CN106408121A - 一种建筑物火灾疏散路径规划方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种建筑物火灾疏散路径规划方法和系统。属于安全科学与工程和管理优化领域。其目的是解决在建筑物发生火灾时，根据起火点和火灾扩散动态模型，仅仅通过一次性的优化计算，就能保证建筑物内所有待疏散人员在恰好避开动态火灾区的前提下的疏散路径的最优性的技术问题。在本发明的方法的一次性路径优化计算过程中，建筑物内的路网环境不是静态不变的，而是会随着计算过程按给定的火灾扩散动态模型而变化；路径优化计算完成后，本发明的系统会启动预装在建筑物内的引导装置，并将路径优化结果等信息发送到待疏散人员的手机应用程序用户端，通过引导装置和手机应用程序用户端引导处于建筑物内不同地点的待疏散人员按各自的最优疏散路径进行疏散撤离。

Description

一种建筑物火灾疏散路径规划方法和系统

技术领域：

本发明提供了一种建筑物火灾疏散路径规划方法和系统，属于安全科学与工程和管理优化领域。

背景技术：

随着经济持续发展、大型建筑物不断增加，相应的火灾风险也在增大。由于大型建筑物(例如：大型商场、商务写字楼、交通枢纽建筑、高层商品房建筑)内通常人员密集，一旦发生火灾，能否通过建筑物内的逃生楼道，及时、快速、高效地疏散撤离建筑物内的人员，对降低火灾伤亡起着至关重要的作用。大型建筑物内的逃生楼道通常是一个比较复杂的路网系统，对于位于建筑物内不同位置的人员而言，其最佳疏散撤离路径是各不相同的。因此，帮助建筑物内的待疏散人员找到各自的最佳疏散撤离路径是应对建筑物火灾的重要手段。常见的做法可分为两大类。一类是基于静态路径优化的方法，即，对于建筑物内的每一个可能的人员聚集区(例如：每一个商铺、每一间办公室、每一套房间)，事先就规划好一套疏散撤离路径，通常还会将疏散撤离路径制作成信息牌，张贴展示在相应的人员聚集区，并通过日常演习让建筑物内的人员熟悉各自的疏散撤离路径。基于静态路径优化的方法的缺点是显而易见的：(1)事先规划疏散撤离路径时没有考虑建筑物内的着火点位置和火灾扩散情况，而是简单地求解正常情况下从每一个人员聚集区到各自最近的建筑物疏散撤离出口的最优路径，因此，一旦火灾实况正好阻断了事先规划的疏散撤离路径，此类方法就会误导待疏散人员，从而造成不必要的人员伤亡；(2)建筑物内的临时到访人员(例如，大型商场和交通枢纽建筑等公共场所建筑物内的绝大部分人员都是临时到访人员)很难提前了解和熟悉事先规划好的疏散撤离路径，因而，此类方法对临时到访人员基本无效。另一类是基于动态路径优化的方法，即，没有事先张贴展示的疏散撤离路径信息牌，而是在建筑物内逃生楼道的各个恰当位置事先设置好引导装置(例如：带方向箭头的指示灯)，一旦建筑物发生火灾，立刻根据着火点位置和火灾实况而在线实时计算以各人员聚集区为起点的最佳疏散撤离路径，然后根据在线实时计算结果启动各处的引导装置并不断更新引导装置所展示的引导信息(例如，切换不同箭头方向的指示灯)，引导各处的待疏散人员沿在线实时计算出的相应最佳疏散撤离路径进行撤离。基于动态路径优化的方法仍然存在缺点：(1)每次在线实时计算时只考虑当 前的着火点位置和火灾实况，而没有考虑火灾将来扩散的情况，所以，在线实时计算出的最佳疏散撤离路径只是针对当前时刻的灾情来说是可行和最优的，但是对下一个时刻而言，由于火灾实况发生了变化，当前时刻所计算出的最佳疏散撤离路径很可能就不再是最优的，甚至变得不再可行，例如，当待疏散人员沿当前时刻所计算出的最佳疏散撤离路径走到某处时，发现由于火灾的扩散，该疏散撤离路径已经被烟火彻底阻断，根本无法通过，于是不得不折返寻求新的在线实时计算出的最佳疏散撤离路径，如此折返浪费了宝贵的时间，从而可能最终丧失逃生机会；(2)建筑物火灾时，建筑物内的在线实时计算设备和引导装置能否一直正常工作也是一个问题，例如，火灾很可能造成断电、通讯中断、甚至设备损坏，因而造成无法根据最新的火灾实况继续进行在线实时计算，或者计算出的最新结果无法发送或展示到个别甚至全部引导装置上，得不到及时更新的在线实时计算结果，待疏散人员的撤离将会变得更加混乱，从而造成更大人员伤亡。

本发明的建筑物火灾疏散路径规划方法和系统将彻底不同于上述两类方法(即，基于静态路径优化的方法和基于动态路径优化的方法)。本发明的方法在规划建筑物火灾疏散路径时，(1)不仅要考虑当前的着火点位置和火灾实况，还要考虑未来时刻的火灾扩散情况(基于静态路径优化的方法不考虑任何火灾信息，基于动态路径优化的方法只考虑当前火灾信息)，从而杜绝撤离过程中的误导和折返现象，(2)并且只在火灾初发时刻(或者在探测发现到火灾的第一时间)进行一次性的优化计算，并一次性地通讯和展示计算结果(基于静态路径优化的方法在建筑物设计和建造时进行一次性的计算和张贴展示，与火灾发生时刻无关，基于动态路径优化的方法需要不停地进行在线实时计算、通讯和展示)，从而最小化火灾后期断电、通讯中断和设备损坏等因素所造成的影响。

发明内容：

本发明的目的是要提供一种建筑物火灾疏散路径规划方法和系统。以回答和解决在一个动态变化的建筑物火灾环境下(即：建筑物内的逃生楼道路网的各结点和链接的通达性会随火灾扩散的情况而动态改变)，仅仅通过一次性的优化计算(即：在火灾初发时刻，或者在探测发现到火灾的第一时间进行一次性的优化计算即可)，就能保证建筑物内的各待疏散人员的实际疏散撤离路径(即：从各待疏散人员的初始位置到使之能最快撤离的建筑物出口)的最优性和实效性的科学和实践问题。

