CN117436774A - 基于数字孪生的高层建筑多目标协同消防应急处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于数字孪生的高层建筑多目标协同消防应急处理方法，属于高层建筑的消防应急技术领域，包括S1、采集建筑物信息数据和火场信息建立建筑物的数字孪生模型；S2、利用建筑物的数字孪生模型预测电梯安全运行时间；S3、利用电梯安全运行时间获得救援区间，根据救援区间规划救援方案；S4、根据救援方案采集被困人群位置信息，利用被困人群位置信息对电梯进行协调获得高层建筑最佳消防应急处理方案。利用数字孪生模型对高层建筑发生火灾时的情况进行模拟，实现了对火灾蔓延情况的预测，通过预测结果制定出最佳处理方法，增加高层建筑内被困人群的疏散效率；根据不同楼层被困人群的相遇情况，利用电梯配合应急楼梯进行疏散。
Description
技术领域
本发明属于高层建筑的消防应急技术领域，尤其是涉及基于数字孪生的高层建筑多目标协同消防应急处理方法。
背景技术
随着高层建筑呈现出数量越来越多，高度越来越高，结构越来越复杂，功能越来越多样化的趋势，当发生火灾时火势会沿着建筑快速上升，一般情况下火势竖向蔓延的速度要比横向蔓延的速度快，越高的建筑，火势蔓延扩散的速度也就越快，并且在高层建筑内有管道井、楼梯井、排风楼梯、电缆井等众多竖直贯通的竖井，使得楼内的结构复杂，而火灾产生的烟气会由此向上蔓延，一部分火势也会沿着竖井楼梯向上蔓延，进而形成强烈的烟囱效应。另一部分火势会沿着建筑外墙窗口向上卷曲、升腾，火势严重时会以跳跃的方式向上一层蔓延，很难控制；会对火场上层的被困人群造成较大威胁，而高层建筑的火灾救援难度也较大，所以只有在火灾尚未造成较大威胁时快速将火场上层的被困人群疏散转移才能避免伤亡。
由于楼房着火后人们的本能反应都是通过楼梯立刻下楼逃生，而现在楼房的高度越来越高，为了应对高层建筑火灾危害一些高层和超高层建筑修建有避难层，但是在火灾发生时由于缺少对火灾情况的判断，如果高层人群盲目下楼有可能会在到达着火层时被火势阻挡，难以穿过着火层，而此时再返回楼上的避难层有可能有毒烟气和高温的影响下导致体力不支，从而难以逃生，并且大量的人群涌入应急楼梯有可能造成楼梯拥堵，严重时还会发生踩踏的情况，影响疏散速度，导致被困人群数量增加，为后期的救援增加难度。
而且，目前在发生火灾后是不允许乘坐电梯的，虽然电梯在竖向交通方面有较大的优势，但由于火灾会使电梯的电路发生故障导致电梯停运，并且电梯井极易产生烟囱效应，会使乘坐电梯的人处于危险中；不过一般在火灾刚发生时电梯是处于可运行状态的，在安全的时间内被困人群如果乘坐电梯可以提高疏散效率，尤其是一些楼层较高的被困人群，并且大多数高层建筑都配备有多部电梯，通过电梯与应急楼梯的相互配合，会极大提高疏散效率，因此需要我们设计出基于数字孪生的高层建筑多目标协同消防应急处理方法，来解决这些问题。
发明内容
本发明要解决的问题是提供基于数字孪生的高层建筑多目标协同消防应急处理方法，尤其针对发生火灾的高层和超高层建筑内人群疏散进行协调，有效提高人群疏散效率。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
基于数字孪生的高层建筑多目标协同消防应急处理方法，包括：
S1、采集建筑物信息数据和火场信息建立建筑物的数字孪生模型；
S2、利用所述建筑物的数字孪生模型预测电梯安全运行时间；
S3、利用所述电梯安全运行时间获得救援区间，根据所述救援区间规划救援方案；
S4、根据所述救援方案采集被困人群位置信息，利用所述被困人群位置信息对电梯进行协调获得高层建筑最佳消防应急处理方案；
其中至少有三个以上人员聚集为被困人群。
优选的，采集建筑物信息数据和火场信息建立建筑物的数字孪生模型包括：
S1-1、获取电梯最大运行速度信息、电梯当前停靠位置信息和应急楼梯信息，利用所述电梯最大运行速度信息、所述电梯当前停靠位置信息和应急楼梯信息作为建筑物信息数据；
