基于GIS的大型公共建筑突發事件可視化研究

劉天釗

（山東省人防指揮信息保障中心，山東 濟南 250014）

0 引言

大型公共建筑疏散模擬及救援調度研究涉及大量的空間地理信息。地理信息系統（GIS，Geographic Information System）可以實現空間信息及其他各類信息的有效管理，并能對地理信息數據進行查詢、檢索、統計和計算。因此，構建基于GIS的大型公共建筑應急疏散救援決策模型，可以模擬優化各種突發事件條件下最優應急疏散策略及救援策略，為政府有關部門在城市建設和城市防災規劃中的決策提供科學依據。

本文以某市大型建筑應急疏散系統為研究對象，討論了基于GIS的疏散區域數據實時采集與可視化、空間查詢分析、火災蔓延分析、最優路徑選擇等問題及其解決辦法。以某市大型建筑應急疏散系統為例，設計和建立了應急救援疏散數據庫，拓撲該市道路網，設計該市大型建筑應急疏散地理信息空間數據庫，實現操作的各種輔助功能，最后詳細論述了如何實現上述幾項關鍵技術。

1 火災蔓延分析模型

大空間建筑物，是指那內部空間大的建筑物，如大型倉庫、大型商場、展覽場館、會議中心、娛樂中心以及高層建筑的中庭等。由于大空間建筑本身的這些結構和使用功能上的特殊性，使得大空間建筑火災具有以下幾個特點∶（1）火災損失較一般建筑物火災更為嚴重；（2）火災發生原因難以防控，發生后撲救難度大；（3）煙氣對人群的危害更為突出。

在建筑火災中，煙氣是人員生命安全的最大威脅。對于大空間建筑，煙氣危害性更加嚴重。這是因為大空間建筑存在很大的空間，在這個空間內沒有任何阻擋物，煙氣很容易發展，并迅速蔓延到建筑的其它部分，造成更大的危害。因此，研究大空間建筑火災中的煙氣運動及著火區域的蔓延對于減少火災中人員的傷亡具有重要的意義。

火災煙氣中危害性氣體在狹長通道內沿著水平方向呈現不同的分布特點，在較遠距離的位置是上下兩層分布，而在較近的位置則不然。這揭示了一個新的特點，即針對狹長通道的火災煙氣傳播研究，應該根據距離火源遠近的不同選擇合適而高效的模型，在較近位置可用場模型或者t2模型，而在較遠位置可用兩層區域模型。火災時產生的煙氣是致人死亡的主要原因，大部分為CO（一氧化碳）等煙氣中毒，缺氧窒息等。由于在火災區域遠距離上下兩層之間危害性氣體濃度在模擬過程中差別非常大，主要原因是上層煙氣主要受熱作用影響而下層煙氣則主要取決于濃度擴散作用。危害性氣體的濃度隨高度呈現明顯的階梯變化，CO和CO濃度在遠距離處仍然保持相當高的濃度有些甚至高于火源近處的濃度。這也是火災中很多遇難者死于遠離火源位置的原因。

火災熱釋放速率曲線的確定是火災基礎研究的一個重要問題，現在通常稱這種研究為設定火災。目前應用較為廣泛的有三種模型∶初期增長模型、全過程模型、多件物品的熱釋放速率疊加模型。

火災增長模型在計算上具有簡便的優勢，目前一般用下面的二次方程描述:

其中，Q——燃燒熱量kW）；α——火災增長系數（kW/s2）；t——點火后的時間（s）；t0——開始有效燃燒所需的時間(s)。

綜合大量試驗的結果現在一般將其分為慢速、中速、快速、超快速等四種類型，各類火災增長的火災增長系數依次為0.002931、0.01127、0.04689、0.1878，如圖 1 所示。

一種常用的方式就是將按照火災的發展過程將熱釋放速率曲線分為三段∶初期增長階段采用t2模型描述，在充分發展階段認為熱釋放速率維持不變，在減弱階段則按線性減弱處理，模型簡圖見圖2所示。

城市中民用建筑一旦發生火災，由于煙囪效應，極大地加快了火勢的縱向蔓延速度。高層民用建筑火災蔓延的途徑很多∶一是樓梯間、電梯井、電纜井、管道井等豎向疏散通道和各種井道；二是建筑物外墻上的窗戶和玻璃幕墻；三是建筑內部的共享空間，比如天井、疏散通道等；四是通風、空調系統和防排煙系統的風道、管道及其保溫材料；五是建筑內部的走廊等公共場所；六是變形縫和施工中預留的孔洞；七是電氣線路等。試驗證明，在火災初起階段，因空氣對流而產生的煙氣，在水平方向擴散速度為0.3m/s，在火災燃燒猛烈階段，由于高溫的作用，熱對流而產生的煙氣擴散速度為。0.5-3m/s，煙氣沿樓梯間等豎向管井的垂直擴散速度為3～4m/s。煙氣的蔓延速度是火的5倍以上，其能量是火的5-6倍。煙氣的流動方向就是火勢蔓延的路徑。火災的發生發展與濕度、風、溫度、降水等氣象條件都有密切關系。在選擇火災蔓延分析模型時，要充分考慮到這些因素，根據現場獲取的資料，構建一個更合理、更合乎實際的模型，為疏散策略的實施提供好的條件。

