地下建筑物室内疏散引导地图的构建

朱 豫，周京春

地下建筑物室内疏散引导地图的构建

朱 豫，周京春

（云南师范大学 地理学部/云南省高校资源与环境遥感重点实验室/云南省地理空间信息工程技术研究中心, 昆明 650500）

在大型建筑地下空间事故中逃生是涉及空间数据模型构建、空间路径化和疏散路径规划，综合建筑、人和灾情态势因素相互作用的复杂科学问题。针对目前已有的地下室内空间数据模型缺乏描述室内灾害事件、地理实体动态语义特征的情况，从地下建筑物功能和结构特征出发，从几何、语义和时态3个角度设计了一种突出灾情语义、面向地理实体对象的部件级地下建筑物室内时空语义数据模型，并形成物理数据库。在此基础上，结合约束德劳奈（Delaunay）三角形剖分的思想实现室内3维疏散引导地图的高效构建，为复杂地下建筑物灾害事件发生时室内空间的路网快速构建和表达提供参考。实验结果表明，该方法构建的室内疏散引导地图可行、高效，可支撑后续疏散路径规划的研究。

地下建筑物；时空语义数据模型；灾害语义；约束德劳奈三角剖分；室内疏散引导地图

0 引言

我国自“十二五”以来，大力开发和深层次挖掘地下空间资源已成为城市可持续发展的必由之路和战略需求[1]。地下室内空间与室外空间在空间尺度、空间组成要素、空间约束上存在显著区别[2]，具有空间封闭性、气密性等特点[3]，使得复杂地下空间中的灾害逃生变成了一场无序的求生博弈。为此，需要及时掌握建筑结构、功能分区、消防设备的分布、消防通道的可通行状态及其与其他地下空间的连通状况等数据，并建立以地下建筑物为单位的部件级的室内空间数据模型和路网模型，从而动态、科学地对地下突发事故进行评估并施行有效的救援。

室内空间数据模型从面向位置服务的角度出发可分为3种：几何模型[4-6]、符号模型[7-11]和混合模型[12-15]。几何模型关注建筑实体的空间位置信息。符号模型关注室内实体之间的连通性和可达性。后续为了满足对位置服务的高精度、多情境、个性化和智能化等全方位要求提出了混合模型，通过在几何空间层上叠加语义信息实现了路径规划、导航地图和室内定位等室内空间位置服务。其中，室内导航路网的构建是实现室内位置服务的关键，这需要将建筑实体位置及其空间关系从空间数据模型中复原并抽取出来，通过提取路网将室内空间路径化。目前，学者们使用多个2维平面路网拼接表示3维空间路径，从而提高3维空间的导航效率。根据构建原则的不同将其路网构建方法分为2种：一是规则栅格划分[16-17]，多用于机器人导航与疏散仿真；二是不规则矢量网格划分[18-19]，多用于室内路径规划与导航。

虽然学者们针对室内空间数据模型和室内空间位置服务做了大量研究，但目前的研究还多停留在3维可视化和简单查询分析的层次，只适用于静态、和平安全的环境，难以应对室内灾害高动态环境变化所引发的建筑部件功能、状态与生命周期的改变[20]。针对该问题，本文面向大型建筑公共地下空间，从导航和灾情语义的角度出发，考虑空间实体状态、结构和功能随灾害事件的演变过程而发生几何、语义的动态变化，研究地下建筑物室内时空语义数据模型的构建及其室内疏散引导地图的高效、自动化生成方法，为将逃生的无序博弈变为强干预的有效、快速的疏散提供参考。

1 顾及地下空间灾情语义的室内时空数据模型

现有的地下建筑物室内空间数据模型缺乏对室内实体随灾情演变动态行为的时空语义表达，以及对室内事故事件发生位置和发展态势的时空语义表达，无法满足地下空间室内灾害动态分析对建筑物结构空间的特定需求。为此，本文采用基于本体的描述方法，以地下建筑物室内特征对象为核心，构建与室内灾害应急疏散相关的部件对象（例如防火分区、防火门、走道、楼梯、出口、监控设备、消防设备及其从属、连通关系等）以及事故事件对象的数据模型，集语义、几何和时态3个层次为一体，各层次之间相互关联与转换（如图1所示），形成一个完整的地下建筑物室内时空语义数据模型，定性、定量地表现室内空间，并落地形成数据库，以支持后续的室内位置应用和服务。

