基于CIS的大型公共建筑突发事件可视化研究

刘天钊

（山东省人防指挥信息保障中心，山东 济南 250014）

【摘要】本文进行基于GIS的大型公共建筑突发事件可视化研究，可以模拟优化突发事件实时动态蔓延过程，优化各种突发事件条件下应急疏散策略，为政府有关部门在城市建设和城市防灾减灾提供科学依据，为应急指挥提供科学、准确、合理的依据。

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关键词 地理信息系统；火灾蔓延；查询定位；救援路径选择

0　引言

大型公共建筑疏散模拟及救援调度研究涉及大量的空间地理信息。地理信息系统（GIS， Geographic Information System）可以实现空间信息及其他各类信息的有效管理，并能对地理信息数据进行查询、检索、统计和计算。因此，构建基于GIS的大型公共建筑应急疏散救援决策模型，可以模拟优化各种突发事件条件下最优应急疏散策略及救援策略，为政府有关部门在城市建设和城市防灾规划中的决策提供科学依据。

本文以某市大型建筑应急疏散系统为研究对象，讨论了基于GIS的疏散区域数据实时采集与可视化、空间查询分析、火灾蔓延分析、最优路径选择等问题及其解决办法。以某市大型建筑应急疏散系统为例，设计和建立了应急救援疏散数据库，拓扑该市道路网，设计该市大型建筑应急疏散地理信息空间数据库，实现操作的各种辅助功能，最后详细论述了如何实现上述几项关键技术。

1　火灾蔓延分析模型

大空间建筑物，是指那内部空间大的建筑物，如大型仓库、大型商场、展览场馆、会议中心、娱乐中心以及高层建筑的中庭等。由于大空间建筑本身的这些结构和使用功能上的特殊性，使得大空间建筑火灾具有以下几个特点：（1）火灾损失较一般建筑物火灾更为严重；（2）火灾发生原因难以防控，发生后扑救难度大；（3）烟气对人群的危害更为突出。

在建筑火灾中，烟气是人员生命安全的最大威胁。对于大空间建筑，烟气危害性更加严重。这是因为大空间建筑存在很大的空间，在这个空间内没有任何阻挡物，烟气很容易发展，并迅速蔓延到建筑的其它部分，造成更大的危害。因此，研究大空间建筑火灾中的烟气运动及着火区域的蔓延对于减少火灾中人员的伤亡具有重要的意义。

火灾烟气中危害性气体在狭长通道内沿着水平方向呈现不同的分布特点，在较远距离的位置是上下两层分布，而在较近的位置则不然。这揭示了一个新的特点，即针对狭长通道的火灾烟气传播研究，应该根据距离火源远近的不同选择合适而高效的模型，在较近位置可用场模型或者t2模型，而在较远位置可用两层区域模型。火灾时产生的烟气是致人死亡的主要原因，大部分为CO（一氧化碳）等烟气中毒，缺氧窒息等。由于在火灾区域远距离上下两层之间危害性气体浓度在模拟过程中差别非常大，主要原因是上层烟气主要受热作用影响而下层烟气则主要取决于浓度扩散作用。危害性气体的浓度随高度呈现明显的阶梯变化，CO和CO 浓度在远距离处仍然保持相当高的浓度有些甚至高于火源近处的浓度。这也是火灾中很多遇难者死于远离火源位置的原因。

火灾热释放速率曲线的确定是火灾基础研究的一个重要问题，现在通常称这种研究为设定火灾。目前应用较为广泛的有三种模型：初期增长模型、全过程模型、多件物品的热释放速率叠加模型。

火灾增长模型在计算上具有简便的优势，目前一般用下面的二次方程描述:

综合大量试验的结果现在一般将其分为慢速、中速、快速、超快速等四种类型，各类火灾增长的火灾增长系数依次为0.002931、0.01127、0.04689、0.1878，如图1所示。

一种常用的方式就是将按照火灾的发展过程将热释放速率曲线分为三段：初期增长阶段采用t2模型描述，在充分发展阶段认为热释放速率维持不变，在减弱阶段则按线性减弱处理，模型简图见图2所示。

城市中民用建筑一旦发生火灾，由于烟囱效应，极大地加快了火势的纵向蔓延速度。高层民用建筑火灾蔓延的途径很多：一是楼梯间、电梯井、电缆井、管道井等竖向疏散通道和各种井道；二是建筑物外墙上的窗户和玻璃幕墙；三是建筑内部的共享空间，比如天井、疏散通道等；四是通风、空调系统和防排烟系统的风道、管道及其保温材料；五是建筑内部的走廊等公共场所；六是变形缝和施工中预留的孔洞；七是电气线路等。试验证明，在火灾初起阶段，因空气对流而产生的烟气，在水平方向扩散速度为0.3m/s，在火灾燃烧猛烈阶段，由于高温的作用，热对流而产生的烟气扩散速度为。0.5-3m/s，烟气沿楼梯间等竖向管井的垂直扩散速度为3～4m/s。烟气的蔓延速度是火的5倍以上，其能量是火的5-6倍。烟气的流动方向就是火势蔓延的路径。火灾的发生发展与湿度、风、温度、降水等气象条件都有密切关系。在选择火灾蔓延分析模型时，要充分考虑到这些因素，根据现场获取的资料，构建一个更合理、更合乎实际的模型，为疏散策略的实施提供好的条件。

