CN114358385A - 一种适用于大型建筑物安全疏散的网络解算方法 - Google Patents
一种适用于大型建筑物安全疏散的网络解算方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种适用于大型建筑物安全疏散的网络解算算法，该方法包括：根据获取的建筑物结构参数，将疏散网络初始化；确定建筑物内所有人员的位置，利用最短路径法确定所有源点的疏散路径和分支的方向；求解所有源点（包含由人员分支的分支）出口处全时段的人流流率序列；根据节点连接关系，求出源点下游分支的入口人流流率；通过某个分支的入口人流流率，求解该分支的出口处人流流率序列；以时间步为媒介，求出所有分支全时段入口人流流率序列；如果运移到终极节点的人数与建筑物内素有人数相等时，运算结束。本发明实现了复杂建筑物的人员疏散仿真。
Description
技术领域
本发明属于计算机模拟技术领域，涉及一种行人疏散仿真，特别是涉及一种适用于大型建筑物安全疏散网络解算方法。
背景技术
随着社会的发展，城市建筑功能越来越强大，结构越来越复杂，建筑物内人员越来越多，相应的安全通道也越来越多。由于建筑物内结构复杂、人员密集、火灾隐患多，一旦发生火灾不及时进行人员疏散将会造成人员伤亡和财产损失，如何快速、有效的疏散建筑物内的人员是未来研究的重要课题，如何构建一个高效、合理的智能疏散决策指挥系统对于建筑物安全疏散具有重要意义。
随着计算机技术的高速发展，建筑物的安全疏散研究与计算机模拟密不可分，其主要原因包括以下三个方面：一是在对建筑物的安全疏散性能进行功能化设计时，可根据计算机模拟选取最佳安全疏散设计方案，以便于建筑物达到最佳的疏散性能，同时能避免资源浪费；二是可用于指导建筑物制定不同的安全疏散应急预案；三是可在建筑物发生火灾时，通过模拟可实时确定不同区域疏散人员的最佳逃生路线。因此，完善的安全疏散模拟系统将对建筑物的安全疏散起到至关重要的作用。通过开发一种大型建筑物安全疏散网络的解算算法，确定疏散时间和找到疏散瓶颈，以便制定最佳的路径规划方案，提高疏散效率。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在上述的问题，提供一种适用于大型建筑物安全疏散的网络解算方法，实现对人员疏散时间的预测和找到人员滞留区域进行重新分配疏散路径。
一种适用于大型建筑物安全疏散的网络解算方法，具体步骤包括：
S1、根据建筑物内部人员运移特性和建筑物的结构，定义疏散网络的构成要素，构建安全疏散网络图；
S2、确定初始时刻建筑物内所有人员的位置，利用最短路径法确定所有源点的疏散路径，确定所有分支的方向；
S3、引入人流流率序列概念，求解所有源点（包含人员分布的分支）出口处全时段的人流流率序列；
S4、根据节点连接关系，求出源点下游分支的入口处人流流率；
S5、通过某个分支的入口处人流流率，求解该分支的出口处人流流率序列；
S6、以时间步为媒介，求出所有分支全时段入口处人流流率序列和出口处人流流率序列；
S7、运移到终极节点的人员与建筑物内所有人数相等时，解算结束。
进一步的，所述步骤S1中构建安全疏散网络图，具体步骤为：
S101、根据建筑物内人员运移特性，将疏散网络分为三种构成元素：源点、分支、节点，源点为建筑物内部人员主要集中的区域，如房间；分支为建筑物的安全疏散结构单元，如走廊、楼梯、廊桥等；节点是多个分支的交点，比如走廊和楼梯的交汇处、走廊与房间门外侧等；
S102、将安全疏散问题转化为有限源网络排空求解，将疏散网络各组成部分进行标识，疏散网络用G（S，V，E）表示，集合S表示房间，集合V表示节点，集合E表示分支；疏散网络拓扑中圆圈为疏散源点，直线为疏散分支，分支的交点为节点。
进一步的，所述步骤S3中引入人流流率序列概念，求解所有源点（包含人员分布的分支）出口处全时段的人流流率序列，具体步骤为：
S301、由于疏散网络中人员的移动是离散流，安全疏散是离散化的时空，因此，将连续变量时间离散化为一串时间段，引入离散变量人流流率序列表征离散人员的运移，人流流率为某一时间段内通过某断面的人数，人流流率序列为整个时间段内所有人流流率连在一起，假设入口序列用δ表示，出口序列用q表示，人流流率序列具体表示为：
