大型室內(nèi)空間的可視化智慧消防逃生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周玥彤 張帥

基金項(xiàng)目：本文系湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革重點(diǎn)項(xiàng)目“依托產(chǎn)學(xué)研多維融合的創(chuàng)意設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)模式改革與實(shí)踐”（編號(hào)：HNJG-2022-0087）

作者簡(jiǎn)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(shù)字媒體藝術(shù)。

摘 要：隨著城市化進(jìn)程的加速和人口數(shù)量、建筑物數(shù)量的不斷增加，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)地增加。尤其在大型公共空間，人流量大，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦發(fā)生火災(zāi)，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(nèi)公共空間如商場(chǎng)中智慧消防逃生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)關(guān)注利用AI系統(tǒng)和大屏幕可視化技術(shù)，包括火災(zāi)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析、疏散導(dǎo)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(zāi)程度和逃生方案，具有服務(wù)型機(jī)器人搜尋失散人員和移動(dòng)支持與智能雙向消防應(yīng)急疏散照明燈的輔助，從而為消防人員和公眾提供關(guān)鍵信息和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：可視化設(shè)計(jì)，智慧消防，服務(wù)設(shè)計(jì)，人工智能

1 前言

在當(dāng)代建筑趨勢(shì)中，高層化、大型化、多功能化及復(fù)雜化的特點(diǎn)日益明顯，這些特性使得傳統(tǒng)消防方法在火災(zāi)應(yīng)對(duì)上顯得緩慢且效率不高，一旦發(fā)生火災(zāi)，往往導(dǎo)致巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡[1]。因此，對(duì)于大型公共空間而言，實(shí)施一套完善的智慧消防火災(zāi)逃生系統(tǒng)顯得尤為重要。

該系統(tǒng)通過(guò)大屏幕的可視化展示，向顧客提供實(shí)時(shí)火災(zāi)信息，有助于降低公眾在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的恐慌心理。智慧消防火災(zāi)逃生系統(tǒng)的核心在于利用高科技手段，如傳感器、數(shù)據(jù)分析和人工智能，實(shí)時(shí)監(jiān)控火場(chǎng)情況，快速作出反應(yīng)。它不僅提供火災(zāi)的詳細(xì)信息，如火源位置、煙霧和火勢(shì)擴(kuò)散方向等，還能指導(dǎo)人們有效避開(kāi)危險(xiǎn)區(qū)域，如濃煙、有毒氣體和高溫區(qū)域，優(yōu)化了火災(zāi)時(shí)的人員疏散路線。通過(guò)這種方式，系統(tǒng)能夠顯著提高逃生者的生存機(jī)會(huì)，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(zāi)帶來(lái)的傷亡和損失。

2智慧消防逃生系統(tǒng)的技術(shù)框架

2.1火災(zāi)探測(cè)、監(jiān)測(cè)與結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

在智慧消防逃生系統(tǒng)的技術(shù)框架中，重要的一環(huán)是通過(guò)先進(jìn)的傳感技術(shù)和人工智能（AI）算法來(lái)進(jìn)行火災(zāi)探測(cè)、監(jiān)測(cè)與結(jié)構(gòu)響應(yīng)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(cè)器、溫度感應(yīng)器、紅外傳感器和氣體分析儀。這些傳感器被設(shè)計(jì)為能夠?qū)崟r(shí)捕捉與火災(zāi)相關(guān)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，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(guān)數(shù)據(jù)被持續(xù)收集，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街醒胩幚硐到y(tǒng)[2]。