本发明为解决上述问题，将通过下述的方案来实现：在本发明的方法的一次性的路径优化计算过程中，建筑物内的逃生楼道路网环境不是静态不变的，而是会随着计算过程按预测的火灾扩散情况而变化，即，在一次性的优化计算中的路网环境随计算过程而协同进化；在 本发明的系统引导待疏散人员撤离时，路径优化计算结果会一次性地通讯和展示在设置于建筑物内各处的引导装置以及待疏散人员的手机应用程序用户端上。正是因为路网环境会协同进化，所以本发明的方法的路径优化计算结果可以恰当地避开火灾动态扩散所影响到的区域，从而有效地避免折返甚至被困死的问题；正是因为一次性通讯和展示最优疏散撤离路径，所以本发明的系统在引导待疏散人员撤离时，可以最小化火灾后期断电、通讯中断和设备损坏等因素所造成的对引导效果的影响和干扰。

本发明的方法的一次性优化计算过程包括以下几个主要步骤：(1)针对给定的建筑物,确定其相应的火灾扩散模型(即，在建筑物内任意假定了起火点后，该模型可以模拟预测出火灾随时间推移在建筑物内动态扩散的过程，也就是说，该模型可以预测出建筑物内的逃生楼道路网中的哪些结点和链接在起火点着火后的什么时间将会被火灾烟火所阻断；需要强调的是，火灾扩散模型是因具体建筑物而异的，建立火灾扩散模型的方法不是本专利的内容，本专利也不关心用什么方法建立火灾扩散模型，本专利假定已有若干火灾扩散模型可选，例如，不同的火灾扩散模型对应不同的季节和天气，则本发明的方法的第一个步骤就是根据给定的建筑物而选定一个合适的火灾扩散模型)；(2)选定一个足够小的时间单位，并设定待疏散人员撤离速度常值；(3)判断是否已经为每一个人员聚集区(即：逃生楼道路网中的一个结点，称为人员聚集区结点)计算了最优疏散撤离路径。如果已经都计算过了，前往步骤(9)，否则，前往步骤(4)；(4)选定一个尚未计算过最优疏散撤离路径的人员聚集区结点；在火灾初发时刻，或者在探测发现到火灾的第一时间，初始化建筑物内的逃生楼道路网环境(即，楼道路网中的哪些结点和链接在火灾初发时刻就已被阻断)；以选定的人员聚集区结点为起点，计算从该起点出发沿逃生楼道路网中的可通达链接在一个时间单位长度内所能到达的当前阵面；(5)如果当前阵面中包含建筑物的任何一个出口(称为出口结点)，则前往步骤(8),否则，前往步骤(6)；(6)根据步骤(1)确定的火灾扩散模型，测算建筑物内一个时间单位长度后的火灾灾情，并根据测算出的火灾灾情而计算更新逃生楼道路网环境(即，计算一个时间单位长度后的火灾灾情会进一步阻断逃生楼道路网中的哪些结点和链接，并据之更新相关结点和链接的可通达状态)；(7)基于更新的逃生楼道路网环境，计算从当前阵面出发沿路网中的可通达链接在一个时间单位长度内所能到达的新的当前阵面，然后返回步骤(5)；(8)根据当前阵面的演化历史，从步骤(5)所到达的出口结点开始回溯，直到给定的人员聚集区结点，从而确定从该人员聚集区结点出发的最优疏散撤离路径；然后返回步骤(3)；(9)计算结束；输出计算得到的从建筑物内的各个人员聚集区结点出发的最优疏散撤离路径。

上述方法中的某个时刻的当前阵面是指：待疏散人员从一个给定的人员聚集区结点出发后，在建筑物内的逃生楼道路网中按设定的撤离速度常值运动，运动到该时刻点时所可能到 达的所有位置的集合。

需要特别强调的是：在本发明的方法的一次性优化计算过程中，步骤(6)引入了逃生楼道路网环境的变化更新，因而优化计算过程中的逃生楼道路网环境不是静态不变的，而是随着优化计算过程而根据步骤(1)确定的火灾扩散模型而不断变化。本发明的方法的步骤(6)的这个特点(即：逃生楼道路网环境在一次性优化计算过程中是不断变化的)，是传统动态路径优化方法的单次优化计算过程中所没有的。

上述方法中的步骤(3)到步骤(9)是按串行设计的方式计算从每一个人员聚集区结点出发的最优疏散撤离路径，即：计算完从第一个人员聚集区结点出发的最优疏散撤离路径，再计算从第二个人员聚集区结点出发的，再计算从第三个人员聚集区结点出发的，……，直到计算从最后一个人员聚集区结点出发的。其实，本发明的方法也可以修改步骤(3)到步骤(9)，从而按并行设计的方式计算从每一个人员聚集区结点出发的最优疏散撤离路径，即：可以同时计算从各个人员聚集区结点出发的各自的当前阵面的演化情况(因为从各个人员聚集区结点出发的各自的当前阵面是相互独立的，互不干扰；并且所有当前阵面在演化过程中都受到同样的火灾扩散过程的影响)。

本发明的用以引导建筑物内待疏散人员撤离的系统主要包括以下几部分：(1)火情监测传感器子系统；(2)计算子系统；(3)通讯子系统；(4)引导装置子系统；(5)手机终端应用程序子系统。