图1 地下建筑物室内时空语义数据模型

1.1 地下建筑物室内语义数据模型

针对地下建筑物室内特征实体的时空特点、信息分类、研究目标和应用需求，对建筑物室内空间进行语义划分，采用混合本体的方法建立3个层次的语义模型（如图2所示），并可形式化表示为一个三元组Semantic_Model={DO，TO，AO}。其中：DO表示领域本体；TO表示任务本体；AO表示应用本体。

图2 地下建筑物室内语义层

1）领域本体层。考虑本体的静态性，从地下建筑物的室内功能和结构出发，结合人们对地下建筑物内部空间的认知划分领域本体层次，包括出入口、容器、通道、附属设施、障碍物、事件和规则6个领域本体，用来描述特定应用情境下地下建筑物室内空间对象的属性、状态、操作及其相互之间的关系，为动态室内导航提供空间推理机制和寻路条件，如表1所示。

2）任务本体层。考虑本体的动态性，从地下建筑领域本体的应用场景和生命周期变化的特点出发，根据其涉及的主要业务场景划分任务本体，为形成不同应用情境的子系统语义模型奠定基础。

表1 领域本体层

3）应用本体层。根据特定的应用情境对地下建筑物室内部件的状态进行粒度划分，本文的划分粒度如图3所示。将每个应用本体映射到地下建筑物室内部件对象的几何模型上，对其进行显式表达（物理实现），从而实现现实世界中的地下建筑物室内部件à地下建筑物室内本体系统à地下建筑物室内特征对象类库à地下建筑物室内时空对象的映射和转换，将地下建筑物室内实体部件的几何特征、时间特征、语义特征有机地结合起来。

1.2 地下建筑物室内几何数据模型

精细的地下建筑物室内几何数据模型是实现室内空间位置服务的基础。本文根据上述地下建筑物室内语义数据模型中的领域本体来划分和组织几何数据模型，采用点、线、面3种几何要素描述地下建筑物的室内部件实体，并建立部件之间的拓扑规则，其可形式化表示为一个二元组Geometry_Model={GE，TE}，其中：GE表示几何要素的集合，是领域本体所对应的空间区域和实体对象的集合；TE表示拓扑要素，是室内几何要素之间拓扑关系的集合，来源于规则本体。

1.3 地下建筑物室内时态数据模型

地下建筑物室内部件具有显著的时间特征，会随着其生命周期的展开而发生空间和语义的变化，例如地下功能子区的变化、通道通行方向的改变等。本文将地下建筑物室内部件对象随时间变化的信息与语义层中的任务本体映射，设计为规划设计时态、建设施工时态、在用时态、在线监测时态、运行维护时态和事件时态6大主题进行分类组织，每个地下建筑物室内特征对象都具有时间表达和与时间相关的属性表达2个组成部分，时间和属性的表达层次将通过对象身份标识号（identity, ID）与语义成分中的任务本体相关联。

以事件时态为例, 事件指的是地下建筑物室内部件在运行过程中的异常状况，事件时态反映地下建筑内部事件的发生过程，通过设置一个事件时空对象类接收分析来自外界（人工输入或物联网接入等）的消息，并记录和表达某一事件在某一时间点的态势，进而触发领域本体的语义变化和几何变化。在此类中，将地下建筑内部发生的每件事件抽象为一个点事件时空对象，可形式化表示为一个二元组Event_Temporal_Object={SO,TO}，其中：SO表示事件空间对象，用来表达该事件某时刻引起语义或几何信息变化的地下建筑物室内部件，包括了对象ID、是否可通行等动态属性信息；TO是事件时态对象，用来表达在特定时间点上事件状态发生变化的时间语义，包括时态ID、事件ID、事件类型、事件等级、应急预案等动态属性信息。通过设置事件时空对象类，完整地呈现事件的发生过程以及造成的建筑空间结构和人的行为改变，为后续的动态路径规划算法提供导航规则和路线优化参数。图4以火灾事件为例，展示了事件时空对象的运行机制。