在中央處理系統(tǒng)中，AI算法，包括機(jī)器學(xué)習(xí)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或深度學(xué)習(xí)框架，被用于分析收集到的數(shù)據(jù)[3]。這些分析的目的旨在識(shí)別火災(zāi)發(fā)生的跡象、預(yù)測(cè)火勢(shì)發(fā)展趨勢(shì)，以及評(píng)估建筑的結(jié)構(gòu)完整性。AI系統(tǒng)通過(guò)分析歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確識(shí)別最初的火源位置，并預(yù)測(cè)火災(zāi)的行為，如火勢(shì)蔓延速度、煙霧移動(dòng)路徑和火災(zāi)持續(xù)時(shí)間。同時(shí)，結(jié)構(gòu)健康傳感器提供的數(shù)據(jù)使AI系統(tǒng)能夠評(píng)估建筑受熱影響后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和完整性，并預(yù)測(cè)可能的結(jié)構(gòu)損害和危險(xiǎn)區(qū)域，為消防人員和應(yīng)急響應(yīng)團(tuán)隊(duì)提供關(guān)鍵信息。

2.2火災(zāi)動(dòng)態(tài)及最佳逃生路徑預(yù)測(cè)

AI系統(tǒng)結(jié)合態(tài)勢(shì)感知與情景意識(shí)技術(shù)，顯著提高了火災(zāi)應(yīng)對(duì)的效率和精確度[4]。利用機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法，AI系統(tǒng)能夠分析來(lái)自傳感器的大量數(shù)據(jù)，如溫度、煙霧密度、氣體成分等。這些算法通過(guò)歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練，能夠識(shí)別火災(zāi)發(fā)展的模式和趨勢(shì)，預(yù)測(cè)火勢(shì)蔓延速度、方向和強(qiáng)度。AI還可以通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬和區(qū)域模型，預(yù)測(cè)煙霧運(yùn)動(dòng)和火勢(shì)衰退的路徑。態(tài)勢(shì)感知技術(shù)幫助系統(tǒng)實(shí)時(shí)理解和評(píng)估當(dāng)前的火災(zāi)情況，而情景

意識(shí)技術(shù)則結(jié)合建筑布局、人流分布和已知的安全信息，為現(xiàn)場(chǎng)人員和消防隊(duì)員提供全面的火災(zāi)場(chǎng)景理解。綜合這些技術(shù)，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(kuò)散、火勢(shì)蔓延、建筑結(jié)構(gòu)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(zāi)情況下，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)更新逃生指引，動(dòng)態(tài)調(diào)整逃生路徑。

2.3消防逃生路線的可視化

首先，利用CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）軟件獲得或創(chuàng)建建筑物的詳細(xì)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(shù)據(jù)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(dòng)態(tài)圖表、3D模型和交互式界面。并且通過(guò)AR或VR技術(shù)，可以在真實(shí)環(huán)境或模擬環(huán)境中直觀地展示逃生路線，增強(qiáng)培訓(xùn)和演練的真實(shí)感和效果。同時(shí)利用建筑中的傳感器數(shù)據(jù)，如煙霧探測(cè)器、溫度傳感器等，實(shí)時(shí)更新逃生路線，以應(yīng)對(duì)變化的環(huán)境條件。將這些技術(shù)結(jié)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(nèi)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(shí)現(xiàn)和應(yīng)用

3.1智慧消防可視化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)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(biāo)。界面設(shè)計(jì)應(yīng)直觀、清晰，易于快速理解，尤其是在緊急情況下，關(guān)鍵信息，如火災(zāi)的位置、規(guī)模和蔓延情況，應(yīng)被突出顯示。同時(shí)，界面應(yīng)展示實(shí)時(shí)更新最佳逃生路線，這些路線應(yīng)根據(jù)當(dāng)前火勢(shì)和建筑內(nèi)部情況動(dòng)態(tài)調(diào)整。此外，界面設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮到不同用戶群體的需求，比如消防人員和建筑內(nèi)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(shè)計(jì)還需考慮到易用性。例如，通過(guò)色彩編碼顯示不同的火災(zāi)等級(jí)和緊急程度，使用圖標(biāo)和符號(hào)表示重要的地標(biāo)和逃生出口，以及確保界面在不同光線條件下都清晰可見(jiàn)。除了視覺(jué)元素，還可以結(jié)合聲音和文字提示，為視覺(jué)受限的用戶提供必要的信息。

