火灾应急疏散路径优化研究综述

黄梦溪 王 哲

（1、郑州轻工业大学建筑环境工程学院，河南 郑州450002 2、河南省国防工业设计研究院有限公司，河南 郑州450000）

1 概述

随着我国经济快速发展，超高层建筑、大型商业综合体、地下购物中心等现代化的多功能建筑越来越多，巨大的建筑规模，复杂的内部结构，高密度的人群，使得室内火灾的救援难度加大，人群自我疏散更加趋于盲目性。并且室内火灾发生时有其突发性、多变性和烟毒性等特点，传统的应急照明和疏散指示系统在数据信息含量、空间表现、分析能力上的不足日益明显，难以准确、动态直观地反映火灾发生时室内建筑的空间通达性、有效逃生空间与相对安全区域，无法正确判断失火点相关的局部区域的建筑部件的动态行为与特征规律[1]。传统的应急照明与疏散指示系统无法感知动态数据，无法实时动态地根据现场环境改变疏散指示方向，所以在火灾发生时对疏散路径实时动态地优化至关重要。

本文通过对四种优化路径的方法进行归纳，了解国内外对于火灾疏散研究的现状，研究如何能进一步优化疏散路径，极大可能地降低室内火灾的危害。

2 BIM 技术在火灾疏散中的应用研究

BIM的作用是创建一个包含了所有建筑信息的虚拟建筑模型，以多视角的、参数化的、智能的建筑构件为基础，建立一个完全的3D 环境，以此BIM作为构建基础的项目管理系统可以持续的、及时的提供各项实时数据，并在网络环境下，保持信息随时处在更新完善的状态，并提供信息访问、信息变更、信息增删等操作支持，确保建筑工程师、设计师、施工人员、业主、及其他项目参与方等项目相关用户清楚的、全面的获得项目此时此刻的状态信息，促使设计、施工、运营等阶段的管理过程中达到提高决策进度和质量、降低项目成本、提高项目质量，增加收益的目的[2]。

BIM作为建筑行业的新技术，目前国内对其研究和应用还不突出，国外也仅应用在设计和施工阶段，在火灾应急疏散方面较少有新理论新成果。

Uwe Rüppel 等设计了“危险的人类救援”，基于BIM 创建模型，其中包括火灾，烟雾，爆炸和结构损坏。该设计使用严肃的游戏方法对紧急情况进行交互式实时模拟。根据这个概念，BIM模型作为游戏场景的基础。这允许通过改进在BIM应用程序和严肃游戏之间传递数据的互操作性来快速设置场景。通过这些研究救援过程中各环境因素的影响，进而优化火灾中的救援路径[3]。国内年轻学者陈远将消防信息整合到BIM模型中，制定预案，指导救援。在运行维护阶段，通过将BIM数据库整合到智能消防系统中，与传感器、控制器、网络相连，，通过系统平台实现主动防火功能和被动防火功能，以达到最佳的防火保护[4]。王林等提出将BIM技术联合消防GIS 平台，实现了消防日常工作的信息处理网络化，旨在增强高层建筑消防指挥能力，提高预防和扑灭现代火灾的能力[5]。

综上所述，目前BIM技术在火灾应急疏散中的应用还不完善，但已有各国的学者对其进行研究。BIM不仅仅能构建建筑的信息模型，我认为它的主导思想是实现信息的同步和共享。现如今，软件信息不能良性兼容拖延了BIM技术的发展和延伸应用，比如Revit 文件不能直接导入到pathfinder 疏散软件中，这就导致信息不能完全共享[6]。未来想把BIM技术应用到更多领域，首要问题就是解决信息的共享与同步。

3 Wi-Fi 技术在火灾疏散中的应用研究

Wi-Fi 是一种允许电子设备连接到一个无线局域网（WLAN）的技术，现阶段，各公司、家庭、商场等公共建筑中基本已实现Wi-Fi 信号的覆盖。Wi-Fi 其主要功能是实现移动设备的无线上网，但已有学者将其应用到火灾疏散中。

罗明等将Wi-Fi 作为定位的手段，通过手持智能终端上的App 显示使用者当前的位置，在火灾发生时，还可根据监控中心对火情的分析，自动为使用者设计最佳导航路线，管理人员还可通过记录计算人员移动轨迹，分析疏散过程的疏散时间、距离、人群特点等[7]。