火情监测传感器子系统用于监测以及时发现建筑物内的火情，并确定起火点位置。火情监测传感器子系统是预先安装在建筑物内各个适当位置的一系列传感通讯设备，可以是有线的，也可以是无线的。一旦火情监测传感器子系统发现建筑物内某个位置发生火情，计算子系统就被启动以计算最佳疏散撤离路径。计算子系统可以是一个计算机设备，有足够的运算能力以便可以快速运行本发明的建筑物火灾疏散路径规划方法，从而求解出从建筑物内的各个人员聚集区结点沿逃生楼道路网安全迅速地撤离出建筑物的最优疏散撤离路径。一旦计算子系统完成了一次性的最优疏散撤离路径的计算，通讯子系统就会将计算结果广播传送给发生火灾的建筑物内的引导装置子系统和手机终端应用程序子系统。计算子系统和通讯子系统可以安装在该建筑物内，也可以置于该建筑物外的其它恰当场所(例如：社区的消防部门和灾害应急管理中心)。引导装置子系统由一系列的预先安装在建筑物内恰当位置的引导装置(例如：带方向箭头的指示灯牌)构成。每个引导装置都可以接收由通讯子系统广播传送的信息和指令，并根据接收到的信息和指令(基于计算子系统的优化结果)，启动和设置引导装置的状态(例如：每个引导装置有几个可切换的指示灯牌，每个指示灯牌上标有一个方向箭头，不同的指示灯牌对应不同的方向；有火灾时，需要切换到哪个方向箭头的指示灯牌是由 接收到的信息和指令决定的；安装在建筑物内不同位置的引导装置可能需要切换到不同方向箭头的指示灯牌)。在火灾发生时，各个引导装置一旦启动并设置，就不需要再从通讯子系统接收信息和指令，因为本发明的建筑物火灾疏散路径规划方法已经保证计算子系统的一次性计算结果对于触发计算的火情及其扩散可能性来说就是最优的。在火灾的疏散撤离过程中不需要重复接收从通讯子系统广播传送的信息和指令，这个特点可以最小化火灾后期断电、通讯中断和设备损坏等因素所造成的对引导效果的影响和干扰。手机终端应用程序子系统是安装在待疏散撤离人员手机上的应用程序，可以接收由通讯子系统广播传送的、由计算子系统的一次性计算所得到的优化结果，并根据待疏散撤离人员(手机主人)在建筑物内的当前位置，动态显示当前的撤离方向以引导待疏散撤离人员安全迅速地撤离出火灾建筑物。需要指出的是：预先安装在建筑物内的引导装置可以有辅助手机终端应用程序子系统进行定位的功能，例如：各个引导装置可以发射各自特定的编码脉冲信号，手机终端应用程序子系统通过比较和分析所接收到的各个引导装置的编码脉冲信号，可以更加精准地定位待疏散撤离人员(手机主人)在建筑物内的当前位置(比如，具体在哪个楼层、哪个楼道、以及楼道的什么位置)，从而确保手机终端应用程序子系统能够显示当前的正确撤离方向。

需要强调的是：如果火灾扩散模型能够足够准确地预测建筑物内的火灾扩散情况，那么，本发明的系统只需要按本发明的方法进行一次性的疏散撤离路径的优化计算，并对优化计算结果进行一次性的广播传送即可。如果火灾扩散模型不能很好地预测建筑物内的火灾扩散情况，即：预测存在明显误差，而且预测误差会随时间变大，那么，本发明的方法和系统仍然可以有效工作(只需将一次性的优化计算疏散撤离路径和一次性的广播传送计算结果改为一个根据预测误差而不断重复的过程)。重复优化计算和广播传送计算结果的频次取决于火灾扩散模型的预测精度，该频次通常远远低于传统的动态路径优化方法中在线实时计算的频次(在传统的动态路径优化方法中，火情信息的任何变化都会触发新的疏散撤离路径优化计算；而在本发明的方法中，只要火情信息的变化与火灾扩散模型的预测结果的误差不大于设定的误差阈值，就不用进行新的优化计算)。所以，就算火灾扩散模型的预测精度不足以满足只进行一次性的优化计算的要求，本发明的方法和系统仍然能够大大降低往返走冤枉路的可能性(疏散撤离路径的重复计算频次越高，往返走冤枉路的可能性就越大)。

本发明的建筑物火灾疏散路径规划方法和系统具有以下有益效果：对于一个给定的建筑物，并假定能够为该建筑物选定了一个合适的火灾扩散模型(即，建筑物内逃生楼道路网在火灾过程中的变化是可以预测的，而且火灾扩散模型能够足够准确地预测建筑物内的火灾扩散情况)，本发明的方法能够保证建筑物内的各待疏散人员的实际疏散撤离路径(即：从各待疏散人员的初始位置到使之能最快撤离的建筑物出口)的最优性；在优化疏散撤离路径时， 本发明的方法仅仅需要在火灾初发时刻，或者在探测发现到火灾的第一时间进行一次性的计算就可以解决问题，而不需要不断重复进行实时的在线优化计算(从而不受在线优化计算的各种时间和计算资源限制)；在引导待疏散人员撤离时，本发明的系统只需在一次性的优化计算完成之时将计算结果一次性地通讯和展示到引导装置和手机应用程序用户端上，不需要不断地通讯更新引导信息，从而可以最小化火灾后期断电、通讯中断和设备损坏等因素所造成的对引导效果的影响和干扰。

附图说明：

附图给出本发明的建筑物火灾疏散路径规划方法和系统的示意图：

图1：本发明的建筑物火灾疏散路径规划方法的主要步骤示意图1。

图2：本发明的建筑物火灾疏散路径规划方法的主要步骤示意图2。

图3：本发明的建筑物火灾疏散路径规划方法的求解效果示意图。

图4：传统的基于静态路径优化方法的求解效果示意图。

图5：传统的基于动态路径优化方法的求解效果示意图。

图6：本发明的建筑物火灾疏散路径规划系统的结构示意图。

图7：在火灾扩散模型存在明显预测误差的情况下本发明的建筑物火灾疏散路径规划方法和系统的工作流程图。

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明的建筑物火灾疏散路径规划方法和系统为解决在一个动态变化的建筑物火灾环境下，仅仅通过一次性的优化计算，就能保证建筑物内的各待疏散人员的实际疏散撤离路径的最优性和实效性的问题所釆用的优选方式做进一步说明。

图1给出了本发明的建筑物火灾疏散路径规划方法所包括的主要步骤：

(步骤一)：针对给定的建筑物,确定其相应的火灾扩散模型。

(步骤二)：选定一个足够小的时间单位，以确保能有效描述在火灾扩散过程影响下的建筑物内逃生楼道路网环境的变化过程；设定待疏散人员的撤离速度常值(一般可选正常情况下人员的平均行走速度，一则可以避免惊慌逃跑速度可能造成的拥堵；二则正常情况下人员的平均行走速度一般较火灾情况下的疏散撤离行走速度要慢，如果在慢速行走的情况下都能避开火灾扩散区域，那么沿相同的路径快速行走肯定也能避开火灾扩散区域)。

