基于動(dòng)態(tài)建筑信息的大客流安全管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著人口數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，許多場(chǎng)所的人群聚集程度越來越大，對(duì)人員密集場(chǎng)所突發(fā)事件進(jìn)行應(yīng)急響應(yīng)的設(shè)備自動(dòng)化水平也在不斷提升，對(duì)人群疏散進(jìn)行預(yù)警信息的發(fā)布系統(tǒng)也在迅速的發(fā)展。但是，密集人群突發(fā)事故的發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)、類型、區(qū)域及事故大小程度均有一定的不確定性，應(yīng)急設(shè)備如廣播、導(dǎo)向標(biāo)識(shí)等分布十分廣泛且數(shù)量眾多，人群應(yīng)急疏散安全路線和設(shè)備之間的關(guān)系非常復(fù)雜，以及應(yīng)急設(shè)備不斷進(jìn)行更新變化等存在非常多的制約因素，僅靠人工很難制訂出適應(yīng)各種突發(fā)情況，合理優(yōu)化應(yīng)急設(shè)備選擇的客流疏散預(yù)警的信息預(yù)案，因此采取人工智能監(jiān)測(cè)的技術(shù)與方法，建立基于動(dòng)態(tài)建筑信息的大客流安全管理系統(tǒng)，是當(dāng)前該領(lǐng)域重要研究方向。針對(duì)以上問題，國(guó)內(nèi)外多位專家進(jìn)行了卓有成效的研究，Baron從環(huán)境因素研究影響人群聚集安全的因素，指出在密集的人群中有少數(shù)人發(fā)生事故，而信息在人群中不是對(duì)稱的，危險(xiǎn)會(huì)迅速傳播而導(dǎo)致混亂和恐慌的局面；JeffreyTubbs等指出一些建筑物場(chǎng)館或公共場(chǎng)所設(shè)計(jì)存在一定的缺陷，會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域面臨人群聚集發(fā)生事故的安全隱患，對(duì)人群的管理也存在很大難度；Nikos等研究提出一種基于MRF的人群密度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和估計(jì)的方法，并對(duì)該法的使用進(jìn)行了詳細(xì)說明；Liu等選擇了13個(gè)北京的地鐵站對(duì)建立擁擠踩踏模型的適用性和可行性進(jìn)行分析，并將人群聚集的風(fēng)險(xiǎn)研究和判斷在實(shí)踐中進(jìn)行應(yīng)用；南京師范大學(xué)開發(fā)了一套以地理信息為基礎(chǔ)，對(duì)人群在區(qū)域運(yùn)動(dòng)時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，并結(jié)合智能圖像監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)視區(qū)域人群運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和人群密度研究判斷，該研究已應(yīng)用于南京夫子廟地區(qū)；LiJianfeng等描述了北京市政府計(jì)劃實(shí)施建立的綜合實(shí)時(shí)監(jiān)控和風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別系統(tǒng)功能，對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行智能視頻監(jiān)控可在線對(duì)行人的擁擠狀態(tài)進(jìn)行觀察，基于二維風(fēng)險(xiǎn)矩陣判斷人群的狀態(tài)，可在10?min前進(jìn)行人流預(yù)警，以便采取措施防止事故的發(fā)生。除此之外，有些學(xué)者研究提出應(yīng)從潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行發(fā)現(xiàn)、評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)處理一系列完整的過程對(duì)人群聚集風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，例如汪強(qiáng)、孫燕提出應(yīng)重視大型人群聚集性活動(dòng)的安全管理問題，注重其早期風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估與監(jiān)測(cè)，促進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和人群管理控制的常態(tài)化，確保人群在聚集狀態(tài)下的安全問題。人群聚集的安全管理問題與人們的安全意識(shí)也有一定聯(lián)系，劉軍等認(rèn)為具備一定的公共安全意識(shí)是一種綜合素質(zhì)的體現(xiàn)，在面對(duì)突發(fā)狀況時(shí)保證自身能從容應(yīng)對(duì)，在進(jìn)行快速自救的同時(shí)還能救助他人，但我國(guó)公眾在人群聚集風(fēng)險(xiǎn)面前尚缺少風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)，劉菲從政府和公眾兩個(gè)方面對(duì)提升人們的安全意識(shí)給出了建議。雖然已有上述研究結(jié)果，但考慮建筑物本身的動(dòng)態(tài)信息對(duì)大客流安全影響的研究仍較少，針對(duì)這一問題，本文在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)云平臺(tái)系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)上，提出以BIM技術(shù)和場(chǎng)館功能分析的靜態(tài)信息與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和人流智能監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)信息相結(jié)合的大客流監(jiān)控系統(tǒng)，并使該系統(tǒng)更加貼合實(shí)際，針對(duì)性更強(qiáng)、可用性更高。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)大客流人員的實(shí)時(shí)評(píng)估，也可作為應(yīng)急事件訓(xùn)練和反應(yīng)策略的重要環(huán)節(jié)使用。