校園建筑應急疏散路徑規(guī)劃及優(yōu)化研究綜述

(華北理工大學 河北 唐山 063210)

引言

近年來，在我國經(jīng)濟迅速發(fā)展，城市化進程不斷推進的背景下，我國的建筑行業(yè)迅速崛起，城市的基礎設施愈加完善，中高層建筑、超高層建筑聳立，室外交通網(wǎng)絡也越來越復雜，城市災害也愈加頻發(fā)。

在公共建筑中，校園建筑作為一種具有特殊功能的建筑，若遇到突發(fā)的災害事故，容易對生命財產造成巨大損失，對社會引起重大負面影響。近些年來，我國教育事業(yè)蒸蒸日上，高校師生人數(shù)呈上升趨勢，人員密度也越來越大，在此背景下，校園建筑的應急疏散問題越來越受到關注。

一、校園疏散特點

與傳統(tǒng)應急疏散相比，校園疏散具有以下特點：

1.在時空分布上，人員相對集中，并具有一定的規(guī)律性。利用課表等相關信息，可以迅速的統(tǒng)計出人員的分布狀況，從而為學校人員提前規(guī)劃疏散路徑，避免盲目疏散。

2.校園中具有突出的人車混行特征。在校園中包括教學樓、禮堂、食堂等建筑，廣場、操場等空曠地區(qū)，校園內道路等，在應急疏散時，學生會借助可以利用的所有交通方式。校園中的路網(wǎng)是允許人車混合通行的，因此，在應急疏散的過程中，具有顯著的人車混行特點。

3.校園疏散具有小團體性。在校園中由于存在系和班級，會在疏散過程中表現(xiàn)出小團體性，班長或輔導員可以給予一定的指引，便于規(guī)劃疏散路徑。

4.在校園建筑的疏散中，學生具有比較高的關注度，年齡又普遍較低，對應急疏散過程也會有一定影響。

針對上述特征，傳統(tǒng)意義上制定疏散方案的方法是通過定期進行疏散演練來達到的，在疏散演練的過程中，不僅可以對被疏散人員增加相應的疏散經(jīng)驗和應急技能，還可以通過分析疏散過程中的數(shù)據(jù)與問題，為制定和調整疏散方案提供參考。這種方式雖然可以科學合理的制定出高效的疏散方案，卻會耗費巨大的人力物力[1]。

二、應急疏散路徑規(guī)劃方法

規(guī)劃疏散路徑，對復雜建筑發(fā)生突發(fā)事件時的快速疏散，具有指示作用。通過對國內外有關應急疏散路徑規(guī)劃方法的研究，發(fā)現(xiàn)在應急疏散路徑規(guī)劃方法上，主要應用蟻群算法、A＊算法、Dijkstra算法等進行路徑規(guī)劃，并針對路徑規(guī)劃方法提出了獨特見解，對校園建筑的應急疏散研究奠定了基礎。

Lim G J，Zangeneh S，Baharnemati M R(2012)在《A capacitated network flow optimization approach for short notice evacuation planning》中提出的多種類動態(tài)網(wǎng)絡流問題規(guī)劃是在時間為擴展的基礎上，以尋找疏散范圍內每一個節(jié)點上的疏散路徑、流量和進度為目的。研究中在求解最優(yōu)規(guī)劃路徑上采用Dijkstra算法，在求解最短路徑上允許通過的最多逃生人員的可能數(shù)上采用Ford-Fulkerson算法[2]。此研究的獨到之處在于認為疏散路徑上的人員流量是恒定的模型假設上。

Mishra G，Mazumdar S，Pal A(2015)的《Improved Algorithm for The Evacuation Route Planning Problem》為解決SSEP問題，即單源單匯疏散路線計劃問題，提出的改進算法，在對比CCRP算法，即能力約束路徑規(guī)劃算法后發(fā)現(xiàn)，此算法在疏散時間以及運行時間上都存在優(yōu)勢[3]。此研究解決了單源單匯問題，但是實際發(fā)生突發(fā)事件，對人員進行疏散是多源多匯問題，在以后的研究中應在單源單匯問題向多源多匯問題的轉化上多做努力，使研究更加符合現(xiàn)實要求。

Cuesta A，Abreu O，Balboa A(2017)在《Real-time Evacua-tion Route Selection Methodology for Complex Building》中提出的實時決策方法是一種基于復雜建筑物內部選擇最優(yōu)疏散路徑的方法，其目的是達到最短疏散時間，找到最安全的疏散路徑。在對其有效性的評估中，將隨機疏散模型與商業(yè)疏散模型STEPS做對比[4]。此研究在自動檢測模型和危險傳播模型上比較缺乏，是其不可忽視的缺點。

趙映杰[5](2012)的《虛擬逃生系統(tǒng)中路徑規(guī)劃技術的研究與應用》在改進A＊算法上利用了分級路徑捜索方法，使得改進后的算法在搜索效率上有了提高，并將該算法在校園虛擬火災逃生系統(tǒng)中進行應用。