(步骤三)：判断是否已经为每一个人员聚集区结点计算了最优疏散撤离路径。如果已经 为每一个人员聚集区结点计算过了，前往(步骤九)；否则，前往(步骤四)。

(步骤四)：选定一个尚未计算过最优疏散撤离路径的人员聚集区结点；根据在火灾初发时刻的灾情，或者根据在探测发现到火灾的第一时间的灾情，初始化建筑物内的逃生楼道路网环境(即，楼道路网中的哪些结点和链接在火灾初发时刻就已被阻断)；对于选定的人员聚集区结点，以其为起点，计算从该起点出发沿逃生楼道路网中的可通达链接在一个时间单位长度内所能到达的当前阵面。

(步骤五)：如果当前阵面中包含建筑物的任何一个出口结点，前往(步骤八),否则，前往(步骤六)。

(步骤六)：根据(步骤一)确定的火灾扩散模型，测算建筑物内一个时间单位长度后的火灾灾情，并根据测算出的火灾灾情而计算更新逃生楼道路网环境(即，计算一个时间单位长度后的火灾灾情会进一步阻断逃生楼道路网中的哪些结点和链接，并据之更新相关结点和链接的可通达状态)。

(步骤七)：基于更新的逃生楼道路网环境，计算从当前阵面出发沿路网中的可通达链接在一个时间单位长度内所能到达的所有以前不曾到达过的位置，记为新的当前阵面，并根据计算过程标注好新的当前阵面中各个点的前驱结点，即，新的当前阵面中的某一个点是从上一个当前阵面中的哪一个点走过来的；如果新的当前阵面中的某一个点可以从上一个当前阵面中的多个点在当前这一个时间单位长度内到达，则该点的前驱结点应该标注为上一个当前阵面中在当前这一个时间单位长度内最早到达该点的那一个点；然后返回(步骤五)。

(步骤八)：根据当前阵面的演化历史，从(步骤五)所到达的出口结点开始，根据前驱结点数据开始回溯，一直回溯到给定的人员聚集区结点，从而确定从该人员聚集区结点出发的最优疏散撤离路径；然后返回(步骤三)。

(步骤九)：计算结束；输出计算得到的从建筑物内的各个人员聚集区结点出发的最优疏散撤离路径。

图1所示的步骤(3)到步骤(9)是按串行设计的方式计算从每一个人员聚集区结点出发的最优疏散撤离路径，即：计算完从第一个人员聚集区结点出发的最优疏散撤离路径，再计算从第二个人员聚集区结点出发的，再计算从第三个人员聚集区结点出发的，……，直到计算从最后一个人员聚集区结点出发的。其实，本发明的方法也可以修改步骤(3)到步骤(9)，从而按并行设计的方式计算从每一个人员聚集区结点出发的最优疏散撤离路径，即：可以同时计算从各个人员聚集区结点出发的各自的当前阵面的演化情况(因为从各个人员聚集区结点出发的各自的当前阵面是相互独立的，互不干扰；并且所有当前阵面在演化过程中都受到 同样的火灾扩散过程的影响)。

不同于图1所采用的串行设计方式，图2给出了按并行方式设计本发明的建筑物火灾疏散路径规划方法所包括的主要步骤：

(步骤一)：针对给定的建筑物,确定其相应的火灾扩散模型。

(步骤二)：选定一个足够小的时间单位，以确保能有效描述在火灾扩散过程影响下的建筑物内逃生楼道路网环境的变化过程；设定待疏散人员的撤离速度常值。

(步骤三)：根据在火灾初发时刻的灾情，或者根据在探测发现到火灾的第一时间的灾情，初始化建筑物内的逃生楼道路网环境。

(步骤四)：分别为建筑物内的每一个人员聚集区结点计算其各自的当前阵面，即：分别以建筑物内的每一个人员聚集区结点为起点，计算从各起点出发沿逃生楼道路网中的可通达链接在一个时间单位长度内各自所能到达的当前阵面；每一个当前阵面对应一个人员聚集区结点。

(步骤五)：判断是否每个当前阵面中都已包含了建筑物的至少一个出口结点。如果是，前往(步骤八),否则，前往(步骤六)。

(步骤六)：根据(步骤一)确定的火灾扩散模型，测算建筑物内一个时间单位长度后的火灾灾情，并根据测算的火灾灾情计算更新逃生楼道路网环境。

(步骤七)：对于每一个尚不包含任何出口结点的当前阵面，基于更新的逃生楼道路网环境，计算从各个当前阵面出发沿路网中的可通达链接在一个时间单位长度内各自所能到达的所有以前各自不曾到达过的位置，分别记为各个新的当前阵面，并根据计算过程标注好各个新的当前阵面中的各个点的前驱结点；然后返回(步骤五)。

(步骤八)：对于每一个当前阵面，根据该当前阵面的演化历史，从该当前阵面所包含的出口结点开始，按前驱结点依次反推直到该当前阵面所对应的人员聚集区结点，以确定从该当前阵面所对应的人员聚集区结点出发的最优疏散撤离路径。

(步骤九)：计算结束；输出计算得到的从建筑物内的各个人员聚集区结点出发的最优疏散撤离路径。

图3给出了一个按本发明的建筑物火灾疏散路径规划方法一次性计算在一个动态变化的建筑物火灾环境下从一个人员聚集区结点(图3中的结点1)出发的最优疏散撤离路径(需到达建筑物的出口，即结点10)的求解过程示例。在图3所示例的一次性求解过程中，需要考虑到未来7个时刻，逃生楼道路网环境在这7个未来时刻是各不一样的，即逃生楼道路网环境在一次性求解过程中是随着未来时刻的变化而变化的。如果换成传统的动态路径优化方 法，则在其一次实时在线求解过程中的各个未来时刻所对应的逃生楼道路网环境都是相同的。

在图3所示例的一次性求解过程中，未来时刻1的当前阵面都是从结点1出发沿未来时刻1的逃生楼道路网中的可通达链接在一个单位时间长度内所到达的位置，其中包括结点2和结点4；未来时刻1的当前阵面上所有点的前驱结点都是结点1。

