大型室內空間的可視化智慧消防逃生系統(tǒng)設計

周玥彤 張帥

基金項目：本文系湖南省普通高等學校教學改革重點項目“依托產學研多維融合的創(chuàng)意設計人才培養(yǎng)模式改革與實踐”（編號：HNJG-2022-0087）

作者簡介：周玥彤（2001.1-），女，漢族，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，研究方向：數字媒體藝術。

摘 要：隨著城市化進程的加速和人口數量、建筑物數量的不斷增加，火災風險也相應地增加。尤其在大型公共空間，人流量大，空間結構復雜，一旦發(fā)生火災，疏散和逃生難度大大增加。智慧消防作為一種創(chuàng)新性的思路，將科技手段與消防工作融合，使得消防工作更加智能化、高效化。本文專注于大型室內公共空間如商場中智慧消防逃生系統(tǒng)的設計，重點關注利用AI系統(tǒng)和大屏幕可視化技術，包括火災動態(tài)預測、結構響應分析、疏散導航與路徑規(guī)劃。該系統(tǒng)把消防逃生方案可視化，不僅能快速獲取各層人員的狀況，還能在大屏幕上展示火災程度和逃生方案，具有服務型機器人搜尋失散人員和移動支持與智能雙向消防應急疏散照明燈的輔助，從而為消防人員和公眾提供關鍵信息和指導。

關鍵詞：可視化設計，智慧消防，服務設計，人工智能

1 前言

在當代建筑趨勢中，高層化、大型化、多功能化及復雜化的特點日益明顯，這些特性使得傳統(tǒng)消防方法在火災應對上顯得緩慢且效率不高，一旦發(fā)生火災，往往導致巨大的財產損失和人員傷亡[1]。因此，對于大型公共空間而言，實施一套完善的智慧消防火災逃生系統(tǒng)顯得尤為重要。

該系統(tǒng)通過大屏幕的可視化展示，向顧客提供實時火災信息，有助于降低公眾在火災現場的恐慌心理。智慧消防火災逃生系統(tǒng)的核心在于利用高科技手段，如傳感器、數據分析和人工智能，實時監(jiān)控火場情況，快速作出反應。它不僅提供火災的詳細信息，如火源位置、煙霧和火勢擴散方向等，還能指導人們有效避開危險區(qū)域，如濃煙、有毒氣體和高溫區(qū)域，優(yōu)化了火災時的人員疏散路線。通過這種方式，系統(tǒng)能夠顯著提高逃生者的生存機會，并有效管理大規(guī)模人流的疏散，從而最大限度地減少火災帶來的傷亡和損失。

2智慧消防逃生系統(tǒng)的技術框架

2.1火災探測、監(jiān)測與結構響應分析

在智慧消防逃生系統(tǒng)的技術框架中，重要的一環(huán)是通過先進的傳感技術和人工智能（AI）算法來進行火災探測、監(jiān)測與結構響應分析。這一系統(tǒng)的核心是在建筑中部署多種類型的傳感器，包括但不限于煙霧探測器、溫度感應器、紅外傳感器和氣體分析儀。這些傳感器被設計為能夠實時捕捉與火災相關的關鍵數據，如煙霧濃度、溫度變化、火焰的存在以及有害氣體的釋放。相關數據被持續(xù)收集，并通過網絡實時傳輸到中央處理系統(tǒng)[2]。

在中央處理系統(tǒng)中，AI算法，包括機器學習模型、神經網絡或深度學習框架，被用于分析收集到的數據[3]。這些分析的目的旨在識別火災發(fā)生的跡象、預測火勢發(fā)展趨勢，以及評估建筑的結構完整性。AI系統(tǒng)通過分析歷史和實時數據，可以準確識別最初的火源位置，并預測火災的行為，如火勢蔓延速度、煙霧移動路徑和火災持續(xù)時間。同時，結構健康傳感器提供的數據使AI系統(tǒng)能夠評估建筑受熱影響后的結構穩(wěn)定性和完整性，并預測可能的結構損害和危險區(qū)域，為消防人員和應急響應團隊提供關鍵信息。

2.2火災動態(tài)及最佳逃生路徑預測

AI系統(tǒng)結合態(tài)勢感知與情景意識技術，顯著提高了火災應對的效率和精確度[4]。利用機器學習和深度學習算法，AI系統(tǒng)能夠分析來自傳感器的大量數據，如溫度、煙霧密度、氣體成分等。這些算法通過歷史數據訓練，能夠識別火災發(fā)展的模式和趨勢，預測火勢蔓延速度、方向和強度。AI還可以通過計算流體動力學（CFD）模擬和區(qū)域模型，預測煙霧運動和火勢衰退的路徑。態(tài)勢感知技術幫助系統(tǒng)實時理解和評估當前的火災情況，而情景

意識技術則結合建筑布局、人流分布和已知的安全信息，為現場人員和消防隊員提供全面的火災場景理解。綜合這些技術，AI系統(tǒng)能夠確定最安全和最快的逃生路徑，考慮到煙霧擴散、火勢蔓延、建筑結構穩(wěn)定性和人員分布，以確保逃生路線既安全又高效。在不斷變化的火災情況下，系統(tǒng)能實時更新逃生指引，動態(tài)調整逃生路徑。

