CN110517424A

CN110517424A - 一种室内消防应急疏散路线模拟方法

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Publication number: CN110517424A
Application number: CN201910966407.2A
Authority: CN
Inventors: 肖志国; 杨晓慧; 李念峰; 鲁光男; 周尚�; 赵一飞
Original assignee: Changchun University
Current assignee: Changchun University
Priority date: 2019-10-12
Filing date: 2019-10-12
Publication date: 2019-11-29

Abstract

本发明涉及一种建筑内消防逃生路线的最优生成与模拟的方法。通过仿真平台对建筑内通道模拟预生成并对逃生通道设置逃生关键点及关键点之间的逃生权值；模拟发生火灾后火灾着火点的设置及火势情况设置；根据火灾蔓延的情况对逃生通道进行动态模拟；根据现有火灾动态模拟情况生成最佳逃生路线并通过仿真平台模拟显示出来，与现有技术相比，本发明能够从软件预生成的路径中根据现有火灾情况进行计算、评估和模拟，为消防逃生路径的选择提供了快速和可行的信息，很好的提高了消防救援在路径选择方面的效率和逃生救援能力。

Description

一种室内消防应急疏散路线模拟方法

技术领域

本发明涉及人工智能领域，尤其是涉及一种建筑内消防逃生路线的智能生成和模拟方法。

技术背景

随着城市化进程的推进，现有城市建筑越来越高、内部结构越来越复杂，人口居住越来越密集。火灾作为室内最大的灾害给人们造成了巨大的经济损失和生命危害。在发生火灾时建筑内部人员的逃生路径、外部消防人员的救援路径的选择是降低危害的关键。

目前国内外对消防逃生路径的算法研究主要有：消防疏散模型的建立需要综合考虑现场环境复杂情况、空间和人的三者之间的相互关系，要充分考虑影响人员疏散的相关因素，还要把握逃生人员的心理素质，最大限度地提高安全疏散的效率。在实际火灾中，针对影响逃生路径选择的因素有很多，其中包括火势蔓延的速度、烟雾等有毒气体在空气中的含量、逃生路段的对流热、逃生人员的性别及年龄也会影响逃生速度、人群密度和路段是否有路障等。现有研究一般集中在图论理论的一个经典问题最短路径问题，旨在寻找图（由结点和路径组成的）中两结点之间的最短路径。其中典型的算法有A*（A-Star)算法，是一种静态路网中求解最短路最有效的直接搜索方法。估价值与实际值越接近，估价函数取得就越好。SPFA（Shortest Path Faster Algorithm）算法是求单源最短路径的一种算法，在Bellman-ford算法的基础上加上一个队列优化，减少了冗余的松弛操作，是一种高效的最短路径算法。Bellman-ford算法是求含负权图的单源最短路径算法，效率很低，但代码很容易写。Floyd-Warshall算法是解决任意两点间的最短路径的一种算法。通常可以在任何图中使用，包括有向图、带负权边的图。迪杰斯特拉(Dijkstra)算法是从一个顶点到其余各顶点的最短路径算法，解决的是有向图中最短路径问题。迪杰斯特拉算法主要特点是以起始点为中心向外层层扩展，直到扩展到终点为止。Dijkstra算法能得出最短路径的最优解，但由于它遍历计算的节点很多，所以效率低。但是在计算指定两点的最短距离方面还是具有非常明显的优势。其一般过程为：

①初始化，s为源，w[u，v] 为点u 和v 之间的边的长度，结果保存在dist[]。源的距离dist[s]设为0，其他的点距离设为无穷大，同时把所有的点状态设为没有扩展过；

②循环n-1次：

③在没有扩展过的点中取一距离最小的点u，并将其状态设为已扩展；

④对于每个与u相邻的点v，如果dist[u] + w[u，v] < dist[v]，那么把dist[v]更新成更短的距离dist[u] + w[u，v]。此时到点v的最短路径上，前一个节点即为u；

结束：此时对于任意的u，dist[u]就是s到u的距离。

可见，应用迪杰斯特拉算法的基本方法并加以改进，融入到大型室内逃生应急疏散路线的模拟中，可以高效实时的把任意逃生点到逃生出口的路径模拟出来，可以解决虚拟消防演练和真实逃生路径选择等问题。

发明内容

本发明的目的就是为了改变原有消防逃生路径的选择上存在效率低下或者错误而提供一种智能的消防路径选择和模拟方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