華東師范大學的教授李響的團隊在疏散過程的研究中考慮到疏散路徑的擁堵情況，提出了一種應用于多層多出口的建筑物室內應急疏散路徑計算方法。

李清泉、李秋萍、方志祥(2011)的《一種基于時空擁擠度的應急疏散路徑優(yōu)化方法》在疏散過程的研究中考慮到疏散路網(wǎng)隨著疏散人員的移動可能會有擁擠堵塞現(xiàn)象發(fā)生，建立了一個擁堵衰減函數(shù)來描述疏散路網(wǎng)隨著疏散時間的變化，可以提供實時疏散逃生路徑給疏散人員，避免擁堵現(xiàn)象的發(fā)生。

對相關文獻分析發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)的應急疏散研究中，主要為單源單匯的疏散問題，但實際突發(fā)事件發(fā)生時的應急疏散是多源多匯問題，學者們在考慮實際的基礎上，對應急疏散方法進行改進，使算法更符合實際；在人員疏散的過程中，擁擠堵塞現(xiàn)象普遍存在，研究中通過限定路徑上的人員流量或建立與人員擁擠相關函數(shù)及模型，來避免擁擠堵塞現(xiàn)象的發(fā)生，保證疏散的順利進行。

三、路徑優(yōu)化模型及其算法

路徑優(yōu)化模型及其算法是規(guī)劃應急疏散路徑的核心內容。國內外許多學者對于路徑優(yōu)化模型的研究投入了大量精力，對優(yōu)化后的算法也進行了驗證和模擬，對校園建筑應急疏散的研究與路徑的優(yōu)化提供了理論及幫助。

Khalid M N A，Yusof U K(2015)在《An artificial Immune Approach for Optimizing Crowd Emergency Evacuation Route Planning Problem》中提出的人群疏散模型，考慮了疏散人員個體之間的相互作用以及人群集體模式，并在求解ERP(應急路徑規(guī)劃)問題上采用人工免疫算法，在對進行模型評價后，利用各種實驗對相關參數(shù)進行校準，以期使模型達到最佳效果[6]。

Duan P，Xiong S，Yang C[7](2016)的《Personalized route planning system based on Wardrop Equilibrium model for pedestrian-vehicle mixed evacuation in campus》所提出的關于校園應急疏散模型是一種以人車混合疏散為基礎的個性化路線規(guī)劃模型，該模型為了找到與系統(tǒng)均衡接近的最佳用戶平衡，考慮了人車間混合疏散產生的擁擠和學生疏散過程中的實際因素。服務器在Wardrop均衡模型的基礎上，計算出優(yōu)化后的疏散路線，并通過智能移動終端引導人員進行撤離。為驗證該算法可行，以武漢理工大學為例，應用該模型模擬應急疏散過程，最終證明該模型在指導現(xiàn)實疏散中具有科學依據(jù)。

何健飛、劉曉(2013)在《基于擁擠度的地鐵應急疏散路徑優(yōu)化方法》中建立的應急疏散模型，是以地鐵站為背景，考慮了疏散人群的服從度與擁擠度，該模型首先生成的分配方案是采用的前k條最短路徑算法，而后在對每個疏散個體規(guī)劃新的路徑進行疏散時采用改進的拍賣算法，在疏散過程中運用此模型后的，疏散人員之間的擁擠程度得到了降低，疏散效率得到了提高[8]。該模型在算法上具有較低的復雜程度且易被跟蹤的最短路徑的優(yōu)點。

董崇杰、劉毅、彭勇(2016)在《改進布谷鳥算法在人群疏散多目標優(yōu)化中的應用》中將布谷鳥搜索算法所存在的不足與差分進化法進行整合，提出的改進后的布谷鳥搜索算法是以差分進化法為基礎，并在此算法的基礎上建立了以擁擠度、疏散時間以及總路徑長度為基礎指標的人群疏散多目標模型[9]。

彭華、李引擎，孫旋(2010)的《疏散過程中的路徑規(guī)劃與多出口選擇》所提出的多出口選擇模型是一種存在相應約束條件的疏散模型，此模型利用加權法將復雜的多目標問題轉變?yōu)楹喡缘膯文繕藛栴}，所用的算法從導航點數(shù)量、人員半徑以及路徑長短等方面進行考慮，解決了目標點與導航點的連接仍然相交于威脅區(qū)域情形下的路徑規(guī)劃問題[10]。

對相關研究分析發(fā)現(xiàn)，在疏散的過程中，考慮到疏散人員的社會行為和社會現(xiàn)象以及校園環(huán)境下的人車混行特點，使建立的疏散路徑模型更加符合實際；在考慮疏散人群擁擠度的基礎上，建立疏散路徑優(yōu)化模型，有效改善疏散過程中的擁擠堵塞現(xiàn)象，提高疏散的安全性。

四、結論

近年來，隨著城市災害的頻繁發(fā)生，對建筑物的應急疏散研究也越來越多。通過對國內外有關應急疏散路徑及優(yōu)化的發(fā)展和現(xiàn)狀的研究，可以看出國內外對大型建筑或公共建筑突發(fā)事件下的應急疏散方面的研究已逐漸成熟，并有不少研究成果，但還是在火災或地震等單一災害發(fā)生下的研究較多；在國內外的研究中，利用智能優(yōu)化算法建立科學有效的疏散模型，對被疏散人員進行高效的疏散，這些成果為研究校園建筑在發(fā)生突發(fā)事件時制定合理有效的應急疏散方案提供了基礎。