[发明专利]一种复杂建筑室内应急疏散模拟的方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种复杂建筑室内应急疏散模拟的方法，属于空间信息技术领域。

二、背景技术

目前，城市中涌现出越来越多的高层复杂建筑，它们一般处在闹市区或商业区，周围的交通网络及内部结构异常复杂，在紧急情况(火灾、恐怖袭击等)发生时，这些建筑复杂的内部结构以及底层有限的出入口将严重阻碍人员的撤离和救援工作，尤其当建筑物的主要结构损坏时，有可能造成大量人员伤亡。

为了对建筑空间中出现的紧急情况做出快速反应，有必要知道哪几个房间和楼层受到影响，当前的占用模式和楼内哪几个路径可安全到达出口。另外，高层复杂建筑往往带有几层地下室，有水、电、气等管线，这都增加了应急救援与疏散的复杂性和难度。因此应急反应系统的一个重要功能是空间支持能力，但现存的应急反应方法通常是基于二维空间环境的，缺少可导航的三维数据模型，无法很好实现三维空间的网络分析，延误了应急救援与疏散的时间。

为了解决复杂建筑内应急疏散问题，本发明首先构建了建筑内部结构的三维层次结点关系模型(EHI-NRM)，以此表达和实现建筑内各单元间的逻辑与几何关系。在上述拓扑数据模型的基础上，提出了改进的元胞自动机(ICA)，将宏观路径规划与局部疏散模拟相结合，在宏观层次基于EHI-NRM进行动态路径规划，在微观层次运用ICA模型模拟人的行为特征。本发明能极大减少疏散时间，对保障建筑内人员的安全，以及提高应急救援部门的决策能力具有重要应用价值。

三、发明内容

1、目的：本发明的目的是自动生成复杂建筑内部三维层次结点关系模型(EHI-NRM)，在宏观层次通过EHI-NRM的动态寻径方法，实时搜索最佳疏散路径；在局部层次用改进的元胞自动机(ICA)模拟人群的疏散行为特征。本发明支持大型复杂建筑内大规模人群的疏散模拟，具有良好的社会效益。

2、技术方案：

一种复杂建筑室内应急疏散模拟的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：建立复杂建筑内部层次结点关系模型(EHI-NRM)

对空间实体进行抽象，将房间类空间实体抽象成结点，走廊以及结点之间的拓扑关系抽象成弧段，以此表达建筑内部空间实体之间的连接、邻接、包含和相交拓扑关系。

(1)建立建筑内部空间实体的语义特征和层次特征

EHI-NRM在几何模型中添加了实体的最小外包矩形(MBR)、实体包含的门窗信息与疏散模拟和救援密切相关的几何要素。

语义特征：对建筑的实体单元按特性进行分类，走廊、门具有连接特征，窗户为半连接，其它实体表现为障碍物特征。

层次性：模型分高低两个层次，低层次包括详细的结点关系结构，高层次结构关系是对每层的结点进行抽象，只保留楼梯的连接结点作为对外的边界结点，楼层内的其它结点只在楼层子图路径分析时使用。

三维实体之间的拓扑关系用图G＝(V，E)来表达，V是单元结点的有穷非空集合；集合E描述了结点之间的拓扑关系；然后，对建筑模型进行抽象；将每层楼的所有结点用一个子图代替，高层次抽象图由若干子图组成，子图之间通过边界结点相互连接。

(2)建立建筑内部空间单元间拓扑与逻辑语义关系

单元间拓扑关系主要分为：单元与门窗的包含关系、水平层面的连接关系、垂直层面的连接关系。

(3)自动构建EHI-NRM模型

EHI-NRM由中轴线计算，结点、更新拓扑关系，楼层抽象、结点的属性分配及区域划分过程组成。

将走廊进行简化，曲折的走廊用多条直线走廊代替，进而比较走廊的顶点距离，求出中轴线；若走廊与多个房间相连，通过求走廊中心点与房间中心点的第三点，作为走廊和房间的连接点；结点排序是通过对走廊的所有结点按x，y，z顺序进行增序排列，用于后面的拓扑连接。更新拓扑关系主要操作有结点排序，拓扑连接和冗余结点清除。新的结点属性继承原结点的属性，如果一个走廊结点划分为若干子结点，则新结点的基本属性包括结点类型等与原走廊相同，但结点的MBR需要重新计算。楼层抽象是对三维结点关系结构进行简化，将关系结构图抽象为一个高层次的图，它由多个低层次子图组成，子图之间通过边界结点进行连接；对关系结构图进行简化的关键是子图的划分和边界连接结点的确定。每层作为一个子图，每层的楼梯作为连接其它子图的边界结点。

步骤二：建立应急疏散模型