其中，δi为第i-1时刻至第i时刻期间进入分支入口的人员数量，qi为第i-1时刻至第i时刻期间通过分支出口的人员数量，Γ为整个疏散时间的最大时间步数，整数；
出口的人流流率序列q与整个建筑物的疏散时间密切相关，计算公式具体表示为：
其中，qk,i为源点k在第i时刻的出口人流流率，Ω为出口分支安全疏散队列数；
S302、求解源点S k 待疏散人数和出口处人流流率；
源点S k 待疏散人数，具体表示为：
其中，Nk,i+1为第i+1时刻源点Sk内的总人数，i≥1，Nk,i为第i时刻源点Sk内的总人数；
第i时刻至第i+1时刻期间源点S k 出口人流数，具体表示为：
其中，qk为源点Sk出口人流流率，Γ为序列最大时间步，根据建筑物疏散要求设置，Ωsk为源点Sk出口的通行队列数；
建筑物发生火灾时，初始时刻遍布在分支内前排人员不受周围人员的控制，以最大加速度向节点运用，后排人员的迈腿动作受到前排人员的约束，不能达到自由速度。为了提高疏散效率，后排疏散人员会自动避开前排人员所在的轨迹线，移动到离自己最远的轨迹，实现前后排人员身体错位排列，人员再实现错位运移后，在没有外界的干扰下，疏散人员的空间位置不会发生变化；
S303、对初始时刻遍布在分支上的所有人员求解时间步τ，即可求出该分支出口人流流率序列中初始阶段的出口人流数，假设任意分支为e k (v i ,v j )，v i 为该分支的入节点，v j 为该分支的出节点，X s 为该分支的长度，W k 为有效疏散宽度，Ω Ek 为该分支的通行队列数，l为人流线距离，为Q j 为出口v j 滞留人数序列；
分支内的人员开始疏散时，人员以最大加速度进行运移，V为人员速度，人员运移到出节点v j 消耗的时间t，具体表示为：
疏散人员移动到出节点v j 的时间步差τ，具体表示为：
其中，τ为疏散时间步差，ceil（）为对括号内的数据取整，△t为疏散时间步距；
疏散人员在该分支的出口人流数 ，具体表示为：
其中，q k,τ 为出口人流流率序列qk的元素，+1为出口人流流率序列qk中的qk,τ数值增加1。
进一步的，所述步骤S4中根据节点连接关系，求出源点下游分支的入口人流流率的具体步骤如下：
各源点处的人员和分支上的人员离开该分支，将前往下一分支，汇聚在节点处，形成下一分支的入口人流流率；
当t时刻节点Vk处无滞留现象且所有入分支的出口流率之和小于等于离开分支的入口流率之和，具体表示为：
当
时： 
（9）
当t时刻出口人流流率之和大于入口人流流率之和时，节点VK处发生滞留现象，或当t-1时刻时节点Vk滞留现象，人员在节点处的滞留量具体表示为：
当
时：
（10）
人员在节点Vk处的滞留增量具体表示为：
节点Vk处若发生滞留现象时，两拨人前后脚流出节点的时间间隔不得小于0.64s。
进一步的，所述步骤S5中通过某个分支的入口人流流率，求解该分支的出口处人流流率序列，具体步骤如下：
S501、已知入口流率序列和分支基本参数如长度、宽度等条件，求解该分支上人员运移时间t’，由于人员在移动过程中存在自适应选择运行队列的现象，因此，疏散人员进入分支时的运移速度是该人员与前方人员的距离l的函数，人员在水平通道上的疏散速度具体表示为：
人员在楼梯通道上的疏散速度具体表示为：
人员移动到出节点的时间t＇，具体表示为：
其中，Xk为每位人员距离出口节点距离，V为水平通道或楼梯通道上的人员速度；
S502、求解人员运移到出节点的时间步差，可得到出口人流流率序列，假设时间τ为时间步差，分支入口点的人流流率序列δk，δk≠0，人员运移到出节点的时间步差，具体表示为：
入口处δk,τ的人经过△n个时间步差后到达分支的出口处，构成出口人流流率，具
体表示为：
（17）。
由上，本发明的一种适用于大型建筑物安全疏散的网络解算方法具有如下的有益效果：