2　基于GIS的大型建筑应急疏散系统

2.1　关键技术

GIS可以方便地对空间数据进行采集、分析、管理、输出等，并具有区域分析、多种要素分析和动态监测的能力。与一般的数据库不同，GIS不仅可以高效地处理空间数据，而且还可以管理有拓扑结构的图形数据，并建立两者之间的关系，因此特别适用于建立大型建筑应急疏散系统。一旦发生紧急事件，即可充分发挥GIS所特有的功能，实时地跟踪灾害的发生、发展过程，并付诸开展灾害应急和恢复工作。基于GIS的大型建筑应急疏散系统关键技术主要包括空间数据采集与编辑、空间数据管理、制图功能、空间查询与空间分析功能及地形分析功能等。

2.2　可视化的实现

本节将通过示例详细介绍可视化实现及本设计的其他关键技术：查询技术、火灾区域蔓延分析和救援最优路径规划。

2.2.1　查询技术

在系统功能面板上点击“查询-查询火灾点”，如图3所示，电子地图上会显示火灾发生点，用闪烁显示。点击“查询-查询视区”，查看火灾点的放大图，如图4所示。

查询分析主要包括两部分：第一，基本属性信息查询；第二，SQL查询；第三，模糊查询。实现不同用户的不同需求。

（1）基本属性信息查询实现

在系统功能面板上点击“查询-基本属性信息查询”按钮，显示在电子地图上，点击对象查看对象属性信息。如图5所示，属性表显示选中区域为建筑的基本信息（包括火灾发生概率和烟雾浓度）。

（2）SQL查询技术实现

SQL查询主要功能是根据对象的某一属性字段查询其一类符合条件的实现方法。查询烟雾浓度的窗体如图6所示。此查询结果如图7所示。

符合查询条件（烟雾浓度大于1的居民区）的查询结果在axSuperGridView1中显示，右端的字段“烟雾浓度”显示了居民区内对应的火灾发生概率和其他属性值。

（3）模糊查询技术实现

模糊查询主要功能是根据用户输入的模糊命令，对符合查询条件的对象加以显示。

2.2.2　火灾区域蔓延分析

火灾区域蔓延分析主要是利用缓冲区分析功能。对着火区域生成多重缓冲区，形成火灾区域的影响域。

实时模拟：首先确认火灾发生时间，然后根据火灾区域的燃烧级别选择不同的增长速率（慢速0.002931、中速0.01127、快速0.04689、超快速0.1878），依据现有的资料和数据适当选择空气湿度、外界风速和风向，最后生成一个模拟图，判断和分析着火区域的影响区域，确定着火区域的死亡区、重伤区、轻伤区、烟雾区（其中黑色范围内为重伤区），进而为内部的逃生人员确定合理的逃跑路径，并实时通知馆内人员选择入口采取营救措施。

影响火灾区域蔓延的若干因子有火灾已发生时间，火灾的增长速度，空气湿度，风速和风向，如图8所示。确定着火区域后，依次选择各因子，选择实时模拟，如图9所示。

在图9中，右侧为火灾蔓延因子控制区，地图下方显示各蔓延区域的详细信息。

生成的蔓延区域分为三级：死亡区、重伤区、轻伤区。其中处于黑色环内区域为死亡区，最外层为轻伤区，中间为重伤区。宾馆内烟雾的扩散速度大于馆内人员的逃生速度，所以烟雾区弥漫于整个走廊中，甚至整个楼层都会感觉到烟雾的存在。此时，应采取果断措施，如隔离着火区，疏散重伤区和轻伤区，紧急搜救死亡区，制定并实时通知馆内人员的最佳逃跑路径。

通过比较两个图（图9和图10），明显看出各个蔓延区域都扩大，尤其是死亡区扩大，附近的出口需关闭，应及时调整疏散路径并实时通知馆内人员。

自动模拟：选择自动模拟后，选择时间间隔，进入自动模拟状态。然后等待模拟图像的变化。如图11显示选择自动模拟后的按钮状态。自动模拟图过程图，如图12所示。

2.2.3　救援最优路径规划实现

在这里用到SuperMap Objects提供的TrackingLayer对象，该对象隶属SuperMap 库，不可创建，具有如下特性：跟踪层位于地图的最上层，可用于同时显示点、线、面、文本等几何对象。

在电子地图上用圆域选择一定范围内（如1000m内）的医疗救助点，符合条件的点用红色显示。如图13所示。然后，利用跟踪图层的特性，划线确定医疗救援的路线。并实现对救援人员的实时跟踪。如图14所示。

3　结论

大型建筑应急疏散不但可以控制应急事件后果，减少伤亡和损失，而且对应急处理道路上其他突发事件也非常有意义，对具有快速反应能力的大型建筑应急疏散提出了新的挑战。

基于GIS的大型公共场所突发事件可视化研究，依托GIS软件平台，建立灾害蔓延的实时模拟和自动模拟，根据风速、风向、扩散速度等相关参数确定单重灾害和多种灾害发生时应急疏散范围，查询附近的避难场所并选出最佳路径、用户信息管理等功能，以便能够快速、准确地模拟城市大型建筑设施的火灾蔓延，辅助决策者做出防灾减灾的具体措施。

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参考文献

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［责任编辑：薛俊歌］