基于改进迪杰斯特拉算法的室内消防逃生路线模拟方法，包括步骤。

①在仿真平台上，通过对仿真房间、门、逃生通道、楼梯、电梯、楼道障碍物等仿真物体模型，使用鼠标拖拽方式，对建筑内部结构及逃生路径进行预生成；在各独立空间单元逃生出口处设置逃生关键点，邻近的单元如果到关键点没有障碍和很小的距离，则共用一个逃生关键点。每个关键点间进行距离的设置及逃生难以程度的设置。

②在模拟火灾的时候，用户可以设置着火地点及相关起火点等其它相关内容，例如，火势等级、火势周围主要可燃物情况等。

③系统可以根据设置的起火点进行动态模拟，修改逃生路径的通过难度。

④根据预设的路径逃生关键点信息和起火点动态模拟信息，智能生成最佳逃生路径。

⑤极端逃生路径模拟及生成。

所述的建筑内部的路径是建筑内可以进行逃生的所有通路。

所述的预设通路是预先通过模块化三维模拟设计方式，搭建建筑内部通路的简图，疏散路线最基本单元包括房间门、走廊、楼梯、楼层标识、逃生出口等，所有最基本的单元与单元连接点称为关键点，关键点之间都要设置之间的距离和难易程度。每个楼层预先设置的一个逃生路径简图，楼层之间通过楼梯基本单元进行连接，整体形成一个带有权值（距离和通过难易程度构成）的建筑内部逃生简图。

所述步骤②具体包括步骤：

所述的设置起火点为在发生火灾的时候，用户可以在系统终端中自定义设置起火点，火灾发生距模拟设置着火点的时间，火灾着火材质，火势现有情况估计等级。

设置完起火点情况后提交到终端控制中心。

所述的步骤③具体包括步骤：

所述的系统可以根据设置的起火点位置进行动态模拟，是根据现有数据模拟火势及烟雾沿着现有通路蔓延的一个计算和动态模拟。

室内烟、火蔓延的动态模拟方法为：实际火灾中，影响烟的蔓延因素有很多，其中包括火势蔓延的速度、烟雾等浓度及有毒气体在空气中的含量、逃生路段的封闭程度、对流的影响等因素，另外在火灾现场的紧急情况下用户对起火点的设置不能达到非常准确，所以研究了一种通用的烟、热扩散模拟方法，公式如下：

其中y_n表示某个逃生关键点的烟、热度强度，计算得出后用于判定这一关键点是否可以通过，经实验得知，计算后数值大于50则代表此关键点不能够通过。如果关键点可以通过，y_n值用于修改此关键点所在通路的通过权值；Q为设置的现有起火点火势强度，取值分强、中、弱，三档次可选、可调，强档1<Q<2，中等Q=1，弱档0<Q<1，默认选取为中等火势Q=1；S为主要着火物质的可燃强度（强，中，弱），由于用户在易燃物的区分和把握上比较困难，在真实场景中也很难让用户过多参与选择和思考，所以模拟计算S的取值设置为固定值，按强、中、弱分别为1.5，1，0.8，默认为中等可燃物，即S=1；R_n为起火点沿着通路扩散到的第n个关键点的每个关键点间的逃生权值。t为距离起火的时间，以秒为单位，其中t≥60，默认为60。

此关键点的y_n值加入此段通路的权值中，即增加通路的通过权值R_n，重新计算后的权值为：

= +

所述的步骤④具体包括：

根据预设的路径逃生关键点信息和起火点动态模拟信息，智能生成最佳逃生路径。其中起火点动态模拟信息是根据火灾着火点的信息及火灾扩散模拟信息进行的实时计算，通过设定逃生关键点信息的阈值，判断每个逃生关键点是否可以通过，不可以通过则从带权无向图中删除节点，可通过的关键点参与逃生路线的计算和生成。

所述的生成最佳逃生路线即为输入室内任意逃生点到逃生出口的路径；

计算的方法为：把楼房的三维结构的逃生路径转化为一张二维的图，具体为先进行每个楼层的转换，把本楼层内的房间门、通道、出口转化为一个二维带有权值的图；再把带有权值的楼梯的逃生关键点作为上下楼的连接点，把每个楼层转化的二维图连接起来，形成一个大的带权无向图。