图4 事件时空对象的运行机制

2 地下建筑物室内疏散引导地图

室内空间相较于室外空间有着“路网模糊”的特性，且楼层在垂直和水平方向上通过楼梯和走廊等连接，形成了较室外空间更为错综复杂的路网连通关系。如何合理地划分地下建筑物的室内空间，进而高效地进行室内导航是难点。本文从构建地下建筑物室内时空语义数据库出发，引入“室内疏散引导地图”的概念，利用语义对地下空间区域通达性的描述形成道路约束，自动化生成室内疏散引导地图，来解决这一难题。即采用格网法，以三角网格作为导航网格的最小单元，根据数据库中地下建筑物室内部件的语义自动化生成仅与疏散引导相关的初始可通达路网图（室内疏散引导地图）；后续则以此图为基础，结合数据库底层的即时语义转换触发器，驱动室内疏散引导地图随灾情的演变而动态更新，形成一种高效、动态、全自动化的地下建筑物室内导航方法。

2.1 地下建筑物室内空间区域的划分及数据库建设

2.1.1 地下建筑物室内空间区域划分与索引

为了解决地下建筑物室内空间划分不明确、空间差别感弱且无明确指路标识[21]的问题，本文结合语义模型对地下建筑物室内空间进行了细粒度划分，充分考虑特定灾害情境下不同区域之间几何结构和区域功能的差别对地下建筑物室内空间进行划分，将空间分为“地下建筑物-楼层子区-功能部件”3个嵌套层次，并建立空间区域索引快速选择要素对象。

地下空间数据分布呈区域化，子区域分布密度不均且集中，可以结合建筑区域层次特征设计唯一要素标识码，并利用R树（R-tree）最小限定矩形（minimum bounding rectangle, MBR）对区域位置进行描述，依此建立的空间索引（如表2所示）可快速识别地下空间中的不同子区域，既解决了导航网格划分的性能问题，又保留了其快速定位的优点。

表2 地下建筑物室内空间区域的空间索引

（续）

2.1.2 地下建筑物室内时空语义数据库

以地下建筑物室内时空语义数据模型为基础，结合区域空间索引形成地下建筑物室内时空语义物理数据库，采用微软通道（Microsoft Access）MDB格式进行储存。地下建筑物室内部件实体按照其空间特性从几何层出发，将建筑物实体处理为点、线、面3种几何要素类型（如表3所示）。

表3 数据要素类型和结构

2.2 地下建筑物室内疏散引导地图的生成

2.2.1 室内路网组织方式

地下建筑物的室内疏散引导地图是由整幢建筑中各楼层可通达路网连接组合成的，其面向室内高动态环境变化兼具水平方向的延伸和垂直方向的拓展，同时要求路网算法能全方位、多尺度和多粒度地刻画室内空间要素。目前不规则矢量网格划分算法主要有：中轴变换[22]、可视图法[23]和格网法[24]。

由于地下建筑物室内空间实际上不存在真正理论意义上的道路地理要素，无法采用可视路点法和中轴变化法提取路点和中轴线；图论法侧重位置语义的表达，缺乏空间信息的展现，当面对复杂空间寻路问题时显得力不从心。以上3种方法在解决地下停车场这种大型开放空间，缺乏明显地理空间分割要素的情况十分困难，相对而言，格网法针对地下建筑物室内空间这种特殊情境十分适合。

格网单元的几何形态可以划分为三角形、正方形和六边形3种，其中三角形作为最简单的平面凸边形，其面积小巧、高度独立，网格内任意二点连线可看作是最短路径且都在其内部。因此本文采用德劳奈（Delaunay）三角形作为路网的最小划分单元格，利用约束Delaunay三角剖分（constrained Delaunay triangulation，CDT）[25-27]划分路网，支撑后续各种路径规划算法的实现。

2.2.2 地下通道中心线拓展算法

在地下空间普查时，地下通道仅包含了中心线数据，在构建路网时将会产生2个问题：1）无法按照道路宽度还原真实的场景路网地图，影响对道路人流量承载力的判断；2）由于建筑部件独立于楼层平面构网，对于点数少于3的通道部件将无法构网。针对上述问题需根据地下通道的中心线进行边线拓展。

同理可求出另一个端点的左、右偏移三维坐标，从而获得通道的边界位置，如图5所示。

图5 某消防通道/滚梯拓展前后示例

2.2.3 路网生成算法

本节对平面区域进行约束构网。约束要素包括约束点、约束边和约束面，用以表示数据库中不可通行的建筑物，例如竖井、设备房等狭窄封闭无法跨越的空间。本文采用平面直线图（planar straight line graph，PSLG）法（如图6所示）对这些约束元素进行了定义，在佩·查姆（PyCharm）平台上实现了基于CDT算法的地下建筑物室内路网图的构建（如图7所示）。