2 基于GIS的大型建筑應急疏散系統

2.1 關鍵技術

GIS可以方便地對空間數據進行采集、分析、管理、輸出等，并具有區域分析、多種要素分析和動態監測的能力。與一般的數據庫不同，GIS不僅可以高效地處理空間數據，而且還可以管理有拓撲結構的圖形數據，并建立兩者之間的關系，因此特別適用于建立大型建筑應急疏散系統。一旦發生緊急事件，即可充分發揮GIS所特有的功能，實時地跟蹤災害的發生、發展過程，并付諸開展災害應急和恢復工作。基于GIS的大型建筑應急疏散系統關鍵技術主要包括空間數據采集與編輯、空間數據管理、制圖功能、空間查詢與空間分析功能及地形分析功能等。

2.2 可視化的實現

本節將通過示例詳細介紹可視化實現及本設計的其他關鍵技術∶查詢技術、火災區域蔓延分析和救援最優路徑規劃。

2.2.1 查詢技術

在系統功能面板上點擊“查詢-查詢火災點”，如圖3所示，電子地圖上會顯示火災發生點，用閃爍顯示。點擊“查詢-查詢視區”，查看火災點的放大圖，如圖4所示。

查詢分析主要包括兩部分∶第一，基本屬性信息查詢；第二，SQL查詢；第三，模糊查詢。實現不同用戶的不同需求。

（1）基本屬性信息查詢實現

在系統功能面板上點擊“查詢-基本屬性信息查詢”按鈕，顯示在電子地圖上，點擊對象查看對象屬性信息。如圖5所示，屬性表顯示選中區域為建筑的基本信息（包括火災發生概率和煙霧濃度）。

（2）SQL 查詢技術實現

SQL查詢主要功能是根據對象的某一屬性字段查詢其一類符合條件的實現方法。查詢煙霧濃度的窗體如圖6所示。此查詢結果如圖7所示。

符合查詢條件 （煙霧濃度大于1的居民區）的查詢結果在axSuperGridView1中顯示，右端的字段“煙霧濃度”顯示了居民區內對應的火災發生概率和其他屬性值。

（3）模糊查詢技術實現

模糊查詢主要功能是根據用戶輸入的模糊命令，對符合查詢條件的對象加以顯示。

2.2.2 火災區域蔓延分析

火災區域蔓延分析主要是利用緩沖區分析功能。對著火區域生成多重緩沖區，形成火災區域的影響域。

實時模擬∶首先確認火災發生時間，然后根據火災區域的燃燒級別選擇不同的增長速率（慢速0.002931、中速0.01127、快速0.04689、超快速0.1878），依據現有的資料和數據適當選擇空氣濕度、外界風速和風向，最后生成一個模擬圖，判斷和分析著火區域的影響區域，確定著火區域的死亡區、重傷區、輕傷區、煙霧區（其中黑色范圍內為重傷區），進而為內部的逃生人員確定合理的逃跑路徑，并實時通知館內人員選擇入口采取營救措施。

影響火災區域蔓延的若干因子有火災已發生時間，火災的增長速度，空氣濕度，風速和風向，如圖8所示。確定著火區域后，依次選擇各因子，選擇實時模擬，如圖9所示。

在圖9中，右側為火災蔓延因子控制區，地圖下方顯示各蔓延區域的詳細信息。

生成的蔓延區域分為三級∶死亡區、重傷區、輕傷區。其中處于黑色環內區域為死亡區，最外層為輕傷區，中間為重傷區。賓館內煙霧的擴散速度大于館內人員的逃生速度，所以煙霧區彌漫于整個走廊中，甚至整個樓層都會感覺到煙霧的存在。此時，應采取果斷措施，如隔離著火區，疏散重傷區和輕傷區，緊急搜救死亡區，制定并實時通知館內人員的最佳逃跑路徑。

通過比較兩個圖（圖9和圖10），明顯看出各個蔓延區域都擴大，尤其是死亡區擴大，附近的出口需關閉，應及時調整疏散路徑并實時通知館內人員。

自動模擬∶選擇自動模擬后，選擇時間間隔，進入自動模擬狀態。然后等待模擬圖像的變化。如圖11顯示選擇自動模擬后的按鈕狀態。自動模擬圖過程圖，如圖12所示。

2.2.3 救援最優路徑規劃實現

在這里用到SuperMap Objects提供的TrackingLayer對象，該對象隸屬SuperMap庫，不可創建，具有如下特性∶跟蹤層位于地圖的最上層，可用于同時顯示點、線、面、文本等幾何對象。

在電子地圖上用圓域選擇一定范圍內（如1000m內）的醫療救助點，符合條件的點用紅色顯示。如圖13所示。然后，利用跟蹤圖層的特性，劃線確定醫療救援的路線。并實現對救援人員的實時跟蹤。如圖14所示。

3 結論

大型建筑應急疏散不但可以控制應急事件后果，減少傷亡和損失，而且對應急處理道路上其他突發事件也非常有意義，對具有快速反應能力的大型建筑應急疏散提出了新的挑戰。

基于GIS的大型公共場所突發事件可視化研究，依托GIS軟件平臺，建立災害蔓延的實時模擬和自動模擬，根據風速、風向、擴散速度等相關參數確定單重災害和多種災害發生時應急疏散范圍，查詢附近的避難場所并選出最佳路徑、用戶信息管理等功能，以便能夠快速、準確地模擬城市大型建筑設施的火災蔓延，輔助決策者做出防災減災的具體措施。

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