未来时刻2的当前阵面则是从未来时刻1的当前阵面上的点出发沿未来时刻2的逃生楼道路网中的可通达链接在一个单位时间长度内所到达的以前没有到达过的位置，其中包括结点3(其前驱结点是结点2)，和结点5(其前驱结点也是结点2)；因为结点7在未来时刻2的逃生楼道路网中是不可通达的，所以，从未来时刻1的当前阵面上的结点4出发在未来时刻2不能到达任何新的结点，即，未来时刻2的当前阵面上没有任何结点的前驱结点是结点4；根据火灾扩散模型的预测，在未来时刻2，火灾扩散到了结点8，使结点8和相关链接变成不可通达。

未来时刻3的当前阵面则是从未来时刻2的当前阵面上的点出发沿未来时刻3的逃生楼道路网中的可通达链接在一个单位时间长度内所到达的以前没有到达过的位置，只包括结点6(其前驱结点是结点3)；因为结点8在未来时刻3的逃生楼道路网中是不可通达的，所以，从未来时刻2的当前阵面上的结点5出发在未来时刻3不能到达任何新的结点，即，未来时刻3的当前阵面上没有任何结点的前驱结点是结点5。

未来时刻4的当前阵面则是从未来时刻3的当前阵面上的点出发沿未来时刻4的逃生楼道路网中的可通达链接在一个单位时间长度内所到达的以前没有到达过的位置，只包括结点9(其前驱结点是结点6)；虽然根据火灾扩散模型预测的火灾一直在持续扩散，不过在未来时刻4尚未扩散到结点9。

未来时刻5的当前阵面则是从未来时刻4的当前阵面上的点出发沿未来时刻5的逃生楼道路网中的可通达链接在一个单位时间长度内所到达的以前没有到达过的位置，只包括结点12(其前驱结点是结点9)；根据火灾扩散模型的预测，在未来时刻5，火灾扩散到了结点9，使结点9和相关链接变成不可通达(显然，结点9在未来时刻5是否可通达已经变得无关紧要了，因为由未来时刻4的当前阵面可知：待疏散人员完全可以在未来时刻4就到达通过了结点9)。

未来时刻6的当前阵面则是从未来时刻5的当前阵面上的点出发沿未来时刻6的逃生楼道路网中的可通达链接在一个单位时间长度内所到达的以前没有到达过的位置，只包括结点11(其前驱结点是结点12)。

未来时刻7的当前阵面则是从未来时刻6的当前阵面上的点出发沿未来时刻7的逃生楼道路网中的可通达链接在一个单位时间长度内所到达的以前没有到达过的位置，只包括结点 10(其前驱结点是结点11)；因为结点10是建筑物的出口结点，所以无需再进一步计算未来时刻的当前阵面；从结点10开始，按前驱结点依次反推直到作为起点的人员聚集区结点，即，结点1，从而求出在给定火灾扩散情景下(即：起火点在结点7处，然后逐渐扩散到结点8和结点9)，从人员聚集区结点1疏散撤离到建筑物出口结点10的最优疏散撤离路径就是1→2→3→6→9→12→11→10，所以求解过程结束。

图4给出了用静态路径优化方法求解图3所示例的问题而得到的结果。由图4可以看到：如果换成传统的静态路径优化方法来求解图3所示例的问题，由于静态路径优化方法根本没有考虑任何火灾情况，所以其求解得到的疏散撤离路径就是1→4→7→10；不巧的是，在图3所示例的火灾扩散情景中，结点7恰好是起火点，从一开始就不能通行；所以，由静态路径优化方法得到的结果根本行不通。

图5给出了用动态路径优化方法求解图3所示例的问题的求解过程和所得到的结果。由图5可以看到：如果换成传统的动态路径优化方法来求解图3所示例的问题，则在火灾初发时刻，动态路径优化方法的在线实时计算结果是1→2→5→8→11→10；待疏散人员按此路径撤离，在时刻t＝1到达了结点2；在时刻t＝1，火灾还没有扩散到结点8，所以动态路径优化方法的在线实时计算结果是2→5→8→11→10；待疏散人员按此路径撤离，在时刻t＝2到达了结点5；在时刻t＝2，火灾已经扩散到了结点8，这时动态路径优化方法的在线实时计算给出了新的疏散撤离路径5→2→3→6→9→12→11→10；待疏散人员按此路径撤离，在时刻t＝3到达了结点2；在时刻t＝3，火灾还没扩散到结点9，这时动态路径优化方法的在线实时计算结果是2→3→6→9→12→11→10；待疏散人员按此路径撤离，在时刻t＝4到达了结点3；在时刻t＝4，火灾仍然没有扩散到结点9，这时动态路径优化方法的在线实时计算结果是3→6→9→12→11→10；待疏散人员按此路径撤离，在时刻t＝5到达了结点6；不幸的是，在时刻t＝5，火灾已经扩散到了结点9；至此，火灾已经阻断了建筑物内逃生楼道路网中的所有逃生路径，所以待疏散人员已经是在劫难逃了(因为动态路径优化方法引导待疏散人员在结点2与结点5之间折返，从而浪费了宝贵的逃生时间)。

对比图3与图4和图5所示例的结果，可以看出：本发明的建筑物火灾疏散路径规划方法可以更加有效地帮助待疏散人员从发生火灾的建筑物内安全地疏散撤离。

图6给出了本发明的建筑物火灾疏散路径规划系统的结构示意图。示意图中的标号说明：1火情监测传感器子系统2计算子系统3通讯子系统4引导装置子系统5手机终端应用程序子系统。