本发明克服当前真人疏散演习存在的人力物力等成本的问题。本技术方案基于建筑物安全疏散的有限源离散网络模型，研究疏散网络的构成元素，绘制安全疏散网络图，开发了建筑物安全疏散的网络解算方法，重新规划拥堵区域的人员疏散路径。本算法不仅可以求解建筑物内人员安全疏散时间，而且预测人员疏散瓶颈，以便后续人员设置引导标志等方式，重新设置疏散拥堵区域的人员疏散路径，提高疏散效率，保障人员生命安全，为智能疏散指挥系统提供全新的方法。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够清楚的了解到本发明的技术手段，而可以按照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图详细说明。
附图说明
图1为本发明一种适用于大型建筑物安全疏散的网络解算方法的流程示意图；
图2为本发明的疏散网络拓扑示意图；
图3为本发明的人员在疏散过程中实现自适应运移的示意图；
图4为本发明的分支人流流率序列示意图；
图5为本发明的汇合节点流率计算示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
一种适用于大型建筑物安全疏散的网络解算方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、根据建筑物的内部人员运移特性和建筑物的结构，定义疏散网络的构成要素，构建安全疏散网络图；
S2、确定建筑物内所有人员的位置，利用最短路径法确定所有源点的疏散路径，确定所有分支方向；
S3、引入人流流率序列概念，求解所有源点（包含人员分布的分支）出口处全时段的人流流率序列；
S4、根据节点连接关系，求出源点下游分支的入口处人流流率；
S5、通过某个分支的入口处人流流率，求解该分支的出口处人流流率序列；
S6、以时间步为媒介，求出所有分支全时段入口处人流流率序列和出口处人流流率序列；
S7、运移到终极节点的人员与建筑物内所有人数相等时，解算结束。
如图2所示，步骤S1中构建安全疏散网络图，具体步骤为：
S101、根据建筑物内人员运移特性，将疏散网络分为三种构成元素：源点、分支、节点，源点为建筑物内部人员主要集中的区域，如房间；分支为建筑物的安全疏散结构单元，如走廊、楼梯、廊桥等；节点是多个分支的交点，比如走廊和楼梯的交汇处、走廊与房间门外侧等；
S102、将安全疏散问题转化为有限源网络排空求解，将疏散网络各组成部分进行标识，疏散网络用G（S，V，E）表示，集合S表示房间，集合V表示节点，集合E表示分支，疏散网络拓扑中圆圈为疏散源点，直线为疏散分支，分支的交点为节点。
步骤S3中引入人流流率序列概念，求解所有源点（包含人员分布的分支）出口处全时段的人流流率序列，具体步骤为：
S301、由于疏散网络中人员的移动是离散流，安全疏散是离散化的时空，因此引入离散变量人流流率序列表征离散人员的运移；分支的入口和出口的人员疏散人数用人流率序列来表示，假设入口序列用δ表示，出口序列用q表示，具体表示为：
其中，δi为第i-1时刻至第i时刻期间进入分支入口的人员数量，qi为第i-1时刻至第i时刻期间通过分支出口的人员数量，Γ为整个疏散时间的最大时间步数，整数；
出口的人流流率序列q与整个建筑物的疏散时间密切相关，计算公式具体表示为：
其中，qk,i为源点k在第i时刻的出口人流流率，Ω为出口分支安全疏散队列数；
S302、求解源点S k 待疏散人数和出口处人流流率；
源点S k 待疏散人数，具体表示为：
其中，Nk,i+1为第i+1时刻源点Sk内的总人数，i≥1，Nk,i为第i时刻源点Sk内的总人数；
第i时刻至第i+1时刻期间源点S k 出口人流数，具体表示为：
其中，qk为源点Sk出口人流流率，Γ为序列最大时间步，根据建筑物疏散要求设置，Ωsk为源点Sk出口的通行队列数；
建筑物发生火灾时，初始时刻遍布在分支内前排人员不受周围人员的控制，以最大加速度向节点运用，后排人员的迈腿动作受到前排人员的约束，不能达到自由速度。为了提高疏散效率，后排疏散人员会自动避开前排人员所在的轨迹线，移动到离自己最远的轨迹，实现前后排人员身体错位排列，人员再实现错位运移后，在没有外界的干扰下，疏散人员的空间位置不会发生变化，如图3所示。