1、工程概況1.1項(xiàng)目概況國(guó)家會(huì)議中心二期項(xiàng)目位于北京市朝陽區(qū)奧林匹克中心區(qū)，國(guó)家會(huì)議中心北側(cè)（圖1），用地范圍南起大屯路、北至科薈南路，東起天辰東路，西至天辰西路，建設(shè)用地總面積92?626.94?㎡，是以建設(shè)首都北京作為中國(guó)國(guó)際交往中心的重要支撐節(jié)點(diǎn)、“一帶一路”戰(zhàn)略在首都重要的落地平臺(tái)、增強(qiáng)首都北京核心功能區(qū)承接大型國(guó)際交往活動(dòng)能力為背景和契機(jī)而建設(shè)的國(guó)際會(huì)議中心，其地上建筑主要功能為展覽中心、會(huì)議中心、高端政務(wù)和商務(wù)峰會(huì)活動(dòng)中心；地下建筑主要功能為展覽中心、停車場(chǎng)及附屬配套設(shè)施。圖1國(guó)家會(huì)議中心二期工程規(guī)劃示意1.2展館概況本項(xiàng)目展館主體結(jié)構(gòu)地上三層，地下二層，展覽部分位于B25地塊首層和地下二層；會(huì)議部分位于B26地塊首層及B25及B26號(hào)地塊二層；高端會(huì)議部分位于B25及B26地塊三層；車庫(kù)及配套功能用房部分主體位于地下一、二層。展館地上首層平面如圖2所示。南側(cè)布置面積20?000?㎡展廳，北側(cè)布置面積8?000?㎡的主會(huì)場(chǎng)并附帶面積3?000㎡可作為迎賓合影的多功能序廳。（a）（b）圖2展館地上3層展廳分布情況（a）展館首層平面；（b）展廳剖面2、監(jiān)控系統(tǒng)的基本原理近幾年來，在國(guó)內(nèi)外的公共場(chǎng)所人流預(yù)警方面智能視頻圖像監(jiān)測(cè)技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用。結(jié)合人工智能健康監(jiān)測(cè)和BIM技術(shù)，可做到對(duì)于建筑內(nèi)人流的安全監(jiān)測(cè)及預(yù)警，圖3為智能化健康監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)建筑信息人流預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建架構(gòu)圖。在人流荷載信息和靜態(tài)建筑通行能力信息的基礎(chǔ)上，引入人工智能圖像識(shí)別技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)人流荷載的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息收集，以及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)與通行能力相關(guān)的建筑信息的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，從而構(gòu)建一套基于動(dòng)態(tài)建筑信息的大客流安全管理系統(tǒng)，為展覽館內(nèi)人群安全預(yù)警軟件的設(shè)計(jì)提供技術(shù)手段。圖3動(dòng)態(tài)智能人流預(yù)警機(jī)理3、管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1技術(shù)架構(gòu)展覽館建筑內(nèi)人群智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、本地監(jiān)控軟件和數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)軟件采用C/S結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)中心采用云服務(wù)框架，建立云存儲(chǔ)與云應(yīng)用。3.2整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)本地監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集，采用雙服務(wù)器組進(jìn)行雙組熱備、本地監(jiān)控中心與云服務(wù)端采用光驅(qū)連接，接入主干網(wǎng)，數(shù)據(jù)中心建立磁盤陣列，軟件系統(tǒng)的整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。圖4軟件整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意3.3軟件框架軟件系統(tǒng)核心部分是數(shù)據(jù)庫(kù)的管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中獲取各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并與安全預(yù)警系統(tǒng)、安全評(píng)估系統(tǒng)及三維可視化動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)三大模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，給用戶提供各類所需的報(bào)告和信息。人群動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的組成框架以及軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)的關(guān)系如圖5所示。圖5三維可視化人群智能動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)示意3.4軟件功能與實(shí)現(xiàn)3.4.1三維可視化動(dòng)態(tài)顯示在基于BIM技術(shù)的條件下，本系統(tǒng)可對(duì)建筑物和人群進(jìn)行三維可視化動(dòng)態(tài)顯示，直觀地顯示建筑物及行人流狀態(tài)，對(duì)建筑內(nèi)人群進(jìn)行實(shí)時(shí)的安全監(jiān)控，具體實(shí)施方式如下。（1）創(chuàng)建建筑結(jié)構(gòu)三維模型：運(yùn)用三維的建模工具來創(chuàng)建建筑結(jié)構(gòu)的三維模型，形成DWG等格式的三維模型文件，根據(jù)人群監(jiān)控的需求和分布情況確定模型上智能監(jiān)控的位置及數(shù)量。