根据改进迪杰斯特拉算法，计算逃生点到楼出口的最短路径。具体方法为：

所述的逃生点和出口是用户在用户终端上选取的某个需要逃生的地点。终端程序根据选取的逃生点，自动匹配出楼的每个出口点，显示逃生点到达每个出口点的最短路径。

根据权利要求所述的一种室内消防应急疏散路线模拟方法，其特征在于，所述步骤五中，极端逃生路径模拟及生成。具体方法为：在正常逃生路径设置没有逃生路径选择的情况下，启用极端逃生路径的自动模拟，主要是自动计算先前选取的逃生点附近的关键点和出口附近的关键点，使用Dijkstra算法进行逃生路径的计算，由终端程序自动给出。终端程序选择的极端选取的逃生点一般采取在逃生点附近翻越楼层的方式，即模拟下一楼层或上一楼层此逃生点对应地点进行逃生所采取的措施，是极端情况下做出的一种极端模拟。逃生出口的设置同样选取一楼出口或者一楼或者二楼的任意关键点。极端逃生路径模拟是一种建议性逃生思路。

本发明的有益效果在于：本发明提出的基于改进迪杰斯特拉算法与其他消防逃生算法的不同之处在于本方法把大楼内立体的逃生路径通过关键点、权值的预设后，映射为一个带有权值的图。利用迪杰斯特拉算法解决图中任意两点逃生最短路径问题；同时结合消防逃生应用场景信息，可以让用户设置起火点和火势情况，系统可以动态修改逃生路径的逃生难度权值，智能计算起火点到出口的最短路径。算法经过优化，降低了算法的复杂性，确保整个系统有较好的实时性；系统对大楼内部逃生通道进行了简化预设，通过不同的单元对大楼内部进行了不同的标示，在火灾发生时可以在最短逃生路径算法显示的路径标示中实现楼内导航能力。

附图说明

图1应急疏散路线模拟计算流程图；

图2建筑内部疏散路线简图及预设的逃生关键点图；

图3逃生关键点映射的带权无向图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的实施例进行详细的描述：

图1应急疏散路线模拟计算流程图。终端程序根据预设的楼内逃生关键点及关键点间的权值，生成了一个预设的有权无向图。在程序使用中，用户设置逃生点、着火点位置及着火点的基本情况（基本情况未知的情况下将使用默认值代替），程序根据设置及火、烟扩散方法进行计算，对逃生关键点进行评估，不能通过的逃生关键点，将从逃生关键点中剔除；根据着火点的情况，通过计算方法动态调整各个逃生关键点之间的逃生难易权值。最后使用Dijkstra算法进行计算、显示逃生点到达每个出口点的最短路径。

图2建筑内部疏散路线简图及预设的逃生关键点图。根据建筑内的房间布局和消防通道情况，可以绘制出消防通道图。本发明在原有消防通道图的基础上，对消防通道预设不同的关键点，并预设出各个关键点间的权值。每个关键点的选取必须满足临近至少一个区域的逃生出口到达此关键点是无障的，即逃生难易程度权值为0。关键点到下一关键点是有权值的，预设权值由距离和通道的通畅度来决定。所有逃生通道最终都映射为通路和关键点。如上图所示，计算机的逃生路径计算是根据这一路径、关键点模型的映射，形成一个有权无向图。这个图的权值是根据着火点的情况，根据模拟算法对火灾进行动态模拟，实时动态变化，不符合逃生要求的点不参与逃生疏散路线的模拟计算。

图3逃生关键点映射的带权无向图。图中每个点是消防通道中预设的逃生关键点。楼层之间的楼梯设置一个关键点，此关键点是每个楼层通往其它楼层的关键点。在逃生通道上设置火灾起火点，即在关键点上或关键点之间设置起火点，根据上诉算法，计算此点到达周围关键点的路径的权值。根据权值范围计算两个关键点间是否可以通过。如果不能通过，则选择其它关键点进行计算逃生通道。在没有可选通道的时候，我们启用极端逃生路径模拟，重新设置新逃生点与出口的路径模拟。在极端逃生路径的模拟情况下，新选取的逃生点一般采取在逃生点附近翻越楼层的方式，即模拟下一楼层或上一楼层此逃生点对应地点进行逃生所采取的措施，是极端情况下做出的一种极端模拟。

Claims

1.一种室内消防应急疏散路线模拟方法，其特征在于，该方法基于对建筑内逃生通道的预生成及通过带权无向图的最短路径算法，包括步骤：

①通过仿真平台，对建筑内逃生通道预生成；其中包括对逃生通道仿真预生成，在仿真逃生通道内预设逃生关键点并对逃生关键点之间的逃生难易程度进行权值设置；

②模拟发生火灾后火灾点的设置；用户可以设置起火地点及相关起火点等其它相关内容，例如，火势等级、火势周围主要可燃物情况等，所设置的内容有一些列的默认值，在未知和紧急情况可以直接使用默认值；

③根据火灾蔓延的情况对逃生道路的权值进行动态模拟、重新计算逃生关键点，对预设的关键点间权值进行重新计算；

④根据现有火灾情况生成最佳逃生路线并通过仿真平台仿真显示出来;

