張麗巖，劉婧，馬健

(蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇蘇州，215000）

0 引言

隨著國家的經(jīng)濟社會發(fā)展的越來越快，人民的經(jīng)濟水平飛速增長，建筑樓層越來越高。當(dāng)多層建筑發(fā)生火災(zāi)時，會產(chǎn)生大量煙氣并迅速蔓延擴散至整個建筑物，這增加了多層建筑火災(zāi)的人員疏散難度。最近，國內(nèi)外多層建筑頻繁的發(fā)生火災(zāi)，導(dǎo)致人員傷亡和經(jīng)濟損失巨大，也加大了人員疏散難度和消防救援工作難度。在智能化的時代，火災(zāi)智能應(yīng)急系統(tǒng)能夠有效準(zhǔn)確的根據(jù)火災(zāi)發(fā)生的情況作出反應(yīng)，維護群眾生命和財產(chǎn)的安全。因此，在物聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的今天火災(zāi)智能應(yīng)急系統(tǒng)取代傳統(tǒng)人工應(yīng)急措施顯得尤為重要。

本文為有效減少多層建筑火災(zāi)發(fā)生產(chǎn)生的損失提出了基于數(shù)字孿生的應(yīng)急系統(tǒng)，即火災(zāi)智能應(yīng)急系統(tǒng)?；馂?zāi)智能應(yīng)急系統(tǒng)組合了Flow-3D技術(shù)和GIS技術(shù)，為火災(zāi)中的逃生者提供實時精確的逃生路線，并且為消防救援人員提供救援指引，利用數(shù)字孿生技術(shù)，對實時接收火災(zāi)現(xiàn)場狀況信息，對人員疏散路徑和時間進行實時通知，最大程度的減少受災(zāi)人員的傷亡和經(jīng)濟損失。為此，本文以某多層建筑為研究對象，運用Flow-3D軟件對該多層建筑樓發(fā)生火災(zāi)時煙氣擴散速率進行了數(shù)值模擬分析，為多層建筑火災(zāi)安全管理提供依據(jù)。

1 方法概述

本文提出的數(shù)字孿生驅(qū)動的火災(zāi)智能應(yīng)急系統(tǒng)的原理框架圖如下（圖1）。該系統(tǒng)由三個模塊構(gòu)成，分別是數(shù)字孿生模塊、信息感知模塊和實時通知模塊。

圖1 數(shù)字孿生驅(qū)動的火災(zāi)智能應(yīng)急系統(tǒng)

數(shù)字孿生模塊：將Flow-3D和GIS技術(shù)集成，從而等到建筑的幾何尺寸和空間位置；信息感知模塊：通過建筑內(nèi)的傳感器來獲取火災(zāi)信息，包括火災(zāi)發(fā)生現(xiàn)場煙霧的濃度、室內(nèi)的溫度等；實時通知模塊：由數(shù)字孿生驅(qū)動的火災(zāi)智能應(yīng)急系統(tǒng)通過信息感知模塊收集的信息分析火災(zāi)情況，實時動態(tài)地通知受災(zāi)人員最佳的逃生時間和逃生路徑、可取用滅火裝置位置以及及時通知消防部門[1]。

1.1 數(shù)字孿生模塊

數(shù)字孿生(Digital Twin)是表述虛擬空間對物理實體空間的一種映射關(guān)系，數(shù)字孿生模型是一種融合虛擬和實體的模型[2]。在物理實體世界進行數(shù)據(jù)的記錄和收集，傳輸?shù)綌?shù)字虛擬世界進行仿真和預(yù)測，對研究對象的全程監(jiān)測與控制，從而達(dá)到現(xiàn)實資源的合理配置。數(shù)字孿生技術(shù)的出現(xiàn)很大程度上是因為大數(shù)據(jù)時代的出現(xiàn)，各種建模、人工智能技術(shù)的出現(xiàn)也加速了數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展。特別是因為現(xiàn)今傳感器技術(shù)的飛速進步，物理實體世界的實時動態(tài)信息由傳感器收集并精準(zhǔn)快速地傳輸?shù)綄?yīng)的虛擬世界。數(shù)據(jù)化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展是現(xiàn)實世界進入虛擬世界的技術(shù)支撐；智能化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展也使得現(xiàn)實世界與虛擬世界相融合，虛實結(jié)合，綿延不絕。由此，物理實體世界在與虛擬世界的交互下有序的運行[3]。

