的室内外一体化交通网络建模模型及计算的新方法，尤其涉及一种用于应急救援最优路径计算的室内外一体化规划方法。

背景技术

高层和超高层建筑是人类社会智慧的结晶，但由于其固有缺陷，安全性成为世界性难题。由于各种自然、人为因素所导致的高层、超高层建筑灾害频频发生，例如：1974年巴西圣保罗焦玛大厦火灾，死亡188人；1996年香港嘉利大厦起火持续21小时，死亡39人；2001年美国“9.11”恐怖袭击事件，世贸中心遭受了惨重的人员和财产损失，死亡2830人，直接财产损失达数百亿美元。因此，高层建筑的安全及应急救援问题日益引起了人们的关注。

随着我国经济的快速发展，城市人口激增与建设用地之间日益紧张的矛盾不断显现，各地高层建筑不断增多。随着高层建筑数量的日益增加，由此而引发的安全问题也愈发明显。据统计资料，2007年至2008年的两年间，我国共发生高层建筑火灾990起，直接经济损失达到3.3亿元人民币(新华社-瞭望东方周刊)。2009年央视大火过火面积达10万m2，造成直接经济损失1.6亿元；2010年上海“11.15”火灾造成58人死亡，70余人受伤。高层建筑内部结构复杂，步梯、扶梯、电梯、各种通道交错，发生紧急情况时，往往造成通道或个别出口堵塞，延误了救援和疏散时间。随着地理信息系统(GIS)的不断发展，3D GIS能够管理并可视化多维数据，描绘真实的三维空间、立体交互关系，以及表现地形、建筑及其周边环境，并且能够有效仿真交通流和人群在立体复杂城市环境中的行为和趋势。

虽然有文献研究了建筑内部导航数据模型的建立，但是当前文献的建筑内部模型构建比较复杂，不利于实时导航计算；也未见在三维条件下进行室内外一体化的三维虚拟仿真和动态修正导航的研究；如何解决不同尺度上室内外一体化应急路径的优化算法等也需要进一步探讨。鉴于此，本专利在吸收、借鉴当前成果的基础上，提出并建立新型、实用的三维室内导航数据模型(Indoor Navigable Data Model,INDM)；建立室内外一体化三维应急救援最优路径动态导航方法，即基于改进的Dijkstra算法。

发明内容

本发明就是为了解决上述问题，以高层、超高层建筑灾害的应急救援为背景，提供一种用于应急救援最优路径计算的室内外一体化规划方法，它构建高层、超高层复杂建筑内部可以进行三维导航数据模型，并与城市交通网络进行联接，进行室内外一体化的应急救援路径分析，从而获取最优救援路径。本发明从理论上有助于使地理信息科学从宏观空间分析向“微空间”分析转变、认知尺度从宏观尺度向微观尺度转变；在实践上有助于使高层、超高层建筑救援从粗放救援到精细救援的转变，因而具有重要的理论意义和实际应用价值。

为实现上述目的，本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种用于应急救援最优路径计算的室内外一体化规划方法，包括以下步骤：

1)依据高层、超高层建筑的结构图，通过将建筑物内部与交通相关的特征抽象成点或线的形式，构建相互联接的三维导航网络，从而构建高层、超高层建筑内部三维导航数据模型INDM，并将建筑内部的三维导航网络与城市交通网络进行联接，以进行室内外一体化路径规划；

2)通过智能交通系统ITS(Intelligent Transportation Systems)实时、动态地获取车辆速度，并以车辆速度为基础，确定城市交通网络的交通通达性系数，即城市交通网络的交通通达性权重；

3)通过智能建筑系统IBS(Intelligent Building Systems)实时、动态获取高层、超高层建筑内部的逃生速度，并以高层、超高层建筑内部的逃生速度为基础计算高层、超高层建筑三维导航网络的交通通达性系数，即高层、超高层建筑三维导航网络的交通通达性权重；

4)根据报警信息进行事故点确认，依据步骤2)得到的城市交通网络的交通通达性权重和步骤3)得到的高层、超高层建筑三维导航网络的交通通达性权重，利用动态Dijkstra算法进行最优路径分析，获得救援的最优路径。