S1-2、获取建筑物内的现有消防系统信息；
S1-3、利用消防系统采集火场楼层信息、烟雾浓度数据、环境温度数据和火场周围可燃物信息，利用火场楼层信息、烟雾浓度数据、环境温度数据和火场周围可燃物信息作为火场信息；
S1-4、利用所述建筑物信息数据和所述火场信息建立建筑物的数字孪生模型。
优选的，利用建筑物的数字孪生模型预测电梯安全运行时间包括：
S2-1、采集火场所在楼层不同位置处的当前时刻与上一时刻的烟雾浓度数据和环境温度数据；
S2-2、对当前时刻采集的烟雾浓度数据和环境温度数据与上一时刻采集的烟雾浓度数据和环境温度数据进行对比获得比较结果；
S2-3、根据比较结果确定最先检测到烟雾浓度数据和环境温度数据变化的三个探测器位置信息；
S2-4、根据三个探测器之间的相互距离与各个探感器检测到烟雾浓度数据与环境温度数据开始变化的时间差确定起火点位置信息；
S2-5、利用起火点位置信息获得距离起火点位置最近的电梯井位置信息；
S2-6、利用火场周围可燃物信息计算火势蔓延速度，计算公式如下：
U=Q/KD
式中：U为火势蔓延速度，Q为火焰热传播速度，K为单位质量可燃物的温升的焓的含量，D为可燃物密度；
S2-7、根据起火点位置到最近距离电梯井的距离和火势蔓延速度，利用建筑物的数字孪生模型获得电梯安全运行时间。
优选的，利用电梯安全运行时间获得救援区间，根据救援区间规划救援方案包括：
S3-1、利用电梯最大运行速度与电梯安全运行时间获得电梯最高救援楼层；
S3-2、判断电梯最高救援楼层是否超过建筑物最高楼层，若是，则执行步骤S4；否则，引导电梯最高救援楼层以上楼层的被困人群前往避难层的同时对电梯最高救援层以下楼层的被困人群执行步骤S4。
优选的，根据所述救援方案采集被困人群位置信息，利用被困人群位置信息对电梯进行协调获得高层建筑最佳消防应急处理方案包括：
S4-1、采集电梯最高救援楼层以下每层被困人群的位置信息和被困人数；
S4-2、确定第m层人群开始撤离的时间为初始时间；
S4-3、利用第m层被困人群位置信息获取被困人群从第m层的被困位置到达第n层所需要的第一疏散时间；
S4-4、利用第n层被困人群位置信息从初始时间开始第n层被困人群从第n层被困位置到达第n层应急楼梯所需的第二疏散时间；
其中，电梯最高救援楼层≥m>n>火场楼层；
S4-4-1、判断第二疏散时间是否大于第一疏散时间，若是，则进行二次判断；否则，第n层的被困人群通过应急楼梯进行疏散；
S4-4-2、所述二次判断包括：
根据所述电梯当前停靠位置信息判断电梯达到第m层所需时间是否小于电梯到达第n层的时间，若是，则电梯前往第m层疏散被困人群，否则进行三次判断；
其中，利用建筑物的数字孪生模型获得多组满足电梯运行条件的m层和n层的组合时；
若电梯位于同一组m层和n层之间时电梯则选择前往距离最近的第m层并向下逐一对所经过且满足条件的第m层进行疏散；
若存在至少两组满足条件的m层和n层的组合，且一组的第m层位于电梯上方，另一组的第m层位于电梯下方时，电梯优先前往楼层较高的第m层并向下逐一对所经过且满足条件的第m层进行疏散；
若电梯到达两组的第m层所需时间相同时，电梯优先选择前往楼层较高的m层并向下逐一对所经过且满足条件的第m层进行疏散；
若电梯达到最大承载极限时则在下行过程中不再停止；
S4-4-3、所述三次判断包括：
根据第m层被困人群数量和第n层被困人群数量判断当第m层被困人群到达第n层并且第n层被困人群进入应急楼梯后，第n层应急楼梯是否会超过最大疏散密度，若是，则通过电梯对第n层被困人群进行疏散，否则，第n层被困人群通过应急楼梯进行疏散；
其中，若利用建筑物的数字孪生模型获得针对不同的m，第n层的疏散结果同时满足利用应急楼梯疏散和利用电梯疏散的条件时，则选择前往距离最近的第n层并向下逐一对所经过且满足条件的第n层进行疏散；
若电梯位置同时两个第n层距离相同时则优先前往楼层较高的第n层进行疏散，并向下逐一对所经过且满足条件的第n层进行疏散；
若电梯到达最大承载极限时则在下行过程中不停止；