S303、对初始时刻遍布在分支上的所有人员求解时间步τ，即可求出该分支出口人流流率序列中初始阶段的出口人流数，假设任意分支为e k (v i ,v j )，v i 为该分支的入节点，v j 为该分支的出节点，X s 为该分支的长度，W k 为有效疏散宽度，Ω Ek 为该分支的通行队列数，l为人流线距离，为Q j 为出口v j 滞留人数序列；
分支内的人员开始疏散时，人员以最大加速度进行运移，V为人员速度，人员运移到出节点v j 消耗的时间t，具体表示为：
疏散人员移动到出节点v j 的时间步差τ，具体表示为：
其中，τ为疏散时间步差，ceil（）为对括号内的数据取整，Δt为疏散时间步距；
疏散人员在该分支的出口人流数 ，具体表示为：
其中，q k,τ 为出口人流流率序列qk的元素，+1为出口人流流率序列qk中的qk,τ数值增加1。
如图4所示，步骤S4中根据节点连接关系，求出源点下游分支的入口处人流流率的具体步骤如下：
各源点处的人员和分支上的人员离开该分支，将前往下一分支，汇聚在节点处，形成下一分支的入口人流流率；
当t时刻节点Vk处无滞留现象且所有入分支的出口流率之和小于等于离开分支的入口流率之和，具体表示为：
当
时：
（9）
当t时刻出口人流流率之和大于入口人流流率之和时，节点VK处发生滞留现象，或当t-1时刻时节点Vk滞留现象，人员在节点处的滞留量具体表示为：
当
时：
（10）
人员在节点Vk处的滞留增量具体表示为：
节点Vk处若发生滞留现象时，两拨人前后脚流出节点的时间间隔不得小于0.64s；
假设疏散网络有e1（v1，v2）、e2（v3，v4）、e3（v2，v4）组成，分支e1、e2全队列数Ω1=
Ω2=1，分支e3安全队列数Ω3=3，分支e1出口人流流率序列q1=［0,1,0,0,2,1,0,1,2,0］，分支e2出口人流流率序列q2=［1,2,0,1,2,0,0,2,2,0］,可以求得节点V2的滞留量序列Q2和分支e3的入口人流流率序列δ3：
Q2=［0,0,0,0,1,0,0,0,1,0］,δ3=［1,3,0,1,3,2,0,3,3,1］。
如图5所示，步骤S5中通过某个分支的入口人流流率，求解该分支的出口处人流流率序列，具体步骤如下：
S501、已知入口流率序列和分支基本参数如长度、宽度等条件，求解该分支上人员运移时间t，由于人员在移动过程中存在自适应选择运行队列的现象，因此，疏散人员进入分支时的运移速度是该人员与前方人员的距离l的函数，人员在水平通道上的疏散速度具体表示为：
人员在楼梯通道上的疏散速度具体表示为：
人员移动到出节点的时间t，具体表示为：
其中，Xk为每位人员距离出口节点距离，V为水平通道或楼梯通道上的人员速度；
S502、求解人员运移到出节点的时间步差，可得到出口人流流率序列，假设时间τ为时间步差，分支入口点的人流流率序列δk，δk≠0，人员运移到出节点的时间步差，具体表示为：
入口处δk,τ的人经过△n个时间步差后到达分支的出口处，构成出口人流流率，具体表示为：
假设该分支的入口人流流率序列为：δ=［2,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0］，经过△n=7个时间步之后第一批人离开分支，则人员出口人流流率序列为：
q=［0,0,0,0,0,0,0,2,0,0,1,0,0,0］
即：qτ+7=δτ。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，可以对其中部分技术特征进行等同替换，但是在本发明的精神和原则内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种适用于大型建筑物安全疏散的网络解算方法，其特征在于，该方法的具体步骤包括：
S1、根据建筑物内部人员运移特性和建筑物的结构，定义疏散网络的构成要素，构建安全疏散网络图；
S2、确定初始时刻建筑物内所有人员的位置，利用最短路径法确定所有源点的疏散路径和所有分支的方向；
S3、引入人流流率序列概念，求解所有源点（包含人员分布的分支）出口处全时段的人流流率序列；