综上所述，已有学者对于Wi-Fi 的应用越来越有深度，虽然提出的想法很有意义，但目前市场上还未出现关于Wi-Fi 定位的火灾应急疏散系统的产品，由此可见，其中还存在不少未解决的问题。今后在理论提出的基础上，加大对产品的研发推进，必定能促进火灾应急疏散的改善。

4 智能消防疏散指示和应急照明系统的应用研究

智能消防疏散指示及应急照明系统是由应急照明灯具、消防报警系统、智能疏散系统等多种设备组成的、应用于大型公共场所的一套智能消防疏散指示系统。它具备实时监控、动态控制、疏散逻辑等功能。

丁雨淋等设计了实时威胁态势感知的室内火灾疏散路径动态优化方法，根据建筑环境信息和火场实时状态信息，动态调整路径规划信息，从而提高精准性[8]。邓诒宵等将主机通过RS232 接口和Modbus 协议与底层M－BUS 灯具网络建立通信，实现系统的集中监控，使用VB 开发上位机软件，设计了资源管理，网络管理，事件管理和用户界面等功能，实现了火灾应急疏散时监控和管理的自动化[9]。陈全帅等以微处理器STM32 为核心设计了智能应急照明疏散指示系统控制器，并以某大型建筑为例设计了智能应急照明疏散指示系统，为实际建设提供了参考[10]。

综上所述，智能消防系统是建立在软硬件结合上，既需要理论的支持，又需要硬件的协调，这就对设计者的能力有了更高的要求。

5 路径优化算法在火灾疏散中的应用研究

近年来，随着计算机水平的不断提高，路径优化算法从最初的遗传算法、禁忌搜索算法、模拟退火算法、蚁群算法、粒子群优化算法、动态进化算法等，逐步衍生出新的智能优化算法。

张培红等提出改进的自适应蚁群算法适用于大型公共建筑物火灾时人员疏散路径的动态优化，克服了传统优化算法早熟和停滞等问题[11]。董崇杰等提出基于差分改进的布谷鸟算法，建立了基于疏散时间、拥挤度及总路径长度为指标的人群疏散多目标优化模型[12]。李晶晶等提出基于遗传算法，经过多次迭代求权值和最小路径作为最优疏散路径[13]。

Gino J.Lim 等提出了一种容量约束的网络流优化方法，用于寻找疏散路径、流量和时间安排，以最大限度地增加疏散计划（SNEP）。他利用Dijkstra 算法来寻找疏散路径和一个贪婪算法来查找每条路径的最大流量，以及每个时间间隔执行流的调度，极大限度地增加撤离者[14]。Arturo Cuesta 等提出了一种新的实时决策方法，用于选择建筑物的最佳疏散路线，优化算法基于随机疏散模型预测，通过考虑诸如危险位置的紧急数据，并将随机疏散模型与商业疏散模型STEPS 进行比较[15]。

综上所述，以上学者提出的各种改进的路径优化算法都适用于大型建筑中突发火灾的情况，虽然都经过模拟仿真，但实际情况往往存在众多因素的影响，尚未经过实际状况鉴定。

通过这些文献，许多学者都提出自己的改进的算法，但还未将火灾现场的实时数据结合起来，比如燃烧造成的烟雾、高温、有毒害气体等因素，人群面对突发火灾的精神上的变化等一系列因素会对算法的合理性造成干扰。因此，今后在路径优化算法的研究上要结合更多环境信息，才能真正实现各类自适应算法的合理性和最优性。

6 结论

由于大型建筑物越来越多，其功能造就了人员聚集更加密集，因此关于火灾疏散的问题得到许多国内外学者的关注，纷纷提出自己的意见。通过大量文献的阅读分析，对于火灾应急疏散路径优化问题，提出以下建议：

（1）楼宇设计阶段：在建筑设计阶段最好使用BIM技术，优化设计中的不合理，实现信息的同步和共享；

（2）预案生成阶段：选择合适的算法，找出最短最优逃生路径，合理结合火灾演变态势，实时更新预案；

（3）后期运维阶段：健全各联动设备的可靠性，对建筑内部进行疏散标示覆盖；

（4）模拟修正阶段：结合具体工程，通过pyrosim、pathfinder等模拟软件，确定算法是否合适。