所述步骤1)建筑物内部与交通相关的特征包括：走廊、楼梯、扶梯、直梯、拐角、出入口、房门或报警器。

所述步骤1)高层、超高层建筑是指城市中摩天大楼、大型商务中心及写字楼。

所述步骤1)高层建筑指十层以上到十几层、几十层不等。

所述步骤1)超高层建筑为高度超过100米的建筑。

高层、超高层建筑内部结构往往非常复杂，一旦发生灾害，救援难度非常大。

所述步骤1)在构建高层、超高层复杂建筑内部三维导航数据模型时，高层、超高层建筑的基本信息通过大型建筑设计资料或者通过实测等方式来获取。

高层、超高层建筑的基本信息包括特征点、特征点的三维坐标。

所述步骤1)高层、超高层复杂建筑三维导航数据模型的建立，是将建筑物内部的与交通相关的特征抽象成点或者线的方式，构建一个相互联接的复杂网络，例如将走廊、楼梯、扶梯、直梯等线状概念抽象为线，而将拐角、出入口、房门及报警器等通过点的形式来表达。

所述步骤1)的三维导航数据模型INDM是将高层建筑内部与交通相关的结构特征进行抽象所构建的网络模型，根据所获取的建筑内部与交通相关的特征，将每层楼的特征进行抽象，将走廊、楼梯、直梯抽象为线，将拐角、出入口、房门、报警器抽象为点，抽象之后，将每层楼中，以走廊为主线，将房门抽象的点和报警器抽象的点分别投影到走廊的主线上，将拐角抽象的点和出入口抽象的点直接画在主线上；将每层楼的拐角抽象的点与楼梯抽象的线或直梯抽象的线连接；从而构建三维导航数据模型INDM。

建筑内部的三维导航网络包括空间数据库和属性数据库。

城市交通网络也包括空间数据库和属性数据库。

建筑内部的三维导航网络空间数据库，包括点和线两种空间数据。

建筑内部的三维导航网络属性数据库为关系数据库，包括节点数据库和边数据库，并通过节点的唯一编码Node_ID将节点数据库和边数据库进行关联。

节点数据库包括的节点编号、节点类型和节点三维坐标(x,y,z)，其中，节点类型包括：房门、拐角、出入口和报警器；房门包括：房门号、报警器号和房间名称。

边数据库包括：边的编号、边的类型、边的起点、边的终点、长度、阻尼系数，其中，边的类型包括：走廊、楼梯和直梯。

利用地理信息系统将建筑内部三维导航网络的空间数据库和属性数据库进行关联，从而建立建筑内部三维导航网络数据库；同时，城市交通网络数据库(包括空间数据库和属性数据)通过地理信息系统获取。

最终，利用地理信息系统将建筑内部三维导航网络数据库和城市交通网络数据库进行联接，从而建立室内外一体化的三维导航网络数据库。

所述步骤2)城市交通网络的交通通达性权重的计算公式如下：

式中:t_ij为节点i到节点j的权重，c_ij为节点i到节点j的距离，v_ij为节点i到节点j的速度，k为延迟系数。

所述步骤2)通过智能交通系统实时、动态获取交通流量信息是指根据ITS的各种监控传感器所获取的数据，计算在某个时刻或者某时间段内的城市交通网络交通通达系数(即权重)，用于计算最优救援路径。

所述步骤3)通过IBS实时、动态获取建筑内部信息数据是指根据IBS的各种监控传感器所获取的数据，计算在某个时刻或者某时间段内的建筑内部网络交通通达系数(即权重)，用于计算最优救援路径。

所述步骤3)高层、超高层建筑三维导航网络的交通通达性权重计算公式如下：

式中:t′_ij为节点i到节点j的权重，c′_ij为节点i到节点j的距离，v′_ij为节点i到节点j的速度，k′为延迟系数。

所述步骤4)利用动态Dijkstra算法进行最优路径分析：

步骤(4-1)：首先根据报警信息进行事故点确认，

步骤(4-2)：根据ITS、IBS提供信息计算网络的交通通达性系数(即权重)，然后从事故点为起点，救援站为终点利用动态Dijkstra算法进行最优路径分析，获取最优路径以后，救援车辆启动并行进；

步骤(4-3)：判断路径是否需要变化；

将终点改为救援车辆所处位置，根据最新的路况信息重新计算最优路径，如果当前计算得到的最优路径和上一次计算的最优路径相比有变化，则救援车辆按照当前计算得到的最优路径的路线行驶，否则按照原路线行驶；救援车辆在行进过程中，返回步骤(4-3)继续判断，直至到达救援地点。