S4-5、利用所述第m层被困人群和第n层被困人群的疏散结果作为最佳消防应急处理方案。
优选的，被困人群移动速度公式如下：
V=k(1-αρ)
式中：V是人群运动速度；ρ为人群密度；k为取决于地形的常数数值，α=0.266；
其中人群密度的计算公式如下：
ρ=R/f
式中：ρ为人群密度，R被困人数；f为地面面积；
其中，被困人数为计算时对应层数的被困人数，地面面积为两个楼层之间的应急楼梯的面积。
优选的，所述被困人群下降一个楼层所需时间的计算公式为：
t=L/V
式中：V是人群运动速度，L为相邻楼层之间楼梯的长度，t为被困人群下降一个楼层所需要的时间。
优选的，利用第m层被困人群位置信息获取被困人群从第m层的被困位置到达第n层所需要的第一疏散时间的计算公式为：
式中：Smi为第m层第i个被困者到达应急楼梯的距离，V是人群运动速度，t为被困人群下降一个楼层所需要的时间，x为第m层的被困人数，为第m层的第i个被困者的疏散时间，Tm为第一疏散时间，m和n均表示层数。
优选的，利用第n层被困人群位置信息从初始时间开始第n层被困人群从第n层被困位置到达第n层应急楼梯所需第二疏散时间的计算公式为：
式中：Snj为第n层的第j个被困者到达应急楼梯的距离，V是人群运动速度，y为第n层的被困人数，为第n层第j个被困者的疏散时间，Tn为第二疏散时间。
优选的，利用所述第m层被困人群和第n层被困人群的疏散结果作为最佳消防应急处理方案还包括：
S4-5-1、判断位于电梯最高救援楼层与火场楼层之间的所有被困人群是否均完成疏散，若是，则电梯停止运行，否则，获取电梯运行已用时间；
S4-5-2、利用所述电梯运行已用时间和所述电梯安全运行时间获得电梯再次安全运行时间；
S4-5-3、利用电梯再次安全运行时间获得电梯再次运行最高楼层；
S4-5-4、获取当前被困者所在最高楼层；
S4-5-5、判断电梯再次运行最高楼层是否超过当前被困者所在最高楼层数，若是，则在电梯再次安全运行时间内再次执行S4-2，否则，在电梯再次安全运行时间内前往电梯再次运行最高楼层进行疏散。
本发明具有的优点和积极效果是：
本发明利用数字孪生模型对高层建筑发生火灾时的情况进行模拟，实现了对火灾蔓延情况的预测，通过预测结果制定出最佳处理方法，能够大大增加突发大火的高层建筑内被困人群的生存几率；根据上层被困人群到达下层的时间节点进行协调，利用电梯配合应急楼梯进行疏散，能够加快被困人群的疏散效率，通过对疏散楼层的合理分配，能够避免应急楼梯因大量人流的涌入而造成拥堵。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人群来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述基于数字孪生的高层建筑多目标协同消防应急处理方法的流程图；
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人群而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明做进一步说明：
实施例1：目前一些地标性高层和超高层建筑已经设置了辅助疏散电梯，因此为了提高电梯与应急楼梯的协同疏散效率，如图1所示，基于数字孪生的高层建筑多目标协同消防应急处理方法，包括：
S1、采集建筑物信息数据和火场信息建立建筑物的数字孪生模型；
S2、利用所述建筑物的数字孪生模型预测电梯安全运行时间；
S3、利用所述电梯安全运行时间获得救援区间，根据所述救援区间规划救援方案；
S4、根据所述救援方案采集被困人群位置信息，利用所述被困人群位置信息对电梯进行协调获得高层建筑最佳消防应急处理方案。
S1具体包括：
S1-1、获取电梯最大运行速度信息、电梯当前停靠位置信息和应急楼梯信息，利用所述电梯最大运行速度信息、所述电梯当前停靠位置信息和应急楼梯信息作为建筑物信息数据；
其中，电梯最大运行速度和应急楼梯信息可以根据高层建筑的设计信息获得，而电梯当前停靠位置信息可以通过电梯的实时运行数据获得，以便于对电梯进行协调。