本系統(tǒng)中的，F(xiàn)low-3D模型提供建筑物的幾何尺寸和建筑物內(nèi)各類設(shè)備位置等信息；GIS模型提供所研究的建筑物所處城市位置的基本信息。所以，F(xiàn)low-3D和GIS所構(gòu)成的數(shù)字孿生模型相當(dāng)于是與現(xiàn)實世界相對應(yīng)的一個虛擬的鏡像。因此，構(gòu)成的數(shù)字孿生模型可以為火災(zāi)智能應(yīng)急系統(tǒng)提供建筑物內(nèi)外的基本環(huán)境信息[4][5]。

1.2 信息感知模塊

龐大的實時動態(tài)數(shù)據(jù)由各種傳感器設(shè)備收集和傳輸，并由物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分析、反饋和處理，形成數(shù)據(jù)信息的交互。在本系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用于煙氣濃度和溫度等各類數(shù)據(jù)采集，從而判斷火源、火情等級等，為后續(xù)人們逃生路徑的確定奠定了多源信息基礎(chǔ)，從而有效的防范各種危險。

1.3 實時通知模塊

火災(zāi)發(fā)生后，火災(zāi)信息被前端的火災(zāi)傳感器所感知并且實時傳遞，通過數(shù)字孿生模型信息和信息感知的結(jié)合分析，可以通過室內(nèi)廣播、手機通知實時獲得逃生路徑、滅火路徑以及對消防部門的快速通知，從而最大限度的減少人員傷亡和經(jīng)濟損失。室內(nèi)廣播不間斷播報可通行區(qū)域、安全防火區(qū)域等；手機可以聯(lián)入室內(nèi)WiFi獲得動態(tài)的可通行區(qū)域的信息。

2 案例研究

以某多層建筑為原型，建立基于Flow-3D模擬仿真的建筑模型，假設(shè)一個火災(zāi)發(fā)生地點，主要研究多層建筑大樓中自帶的樓梯間、電梯井和合用前室火災(zāi)發(fā)生后的煙氣擴散濃度和速率，結(jié)合火災(zāi)智能應(yīng)急系統(tǒng)對豎向通道進行研究，分析提出關(guān)于火災(zāi)預(yù)警、處理、疏散的建議[6]。

2.1 數(shù)字孿生模型的建立

2.1.1 多層建筑樓概況

建立火災(zāi)仿真模型如圖2、3。建筑的全部高度約42米，樓層高度約3.8米，樓層數(shù)為10層?，F(xiàn)對某多層建筑大樓進行火災(zāi)的仿真模擬，主要研究多層建筑大樓中自帶的樓梯間、電梯井和合用前室火災(zāi)發(fā)生后的狀態(tài)及煙氣充滿豎井的速率，通過數(shù)字孿生技術(shù)對這些豎向通道進行火災(zāi)的應(yīng)急處理。

圖2 多層建筑模型側(cè)視圖

圖3 多層建筑模型平面圖

2.1.2 火災(zāi)場景設(shè)置

火源設(shè)置：將火源設(shè)為發(fā)生在合用前室的固定火源，建立相應(yīng)的火災(zāi)場景。需要注意的是，火災(zāi)場景不是實實在在發(fā)生的火災(zāi)，而是在大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計下的結(jié)果。在進行設(shè)計時，應(yīng)該先確定研究模型的幾何形狀和著火點的位置。假定火源發(fā)生在一樓的合用前室（如圖4），主要研究合用前室起火以及樓梯間和電梯井煙氣擴散的速率。