2.3消防逃生路線的可視化

首先，利用CAD（計算機輔助設計）軟件獲得或創(chuàng)建建筑物的詳細平面圖，包括所有樓層、房間和緊急出口的位置。使用專業(yè)的數據可視化工具將逃生路線圖形化，以清晰直觀的方式顯示，如動態(tài)圖表、3D模型和交互式界面。并且通過AR或VR技術，可以在真實環(huán)境或模擬環(huán)境中直觀地展示逃生路線，增強培訓和演練的真實感和效果。同時利用建筑中的傳感器數據，如煙霧探測器、溫度傳感器等，實時更新逃生路線，以應對變化的環(huán)境條件。將這些技術結合使用，可以有效地制作和展示消防逃生路線圖，幫助建筑內的人員在緊急情況下迅速且安全地疏散。

3大屏幕可視化的實現和應用

3.1智慧消防可視化設計

設計有效的大屏幕可視化界面首先需要考慮用戶的需求和可視化的目標。界面設計應直觀、清晰，易于快速理解，尤其是在緊急情況下，關鍵信息，如火災的位置、規(guī)模和蔓延情況，應被突出顯示。同時，界面應展示實時更新最佳逃生路線，這些路線應根據當前火勢和建筑內部情況動態(tài)調整。此外，界面設計還應考慮到不同用戶群體的需求，比如消防人員和建筑內的居民或顧客可能需要不同類型的信息[5]。

可視化界面的設計還需考慮到易用性。例如，通過色彩編碼顯示不同的火災等級和緊急程度，使用圖標和符號表示重要的地標和逃生出口，以及確保界面在不同光線條件下都清晰可見。除了視覺元素，還可以結合聲音和文字提示，為視覺受限的用戶提供必要的信息。

3.2火災逃生信息展示

大屏幕的信息展示應覆蓋各層人員狀況、火災程度和逃生方案。首先，顯示各層的人員狀況對于疏散管理至關重要。這可能包括顯示每層的人數估計，以及識別出重點疏散區(qū)域。其次，火災程度的展示應包括火源位置、火勢強度和煙霧范圍。這些信息可以通過實時數據更新，確保提供最新的火災狀況。

逃生方案的展示應明確指出安全的逃生路線，并根據火勢變化和其他因素實時更新。在設計逃生路線時，系統(tǒng)需考慮當前的火災狀況、建筑布局、已知障礙物，以及人員分布。通過動態(tài)展示這些逃生路線，系統(tǒng)可以指導人員避開危險區(qū)域，安全快速地疏散。

數字媒體藝術在設計大屏幕可視化界面時起著重要作用。例如，使用動畫效果來表示火勢蔓延和煙霧擴散，或者通過AR技術在實景中虛擬展示逃生路線。藝術化的可視化設計不僅能吸引觀眾的注意，還能幫助他們更直觀地理解復雜的火災狀況和逃生策略。

4服務型機器人的集成

4.1火情信息搜尋

在火災緊急情況下，裝備有先進多源傳感系統(tǒng)的服務型機器人在定位和搜尋火情發(fā)揮著至關重要的作用。這些機器人利用激光和視覺SLAM（同時定位與地圖構建）導航，克服了傳統(tǒng)定位方法在煙霧環(huán)境中的局限。當火災發(fā)生時，可以及時向操作總臺實時提供現場火情，幫助總臺分析適合的疏散方法與逃生路線。

4.2引導與幫助失散人員

當進行火災救援時，有些被困于較復雜環(huán)境的人員很難自己找到逃生路線，引導和幫助失散人員方面便需要該機器人。機器人通過結合慣性導航系統(tǒng)（INS），使用陀螺儀和加速度計，實現了在混亂環(huán)境中的自主導航，提高了短期精確度。它們使用超寬帶（UWB）定位方法，在復雜的室內空間中準確導航。這一系統(tǒng)由標簽和基站組成，使機器人能夠準確地確定其位置并在障礙物和不同的室內地形中高效地移動。當搜尋到失散人員后，機器人大屏幕立即向失散人員展示逃生方向，失散人員可以在機器人下方獲取濕毛巾輔助逃生。檢測到失散人員數量較多時，機器人立即向總臺發(fā)出失散人員定位信號進行提醒，使救援外援盡快趕到。

4.3現場支持功能

除了搜索和救援外，服務型機器人還提供關鍵的現場支持功能。機器人的定位系統(tǒng)通過一個緊湊的組合模型支持，該模型融合了來自不同傳感器的數據。這種方法顯著提高了定位精度，使機器人能夠適應動態(tài)變化的火災場景。系統(tǒng)的結構確保機器人能夠提供實時、可靠的幫助，如運送緊急物資、向消防員傳遞關鍵信息以及協(xié)助疏散過程。服務型機器人在火災緊急情況下成為不可或缺的資產，尤其是在大型室內公共空間。這也展示了機器人援助在提高火災安全和應對策略方面的潛力。

