CN106773717A - 建筑物应急疏散高效实时控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于公共安全技术领域，具体为一种建筑物应急疏散高效实时控制系统。本发明控制系统，是基于粗略网络模型，充分利用其计算量小、实时性好的特点，并将人群诸如拥挤等人的行为因素与恐慌等心理因素作为扰动动态实时地加以考虑，采用疏散时间均衡控制策略，以达到建筑物应急疏散中的高效实时性与疏散场景的动态性问题，从而在建筑物内有火灾、有毒气体泄漏或地震发生等紧急情况下，使疏散人员在尽可能短的时间内从危险区域转移到安全地带，避免和减少人员伤亡。
Description
技术领域
本发明属于公共安全技术领域，具体涉及建筑物应急疏散高效实时控制系统。
背景技术
在公共安全领域，建筑物应急疏散是防止和减少突发事件人员伤亡的重要措施。自二十世纪八十年代起，特别是“9.11”事件以来，建筑物应急疏散问题得到国内外专家学者的高度重视和深入研究。根据对建筑物空间布局的描述与刻画方式，疏散模型可基本归结为两类。一类是精细网络模型，该模型强调对疏散过程的描述，体现人的特性及人与疏散环境之间的相互影响。由于精细网络模型包含信息较为全面，因而计算量大，主要应用于疏散过程仿真，如典型仿真软件Exodus、Simulex等。
另一类是宏观的粗略网络模型，该模型考虑疏散人群的整体运动，对人的细节行为不做描述。因此，该模型具有计算量小、实时性好的优点，如Evacsim、Evacnet、Wayout等软件。粗略网络模型采用网络节点描述疏散环境中的人群聚集地，如建筑物房间、大厅等单元，使用网络连接描述人行通道。人群从起始节点到达安全出口节点，可选择经过不同通道来完成，这便构成了一个如图1所示的疏散网络。为有效降低人群疏散时间、防止和减少伤亡，需要均衡控制各通道人群数量，使得各通道同时完成疏散过程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够有效降低人群疏散时间，防止和减少伤亡的建筑物应急疏散高效实时控制系统。
本发明提供的建筑物应急疏散高效实时控制系统，是基于粗略网络模型，充分利用其计算量小、实时性好的特点，并将人群诸如拥挤等人的行为因素与恐慌等心理因素动态实时地加以考虑，以达到建筑物应急疏散中的高效实时性与疏散场景的动态性问题，从而在建筑物内有火灾、有毒气体泄漏或地震发生等紧急情况下，使疏散人员在尽可能短的时间内从危险区域转移到安全地带，避免和减少人员伤亡。
在粗略网络模型中，各通道疏散完成时间由如下因素确定：通过该通道的人群数量、人群移动速度、通道长度、通道动态容量等。以图1所示的疏散情形为例，通道i的疏散完成时间T i 由下式确定：
（1）
其中，V表示人群移动速度，No. i 表示通道i上的人群数量，L i 表示通道i的长度，DC i 表示通道i的动态容量，i=1, 2, …, N。对于该疏散网络，最优疏散控制策略（疏散时间最短）为：分配各通道上的人群数量，使各通道具有相等的通行时间，即：
（2）
且满足总人群数量关系约束：
（3）
其中，No. T 表示疏散人群总数量。
从控制角度来说，各通道的控制系统框图如图2所示。图2中控制器i的任务主要是根据通道期望时间Ti来计算该通道的人群数量，疏散通道i的时间域模型由式（1）确定。各控制器i在计算本通道人群数量时需要满足式（3）的疏散总人群数量约束。
在理想情况下，人群移动速度、通道长度、通道动态容量等是固定不变的，各控制器给出的通道人群数量可以使式（2）得到满足，即各通道具有相等的通行时间，从而保证整个疏散过程时间最短。