（2）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)安裝并調(diào)試客戶端和服務(wù)器端主機(jī)的通信連接：軟件的服務(wù)端開啟服務(wù)后，客戶端軟件會(huì)發(fā)起連接請(qǐng)求，成功連接后數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的存儲(chǔ)設(shè)備會(huì)以一定的頻率讀取數(shù)據(jù)，并將讀取到的數(shù)據(jù)發(fā)至服務(wù)端。在客戶端軟件上可預(yù)留讀取各種主流數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)和文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接口，適用于多種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。（3）實(shí)現(xiàn)與預(yù)警模塊的接口：通過和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的接口，利用智能視頻對(duì)場(chǎng)館建筑物人群信息進(jìn)行分析，分析結(jié)果可被預(yù)警模塊調(diào)用，對(duì)人群在建筑物內(nèi)的狀態(tài)可通過三維動(dòng)態(tài)顯示。界面設(shè)計(jì)如圖6所示。圖6三維可視化界面設(shè)計(jì)效果示意3.4.2項(xiàng)目信息模塊項(xiàng)目基本信息作為遠(yuǎn)程事故處理過程中的重要信息來源和分析依據(jù)，系統(tǒng)內(nèi)部靜態(tài)信息的保留和調(diào)取對(duì)項(xiàng)目的異常數(shù)據(jù)分析具有較重要的意義。實(shí)現(xiàn)的方式為系統(tǒng)預(yù)留開源的平臺(tái)，能給予項(xiàng)目各方一定的權(quán)限進(jìn)行資料上傳。上傳資料過程允許各方甄別和審核。同一類型資料只保留最新版，其他的均被覆蓋，通過保留獨(dú)一性，以減少數(shù)據(jù)傳輸和上傳帶來的數(shù)據(jù)失真與異常（圖7）。圖7項(xiàng)目信息界面設(shè)計(jì)效果示意3.4.3結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)考慮到基于BIM的三維可視化和項(xiàng)目信息上傳模塊的信息是靜態(tài)的，而結(jié)構(gòu)實(shí)際情況是動(dòng)態(tài)的，因此本系統(tǒng)引入結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)通行位置和設(shè)施的實(shí)時(shí)評(píng)估，實(shí)現(xiàn)通行能力的實(shí)時(shí)判定，在出現(xiàn)異?；虿粷M足要求時(shí)采用應(yīng)急響應(yīng)策略進(jìn)行處置和干預(yù)，以減少或杜絕異常事件帶來的踩踏等事件（圖8）。圖8結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)效果示意3.4.4人群智能監(jiān)測(cè)評(píng)估人群的智能健康評(píng)估系統(tǒng)是人群健康監(jiān)測(cè)的核心內(nèi)容。監(jiān)控中心通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析、專家經(jīng)驗(yàn)甄別及相關(guān)規(guī)范文件審核，運(yùn)用狀態(tài)評(píng)估理論，對(duì)同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的人群信息及建筑物通行能力進(jìn)行評(píng)估，經(jīng)安全評(píng)估判定后提供給相關(guān)人員預(yù)警和響應(yīng)決策。通過專業(yè)智能視屏監(jiān)控軟件可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)管理、報(bào)告生成、安全預(yù)警、安全評(píng)估等功能。分析產(chǎn)生的各種結(jié)果數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫(kù)，可隨時(shí)進(jìn)行調(diào)（圖9）。（a）（b）圖9大客流量監(jiān)控系統(tǒng)客流分析界面設(shè)計(jì)效果示意（a）效果圖1；（b）效果圖23.4.5預(yù)警功能設(shè)置建筑內(nèi)的行人通行儲(chǔ)備可由各情況下行人的人流量與建筑通行設(shè)施的極限通行量的比值來評(píng)定，要求其在極限通行量的范圍內(nèi)，可對(duì)其進(jìn)行分級(jí)預(yù)警，比值小于0.5為安全，0.5~0.8為比較安全，大于0.8為不太安全，即要采取預(yù)警措施。本場(chǎng)館建筑物內(nèi)人群智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)分為黃色預(yù)警和紅色預(yù)警兩級(jí)預(yù)警，系統(tǒng)預(yù)警的指標(biāo)為人流量（圖10）。一般情況下，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)監(jiān)控到的人群信息對(duì)比預(yù)設(shè)的預(yù)警限值，發(fā)出預(yù)警響應(yīng)。在特殊情況下，監(jiān)控系統(tǒng)通過對(duì)建筑物內(nèi)的突發(fā)狀況的監(jiān)測(cè)進(jìn)行應(yīng)急響應(yīng)，并進(jìn)行評(píng)估分析發(fā)生安全性預(yù)警。（a）（b）圖10報(bào)警預(yù)警功能界面設(shè)計(jì)效果示意（a）效果圖1；（b）效果圖24、結(jié)論現(xiàn)有人群智能控制主要是針對(duì)人的分析和靜態(tài)的建筑通行能力分析，其中缺失建筑結(jié)構(gòu)改變的動(dòng)態(tài)信息，針對(duì)以上問題，本文提出基于三維可視化、項(xiàng)目信息等靜態(tài)信息與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、人流智能監(jiān)測(cè)等動(dòng)態(tài)信息相結(jié)合的大客流安全管理系統(tǒng)，得到結(jié)論如下。（1）基于動(dòng)態(tài)建筑信息的大客流安全管理系統(tǒng)機(jī)理明確，技術(shù)路線可行。（2）結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的引入，可為以建筑為基礎(chǔ)框架的人流控制提供時(shí)變性參數(shù)，使該系統(tǒng)做到有的放矢，實(shí)際效率得到明顯提高。（3）通過管理系統(tǒng)軟件的功能和界