本發(fā)明屬于公共安全技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及建筑物應(yīng)急疏散高效實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在公共安全領(lǐng)域，建筑物應(yīng)急疏散是防止和減少突發(fā)事件人員傷亡的重要措施。自二十世紀(jì)八十年代起，特別是“9.11”事件以來(lái)，建筑物應(yīng)急疏散問(wèn)題得到國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的高度重視和深入研究。根據(jù)對(duì)建筑物空間布局的描述與刻畫方式，疏散模型可基本歸結(jié)為兩類。一類是精細(xì)網(wǎng)絡(luò)模型，該模型強(qiáng)調(diào)對(duì)疏散過(guò)程的描述，體現(xiàn)人的特性及人與疏散環(huán)境之間的相互影響。由于精細(xì)網(wǎng)絡(luò)模型包含信息較為全面，因而計(jì)算量大，主要應(yīng)用于疏散過(guò)程仿真，如典型仿真軟件Exodus、Simulex等。

另一類是宏觀的粗略網(wǎng)絡(luò)模型，該模型考慮疏散人群的整體運(yùn)動(dòng)，對(duì)人的細(xì)節(jié)行為不做描述。因此，該模型具有計(jì)算量小、實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)，如Evacsim、Evacnet、Wayout等軟件。粗略網(wǎng)絡(luò)模型采用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)描述疏散環(huán)境中的人群聚集地，如建筑物房間、大廳等單元，使用網(wǎng)絡(luò)連接描述人行通道。人群從起始節(jié)點(diǎn)到達(dá)安全出口節(jié)點(diǎn)，可選擇經(jīng)過(guò)不同通道來(lái)完成，這便構(gòu)成了一個(gè)如圖1所示的疏散網(wǎng)絡(luò)。為有效降低人群疏散時(shí)間、防止和減少傷亡，需要均衡控制各通道人群數(shù)量，使得各通道同時(shí)完成疏散過(guò)程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠有效降低人群疏散時(shí)間，防止和減少傷亡的建筑物應(yīng)急疏散高效實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。

本發(fā)明提供的建筑物應(yīng)急疏散高效實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，是基于粗略網(wǎng)絡(luò)模型，充分利用其計(jì)算量小、實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)，并將人群諸如擁擠等人的行為因素與恐慌等心理因素動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地加以考慮，以達(dá)到建筑物應(yīng)急疏散中的高效實(shí)時(shí)性與疏散場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)性問(wèn)題，從而在建筑物內(nèi)有火災(zāi)、有毒氣體泄漏或地震發(fā)生等緊急情況下，使疏散人員在盡可能短的時(shí)間內(nèi)從危險(xiǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)移到安全地帶，避免和減少人員傷亡。

在粗略網(wǎng)絡(luò)模型中，各通道疏散完成時(shí)間由如下因素確定：通過(guò)該通道的人群數(shù)量、人群移動(dòng)速度、通道長(zhǎng)度、通道動(dòng)態(tài)容量等。以圖1所示的疏散情形為例，通道i的疏散完成時(shí)間T_i由下式確定：

（1）

其中，V表示人群移動(dòng)速度，No._i表示通道i上的人群數(shù)量，L_i表示通道i的長(zhǎng)度，DC_i表示通道i的動(dòng)態(tài)容量，i=1, 2, …, N。對(duì)于該疏散網(wǎng)絡(luò)，最優(yōu)疏散控制策略（疏散時(shí)間最短）為：分配各通道上的人群數(shù)量，使各通道具有相等的通行時(shí)間，即：

（2）

且滿足總?cè)巳簲?shù)量關(guān)系約束：

（3）

其中，No._T表示疏散人群總數(shù)量。

從控制角度來(lái)說(shuō)，各通道的控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。圖2中控制器i的任務(wù)主要是根據(jù)通道期望時(shí)間Ti來(lái)計(jì)算該通道的人群數(shù)量，疏散通道i的時(shí)間域模型由式（1）確定。各控制器i在計(jì)算本通道人群數(shù)量時(shí)需要滿足式（3）的疏散總?cè)巳簲?shù)量約束。

在理想情況下，人群移動(dòng)速度、通道長(zhǎng)度、通道動(dòng)態(tài)容量等是固定不變的，各控制器給出的通道人群數(shù)量可以使式（2）得到滿足，即各通道具有相等的通行時(shí)間，從而保證整個(gè)疏散過(guò)程時(shí)間最短。