火情监测传感器子系统(1)用于监测以及时发现建筑物内的火情，并确定起火点位置等火情相关信息。火情监测传感器子系统(1)是预先安装在建筑物内各个适当位置的一系列传 感通讯设备，可以是有线的，也可以是无线的。计算子系统(2)可以是一个计算机设备，有足够的运算能力以便可以快速运行本发明的建筑物火灾疏散路径规划方法。通讯子系统(3)用以管理和实现与其它各个子系统进行信息交互通讯，具有有线通讯能力和无线通讯能力。计算子系统(2)和通讯子系统(3)可以和其它子系统一起安装在同一建筑物内，也可以置于该建筑物外的其它恰当场所(例如：社区的消防部门和灾害应急管理中心)。引导装置子系统(4)由一系列的预先安装在建筑物内恰当位置的引导装置(例如：带方向箭头的指示灯牌)构成。每个引导装置都可以接收由通讯子系统(3)广播传送的信息和指令，并根据接收到信息和指令(基于计算子系统(2)的优化结果)，启动和设置引导装置的状态(例如：每个引导装置有几个可切换的指示灯牌，每个指示灯牌上标有一个方向箭头，不同的指示灯牌对应不同的方向；有火灾时，需要切换到哪个方向箭头的指示灯牌是由接收到的信息和指令决定的；安装在建筑物内不同位置的引导装置可能需要切换到不同方向箭头的指示灯牌)。手机终端应用程序子系统(5)是安装在待疏散撤离人员手机上的应用程序，可以接收由通讯子系统(3)广播传送的、由计算子系统(2)的一次性计算所得到的优化结果，并根据待疏散撤离人员(手机主人)在建筑物内的当前位置，动态显示当前的撤离方向以引导待疏散撤离人员安全迅速地撤离出火灾建筑物。

一旦火情监测传感器子系统(1)发现建筑物内某个位置发生火情，就会立刻将火情信息(如：建筑物内的起火点位置)发送给通讯子系统(3)。通讯子系统(3)再将火情信息转发给计算子系统(2)。于是计算子系统(2)就启动本发明的建筑物火灾疏散路径规划方法的一次性优化计算，从而求解出从火灾建筑物内的各个人员聚集区结点沿火灾建筑物内的逃生楼道路网安全迅速地撤离出火灾建筑物的最优疏散撤离路径。一旦计算子系统(2)完成了一次性的最优疏散撤离路径的计算，通讯子系统(3)就会将计算结果广播传送给火灾建筑物内的引导装置子系统(4)和手机终端应用程序子系统(5)。引导装置子系统(4)根据接收到的信息和指令启动和设置安装在火灾建筑物内各处的引导装置的状态，以指示出火灾建筑物内各处的正确疏散撤离方向和路径。手机终端应用程序子系统(5)会根据接收到的信息和指令、以及待疏散撤离人员(手机主人)在火灾建筑物内的当前位置，动态显示当前的撤离方向和路径，以引导待疏散撤离人员安全迅速地撤离出火灾建筑物。安装在火灾建筑物内的引导装置还可以辅助手机终端应用程序子系统(5)进行定位的功能，例如：各个引导装置可以发射各自特定的编码脉冲信号，手机终端应用程序子系统(5)通过比较和分析所接收到的各个引导装置的编码脉冲信号，可以更加精准地定位待疏散撤离人员(手机主人)在火灾建筑物内的当前位置。

如果火灾扩散模型能够足够准确地预测建筑物内的火灾扩散情况，那么，计算子系统(2) 只需要按本发明的建筑物火灾疏散路径规划方法进行一次性的疏散撤离路径的优化计算，计算子系统(2)的优化计算结果也只需要通过通讯子系统(3)向火灾建筑物内的引导装置子系统(4)和手机终端应用程序子系统(5)进行一次性的广播传送，引导装置子系统(4)和手机终端应用程序子系统(5)就可以各自存储好接收到优化计算结果，即便后来通讯子系统(3)出现故障(例如：被火灾烧毁)，引导装置子系统(4)和手机终端应用程序子系统(5)也能根据存储好的优化计算结果继续引导待疏散撤离人员。

如果火灾扩散模型不能很好地预测建筑物内的火灾扩散情况，即：预测存在明显误差，而且预测误差会随时间变大，那么，本发明的建筑物火灾疏散路径规划方法和系统仍然可以有效工作(只需将一次性的优化计算疏散撤离路径和一次性的广播传送计算结果改为一个根据预测误差而不断重复的过程)。图7给出了在火灾扩散模型存在明显预测误差的情况下本发明的建筑物火灾疏散路径规划方法和系统的工作流程，有以下几个主要步骤：

(步骤一)：在火灾初发时刻，通过火情监测传感器子系统(1)监测收集火情信息；根据当前的火情信息以及相关历史数据(例如：当前的天气，以及历史上类似火灾时火灾扩散模型的预测误差)，设定的恰当的误差阈值；初始化当前预测误差为无穷大。

(步骤二)：判断火灾建筑物内的人员疏散撤离工作是否已经完成。如果已经完成，前往(步骤七)；否则，前往(步骤三)。

(步骤三)：判断当前预测误差是否大于设定的误差阈值。如果大于误差阈值，前往(步骤四)；否则，前往(步骤六)。

(步骤四)：用当前的火情信息初始化火灾扩散模型；计算子系统(2)基于当前的火情信息和火灾扩散模型，按本发明的建筑物火灾疏散路径规划方法优化计算从火灾建筑物内的每一个人员聚集区结点出发的疏散撤离路径。

(步骤五)：通讯子系统(3)向火灾建筑物内的引导装置子系统(4)和手机终端应用程序子系统(5)广播传送最新的优化计算结果，供其更新疏散撤离引导信息。

(步骤六)：通过火情监测传感器子系统(1)监测收集新的当前火情信息；对比新的当前火情信息与火灾扩散模型的预测结果，计算更新当前预测误差；返回(步骤二)。

(步骤七)：计算子系统(2)整理、归档、存储本次火灾整个过程中的所有的实测火情信息数据、火灾扩散模型预测结果和疏散撤离路径的优化计算结果，以供将来分析使用(例如：如果该建筑物将来再次发生火灾，就可以分析参考本次火灾过程中火灾扩散模型的预测误差情况，更加合理地设定的误差阈值)。

需要特别强调的是：在使用传统的动态路径优化方法的系统中，当前火情信息的任何变 化都会触发新的疏散撤离路径优化计算；而在本发明的建筑物火灾疏散路径规划系统的运行中，当前火情信息的变化并不一定会触发新的疏散撤离路径优化计算。事实上，只要当前火情信息与火灾扩散模型的预测结果的误差不大于设定的误差阈值，就不用进行新的疏散撤离路径优化计算。换句话说，如果火灾扩散模型比较准确，而且误差阈值设定得比较合理，那么重复优化计算疏散撤离路径的频次就会远低于传统的动态路径优化方法中在线实时优化计算疏散撤离路径的频次，从而大大降低往返走冤枉路的可能性。