本发明从理论上有助于使地理信息科学从宏观空间分析向“微空间”分析转变、认知尺度从宏观尺度向微观尺度转变；在实践上有助于使高层建筑救援从粗放救援到精细救援的转变，因而具有重要的理论意义和实际应用价值。

本发明的有益效果：

1)本发明在高层、超高层复杂建筑内部网络结构建模方面，将房间、报警器和门抽象并简化合成为一个点，和其他类似模型相比简化了整个建筑导航网络的结构，从而提高了计算效率。

2)本发明和传统的救援方法相比，在最优路径选择上考虑了高层、超高层复杂建筑内部的交通网络情况，可以选择一条进行室内外一体化的救援路径，提高了救援的准确率。

因此，在高层建筑发生紧急状况时，可以利用本方案根据建筑内拥堵情况，快速、动态地寻找建筑内救援、疏散路径，快速确定从救援中心到建筑内事故发生点的室内外一体化的最优救援路径，通过快速获取并分析高层建筑内部各种属性信息及其附近区域的相关地理信息，指导救援行动，具有重要的现实意义。

附图说明

图1室内外一体化最优路径计算过程图；

图2高层建筑内部节点示意图；

图3INDM模型示意图；

图4INDM数据库结构；

图5室内外网络联接；

图6改进的动态Dijkstra算法示意图；

图7城市道路救援路径示意图；

图8内部网络救援路径示意图；

图9室内外一体化导航路线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例对本发明做进一步说明。

结合图1至图9，一种可进行最优路径计算的室内外一体化交通网络建模及计算的新方法，包括以下步骤：

1)首先根据高层、超高层复杂建筑的结构图获取构建内部三维导航数据模型的节点三维坐标，对于建筑中的走廊、扶梯、楼梯等则是其拐弯处三维坐标，对于直梯则包含了起止点以及直梯与中间每层楼的交点。获取了节点三维坐标以后，就可以建立建筑内部三维导航骨干网络，也就是建立高层建筑的空间数据库。如图2所示，实线代表走廊和楼梯，每个房间的中点代表该房间的报警器。

2)根据所获取的建筑内部相关数据，按照附图3所示的方式将每层楼的相关信息进行抽象，将走廊、楼梯、直梯抽象为线，将拐角、出入口、房门、报警器抽象为点，从而构建INDM模型。并按照附图4所示的方式建立相关属性数据库。

3)按照附图5所示的方式将建筑内部的三维导航网络与城市交通网络进行联接，包括属性数据库和空间数据库的联接。

4)通过智能交通系统(Intelligent Transportation Systems，ITS)实时、动态地获取交通信息数据，并以此为基础计算城市交通网络的交通通达性系数(即权重)；

5)通过智能建筑系统(Intelligent Building Systems，IBS)实时、动态获取高层、超高层建筑内部的各种信息，并以此为基础计算高层、超高层建筑三维导航网络的交通通达性系数(即权重)；

6)利用动态Dijkstra算法进行最优路径分析，获得救援的最优路径，算法过程见附图6。

步骤(4-1)：首先根据报警信息进行事故点确认，

步骤(4-2)：并迅速根据ITS、IBS提供信息计算网络的交通通达性系数(即权重)，然后从事故点为起点，救援站为终点进行最优路径分析，获取最优路径以后，救援车辆启动并行进；

步骤(4-3)：判断路径是否需要变化；

将终点改为救援车辆所处位置，根据最新的路况信息重新计算最优路径，如果当前计算得到的最优路径和上一次计算的最优路径相比有变化，则救援车辆按照当前计算得到的最优路径的路线行驶，否则按照原路线行驶；救援车辆在行进过程中，返回步骤(4-3)不停地进行判断，直至到达救援地点。

附图7显示了利用本方案计算产生的室外导航网络路线，附图8显示了室内导航路线，附图9显示了室内外一体化导航路线。

本发明从理论上有助于使地理信息科学从宏观空间分析向“微空间”分析转变、认知尺度从宏观尺度向微观尺度转变；在实践上有助于使高层建筑救援从粗放救援到精细救援的转变，因而具有重要的理论意义和实际应用价值。

上述虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (1)

1.一种用于应急救援最优路径计算的室内外一体化规划方法，其特征是，包括以下步骤：

1)依据高层、超高层建筑的结构图，通过将建筑物内部与交通相关的特征抽象成点或线的形式，构建相互联接的三维导航网络，从而构建高层、超高层建筑内部三维导航数据模型INDM，并将建筑内部的三维导航网络与城市交通网络进行联接，以进行室内外一体化路径规划；