然而，实际上人们在疏散过程中的行为因素，如恐慌、拥挤等会影响人的移动速度。同时，建筑物内的疏散场景也可能会发生改变。以火灾为例，着火点的增减、着火点火势大小发生变化，都会引起疏散场景的变化，如疏散通道的长度、通道的动态容量等发生变化。为此，我们引入如图3所示的带扰动的闭环控制策略，把疏散人群行为因素、疏散场景动态变化因素以及其它不确定性因素等统一归结为疏散通道扰动Dti。在图3所示的控制系统中，控制器输入为：疏散通道i的疏散时间Ti与通道期望时间Ti的比较值，控制器输出为疏散通道i的疏散人群数量。由于疏散通道扰动Dti包含了疏散人群行为因素与疏散场景动态变化等其它因素，所以，图3所示的系统可有效地将具有计算量小实时性好等特点的粗略网络模型与疏散人群行为因素以及疏散场景动态变化特性进行融合。同时，从控制系统角度来说，采用图3所示的闭环系统可以有效地对克服扰动对系统性能的影响。
在图3所示的各疏散通道中，考虑到扰动因素的存在，通道人群数量需要动态调整。如式(3)，由于各疏散通道人群数量之和需要保持不变，调整某通道的人群数量时必须同时调整其它某一或某几路疏散通道。为此，采用如图4所示的疏散时间均衡控制策略。图4中各通道控制回路的控制器输入是：所有通道的疏散时间的平均值与本通道的疏散时间之差；控制器的输出为本通道上的疏散人群数量；疏散通道上的扰动为：包括疏散人群心理恐慌、人为拥挤等行为因素，因诸如火灾着火点变化、火势变化等而引起的疏散场景变化因素，以及其它不确定性因素等；时间平均算子为对各疏散通道疏散时间进行代数平均计算。控制器的设计需要充分考虑式（3）的疏散人群数量约束。同时还需要考虑控制系统本身的性能指标，如稳定性、快速性等。
附图说明
图1为 建筑物应急疏散粗略网络模型结构示意图。
图2为各疏散通道控制系统框图。
图3为融入疏散人群行为因素与疏散场景等因素的各疏散通道闭环控制系统框图。
图4为各通道疏散时间均衡控制策略系统框图。
具体实施方式
如下考虑一个疏散控制系统。图1所示的疏散场景包含5条疏散通道，通道动态容量依次为15、12、18、16、10人/秒；通道长度依次为20、8、19、17、14米；待疏散人群数量为1000人，疏散人员移动速度为1.5米/秒。具体如表1：
表1. 疏散控制系统参数
。
在疏散人群没有拥挤、恐慌以及疏散场景等因素没有变化，即系统没有扰动情况下，控制系统可以在10秒钟以内（或更短时间，该时间取决于实际疏散系统以及系统控制器参数设计），得出疏散控制方案如表2。在疏散过程中，通道1出现新的着火点，导致人群拥挤，使得通道1完成疏散时间增加了10秒。采用本疏散控制系统，可得出在扰动存在的情况下的新的疏散控制方案（如表3）。
表2. 没有扰动时得到的疏散方案及疏散时间
。
表3. 发生扰动时得到的疏散方案及疏散时间
。
Claims (1)
1.建筑物应急疏散高效实时控制系统，是基于粗略网络模型的，在粗略网络模型中，各通道疏散完成时间由如下因素确定：通过该通道的人群数量、人群移动速度、通道长度、通道动态容量；通道i的疏散完成时间T i 由下式确定：
（1）
其中，V表示人群移动速度，No. i 表示通道i上的人群数量，L i 表示通道i的长度，DC i 表示通道i的动态容量，i=1, 2, …, N；对于该疏散网络，最优疏散控制策略即疏散时间最短为：分配各通道上的人群数量，使各通道具有相等的通行时间：
（2）
且满足总人群数量关系约束：
（3）
其中，No. T 表示疏散人群总数量；
从控制角度来说，各通道的控制系统为：由控制器i控制疏散通道i的疏散人群数量；控制器i根据通道期望时间Ti计算该疏散通道i的疏散人群数量，疏散通道i的疏散时间Ti由式（1）确定；控制器i在计算本通道人群数量时需要满足式（3）的疏散总人群数量约束；其特征在于，
对于存在扰动的情形，引入带扰动的闭环控制系统，即把疏散人群行为因素、疏散场景动态变化因素以及其它不确定性因素等统一归结为疏散通道扰动Dti；并把疏散通道i的疏散时间Ti反馈到控制器i，与通道期望时间Ti进行比较，并控制疏散通道i的疏散人群数量；
对于多疏散通道情形，采用疏散时间均衡控制系统，即对于疏散通道i的疏散时间Ti，计算其代数平均值，并将其反馈给各控制器i，各控制器i再根据通道期望时间Ti计算该疏散通道i的疏散人群数量；
各通道控制回路的控制器输入是：所有通道的疏散时间的平均值与本通道的期望疏散时间之差；控制器的输出为本通道上的疏散人群数量。
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