S1-2、获取建筑物内的现有消防系统信息；
S1-3、利用消防系统采集火场楼层信息、烟雾浓度数据、环境温度数据和火场周围可燃物信息，利用火场楼层信息、烟雾浓度数据、环境温度数据和火场周围可燃物信息作为火场信息；
S1-4、利用所述建筑物信息数据和所述火场信息建立建筑物的数字孪生模型。
S2具体包括：
S2-1、采集火场所在楼层不同位置处的当前时刻与上一时刻的烟雾浓度数据和环境温度数据；
S2-2、对当前时刻采集的烟雾浓度数据和环境温度数据与上一时刻采集的烟雾浓度数据和环境温度数据进行对比获得比较结果；
S2-3、根据比较结果确定最先检测到烟雾浓度数据和环境温度数据变化的三个探测器位置信息；
S2-4、根据三个探测器之间的相互距离与各个探感器检测到烟雾浓度数据与环境温度数据开始变化的时间差确定起火点位置信息；
S2-5、利用起火点位置信息获得距离起火点位置最近的电梯井位置信息
S2-6、利用火场周围可燃物信息计算火势蔓延速度，计算公式如下：
U=Q/KD
式中：U为火势蔓延速度，Q为火焰热传播速度，K为单位质量可燃物的温升的焓的含量，D为可燃物密度；
其中，焓为单位质量的物质所含的全部热能，而可燃物密度可以根据可燃物种类与材质进行判断，通过建筑内部的监控设备提前获取火焰蔓延前方的可燃物的种类与材质信息，然后根据可燃物的种类与材质信息可得到相对的可燃物密度信息和单位质量可燃物的温升的焓的含量。
S2-7、利用起火点位置到最近距离电梯井的距离和火势蔓延速度获得电梯安全运行时间。
其中，消防系统属于现有技术，目前典型的高层建筑消防系统通常由9个部分组成，分别是：
1）火灾报警系统：由烟感探测器、温感探测器、手动报警按钮、闭路电视监视系统、火警警铃、消防广播系统、电话对讲机等通讯联络器材组成。
2）消防控制中心：由集中报警器、联动控制柜、消防电梯控制器、管道煤气紧急切断装置、消防广播话筒扩音机和控制器、通讯装置等组成 。
3）消防栓系统：由各级消防水泵、管道、阀门、水龙带、喷水枪、消防水泵接合器等组成，是应用最为普遍的灭火装置。
4）自动喷洒灭火系统：由喷洒泵、供水管道、喷头等组成，当火灾使环境温度达到一定临界值时，该系统自动喷洒水流灭火，是一种非常有效的灭火系统，应用越来越广泛。
5）防排烟系统：由防烟防火门、通风管道、排风机、正压送风机组成，主要用于消防楼梯，通过排风机抽走楼梯内的含烟气体，用正压风机不断强制送入新鲜空气，保证消防楼梯内的人能正常地呼吸，避免毒烟的伤害。
6）安全疏散系统：由安全疏散指示灯、防火门、防火卷帘门等组成，它对疏散人群指示方向，对火和烟进行隔离。
7）手提式灭火器：是较为常用的灭火器具，携带使用方便，对范围不大的初期火灾灭火效果好，常见的有泡沫灭火器、干粉灭火器等。
8）其他灭火系统：如1301气体自动灭火系统，主要用于变压器房、配电房，发电机房和油库等不宜用水灭火的特殊场合。
9）消防辅助装置：包括防毒面具、消费斧等，应放在消防队员容易拿到的地方、是消防人群的必要用具。
在本实施例中通过消防系统中的烟感探测器、温感探测器采集火场烟雾及温度数据，利用最先检测到异常的三个传感器位置确定起火点的位置，再通过闭路电视监视系统确定火场周围可燃物信息来计算火势蔓延的速度，根据火势蔓延速度计算火势蔓延到最近电梯井的时间得到电梯能够安全运行的时间，从而使电梯能够在安全时间内对被困人群进行疏散。
S3具体包括：
S3-1、利用电梯最大运行速度与电梯安全运行时间获得电梯最高救援楼层；
S3-2、判断电梯最高救援楼层是否超过建筑物最高楼层，若是，则执行步骤S4；否则，引导电梯最高救援楼层以上楼层的被困人群前往避难层的同时对电梯最高救援层以下楼层的被困人群执行步骤S4。