三维导航数据模型INDM是将高层建筑内部与交通相关的结构特征进行抽象所构建的网络模型，根据所获取的建筑内部与交通相关的特征，将每层楼的特征进行抽象，将走廊、楼梯、直梯抽象为线，将拐角、出入口、房门、报警器抽象为点，抽象之后，将每层楼中，以走廊为主线，将房门抽象的点和报警器抽象的点分别投影到走廊的主线上，将拐角抽象的点和出入口抽象的点直接画在主线上；将每层楼的拐角抽象的点与楼梯抽象的线或直梯抽象的线连接；从而构建三维导航数据模型INDM；

建筑物内部与交通相关的特征包括：走廊、楼梯、扶梯、直梯、拐角、出入口、房门或报警器；高层建筑指十层以上到十几层、几十层不等；超高层建筑为高度超过100米的建筑；在构建高层、超高层复杂建筑内部三维导航数据模型时，高层、超高层建筑的基本信息通过大型建筑设计资料或者通过实测等方式来获取；高层、超高层建筑的基本信息包括特征点、特征点的三维坐标；

建筑内部的三维导航网络包括空间数据库和属性数据库；城市交通网络也包括空间数据库和属性数据库；

建筑内部的三维导航网络空间数据库，包括点和线两种空间数据；

建筑内部的三维导航网络属性数据库为关系数据库，包括节点数据库和边数据库，并通过节点的唯一编码Node_ID将节点数据库和边数据库进行关联；

节点数据库包括的节点编号、节点类型和节点三维坐标(x,y,z)，其中，节点类型包括：房门、拐角、出入口和报警器；房门包括：房门号、报警器号和房间名称；

边数据库包括：边的编号、边的类型、边的起点、边的终点、长度、阻尼系数，其中，边的类型包括：走廊、楼梯和直梯；

利用地理信息系统将建筑内部三维导航网络的空间数据库和属性数据库进行关联，从而建立建筑内部三维导航网络数据库；同时，城市交通网络数据库通过地理信息系统获取；

最终，利用地理信息系统将建筑内部三维导航网络数据库和城市交通网络数据库进行联接，从而建立室内外一体化的三维导航网络数据库；

2)通过智能交通系统ITS实时、动态地获取车辆速度，并以车辆速度为基础，确定城市交通网络的交通通达性系数，即城市交通网络的交通通达性权重；

所述步骤2)城市交通网络的交通通达性权重的计算公式如下：

式中:t_ij为节点i到节点j的权重，c_ij为节点i到节点j的距离，v_ij为节点i到节点j的速度，k为延迟系数；

3)通过智能建筑系统IBS实时、动态获取高层、超高层建筑内部的逃生速度，并以高层、超高层建筑内部的逃生速度为基础，计算高层、超高层建筑三维导航网络的交通通达性系数，即高层、超高层建筑三维导航网络的交通通达性权重；

所述步骤3)高层、超高层建筑三维导航网络的交通通达性权重计算公式如下：

式中:t′_ij为节点i到节点j的权重，c′_ij为节点i到节点j的距离，v′_ij为节点i到节点j的速度，k′为延迟系数；

4)根据报警信息进行事故点确认，依据步骤2)得到的城市交通网络的交通通达性权重和步骤3)得到的高层、超高层建筑三维导航网络的交通通达性权重，利用动态Dijkstra算法进行最优路径分析，获得救援的最优路径；

所述步骤4)利用动态Dijkstra算法进行最优路径分析：

步骤(4-1)：首先根据报警信息进行事故点确认，

步骤(4-2)：根据ITS、IBS提供信息计算网络的交通通达性系数，然后从事故点为起点，救援站为终点利用动态Dijkstra算法进行最优路径分析，获取最优路径以后，救援车辆启动并行进；

步骤(4-3)：判断路径是否需要变化；

将终点改为救援车辆所处位置，根据最新的路况信息重新计算最优路径，如果当前计算得到的最优路径和上一次计算的最优路径相比有变化，则救援车辆按照当前计算得到的最优路径的路线行驶，否则按照原路线行驶；救援车辆在行进过程中，返回步骤(4-3)继续判断，直至到达救援地点；

在高层建筑发生紧急状况时，根据建筑内拥堵情况，快速、动态地寻找建筑内救援、疏散路径，快速确定从救援中心到建筑内事故发生点的室内外一体化的最优救援路径。