图6 某楼层离散点图和PSLG特征

图7 路网生成流程

2.2.4 实验结果

通过路网生成算法实现了逐层、逐部件的自动化生成地下建筑物的室内疏散引导路网（如图8所示，灰色部分为不可通行区域），随后通过对通道、门等功能部件与各楼层建立拓扑关系，形成上下连通的初始态3维室内疏散引导地图。后续地图的动态变化可依靠路网生成算法通过区域索引和事件时空对象驱动进行局部的更新和删除，实现面向地下建筑物室内复杂场景的高效、动态表达。

图8 某楼层疏散引导路网

采用上述流程和方法对地下空间普查中实测的2个不同类型地下建筑物进行了建库和室内疏散导航地图的构建实验。图9为某3层地下商场及其附属停车场；图10为某住房小区地下3层停车场。证明了本方法的可行性和普适性，为后续突发地下空间事故时疏散路径的规划打下坚实基础。

图9 某地下商场3维疏散引导地图

图10 某小区地下停车场3维疏散引导地图

3 结束语

本文的主要研究工作包含了二部分内容：1）针对目前地下建筑物室内空间数据模型缺乏灾害事件语义描述的情况，提出了一种顾及灾害语义的数据模型，集几何、语义和时态一体对数据进行建模，并落地形成数据库；2）在此基础上，充分考虑地下建筑物室内部件的几何特征及其在区域上的分布特点，导入PSLG图，结合CDT，自动化、动态化生成地下建筑物室内疏散引导地图。实验表明，这种室内疏散引导地图的构建方法是高效、可行、普适的，此方法从“导航网格”这一游戏智能寻径的思想出发，将3维空间简化为二维平面中含有地图拓扑关系的三角格网集合，大大降低了由维度产生的算法复杂度，可为后续的寻径算法，例如元胞机算法，提供数据基础。

随着室内定位技术的不断发展，地下应急抢险是一件分秒必争的事情，对实时室内导航的要求也随之上升，尤其在地下空间突发灾害需要进行人工干预和快速引导时，精密可靠的3维引导地图和高效的寻径算法尤为关键。本文研究的室内疏散引导地图提供了一种高效、高精度、即时性的地图构建思路；但针对更复杂的地下建筑物室内场景，例如大型地下综合体，还须进一步实践研究，以便寻径算法为地下空间灾害情境下的人群提供精准、及时、有效的空间指引。

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Construction of indoor evacuation guidance maps for underground buildings

ZHU Yu, ZHOU Jingchun

（Faculty of Geography,Yunnan Normal University/Key Laboratory of Resources and Environmental Remote Sensing for Universities in Yunnan/Center for Geospatial Information Engineering and Technology of Yunnan Province, Kunming 650500, China）

Escaping from a large building underground space accident is a complex scientific problem involving spatial data model construction, spatial pathing and evacuation path planning, and the interaction of integrated building, human and disaster posture factors. In response to the lack of existing underground indoor spatial data models describing indoor disaster events and dynamic semantic features of geographic entities, this paper designs a component-level underground building indoor spatio-temporal semantic data model highlighting disaster semantics and oriented to geographic entity objects from three perspectives of geometry, semantics and temporality from the functional and structural characteristics of underground buildings, and forms a physical database. On this basis, the idea of constrained Delaunay triangle dissection is combined to realize the efficient construction of indoor 3D evacuation guidance maps, which provides a new method for the rapid construction and expression of road networks in indoor space when disaster events occur in complex underground buildings. The experimental results indicate that the indoor evacuation guidance map constructed by this method is feasible and efficient, and can support the subsequent research on evacuation path planning.

underground buildings; spatio-temporal semantic data model; disaster semantics; constrained delaunay triangulation; indoor evacuation guidance maps

P228

A

2095-4999(2022)06-0097-10

朱豫，周京春. 地下建筑物室内疏散引导地图的构建[J].导航定位学报, 2022, 10(6): 97-106.（ZHU Yu, ZHOU Jingchun. Construction of indoor evacuation guidance maps for underground buildings[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2022, 10(6): 97-106.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20220613.

2022-07-04

云南省高校科技创新团队资助项目（IRTSTYN）；云南师范大学青年科学基金项目（2019XJLK08）。

朱豫（1999—），女，云南昭通人，硕士研究生，研究方向为空间信息服务。

周京春（1972—），女，河北新城人，博士，教授，研究方向为空间信息服务和工程测量。