3.2火災(zāi)逃生信息展示

大屏幕的信息展示應(yīng)覆蓋各層人員狀況、火災(zāi)程度和逃生方案。首先，顯示各層的人員狀況對(duì)于疏散管理至關(guān)重要。這可能包括顯示每層的人數(shù)估計(jì)，以及識(shí)別出重點(diǎn)疏散區(qū)域。其次，火災(zāi)程度的展示應(yīng)包括火源位置、火勢(shì)強(qiáng)度和煙霧范圍。這些信息可以通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新，確保提供最新的火災(zāi)狀況。

逃生方案的展示應(yīng)明確指出安全的逃生路線，并根據(jù)火勢(shì)變化和其他因素實(shí)時(shí)更新。在設(shè)計(jì)逃生路線時(shí)，系統(tǒng)需考慮當(dāng)前的火災(zāi)狀況、建筑布局、已知障礙物，以及人員分布。通過(guò)動(dòng)態(tài)展示這些逃生路線，系統(tǒng)可以指導(dǎo)人員避開(kāi)危險(xiǎn)區(qū)域，安全快速地疏散。

數(shù)字媒體藝術(shù)在設(shè)計(jì)大屏幕可視化界面時(shí)起著重要作用。例如，使用動(dòng)畫(huà)效果來(lái)表示火勢(shì)蔓延和煙霧擴(kuò)散，或者通過(guò)AR技術(shù)在實(shí)景中虛擬展示逃生路線。藝術(shù)化的可視化設(shè)計(jì)不僅能吸引觀眾的注意，還能幫助他們更直觀地理解復(fù)雜的火災(zāi)狀況和逃生策略。

4服務(wù)型機(jī)器人的集成

4.1火情信息搜尋

在火災(zāi)緊急情況下，裝備有先進(jìn)多源傳感系統(tǒng)的服務(wù)型機(jī)器人在定位和搜尋火情發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。這些機(jī)器人利用激光和視覺(jué)SLAM（同時(shí)定位與地圖構(gòu)建）導(dǎo)航，克服了傳統(tǒng)定位方法在煙霧環(huán)境中的局限。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，可以及時(shí)向操作總臺(tái)實(shí)時(shí)提供現(xiàn)場(chǎng)火情，幫助總臺(tái)分析適合的疏散方法與逃生路線。

4.2引導(dǎo)與幫助失散人員

當(dāng)進(jìn)行火災(zāi)救援時(shí)，有些被困于較復(fù)雜環(huán)境的人員很難自己找到逃生路線，引導(dǎo)和幫助失散人員方面便需要該機(jī)器人。機(jī)器人通過(guò)結(jié)合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS），使用陀螺儀和加速度計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在混亂環(huán)境中的自主導(dǎo)航，提高了短期精確度。它們使用超寬帶（UWB）定位方法，在復(fù)雜的室內(nèi)空間中準(zhǔn)確導(dǎo)航。這一系統(tǒng)由標(biāo)簽和基站組成，使機(jī)器人能夠準(zhǔn)確地確定其位置并在障礙物和不同的室內(nèi)地形中高效地移動(dòng)。當(dāng)搜尋到失散人員后，機(jī)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(jī)器人下方獲取濕毛巾輔助逃生。檢測(cè)到失散人員數(shù)量較多時(shí)，機(jī)器人立即向總臺(tái)發(fā)出失散人員定位信號(hào)進(jìn)行提醒，使救援外援盡快趕到。

4.3現(xiàn)場(chǎng)支持功能

除了搜索和救援外，服務(wù)型機(jī)器人還提供關(guān)鍵的現(xiàn)場(chǎng)支持功能。機(jī)器人的定位系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)緊湊的組合模型支持，該模型融合了來(lái)自不同傳感器的數(shù)據(jù)。這種方法顯著提高了定位精度，使機(jī)器人能夠適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的火災(zāi)場(chǎng)景。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)確保機(jī)器人能夠提供實(shí)時(shí)、可靠的幫助，如運(yùn)送緊急物資、向消防員傳遞關(guān)鍵信息以及協(xié)助疏散過(guò)程。服務(wù)型機(jī)器人在火災(zāi)緊急情況下成為不可或缺的資產(chǎn)，尤其是在大型室內(nèi)公共空間。這也展示了機(jī)器人援助在提高火災(zāi)安全和應(yīng)對(duì)策略方面的潛力。