因为高层建筑起火后在火情发展到危险时刻之前一般局限在当前楼层之内，所以从发现起火到火灾发展到影响电梯井之前，电梯都是处于可运行状态的，所以此时通过电梯进行协调能够加快人群的疏散效率，但是由于建筑高度的因素，在电梯可运行安全时间内不能够到达顶楼，由于电梯上行和下行都需要在安全时间内，因此以电梯安全运行时间的一半时间能够到达的最高楼层为电梯的最高疏散楼层，而疏散楼层以上楼层的被困人群如果通过应急楼梯下行可能会在到达起火层后被阻挡，并且大量人群涌入应急楼梯还会造成应急通道的拥堵，影响疏散效率，并且人群在应急楼梯的移动速度要比电梯慢，所以以电梯在安全运行时间内能够到达的最高楼层为分界楼层，通过消防系统的广播引导电梯最高救援层以上的被困人群前往避难层进行避难，而通过电梯与应急楼梯的协同对电梯最高救援层以下被困人群进行快速疏散。
其中需要注意的是，由于高层火灾和烟气一般向上蔓延速度较快，而向下蔓延较慢，所以在火灾初期起火楼层两层以下的楼层安全性较高，电梯在对人群疏散时可以将被困人群转运到起火楼层两层以下的楼层，以增加起火楼层上方楼层的被困人群的疏散效率。
S4具体包括：
S4-1、采集电梯最高救援楼层以下每层被困人群的位置信息和被困人数；
S4-2、确定第m层人群开始撤离的时间为初始时间；
S4-3、利用第m层被困人群位置信息获取被困人群从第m层的被困位置到达第n层所需要的第一疏散时间；
S4-4、利用第n层被困人群位置信息从初始时间开始第n层被困人群从第n层被困位置到达第n层应急楼梯所需的第二疏散时间；
其中，电梯最高救援楼层≥m>n>火场楼层；
S4-4-1、利用建筑物的数字孪生模型判断第二疏散时间是否等于第一疏散时间，若是，第n层的被困人群通过应急楼梯进行疏散，否则，则进行二次判断；
需要注意的是第一疏散时间为第m层的被困人群达到并经过第n层所用的时间，如果第二疏散时间与第一疏散时间相同则表示第m层的被困人员会在通过应急楼梯疏散到第n层时与第n层的被困人员相遇，而当第一疏散时间大于第二疏散时间则表示第n层的人员在第m层的人员到达第n层时已经通过应急楼梯完成疏散，而当第一疏散时间小于第二疏散时间则表示在第m层的被困人员经过第n层后第n层的被困人员才会到达第n层的应急楼梯。
S4-4-2、所述二次判断包括：
根据所述电梯当前停靠位置信息判断电梯达到第m层所需时间是否小于电梯到达第n层的时间，若是，则电梯前往第m层疏散被困人群，否则进行三次判断；
其中，利用建筑物的数字孪生模型获得多组满足电梯运行条件的m层和n层的组合时；
若电梯位于同一组m层和n层之间时电梯则选择前往距离最近的第m层并向下逐一对所经过且满足条件的第m层进行疏散；
若存在至少两组满足条件的m层和n层的组合，且一组的第m层位于电梯上方，另一组的第m层位于电梯下方时，电梯优先前往楼层较高的第m层并向下逐一对所经过且满足条件的第m层进行疏散；
若电梯到达两组的第m层所需时间相同时，电梯优先选择前往楼层较高的m层并向下逐一对所经过且满足条件的第m层进行疏散；
若电梯达到最大承载极限时则在下行过程中不再停止；
S4-4-3、所述三次判断包括：
根据第m层被困人群数量和第n层被困人群数量判断当第m层被困人群到达第n层并且第n层被困人群进入应急楼梯后，第n层应急楼梯是否会超过最大疏散密度，若是，则通过电梯对第n层被困人群进行疏散，否则，第n层被困人群通过应急楼梯进行疏散；
其中，若利用建筑物的数字孪生模型获得针对不同的m，第n层的疏散结果同时满足利用应急楼梯疏散和利用电梯疏散的条件时，则选择前往距离最近的第n层并向下逐一对所经过且满足条件的第n层进行疏散；
若电梯位置同时两个第n层距离相同时则优先前往楼层较高的第n层进行疏散，并向下逐一对所经过且满足条件的第n层进行疏散；
若电梯到达最大承载极限时则在下行过程中不停止；
S4-5、利用所述第m层被困人群和第n层被困人群的疏散结果作为最佳消防应急处理方案。
通过对各层被困人群在应急楼梯内相遇的情况进行分析制定出最佳消防应急处理方案。
其中，被困人群移动速度公式如下：
V=k(1-αρ)
式中：V是人群运动速度；ρ为人群密度；k为取决于地形的常数数值（对于走廊、楼梯，k=1.4），α=0.266（对于地面运动）；
其中人群密度的计算公式如下：
ρ=R/f
式中：ρ为人群密度，R被困人数；f为地面面积；
