火灾被困人员自动响应向导系统

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研发背景

2008@-9月20日23时许，深圳市龙岗区龙岗街道龙东社区舞王俱乐部发生一起特大火灾，事故造成44人死亡，88人受伤。由于顾客不知道后门紧急出口的位置，因此所有人一起向出口跑去，导致发生踩踏，造成了不必要的伤亡。2008年11月14日上午6时许，上海商学院女生宿舍楼6层一间宿舍发生火灾，火势迅速蔓延并产生了大量的浓烟。4名被困女生没有等待消防人员的救援，情急之下跳楼逃生，结果全部死亡。这只是火灾事故的两个剪影。实际上，据统计全世界每年大约发生700万～800万起火灾，造成7万～8万人死亡，50万～80万人受伤。而我国，2008年共发生火灾13.3万起(不含森林，草原、军队、矿井地下部分火灾)，死亡1385人，受伤684人，直接财产损失达1.5亿人民币。

随着科学技术的不断发展，消防系统日趋先进，它们可以检测火灾，发出警报，并且采取相应的灭火措施。但是这些消防系统并不能有效指导火场中的人员疏散，在如何引导现场人员应对火灾方面，现有的消防系统存在空白。例如上面提到的深圳舞王俱乐部火灾，火灾发生时俱乐部中的自动消防系统已经开始工作，但是还是造成了严重的人员伤亡。目前，由加利福尼亚大学伯克利分校、斯坦福大学、华盛顿大学联合开发的一种场境感知消防Siren系统也旨在保护火场中的消防人员，但对于火场中的人员疏散问题未有涉及。

行为学及心理学研究表明，在生死攸关之际，人们由于恐惧容易惊慌失措、思维欠理智，判断失误，进而导致非理智的错误行动，如跳楼、乱跑乱窜、大喊大叫、丧失信心、不听劝阻等。根据公共聚集场所消防经历研究，当人处于缺氧或CO，HCI、HCN等毒性气体大量存在的火场环境中时，所吸入的毒气能使人发生嗅觉刺激、呼吸困难、视线模糊，损伤内脏和脑神经系统等生理障碍，进而导致思维不清、行为错乱和心乱目眩，直至昏聩或中毒，窒息而亡。尤其是初期因吸入CO可使人出现的新快效应和缺氧可致人出现非理智性行动，造成判断失误。

因此，人们迫切需要一种火灾响应向导系统，能够在发生火灾的危机关头，根据起火地点及其蔓延情况，告知处于火场不同位置的人员最短撤离路径或者被困自救措施，以降低火灾给人们造成的生命和财产损失。

清华大学计算机科学与技术系冯铃教授带领场境感知数据管理与服务研究小组结合国家需求，以科技服务于人与社会为己任，探索并研制了一个场境感知的火灾响应向导系统。该系统通过各类传感器实时感知到的火灾场境，分析决策，及时告知现场人员最短逃生路径和被困时自救策略，以最大限度地保护生命、降低火灾造成的人员伤亡。

设计原则

实时性。一般公众聚集场所的房间火灾，从起火到蔓延的时间间隔仅为7分钟，而在6分钟时火场实际温度已经达到了300～400度。火场中，人对环境温度与热辐射温度非常敏感。一般人在65度环境中，能忍受一个有限的时间，接着就会昏迷、休克。辐射热达到1.2万瓦特／平方米时，人仅能忍受几秒钟。这就要求火灾响应系统具有极高的反应与决策性能。

高可靠性。对于承担重大责任的火灾响应向导系统，其软、硬件系统必需安全可靠。研究小组曾尝试使用火灾蔓延算法，由于这些算法依靠房屋结构及其家具、门窗和墙壁材料等的精确模型，对火灾蔓延结果的预测长达数小时。更为重要的是由于现实世界总有些细节无法被一一建模，人们依然无法实行精确地预测。因此，火灾响应系统主要根据传感器数据进行判断决策。

易交互性。复杂的人机交互不适合危难关头，过多的语音交互也不适合紧张恐慌的人群。但是重复播报火灾引导信息有助于人们理解其涵义，并随之行动。

低成本性。火灾响应系统的安装使用成本需足够低。随着手机的日益普及，可利用手机作为用户接口，将火灾引导信息发送到被困人员的手机上，同时借助声音喇叭和紧急灯示，告知现场人员逃生路径或自救措施。

典型模型。楼房构造直接影响火灾响应系统的设计。参考上海商学院火灾女生宿舍楼及深圳舞王俱乐部模型，前者为房间相对较小且规整的楼房(如宿舍，旅馆等)，而后者为房间公共面积较大(如超市、俱乐部。会议厅等)，顾客对其地形不太熟悉的楼房。我们从这两种典型的房屋类型入手，继而将研究成果推广到其他类型的房屋建筑。

火灾场境的感知与决策

火灾响应向导系统工作于一个感知空间。楼房的每个房间、走廊、出口处均安装有烟雾传感器，此外，每个房间入口处装有温度传感器以及能够感知人员身份(如姓名、手机号等)的RFID射频识别装置系统。一旦发生火灾，火灾响应向导系统迅速获取、处理与解释传感器数据，判断起火地点与火情蔓延情况，根据火场周围的本体信息，为处于不同位置的人们制定相应的逃生路径或者逃生策略。这里主要有两大类响应决策，即：对于有路可撤人员，寻求最短安全逃生路径；对于无路被困人员，寻求最佳自救措施。

1　最短安全撤离路径

根据消防知识，高层建筑的内、外楼梯往往是紧急出口。单纯向人群，特别是不熟悉环境的人们指明方向(如“向西!”)或目标(如“去楼梯口!”)不够充分和明确。为此，火灾响应向导系统采取近距离参照点方法。系统管理者事先将每层楼结构转化为一个图模型，并采用经典的Dijkstra算法，从每一地点出发，计算出最短逃生路径。一旦发生火灾，若某一最短路径被截断，系统即刻重新计算新的路径。如图所示，当路径1不能用时，路径2将起作用。当大楼的某一层楼梯被火封锁时，上层的楼梯口也被认为封锁了。

2　被困时自救措施

通过温度与烟雾传感器，系统可根据房门把手是否发烫或者所有出口是否均被大火封锁，判断人员是否已被火围困。若是，系统则依据房屋实际结构数据库，告知被困人员如下几种可能的自救措施。

措施1：缓降逃生，滑绳自救!

措施2：关紧门窗，阻止烟雾!

措施3：发出信号，寻求救援!

措施4，贴近地面与墙角!

火灾场境人员的引导

发生火灾时，火灾响应向导系统从三个不同渠道引导现场人员。

多路语音广播。声音是公认的一种有效传达方式。系统可输出多路语音，并且可以广播不同的内容，以帮助不同位置的人们选择相应的逃生策略或自救措施。

指示灯。在语音引导人们逃生的同时，沿着逃生路径和紧急出口，指示灯开启，从视觉上帮助人们迅速找到正确的路径和出口，尤其是对环境不熟悉的人来说，帮助将会更大。

手机短信。随着手机使用的普及，火灾响应向导信息经过GPRS调制解调器同时发往火灾现场人员的手机上，如图所示。

总之，清华大学场境感知数据管理与服务小组利用研发的“火灾自动响应向导系统”，能够及时指导火场中紧张的人群选择相应的逃生路径或自救措施，填补了现有消防系统在人员自动疏导方面的空白，受到国内外学者好评。随着普适计算，人机交互和智能化信息处理三大技术的飞速发展，信息技术也必将在提高人类生活质量的过程中发挥着愈加重要的作用。