基于Matlab层次分析法的建筑火灾人员安全疏散系统研究

刘淑金，朱国庆，张 磊

（1.中国矿业大学安全工程学院，江苏 徐州，221116；2.中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏 徐州，221116；3.中国矿业大学消防工程研究所，江苏 徐州，221116）

在建筑火灾中，人员安全疏散与人员的生命安全直接相关。人员能否安全疏散主要取决于疏散到安全区域所用时间的长短。人员疏散时间由报警时间、人员反应时间和人员疏散运动时间组成。人员疏散时间既要考虑建筑物结构和人员疏散距离等环境因素，又要考虑处于火灾紧急情况下人员的自然状况和人员心理及行为特征。

物联网引发了新一轮信息产业浪潮，已被广泛应用于各个领域。而GIS擅长处理物联网中传输的空间数据和属性数据，因此物联网技术的广泛应用为地理信息技术的发展提供了机会，同时物联网借助GIS也强化了自身的信息管理水平。目前，GIS和物联网技术在火灾预警、防火监督等诸多方面得到了初步的应用［1］。本文利用GIS和物联网技术的优势互补功能，实时掌握建筑内部情况，并运用Matlab层次分析法评价建筑火灾各疏散路径的优劣，以提高人员疏散效果。

1 建筑火灾人员安全疏散系统总体结构

物联网作为一项新技术，可实现物品自动化的可见性和可测量性，实时高分辨率地捕捉信息，并进行性能信息的分析。物联网的自动化、高运行效率、准确性、灵活性，尤其适用于建筑消防的智能管理和信息服务。GIS融合了数据库技术、图形学技术和计算机技术，可利用计算机系统软件、GIS软件和应用分析程序，并结合地理数据库，对接收信息进行空间领域的处理［2］。基于GIS和物联网技术的建筑火灾人员安全疏散系统整体结构如图1所示［3］。

图1 建筑火灾人员安全疏散系统整体结构图Fig.1 Overall structure of personnel evacuation system for building fire

该人员安全疏散系统整体设计为：①利用传感器采集被监控环境的参数信息，如温度、CO浓度、光密度、比流量等；②各传感节点的信息经无线传感网络汇集传输到监测指挥中心，利用GIS强大的信息分析和处理功能对数据进行处理；③根据数据处理结果，一旦确认建筑物内发生火灾，启动相应的消防系统，为火灾中人员疏散创造条件，指挥人员迅速撤离。

2 火情探测与信息传输

2.1 传感器布局

在监测区域内布置大量的微型传感器，如温度传感器、CO传感器、光密度传感器、人体红外传感器等，其体积微小，安装灵活性高。其中，非接触式温度传感器可测量温度场的温度分布，其测量上限不受感温元件耐温程度的限制，且分辨率高；电化学CO传感器可连续监测建筑物内CO浓度，具有精度高、稳定可靠、使用方便、功耗低等特点。在商城内走廊、疏散通道和面积超过100m2的店铺内安装传感器（温度、CO、光密度传感器），主要采用正方形安装方式，边长为10m。同时，根据人体身高，负责采集温度、CO浓度、光密度的传感器应安装在距离地面高度为2m处；人体红外传感器应安装在疏散通道两侧，安装间隔为5m，距离地面高度为1.2m处。

假设通道的宽度为B、长度为L，在疏散通道中均匀部署n个人体红外传感器，每隔Δt时间传感器测一次人员比流量，其结果见表1。

表1 不同时间的人员比流量Table 1 Specific personnel discharge at time t

对表1数据进行分析，可得到一个拟合函数关系式，即通道宽度B取1m时，通道中的人数关于时间和所处位置的函数关系式为

则通道内（l2－l1）段处平均人员密度为

上式中：ρ为平均人员密度（人/m2）；Q总为t时刻疏散通道中（l2－l1）段处的人数（人）；S为疏散通道中（l2－l1）段处的面积（m2）；Q（l，t）为t时刻、B＝1m时，疏散通道中（l2－l1）段处的人数（人）；l1、l2为人员离安全出口的距离（m），0＜l1＜l2≤L；q（l，t）为随t、l变化的比流量函数［人/（m·s）］。