其中，被困人数为计算时对应层数的被困人数，地面面积为两个楼层之间的应急楼梯的面积。
其中，人群密度反映了一个空间内人群的稠密程度，通常用单位面积上分布的人群的数目表示，即：人群密度=全部人数/全部面积（人/m）或者用人均占有面积表示（m/人）。由于建筑物各空间的功能不同，所以其人群密度也不相同，而各空间的人群密度，决定了每层楼所需安全疏散的人数、人群移动速度等。
在通常情况下，当疏散楼梯空间中人均占有面积S=0.28m/人时，则该楼梯空间就可能出现人流迁移流动的危险事故：当人均占有面积S=0.25m/人时，则会出现人体前后紧贴相互推挤。如果此时发生突发事件，室内人群极有可能发生相互阻塞、践踏甚至堆叠，从而出现因迁移流动引发的危险事故，所以必须控制人均占有最小面积应为S=0.28m/人，即相应的最大人流密度一般为p=3.57人/m2。
所述被困人群下降一个楼层所需时间的计算公式为：
t=L/V
式中：V是人群运动速度，L为相邻楼层之间楼梯的长度，t为被困人群下降一个楼层所需要的时间。
利用第m层被困人群位置信息获取被困人群从第m层的被困位置到达第n层所需要的第一疏散时间的计算公式为：
式中：Smi为第m层第i个被困者到达应急楼梯的距离，V是人群运动速度，t为被困人群下降一个楼层所需要的时间，x为第m层的被困人数，为第m层的第i个被困者的疏散时间，Tm为第一疏散时间，m和n均表示层数。
利用第n层被困人群位置信息从初始时间开始第n层被困人群从第n层被困位置到达第n层应急楼梯所需第二疏散时间的计算公式为：
式中：Snj为第n层第j个被困者到达应急楼梯的距离，V是人群运动速度，y为第n层的被困人数，为第n层第j个被困者的疏散时间，Tn为第二疏散时间。
通过对Tm和Tn进行比较以及对第m层和第n层被困人群数量比较可以获得第m层被困人群和第n层被困人群疏散时的不同情况，通过不同情况进行分析再利用电梯进行协助配合能够加快对人群的疏散。
具体的，利用所述第m层被困人群和第n层被困人群的疏散结果作为最佳消防应急处理方案还包括：
S4-5-1、判断位于电梯最高救援楼层与火场楼层之间的所有被困人群是否均完成疏散，若是，则电梯停止运行，否则，获取电梯运行已用时间；
S4-5-2、利用所述电梯运行已用时间和所述电梯安全运行时间获得电梯再次安全运行时间；
S4-5-3、利用电梯再次安全运行时间获得电梯再次运行最高楼层；
具体为利用电梯安全运行时间减去电梯运行已用时间为电梯再次安全运行时间，根据电梯的最大运行速度计算电梯在再次安全运行时间内能够到达的最高楼层数；
S4-5-4、获取当前被困者所在最高楼层；
S4-5-5、判断电梯再次运行最高楼层是否超过当前被困者所在最高楼层数，若是，则在电梯再次安全运行时间内再次执行S4-2，否则，在电梯再次安全运行时间内前往电梯再次运行最高楼层进行疏散。
通过上述步骤能够进一步分析被困人群是否完全完成疏散，在未完成疏散时再次对电梯运行安全性进行判断，并在电梯运行的安全时间内再次利用电梯对被困人群进行疏散，加快疏散效率。
需要注意的是上述方法是针对单部电梯与应急通道之间的协调，当存在多部电梯的情况时需要对应获取每部电梯的最大运行速度和当前停靠位置等数据，还需要获取电梯的最大承载数据，以需要疏散第n层的人员为例，当判断出需要对第n层人员通过电梯进行疏散时，首先需要在判断第n层被困人员进入应急楼梯后是否会超过应急楼梯的最大疏散密度的同时确定第m层被困人群的具体人数和第n层被困人群的具体人数，然后确定按照距离第n层最近的电梯，再根据第n层被困人群的具体数量调整能够完全疏散第n层人员的电梯前往，而未被控制前往第n层的电梯则依然按照S4-1执行。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.基于数字孪生的高层建筑多目标协同消防应急处理方法，其特征在于，包括：
S1、采集建筑物信息数据和火场信息建立建筑物的数字孪生模型；
S2、利用所述建筑物的数字孪生模型预测电梯安全运行时间；