Claims (10)

1.一种建筑物火灾疏散路径规划方法和系统，用以解决在建筑物发生火灾时，根据起火点和火灾扩散动态模型，仅仅通过一次性的优化计算，就能保证建筑物内所有待疏散人员在恰好避开动态火灾区的前提下的疏散路径的最优性的技术问题。本发明的系统主要包括火情监测传感器子系统，计算子系统，通讯子系统，引导装置子系统和手机终端应用程序子系统。在本发明的方法的一次性路径优化计算过程中，建筑物内的逃生楼道路网环境不是静态不变的，而是会随着计算过程按给定的火灾扩散动态模型而变化。路径优化计算完成后，本发明的系统会启动预装在建筑物内的引导装置，并将路径优化结果等信息发送到待疏散人员的手机应用程序用户端，通过引导装置和手机应用程序用户端引导处于建筑物内不同地点的待疏散人员按各自的最优疏散路径进行疏散撤离。

2.根据权利要求1所述的建筑物火灾疏散路径规划方法和系统，其特征是：所述的方法可以按串行方式设计，主要包括以下几个步骤：

(步骤一)：针对给定的建筑物,确定其相应的火灾扩散模型。

(步骤二)：选定一个足够小的时间单位，以确保能有效描述在火灾扩散过程影响下的建筑物内逃生楼道路网环境的变化过程；设定待疏散人员的撤离速度常值。

(步骤三)：判断是否已经为火灾建筑物内的每一个人员聚集区结点计算了最优疏散撤离路径。如果已经为每一个人员聚集区结点计算过了，前往(步骤九)；否则，前往(步骤四)。

(步骤四)：选定一个尚未计算过最优疏散撤离路径的人员聚集区结点；根据在火灾初发时刻的灾情，或者根据在探测发现到火灾的第一时间的灾情，初始化建筑物内的逃生楼道路网环境(即，楼道路网中的哪些结点和链接在火灾初发时刻就已被阻断)；对于选定的人员聚集区结点，以其为起点，计算从该起点出发沿逃生楼道路网中的可通达链接在一个时间单位长度内所能到达的当前阵面。

(步骤五)：如果当前阵面中包含建筑物的任何一个出口结点，前往(步骤八),否则，前往(步骤六)。

(步骤六)：根据(步骤一)确定的火灾扩散模型，测算建筑物内一个时间单位长度后的火灾灾情，并根据测算出的火灾灾情而计算更新逃生楼道路网环境(即，计算一个时间单位长度后的火灾灾情会进一步阻断逃生楼道路网中的哪些结点和链接，并据之更新相关结点和链接的可通达状态)。

(步骤七)：基于更新的逃生楼道路网环境，计算从当前阵面出发沿路网中的可通达链接 在一个时间单位长度内所能到达的所有以前不曾到达过的位置，记为新的当前阵面，并根据计算过程标注好新的当前阵面中各个点的前驱结点，即，新的当前阵面中的某一个点是从上一个当前阵面中的哪一个点走过来的；如果新的当前阵面中的某一个点可以从上一个当前阵面中的多个点在当前这一个时间单位长度内到达，则该点的前驱结点应该标注为上一个当前阵面中在当前这一个时间单位长度内最早到达该点的那一个点；然后返回(步骤五)。

(步骤八)：根据当前阵面的演化历史，从(步骤五)所到达的出口结点开始，根据前驱结点数据开始回溯，一直回溯到给定的人员聚集区结点，从而确定从该人员聚集区结点出发的最优疏散撤离路径；然后返回(步骤三)。

(步骤九)：计算结束；输出计算得到的从火灾建筑物内的各个人员聚集区结点出发的最优疏散撤离路径。

3.根据权利要求1所述的建筑物火灾疏散路径规划方法和系统，其特征是：所述的方法可以按并行方式设计，主要包括以下几个步骤：

(步骤一)：针对给定的建筑物,确定其相应的火灾扩散模型。

(步骤二)：选定一个足够小的时间单位，以确保能有效描述在火灾扩散过程影响下的建筑物内逃生楼道路网环境的变化过程；设定待疏散人员的撤离速度常值。

(步骤三)：根据在火灾初发时刻的灾情，或者根据在探测发现到火灾的第一时间的灾情，初始化火灾建筑物内的逃生楼道路网环境。

(步骤四)：分别为火灾建筑物内的每一个人员聚集区结点计算其各自的当前阵面，即：分别以火灾建筑物内的每一个人员聚集区结点为起点，计算从各起点出发沿逃生楼道路网中的可通达链接在一个时间单位长度内各自所能到达的当前阵面；每一个当前阵面对应一个人员聚集区结点。

(步骤五)：判断是否每个当前阵面中都已包含了建筑物的至少一个出口结点。如果是，前往(步骤八),否则，前往(步骤六)。

(步骤六)：根据(步骤一)确定的火灾扩散模型，测算火灾建筑物内一个时间单位长度后的火灾灾情，并根据测算的火灾灾情计算更新逃生楼道路网环境。

(步骤七)：对于每一个尚不包含任何出口结点的当前阵面，基于更新的逃生楼道路网环境，计算从各个当前阵面出发沿路网中的可通达链接在一个时间单位长度内各自所能到达的所有以前各自不曾到达过的位置，分别记为各个新的当前阵面，并根据计算过程标注好各个新的当前阵面中的各个点的前驱结点；然后返回(步骤 五)。

(步骤八)：对于每一个当前阵面，根据该当前阵面的演化历史，从该当前阵面所包含的出口结点开始，按前驱结点依次反推直到该当前阵面所对应的人员聚集区结点，以确定从该当前阵面所对应的人员聚集区结点出发的最优疏散撤离路径。