5智能雙向消防應(yīng)急疏散照明燈的輔助

5.1應(yīng)急照明與日常照明兩用

在客流量大的建筑中，每層應(yīng)設(shè)置消防疏散指示燈引領(lǐng)人員通往安全通道。在正常非應(yīng)急狀態(tài)下，由應(yīng)急照明控制器控制標(biāo)志燈光源在無(wú)人活動(dòng)的區(qū)域處于節(jié)電點(diǎn)亮模式或者長(zhǎng)期無(wú)人時(shí)關(guān)閉；當(dāng)在遇到緊急情況時(shí)，通過(guò)各個(gè)傳感器迅速判斷并作出反應(yīng)，切換至應(yīng)急照明狀態(tài)?；馂?zāi)探測(cè)器檢測(cè)火災(zāi)信號(hào)，在模塊的作用下將信息反饋到消防聯(lián)動(dòng)控制器，建筑里的消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)設(shè)備滅火，消防應(yīng)急燈輔助人員安全逃生，消減了不必要的成本，增加了實(shí)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(yīng)利用主電源點(diǎn)亮疏散照明，同時(shí)進(jìn)行電氣連接，即電源連接端子排。在外部沒(méi)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(diǎn)，以確保供電時(shí)間。

5.3輔助疏散統(tǒng)計(jì)逃生人員

在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)急疏散燈安裝傳感器進(jìn)行雙方向感知逃生人數(shù)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸操作總臺(tái)，輔助后續(xù)消防救援。緊急情況下統(tǒng)計(jì)經(jīng)過(guò)人數(shù)的技術(shù)需要考慮到極端條件下的穩(wěn)定性和可靠性，熱成像技術(shù)利用熱成像攝像頭檢測(cè)和記錄熱量分布，通過(guò)捕捉人體發(fā)出的熱量來(lái)識(shí)別和統(tǒng)計(jì)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(duì)于火災(zāi)場(chǎng)景尤其有用。

5.4采用組合式雙向標(biāo)志燈

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

6結(jié)論

本文深入探討了大型室內(nèi)公共空間的智慧消防火災(zāi)逃生系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如商場(chǎng)中的應(yīng)用及其重要性。這一系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)火場(chǎng)情況，快速分析和反應(yīng)，提供最佳逃生路徑，并通過(guò)大屏幕可視化技術(shù)向公眾展示關(guān)鍵的火災(zāi)信息。不僅優(yōu)化了火災(zāi)時(shí)的人員疏散路線，提高了逃生者的生存機(jī)會(huì)，也顯著提高了消防響應(yīng)的速度和準(zhǔn)確性。此外，服務(wù)型機(jī)器人通過(guò)高級(jí)的導(dǎo)航系統(tǒng)和多源傳感系統(tǒng)，在煙霧環(huán)境中有效地進(jìn)行自主導(dǎo)航，提供搜索、救援和現(xiàn)場(chǎng)支持功能。智能雙向消防應(yīng)急疏散照明燈在多功能性上表現(xiàn)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(guò)控制器進(jìn)行節(jié)能運(yùn)作，而在火災(zāi)等緊急情況自動(dòng)轉(zhuǎn)換為應(yīng)急模式，以支持疏散和救援行動(dòng)。其獨(dú)特的雙向標(biāo)志設(shè)計(jì)解決了大空間和復(fù)雜環(huán)境中疏散指示的可見(jiàn)問(wèn)題，增強(qiáng)了燈具的實(shí)用性和安全性。

總體來(lái)說(shuō)，本研究展示了智慧消防逃生系統(tǒng)在現(xiàn)代大型建筑中的火災(zāi)預(yù)防和應(yīng)對(duì)方面的巨大潛力。該系統(tǒng)的成功實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，不僅能夠在火災(zāi)中保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，還將標(biāo)志著消防行業(yè)向更高效、智能化的方向發(fā)展。

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