S3、利用所述电梯安全运行时间获得救援区间，根据所述救援区间规划救援方案；
S4、根据所述救援方案采集被困人群位置信息，利用所述被困人群位置信息对电梯进行协调获得高层建筑最佳消防应急处理方案。
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的高层建筑多目标协同消防应急处理方法，其特征在于，采集建筑物信息数据和火场信息建立建筑物的数字孪生模型包括：
S1-1、获取电梯最大运行速度信息、电梯当前停靠位置信息和应急楼梯信息，利用所述电梯最大运行速度信息、所述电梯当前停靠位置信息和所述应急楼梯信息作为建筑物信息数据；
S1-2、获取建筑物内的现有消防系统信息；
S1-3、利用消防系统采集火场楼层信息、烟雾浓度数据、环境温度数据和火场周围可燃物信息，利用火场楼层信息、烟雾浓度数据、环境温度数据和火场周围可燃物信息作为火场信息；
S1-4、利用所述建筑物信息数据和所述火场信息建立建筑物的数字孪生模型。
3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的高层建筑多目标协同消防应急处理方法，其特征在于，利用所述建筑物的数字孪生模型预测电梯安全运行时间包括：
S2-1、采集火场所在楼层不同位置处的当前时刻与上一时刻的烟雾浓度数据和环境温度数据；
S2-2、对当前时刻采集的烟雾浓度数据和环境温度数据与上一时刻采集的烟雾浓度数据和环境温度数据进行对比获得比较结果；
S2-3、根据比较结果确定最先检测到烟雾浓度数据和环境温度数据变化的三个探测器位置信息；
S2-4、根据三个探测器之间的相互距离与各个探感器检测到烟雾浓度数据与环境温度数据开始变化的时间差确定起火点位置信息；
S2-5、利用起火点位置信息获得距离起火点位置最近的电梯井位置信息；
S2-6、利用火场周围可燃物信息计算火势蔓延速度，计算公式如下：
U=Q/KD
式中：U为火势蔓延速度，Q为火焰热传播速度，K为单位质量可燃物的温升的焓的含量，D为可燃物密度；
S2-7、根据起火点位置到最近距离电梯井的距离和火势蔓延速度，利用建筑物的数字孪生模型获得电梯安全运行时间。
4.根据权利要求2所述的基于数字孪生的高层建筑多目标协同消防应急处理方法，其特征在于，利用所述电梯安全运行时间获得救援区间，根据所述救援区间规划救援方案包括：
S3-1、利用电梯最大运行速度信息与电梯安全运行时间获得电梯最高救援楼层；
S3-2、判断电梯最高救援楼层是否超过建筑物最高楼层，若是，则执行步骤S4；否则，引导电梯最高救援楼层以上楼层的被困人群前往避难层的同时对电梯最高救援层以下楼层的被困人群执行步骤S4。
5.根据权利要求4所述的基于数字孪生的高层建筑多目标协同消防应急处理方法，其特征在于，根据所述救援方案采集被困人群位置信息，利用所述被困人群位置信息对电梯进行协调获得高层建筑最佳消防应急处理方案包括：
S4-1、采集电梯最高救援楼层以下每层被困人群的位置信息和被困人数；
S4-2、确定第m层人群开始撤离的时间为初始时间；
S4-3、利用第m层被困人群位置信息获取被困人群从第m层的被困位置到达第n层所需要的第一疏散时间；
S4-4、利用第n层被困人群位置信息从初始时间开始第n层被困人群从第n层被困位置到达第n层应急楼梯所需的第二疏散时间；
其中，电梯最高救援楼层≥m>n>火场楼层；
S4-4-1、利用建筑物的数字孪生模型判断第二疏散时间是否大于第一疏散时间，若是，则进行二次判断；否则，第n层的被困人群通过应急楼梯进行疏散；
S4-4-2、所述二次判断包括：
根据所述电梯当前停靠位置信息判断电梯达到第m层所需时间是否小于电梯到达第n层的时间，若是，则电梯前往第m层疏散被困人群，否则进行三次判断；
其中，利用建筑物的数字孪生模型获得多组满足电梯运行条件的m层和n层的组合时；
若电梯位于同一组m层和n层之间时电梯则选择前往距离最近的第m层并向下逐一对所经过且满足条件的第m层进行疏散；