5智能雙向消防應急疏散照明燈的輔助

5.1應急照明與日常照明兩用

在客流量大的建筑中，每層應設置消防疏散指示燈引領人員通往安全通道。在正常非應急狀態(tài)下，由應急照明控制器控制標志燈光源在無人活動的區(qū)域處于節(jié)電點亮模式或者長期無人時關閉；當在遇到緊急情況時，通過各個傳感器迅速判斷并作出反應，切換至應急照明狀態(tài)。火災探測器檢測火災信號，在模塊的作用下將信息反饋到消防聯(lián)動控制器，建筑里的消防聯(lián)動系統(tǒng)啟動設備滅火，消防應急燈輔助人員安全逃生，消減了不必要的成本，增加了實用有效的功能。

5.2提供電氣連接和插頭連接兩種通電模式

在有可靠電源的情況下，應利用主電源點亮疏散照明，同時進行電氣連接，即電源連接端子排。在外部沒有電源的情況下，消防燈能夠正常工作，有減少損耗和建筑更好的一體化等優(yōu)點，以確保供電時間。

5.3輔助疏散統(tǒng)計逃生人員

在發(fā)生火災時，應急疏散燈安裝傳感器進行雙方向感知逃生人數，統(tǒng)計數據傳輸操作總臺，輔助后續(xù)消防救援。緊急情況下統(tǒng)計經過人數的技術需要考慮到極端條件下的穩(wěn)定性和可靠性，熱成像技術利用熱成像攝像頭檢測和記錄熱量分布，通過捕捉人體發(fā)出的熱量來識別和統(tǒng)計人員。熱成像攝像頭可以在煙霧和低吸低夜條件下工作，適合光線不足的環(huán)境，對于火災場景尤其有用。

5.4采用組合式雙向標志燈

在高大空間，疏散方向標志燈無法吊掛安裝在頂棚處，地面疏散指示有時也不易看清指示。安裝組合式雙向安全出口應急疏散標志燈就可以在疏散通道處看到安全出口或疏散門，這也解決了安全出口在疏散通道的側面（與疏散方向平行時）無法看到的情況。

6結論

本文深入探討了大型室內公共空間的智慧消防火災逃生系統(tǒng)設計，如商場中的應用及其重要性。這一系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測火場情況，快速分析和反應，提供最佳逃生路徑，并通過大屏幕可視化技術向公眾展示關鍵的火災信息。不僅優(yōu)化了火災時的人員疏散路線，提高了逃生者的生存機會，也顯著提高了消防響應的速度和準確性。此外，服務型機器人通過高級的導航系統(tǒng)和多源傳感系統(tǒng)，在煙霧環(huán)境中有效地進行自主導航，提供搜索、救援和現場支持功能。智能雙向消防應急疏散照明燈在多功能性上表現卓越，能夠在日常與緊急情況下切換使用模式。這種照明系統(tǒng)在常態(tài)下通過控制器進行節(jié)能運作，而在火災等緊急情況自動轉換為應急模式，以支持疏散和救援行動。其獨特的雙向標志設計解決了大空間和復雜環(huán)境中疏散指示的可見問題，增強了燈具的實用性和安全性。

總體來說，本研究展示了智慧消防逃生系統(tǒng)在現代大型建筑中的火災預防和應對方面的巨大潛力。該系統(tǒng)的成功實現和應用，不僅能夠在火災中保護人民生命財產安全，還將標志著消防行業(yè)向更高效、智能化的方向發(fā)展。

參考文獻

[1]孫旋.我國消防科技發(fā)展現狀及展望[J].安全，2020，41（02）：1-6+

105.

[2]Li Zhengzhou， Fang Chaoyang， Gu Yuanshan， et al. Fire detection system based on wireless multi-sensor information fusion [J].Data acquisition and processing，2014，29（5）：694-698.

[3]Max E D N C N Y B S M I G .A Framework for Intelligent Fire Detection and Evacuation System[J].Fire Technology，2021，57（6）：1

-7.

[4]楊進;劉靜.基于態(tài)勢感知的滅火救援指揮決策信息融合研究[C]//中國消防協(xié)會滅火救援技術專業(yè)委員會;中國人民警察大學救援指揮學院;中國人民警察大學防火工程學院;中國消防協(xié)會學術工作委員會.2023年度滅火與應急救援技術學術研討會論文集 -滅火救援決策指揮與作戰(zhàn)行動安全.河北省廊坊市消防救援支隊;中國人民警察大學，2023：3.

[5]胡昌盛;董為虎;郭李學鑫.BIM+IoT+5G等技術在發(fā)電企業(yè)智慧消防中應用實踐[C]//中國消防協(xié)會滅火救援技術專業(yè)委員會;中國人民警察大學救援指揮學院;中國人民警察大學防火工程學院;中國消防協(xié)會學術工作委員會.2023年度滅火與應急救援技術學術研討會論文集-智慧消防與消防管理及其他.國能（惠州）熱電有限責任公司，2023：3.