⑤极端逃生路径模拟及生成。

2.根据权利要求1所述的一种室内消防应急疏散路线模拟方法，其特征在于，所述步骤一中，通过仿真平台，对建筑内逃生通道预生成，其过程为：

①在仿真平台中，预先设计制作一般楼内常见物品3D简图，通过鼠标拖拽即可进行楼体内部仿真模拟，其中包括楼内逃生通道的仿真模拟；

②在仿真逃生通道上设置逃生关键点，逃生关键点的设置原则是某区域逃生出口到关键点的距离可以忽略不计，逃生难易程度权值为0；相邻区域的多个逃生出口可以共用一个逃生关键点；逃生关键点之间进行距离的设置与逃生难易权值的设置，通过公式可以计算逃生关键点间的综合逃生权值，把楼内逃生路线图简化为带有权值的逃生关键点图；预设权值的衡量包括距离和通道的通畅度来决定；所述的权值R_n具体为：R_n=S_nT (0<T≤1)其中：S_n为两个关键点之间的距离，以米为单位；T为人为计算设置的逃生通道通畅度，取值T≥1，通畅正常的通道也设置为1，只有特殊情况人为计算并进行预设置；

③把楼内预设值的逃生关键点转化为一张二维的图，具体为先进行每个楼层的转换，把本楼层内逃生关键点转化为一个二维带有权值的图；再把楼梯设置的逃生关键点作为连接点，把每个楼层转化为二维图连接起来，形成一个无向带权图。

3.根据权利要求1所述的一种室内消防应急疏散路线模拟方法，其特征在于，所述步骤二中，模拟发生火灾后火灾点的设置其过程为：

在模拟火灾的时候，用户可以设置着火地点及相关起火点等其它相关内容，例如，火势等级、火势周围主要可燃物情况等；如果不设置，系统会使用一些列默认值进行火灾模拟计算。

4.根据权利要求1所述的一种室内消防应急疏散路线模拟方法，其特征在于，所述步骤三中，根据火灾蔓延的情况对逃生道路的权值进行动态模拟，对预设的关键点间权值进行重新计算，过程为：

①所述的根据火灾蔓延的逃生道路的权值进行动态模拟，是根据现有数据模拟火势及烟雾沿着现有通路蔓延的一个计算和动态模拟，其中距离起火点的y点的烟、热度强度，表示公式为：

其中y_n表示某个逃生关键点的烟、热度强度，计算得出后用于判定此点是否可以通过；Q为设置的现有起火点火势强度，取值分强、中、弱，三档次可选、可调，强档1<Q<2，中等Q=1，弱档0<Q<1，默认选取为中等火势Q=1；S为着火物质是否为易燃物可燃强度（强，中，弱），由于用户在易燃物的区分和把握上比较困难，在真实场景中也很难让用户过多参与选择和思考，所以模拟计算S的取值设置为固定值，按强、中、弱分别为1.5，1，0.8，默认为中等可燃物，即S=1；R_n为起火点沿着通路扩散到的第n个关键点的每个关键点间的逃生权值；t为距离起火的时间，以秒为单位，其中t≥60，默认为60；

②所述的重新计算逃生关键点，是根据y_n的计算，计算后的数值与阈值（阈值一般设置为25）进行比较，大于阈值则代表此关键点不能通过，小于阈值的关键点可以通过；所有不能通过的关键点将从生成的带权图中删除，不参与最后最短路径的计算；

③所述的对预设的关键点间权值进行重新计算，此关键点的y_n值加入此段路径的权值中，即动态变化的关键点间权值R_d为：

= + 。

5.根据权利要求1所述的一种室内消防应急疏散路线模拟方法，其特征在于，所述步骤四中，所述的生成最佳逃生路线即为输入室内任意逃生点到逃生出口的路径;计算的方法为，根据迪杰斯特拉算法，计算逃生点到楼出口的最短路径,具体方法为：

所述的逃生点和出口是用户在用户终端上选取的某个需要逃生的地点,终端程序根据选取的逃生点，自动匹配出楼的每个出口点，显示逃生点到达每个出口点的最短路径。

6.根据权利要求1所述的一种室内消防应急疏散路线模拟方法，其特征在于，所述步骤五中，极端逃生路径模拟及生成；具体方法为：在正常逃生路径设置没有逃生路径选择的情况下，启用极端逃生路径的自动模拟，主要是自动计算先前选取的逃生点附近的关键点和出口附近的关键点，使用改进Dijkstra算法进行逃生路径的计算，由终端程序自动给出。