若存在至少两组满足条件的m层和n层的组合，且一组的第m层位于电梯上方，另一组的第m层位于电梯下方时，电梯优先前往楼层较高的第m层并向下逐一对所经过且满足条件的第m层进行疏散；
若电梯到达两组的第m层所需时间相同时，电梯优先选择前往楼层较高的m层并向下逐一对所经过且满足条件的第m层进行疏散；
若电梯达到最大承载极限时则在下行过程中不再停止；
S4-4-3、所述三次判断包括：
根据第m层被困人群数量和第n层被困人群数量判断当第m层被困人群到达第n层并且第n层被困人群进入应急楼梯后，第n层应急楼梯是否会超过最大疏散密度，若是，则通过电梯对第n层被困人群进行疏散，否则，第n层被困人群通过应急楼梯进行疏散；
其中，若利用建筑物的数字孪生模型获得针对不同的m，第n层的疏散结果同时满足利用应急楼梯疏散和利用电梯疏散的条件时，则选择前往距离最近的第n层并向下逐一对所经过且满足条件的第n层进行疏散；
若电梯位置同时两个第n层距离相同时则优先前往楼层较高的第n层进行疏散，并向下逐一对所经过且满足条件的第n层进行疏散；
若电梯到达最大承载极限时则在下行过程中不停止；
S4-5、利用所述第m层被困人群和第n层被困人群的疏散结果作为最佳消防应急处理方案。
6.根据权利要求5所述的基于数字孪生的高层建筑多目标协同消防应急处理方法，其特征在于，被困人群移动速度公式如下：
V=k(1-αρ)
式中：V是人群运动速度；ρ为人群密度；k为取决于地形的常数数值，α=0.266；
其中人群密度的计算公式如下：
ρ=R/f
式中：ρ为人群密度，R被困人数；f为地面面积；
其中，被困人数为计算时对应层数的被困人数，地面面积为两个楼层之间的应急楼梯的面积。
7.根据权利要求5所述的基于数字孪生的高层建筑多目标协同消防应急处理方法，其特征在于，所述被困人群下降一个楼层所需时间的计算公式为：
t=L/V
式中：V是人群运动速度，L为相邻楼层之间楼梯的长度，t为被困人群下降一个楼层所需要的时间。
8.根据权利要求5所述的基于数字孪生的高层建筑多目标协同消防应急处理方法，其特征在于，利用第m层被困人群位置信息获取被困人群从第m层的被困位置到达第n层所需要的第一疏散时间的计算公式为：
式中：Smi为第m层第i个被困者到达应急楼梯的距离，V是人群运动速度，t为被困人群下降一个楼层所需要的时间，x为第m层的被困人数，/>为第m层的第i个被困者的疏散时间，Tm为第一疏散时间，m和n均表示层数。
9.根据权利要求5所述的基于数字孪生的高层建筑多目标协同消防应急处理方法，其特征在于，利用第n层被困人群位置信息从初始时间开始第n层被困人群从第n层被困位置到达第n层应急楼梯所需第二疏散时间的计算公式为：
式中：Snj为第n层第j个被困者到达应急楼梯的距离，V是人群运动速度，y为第n层的被困人数，/>为第n层第j个被困者的疏散时间，Tn为第二疏散时间。
10.根据权利要求5所述的基于数字孪生的高层建筑多目标协同消防应急处理方法，其特征在于，利用所述第m层被困人群和第n层被困人群的疏散结果作为最佳消防应急处理方案还包括：
S4-5-1、判断位于电梯最高救援楼层与火场楼层之间的所有被困人群是否均完成疏散，若是，则电梯停止运行，否则，获取电梯运行已用时间；
S4-5-2、利用所述电梯运行已用时间和所述电梯安全运行时间获得电梯再次安全运行时间；
S4-5-3、利用电梯再次安全运行时间获得电梯再次运行最高楼层；
S4-5-4、获取当前被困者所在最高楼层；
S4-5-5、判断电梯再次运行最高楼层是否超过当前被困者所在最高楼层数，若是，则在电梯再次安全运行时间内再次执行S4-2，否则，在电梯再次安全运行时间内前往电梯再次运行最高楼层进行疏散。
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2023
- 2023-12-19 CN CN202311747814.7A patent/CN117436774A/zh active Pending
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