(步骤九)：计算结束；输出计算得到的从建筑物内的各个人员聚集区结点出发的最优疏散撤离路径。

4.根据权利要求1所述的建筑物火灾疏散路径规划方法和系统，其特征是：所述的系统的火情监测传感器子系统用于监测以便及时发现建筑物内的火情，并确定起火点位置等火情相关信息；火情监测传感器子系统是预先安装在建筑物内各个适当位置的一系列传感通讯设备，可以是有线的，也可以是无线的。

5.根据权利要求1所述的建筑物火灾疏散路径规划方法和系统，其特征是：所述的系统的计算子系统可以是一个计算机设备，有足够的运算能力以便可以快速运行本发明的建筑物火灾疏散路径规划方法；计算子系统可以安置在任何恰当的场所(例如：有火灾疏散路径规划需求的建筑物、社区消防部门、社区灾害应急管理中心)。

6.根据权利要求1所述的建筑物火灾疏散路径规划方法和系统，其特征是：所述的系统的通讯子系统用以管理和实现与其它各个子系统进行信息交互通讯，具有有线通讯能力和无线通讯能力；通讯子系统可以安置在任何恰当的场所(例如：有火灾疏散路径规划需求的建筑物、社区消防部门、社区灾害应急管理中心)。

7.根据权利要求1所述的建筑物火灾疏散路径规划方法和系统，其特征是：所述的系统的引导装置子系统由一系列的预先安装在建筑物内恰当位置的引导装置(例如：带方向箭头的指示灯牌)构成；每个引导装置都可以接收由通讯子系统广播传送的信息和指令，并根据接收到信息和指令(基于计算子系统的优化结果)，启动和设置引导装置的状态(例如：每个引导装置有几个可切换的指示灯牌，每个指示灯牌上标有一个方向箭头，不同的指示灯牌对应不同的方向；有火灾时，需要切换到哪个方向箭头的指示灯牌是由接收到的信息和指令决定的；安装在建筑物内不同位置的引导装置可能需要切换到不同方向箭头的指示灯牌)。

8.根据权利要求1所述的建筑物火灾疏散路径规划方法和系统，其特征是：所述的系统的手机终端应用程序子系统是安装在待疏散撤离人员手机上的应用程序，可以接收由通讯子系统广播传送的、由计算子系统的一次性计算所得到的优化结果，并根据待疏散撤离人员(手机主人)在建筑物内的当前位置，动态显示当前的撤离方向以引导待疏散撤离人员安全迅速地撤离出火灾建筑物。

9.根据权利要求1所述的建筑物火灾疏散路径规划方法和系统，其特征是：当火灾扩散模型能够足够准确地预测建筑物内的火灾动态扩散情况时，所述的系统在建筑物发生火灾时的工作过程主要是：一旦火情监测传感器子系统发现建筑物内某个位置发生火情，就会立刻将火情信息(如：建筑物内的起火点位置)发送给通讯子系统；通讯子系统再将火情信息转发给计算子系统；于是计算子系统就启动本发明的建筑物火灾疏散路径规划方法的一次性优化计算，从而求解出从火灾建筑物内的各个人员聚集区结点沿火灾建筑物内的逃生楼道路网安全迅速地撤离出火灾建筑物的最优疏散撤离路径；一旦计算子系统完成了一次性的最优疏散撤离路径的计算，通讯子系统就会将优化计算结果一次性地广播传送给火灾建筑物内的引导装置子系统和手机终端应用程序子系统；引导装置子系统和手机终端应用程序子系统可以各自存储接收到优化计算结果，以便随后可以不再依赖通讯子系统，而是通过读取各自存储好的数据而工作；引导装置子系统根据接收到的信息和指令启动和设置安装在火灾建筑物内各处的引导装置的状态，以指示出火灾建筑物内各处的正确疏散撤离方向和路径；手机终端应用程序子系统会根据接收到的信息和指令、以及待疏散撤离人员(手机主人)在火灾建筑物内的当前位置，动态显示当前的撤离方向和路径，以引导待疏散撤离人员安全迅速地撤离出火灾建筑物；安装在火灾建筑物内的引导装置还可以辅助手机终端应用程序子系统进行定位的功能(例如：各个引导装置可以发射各自特定的编码脉冲信号，手机终端应用程序子系统通过比较和分析所接收到的各个引导装置的编码脉冲信号，可以更加精准地定位待疏散撤离人员(手机主人)在火灾建筑物内的当前位置)。

10.根据权利要求1所述的建筑物火灾疏散路径规划方法和系统，其特征是：如果火灾扩散模型不能很好地预测建筑物内的火灾扩散情况，即：预测存在明显误差，而且预测误差会随时间变大，那么，所述的系统在建筑物发生火灾时的工作过程主要有以下几个步骤：

(步骤一)：在火灾初发时刻，通过火情监测传感器子系统监测收集火情信息；根据当前的火情信息以及相关历史数据(例如：当前的天气，以及历史上类似火灾时火灾扩散模型的预测误差)，设定的恰当的误差阈值；初始化当前预测误差为无穷大。

(步骤二)：判断火灾建筑物内的人员疏散撤离工作是否已经完成。如果已经完成，前往(步骤七)；否则，前往(步骤三)。

(步骤三)：判断当前预测误差是否大于设定的误差阈值。如果大于误差阈值，前往(步骤四)；否则，前往(步骤六)。

(步骤四)：用当前的火情信息初始化火灾扩散模型；计算子系统基于当前的火情信息和火灾扩散模型，按本发明的建筑物火灾疏散路径规划方法优化计算从火灾建筑物内的每一个人员聚集区结点出发的疏散撤离路径。

(步骤五)：通讯子系统向火灾建筑物内的引导装置子系统和手机终端应用程序子系统广播传送最新的优化计算结果，供其更新疏散撤离引导信息。

(步骤六)：通过火情监测传感器子系统监测收集新的当前火情信息；对比新的当前火情信息与火灾扩散模型的预测结果，计算更新当前预测误差；返回(步骤二)。

(步骤七)：计算子系统整理、归档、存储本次火灾整个过程中的所有的实测火情信息数据、火灾扩散模型预测结果和疏散撤离路径的优化计算结果，以供将来分析使用(例如：如果该建筑物将来再次发生火灾，就可以分析参考本次火灾过程中火灾扩散模型的预测误差情况，更加合理地设定的误差阈值)。