圖4 多層建筑模型起火點

邊界條件設(shè)置：（1）火災(zāi)中存在的任何氣體都視為理想氣體；（2）火災(zāi)發(fā)生過程以全封閉區(qū)域為研究對象； （3）著火點在合用前室；（4）模擬時間為500s。本論文建筑模型邊界條件的設(shè)置如下圖所示（如圖5）。

圖5 多層建筑模型邊界條件

網(wǎng)格劃分：火災(zāi)仿真燃燒模擬時采用網(wǎng)格大小為0.1m×0.1m×0.1m，模擬網(wǎng)格總數(shù)量為6699000個（如圖6）。

圖6 多層建筑模型網(wǎng)格圖

2.2 煙氣濃度和擴散速率模擬分析

火災(zāi)發(fā)生時豎向通道煙氣擴散的狀況如圖7。火災(zāi)剛發(fā)生時，煙氣在著火層的濃度最大，煙氣不斷產(chǎn)生并且往上擴散。隨著時間的增長，煙氣逐漸擴散在建筑物頂部。由于樓梯間和合用前室在自身的垂直區(qū)域內(nèi)向上擴散有墻壁的阻擋，而電梯井在垂直方向上毫無阻力，所以電梯井的擴散速度最快。圖8、9為火災(zāi)場景下，多層建筑火災(zāi)煙氣濃度以及煙氣擴散到達(dá)的層數(shù)隨時間的變化曲線。

圖7 多層建筑模型中的煙氣運動

圖8 多層建筑火災(zāi)煙氣濃度曲線圖

圖9 多層建筑火災(zāi)煙氣擴散速率曲線圖

由圖8、9，我們可以看出該多層建筑著火后，隨著時間的增長，煙氣擴散層數(shù)不斷上升。但隨著層數(shù)越來越多，煙氣擴散速率逐漸下降，即曲線圖中斜率越來越?。划?dāng)每層的煙氣濃度達(dá)到人體所不能通行的濃度（A=1mg/m3）時，室內(nèi)廣播則會進行播報通知，例如，在80s時，1層的煙氣濃度達(dá)到1mg/m3，在沒有任何排煙措施下，此時1層的樓梯疏散已不可選用。所以上層受災(zāi)人員的樓梯疏散最佳時間則在發(fā)生火災(zāi)的80秒內(nèi)，此后可以通知未疏散人員采用其他設(shè)備進行逃生，例如自動逃生梯、擦窗吊籃等[7]。

在火災(zāi)初期，實時動態(tài)地提示火源位置，匹配距離最近的滅火器位置進行快速滅火，有效防止火災(zāi)擴散；在火災(zāi)擴散期，及時通知人員疏散和消防部門趕赴現(xiàn)場，合理安排人員逃生路徑[8]。

3 結(jié)語

本文提出一種適用于多層建筑的火災(zāi)智能應(yīng)急系統(tǒng)，將Flow-3D、GIS等技術(shù)相結(jié)合，進行火災(zāi)數(shù)值模擬，為火災(zāi)逃生人員提供有效的逃生信息，同時也有利于消防部門救援工作的展開。本例中，數(shù)字孿生模塊中的數(shù)字孿生模型由Flow-3D軟件和GIS技術(shù)結(jié)合組成；物聯(lián)網(wǎng)與火災(zāi)傳感器組成系統(tǒng)的信息感知模塊，及時收集和傳輸實時的火災(zāi)信息；實時通知模塊主要由室內(nèi)廣播和手機通知組成，并以某多層建筑為例進行分析。

本文的模擬仿真只對煙氣濃度和速率進行了研究，還可以結(jié)合溫度因素考慮。本系統(tǒng)受室內(nèi)WiFi技術(shù)限制，火災(zāi)中環(huán)境的變化也會影響到系統(tǒng)的工作效能。如果在火災(zāi)中建筑物內(nèi)額定位設(shè)備、信息感知設(shè)備損壞，將會導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)果出現(xiàn)誤差。由此，設(shè)想在火災(zāi)智能應(yīng)急系統(tǒng)中進一步結(jié)合AR和5G技術(shù)來增強性能、提高準(zhǔn)確度。