2.2 信息传输

无线传感网络是物联网的核心技术，其结构如图2所示。传感节点是网络的基本节点，负责环境状态数据的采集和分析。每个传感器都有一个编码，互不重复，与系统中的网络地址一一对应［4］。传感器采集数据后会自动搜索设备的网络地址，将信息传输给汇聚节点。每个传感网络都要有一个网关，用以连接传感网络和外部传输网络，并通过网关把收集到的信息传输到监控中心。采用计算机技术，将传感器获得的温度、CO浓度、光密度、人员比流量等火灾信号加以整合，使系统信息更加准确、充分。

图2 无线传感网络结构图Fig.2 Structure of the wireless sensor network

3 建筑火灾人员安全疏散系统路径选择

目前，GIS主要被应用于大区域地理信息的分析处理，可借助GIS对空间形体位置关系的描述能力和数据库信息，建立建筑火灾人员安全疏散系统。该系统可接收传感器获取的监测点信息（如温度、光密度、CO浓度等），调用数据库信息（如建筑平面图、建筑属性和功能、火灾增长模型、烟气的危害性等），判定起火地点，分析火情的扩散。建筑火灾时人员疏散是一种非常复杂的群体行为，由于各种因素的影响，容易造成人员疏散路径冲突，而运用Matlab层次分析法可解决人员疏散路径选择这一关键问题［5—6］，并通过广播、照明、疏散标志等手段，指挥人员撤离火场，辅助消防队员灭火救援。

3.1 Matlab层次分析法

由传感器测得的数据，利用GIS软件，可以以图形方式表征不同时刻和不同地点建筑物内烟气的流动、建筑物内能见度变化、建筑物内人员密度等情况［7］。因此，据此可以详细地了解火灾时建筑物内疏散路线中火、烟气、人员等要素的分布信息。由于火场中人员疏散的复杂性，除了基本的救援和疏散策略外，还需要制定扩展的疏散策略来解决特殊情况［8］，并根据系统中设定的各要素危险判定标准，评价各疏散路线的安全度及疏散效率。建筑火灾人员安全疏散系统以安全出口分布及属性、路径状况、疏散标志分布等信息为基础，选取温度、人员密度、CO浓度、能见度、疏散距离作为判定的参数［9］，并采用Matlab层次分析法求出可行的疏散路线，以规避高风险路线。

人员疏散路径选择层次结构模型如图3所示。图3中准则层B各因素的极限值如下：①温度极限值为60℃；②人员密度极限值为3.8人/m2；③CO浓度极限值为500×10－6；④能见度极限值为10m；⑤疏散距离B5不超过相关规范的要求。方案层C被评价的疏散路径在早期就已确定，路线构成应满足以下条件：①根据建筑物的使用功能和平面图，以防火分区为单元，将防火分区中心位置定义为路线起点，该分区安全出口定义为路线终点，沿走道连接起点与终点，形成路径；②路线不得穿过建筑内的店铺；③疏散距离不得超过相关规范中规定的最大距离。

图3 人员疏散路径选择层次结构模型Fig.3 Hierarchical model of path selection

3.2 Matlab计算程序设计

建筑物火灾发展过程是动态的，这就要求建筑火灾人员安全疏散系统能够实时掌握现场情况，并实时对疏散路径进行评价，引导人员疏散。因此，将由GIS处理和分析的数据以Excel表格形式存储，系统利用Matlab自动获取Excel表格中的数据，通过层次分析法实时评价各疏散路径，并输出评价结果。Matlab计算程序流程设计为：运行程序，获取传感器数据；判断各因素是否达到极限值，若达到极限值，则弹出警告，显示超限因素所在路径及其数值，并返回读取下一个数据；若未达到极限值，将各参数值以方案层判断矩阵形式表示，并检验矩阵一致性是否符合要求，如不符合对其进行调整，直至符合；计算方案层单排序权值，并输出结果；计算层次总排序权值，输出结果；返回继续，Matlab间隔Δt时间计算一次。Matlab计算程序流程见图4［10—11］。