S4、根据节点连接关系，求出源点下游分支的入口处人流流率；
S5、通过某个分支的入口处人流流率，求解该分支的出口处人流流率序列；
S6、以时间步为媒介，求出所有分支全时段入口处人流流率序列和出口处人流流率序列；
S7、运移到终极节点的人员与建筑物内所有人数相等时，解算结束。
2.如权利要求1所述的一种适用于大型建筑物安全疏散的网络解算方法，其特征在于，所述步骤S1的构建安全疏散网络图的步骤如下：
S101、根据建筑物内人员运移特性，将疏散网络分为三种构成元素：源点、分支、节点，源点为建筑物内部人员主要集中的区域，如房间；分支为建筑物的安全疏散结构单元，如走廊、楼梯、廊桥等；节点是多个分支的交点，比如走廊和楼梯的交汇处、走廊与房间门外侧等；
S102、将安全疏散问题转化为有限源网络排空求解，将疏散网络各组成部分进行标识，疏散网络用G（S，V，E）表示，集合S表示房间，集合V表示节点，集合E表示分支。
3.如权利要求1所述的一种适用于大型建筑物安全疏散的网络解算算法，其特征在于，所述步骤S3中引入人流流率序列概念，求解所有源点（包含人员分布的分支）出口处全时段的人流流率序列，具体步骤为：
S301、由于疏散网络中人员的移动是离散流，安全疏散是离散化的时空，因此引入离散变量人流流率序列表征离散人员的运移，分支入口和出口的人员疏散人数用人流流率序列来表示，假设入口序列用δ表示，出口序列用q表示；
S302、建筑物火灾发生时，源点和遍布在分支上的人员进行疏散，求解源点S k 待疏散人数和出口处的人流流率；
源点Sk待疏散人数根据如下公式计算：
其中，Nk,i+1为第i+1时刻源点Sk内的总人数，i≥1，Nk,i为第i时刻源点Sk内的总人数，qk,i为源点Sk的出口人流流率序列元素，即第i时刻至第i+1时刻期间人员通过分支出口处的数量；
第i时刻至第i+1时刻期间源点S k 出口人流数根据如下公式进行计算：
其中，qk为源点Sk出口人流流率，τ为序列最大时间步，根据建筑物疏散要求设置，Ωsk为源点Sk出口的通行队列数；
S303、对初始时刻遍布在分支上的所有人员求解时间步差τ，即可求出该分支出口处人流流率序列中初始阶段的出口人流数。
4.如权利要求1所述的一种适用于大型建筑物安全疏散的网络解算算法，其特征在于，所述S4中根据节点关系，求出源点下游分支的入口人流流率，具体步骤如下：
各源点处的人员和分支上的人员离开该分支，将前往下一分支，汇聚在节点处，形成下一分支的入口处人流流率；
当t时刻节点Vk处无滞留现象且所有入分支的出口流率之和小于等于离开分支的入口流率之和，具体表示为：
当 
时：
当t时刻出口人流流率之和大于入口人流流率之和时，节点VK处发生滞留现象，或当t-1时刻时节点Vk滞留现象，人员在节点处的滞留量具体表示为：
当
时：
(4)
人员在节点Vk处的滞留增量具体表示为：
节点Vk处若发生滞留现象时，两拨人前后脚流出节点的时间间隔不得小于0.64s。
5.如权利要求1所述的一种适用于大型建筑物安全疏散的网络解算算法，其特征在于，所述S5中通过某个分支的入口处人流流率，求解该分支的出口处人流流率序列，具体步骤如下：
S501、已知入口处人流流率序列和分支基本参数如长度、宽度等条件，求解该分支上人员运移的时间，由于人员在移动过程中存在自适应选择运行队列的现象，因此，疏散人员进入分支时的运移速度是该人员与前方人员的距离l的函数，人员移动到出节点的时间t＇根据如下公式进行计算：
其中，Xk为每位人员距离出口节点距离，V为水平通道或楼梯通道上的人员速度；
S502、求解人员运移到出节点的时间步差，可得到出口处人流流率序列，假设时间τ为时间步差，分支入口点的人流流率序列δk，δk≠0，人员运移到出节点的时间步差△n根据如下公式进行计算：
其中，ceil为对括号内的数据取整，△t为时间步距，t＇人员运移到出节点消耗的时间；
入口处δk,τ的人经过△n个时间步差后到达分支的出口处，构成出口人流流率，根据如下公式进行计算：
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20220415 |