然而，實(shí)際上人們?cè)谑枭⑦^(guò)程中的行為因素，如恐慌、擁擠等會(huì)影響人的移動(dòng)速度。同時(shí)，建筑物內(nèi)的疏散場(chǎng)景也可能會(huì)發(fā)生改變。以火災(zāi)為例，著火點(diǎn)的增減、著火點(diǎn)火勢(shì)大小發(fā)生變化，都會(huì)引起疏散場(chǎng)景的變化，如疏散通道的長(zhǎng)度、通道的動(dòng)態(tài)容量等發(fā)生變化。為此，我們引入如圖3所示的帶擾動(dòng)的閉環(huán)控制策略，把疏散人群行為因素、疏散場(chǎng)景動(dòng)態(tài)變化因素以及其它不確定性因素等統(tǒng)一歸結(jié)為疏散通道擾動(dòng)Dti。在圖3所示的控制系統(tǒng)中，控制器輸入為：疏散通道i的疏散時(shí)間Ti與通道期望時(shí)間Ti的比較值，控制器輸出為疏散通道i的疏散人群數(shù)量。由于疏散通道擾動(dòng)Dti包含了疏散人群行為因素與疏散場(chǎng)景動(dòng)態(tài)變化等其它因素，所以，圖3所示的系統(tǒng)可有效地將具有計(jì)算量小實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)的粗略網(wǎng)絡(luò)模型與疏散人群行為因素以及疏散場(chǎng)景動(dòng)態(tài)變化特性進(jìn)行融合。同時(shí)，從控制系統(tǒng)角度來(lái)說(shuō)，采用圖3所示的閉環(huán)系統(tǒng)可以有效地對(duì)克服擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

在圖3所示的各疏散通道中，考慮到擾動(dòng)因素的存在，通道人群數(shù)量需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整。如式(3)，由于各疏散通道人群數(shù)量之和需要保持不變，調(diào)整某通道的人群數(shù)量時(shí)必須同時(shí)調(diào)整其它某一或某幾路疏散通道。為此，采用如圖4所示的疏散時(shí)間均衡控制策略。圖4中各通道控制回路的控制器輸入是：所有通道的疏散時(shí)間的平均值與本通道的疏散時(shí)間之差；控制器的輸出為本通道上的疏散人群數(shù)量；疏散通道上的擾動(dòng)為：包括疏散人群心理恐慌、人為擁擠等行為因素，因諸如火災(zāi)著火點(diǎn)變化、火勢(shì)變化等而引起的疏散場(chǎng)景變化因素，以及其它不確定性因素等；時(shí)間平均算子為對(duì)各疏散通道疏散時(shí)間進(jìn)行代數(shù)平均計(jì)算。控制器的設(shè)計(jì)需要充分考慮式（3）的疏散人群數(shù)量約束。同時(shí)還需要考慮控制系統(tǒng)本身的性能指標(biāo)，如穩(wěn)定性、快速性等。

附圖說(shuō)明

圖1為 建筑物應(yīng)急疏散粗略網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為各疏散通道控制系統(tǒng)框圖。

圖3為融入疏散人群行為因素與疏散場(chǎng)景等因素的各疏散通道閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。

圖4為各通道疏散時(shí)間均衡控制策略系統(tǒng)框圖。

具體實(shí)施方式

如下考慮一個(gè)疏散控制系統(tǒng)。圖1所示的疏散場(chǎng)景包含5條疏散通道，通道動(dòng)態(tài)容量依次為15、12、18、16、10人/秒；通道長(zhǎng)度依次為20、8、19、17、14米；待疏散人群數(shù)量為1000人，疏散人員移動(dòng)速度為1.5米/秒。具體如表1：

表1. 疏散控制系統(tǒng)參數(shù)

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在疏散人群沒(méi)有擁擠、恐慌以及疏散場(chǎng)景等因素沒(méi)有變化，即系統(tǒng)沒(méi)有擾動(dòng)情況下，控制系統(tǒng)可以在10秒鐘以內(nèi)（或更短時(shí)間，該時(shí)間取決于實(shí)際疏散系統(tǒng)以及系統(tǒng)控制器參數(shù)設(shè)計(jì)），得出疏散控制方案如表2。在疏散過(guò)程中，通道1出現(xiàn)新的著火點(diǎn)，導(dǎo)致人群擁擠，使得通道1完成疏散時(shí)間增加了10秒。采用本疏散控制系統(tǒng)，可得出在擾動(dòng)存在的情況下的新的疏散控制方案（如表3）。

表2. 沒(méi)有擾動(dòng)時(shí)得到的疏散方案及疏散時(shí)間

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表3. 發(fā)生擾動(dòng)時(shí)得到的疏散方案及疏散時(shí)間

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