图4 Matlab计算程序流程图Fig.4 Program flowchart of Matlab calculation

3.3 基于Matlab层次分析法的人员疏散路径选择

层次分析法是由美国运筹学家T.L.Saaty提出，本文采用该方法将复杂的路径选择问题逐层分解为影响路径选择的各个因素，并依靠专家经验和数据资料为每个影响因素赋予不同的权重，最终通过计算层与层的组合权重确定人员疏散路径的优劣。T.L.Saaty等建议引用数字1～9及其倒数作为同层因素相互比较的标度值，随机一致性指标见表2。依据专家经验和数据资料，综合评价准则层对疏散路径选择的影响，准则层的判断矩阵见表3。

表2 随机一致性指标Table 2 Random consistency index

表3 准则层的判断矩阵Table 2 Judgment matrix of criterion layer

对疏散路径进行选择时，将3条（多条）疏散路径中测得的参数值取平均值，根据同层因素相互比较的标度值，列出方案层的判断矩阵，见表4。利用Matlab层次分析法得出疏散路径选择的层次总排序计算结果见表5和图5。由表5可以看出：t时刻，①准则层对疏散路径选择的权重向量为W＝（0.041 1，0.118 8，0.467 6，0.287 8，0.084 8）；②3条疏散路径各因素的权重向量为L1＝（0.549 9，0.097 4，0.136 5，0.279 0，0.798 6），L2＝（0.240 2，0.333 1，0.625 0，0.649 1，0.104 9），L3＝（0.209 8，0.569 5，0.238 5，0.071 9，0.096 5）；③各方案对于疏散路径选择的权重等于准则层对疏散路径选择的权重与方案层对准则层的权重的乘积，即WC＝W×（L1T，L2T，L3T），则3条路径的总排序权值向量为WC＝（0.246 0，0.537 4，0.216 7）；④准则层中的各因素是影响人员疏散的主要因素，其值越大，对人员疏散阻碍程度越大，因此总排序权值越小的路径，其危险性越低。通过比较可得，路径三是最佳疏散路径，路径一次之，路径二是最不利疏散路径。

表4 方案层的判断矩阵Table 4 Judgment matrix of scheme layer

表5 各因素权重值及层次总排序Table 5 Weights of each factor and total sequencing of each level

图5 Matlab层次分析法计算结果Fig.5 Results of Matlab AHP

3.4 系统指挥功能的实现

为了提高人员疏散效果，本文提出以下措施：①在建筑物内地板和离地面1m高处的墙上涂蓄光型自发光材料［12］，在光照不足的情况下，人可沿着这些连续直线标志进行疏散；②通过改变系统疏散指示器控制点的输入信号，改变其疏散指示方向；③在安全出口处设置广播，火灾时立即播放“此处为安全出口”等录音，亦可采用人工广播指挥人员安全疏散；④消防队员可由系统信息确定危险区域、被困人员情况、现场消防设施水平等，有针对性地展开救援。

4 结 论

本文利用物联网的自动化、高效性、灵活性，并基于Matlab层次分析法建立了建筑火灾人员安全疏散系统。该系统利用GIS和互联网技术实时获取建筑火灾现场信息，并运用Matlab层次分析法对疏散路径进行快速、准确的评价，疏散路径的优劣以数值形式展示，可以清晰、明了地掌握各路径的优劣程度，确保系统快速指挥人员疏散，本研究为实现建筑火灾人员安全疏散提供了一种新方法、新思路，对提高消防智能化水平具有重要的意义。

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