基于GIS的消防模拟推演系统及其路径规划问题
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摘要：本文针对火灾的危害以及现有火灾处理方案的不足设计了一款基于gis与3D视图的消防模拟推演系统。该系统能够在二维视图上显示火灾情况并生成救火预案和路线，在三维视图上进行火势模拟推演，为消防人员提供直观的救援辅助决策支持，为实际的火灾事故应急与救援决策争取宝贵时间，提高救援效率。
关键词：港口消防救援；GIS；路径规划；3D试图
中图分类号：P208文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 24-0000-02
GIS-based Fire Simulation Deduction System and Its Path Planning Problem
Zhang Peng,Li Yulun
(College of Software,Nankai University,Tianjin300071,China)
Abstract:In this paper,the fire hazards and the deficiencies of the existing fire treatment program designed a fire simulation deduction system based on GIS and 3D view.The system can generate fire and fire-fighting plans and routes in the three-dimensional view of the fire simulation deduction intuitive Rescue assisted decision support for the firefighters for their valuable time for the actual fire emergency and rescue decisions on the two-dimensional view to improve the rescue efficiency.
Keywords:Port Fire Rescue;GIS;Path planning;3D attempts to
一、引言
火灾是一种常见性灾害，经常造成人员上网与财产损失。据相关数据显示，仅09年一年火灾就对我国造成近13.2亿元的直接经济损失。天津滨海新区作为我国经济发展的第三极，天津港起到了至关重要的推动作用，而港区内包括煤码头、石油码头、化工厂等，大量易燃易爆物质，一旦发生火灾，不能及时有效地进行救援，后果则不堪设想。基于这个背景我们与天津港的消防人员取得联系，了解他们的工作方式与需求。据他们介绍：现阶段的救火方法依然存在主观化、纸质化的问题。接到火灾报警后，通过查找纸质方案，依据个人主观经验，进行救火调度与救援指挥。显然，这种方法过于依赖人的主观经验，并且要求消防指挥管理人员对事发地的地形、交通、应急资源配置等多方信息有充分的了解和掌握；另一方面，条条款款的纸质应急预案很多时候只能给出救援的基本策略和原则，与指导具体的救援行为之间存在很大的差距，预案的有效性、针对性还有待提高。
针对这些问题，我们研究开发了基于GIS与3D视图的消防模拟推演系统，能够按照消防人需求在二维视图显示着火点相关信息，生成救火预案与救火路线；在三维视图进行模拟火势推演，以为消防工作人员提供直观的救援辅助决策。
二、路径规划系统功能与体系结构
此系统一方面能够在二维的界面下对消防救援线路进行选择，另一方面还能够在三维的界面下对各种初始参数状态下的城市火灾行为及其灭火过程进行推演。
该系统提供二维地图，一方面能够直观的显示出火灾出事地点周边的建筑，交通和其他相关救援单位的信息，并且存储已有的火灾预案及救援路线；另一方面则采用下面介绍的选路规划对消防的最短路径进行预测和规划，并能够有效的提供有效而优秀的选路方案。同初始交通加权最短路问题一样，可将始发地和目的地之间的区域交通网抽象成多属性赋权有向图。通过交通局获得路况实时数据，可以给每条道路赋予一定的权重。在通过求解单源最短路径问题，就可以获得最佳选路方案。
1.模型建立
我们知道，在单源最短路径问题中：已知有向图G=(V，E)，要求找出从某个定源顶点s
三种常用的最短路径选路算法
算法名称 算法简介 时间复杂度
Floyd算法 使用矩阵记录图，是一种动态规划算法，稠密图效果最佳 O(V^3)
Dijkstra算法 以起始点为中心向外层层扩展，直到扩展到终点为止。 O(V*lgV+E*lgV)
Bellman-Ford算法 进行不停地松弛，每次松弛把每条边都更新一下，若n-1次松弛后还能更新，则说明图中有负环，无法得出结果，否则就成功完成 O（VE）
2.权重分析
消防车通过每条道路的行车时间t=L/V，其中：L为路长，V为车流速度。
通过交通局实时监控，我们可以知道某一时刻的各个路段的交通状况，即当前行车速度，并且，可以得出。
考虑到在消防车行驶过程中的路况变化，我们需要排除那些可能会发生堵车的路段。假设在单位时间内，正在通过某段道路的车的数量K，服从泊松分布，即，其中车流量的期望可以通过统计该时间段的车流量数据获得。并假设此道路在单位时间内的最大车流量为，所以堵车的概率。我们设定是某个设定的阀值，当时，可以认定这条路是危险的，定义危险系数，当时，，当时，。
综上所述我们可以定义广义的道路通过时间，即权重。
3.具体应用举例
根据对三种算法的分析与比较，我们发现在图G比较稀疏，并且无负权值，所以我们决定在我们制作的GIS项目中采用更加稳定的Dijkstra选路算法，并对其进行优化。
因为我们只需要求出从消防局S1到火灾现场S2的最短路径，所以在BFS时，如果某点的权值已经大于S2的现有值，则减去该点的分支。
（二）三维界面及其功能实现
该系统的三维界面下的主要功能包括：（1）火灾场景建筑构建；（2）火势蔓延模拟；（3）灭火过程模拟；（4）三维显示。
1.模型构建及三维显示
使用Maya制作了港口及房屋建筑模型，对于火焰，灭火，爆炸等光影效果，采用粒子化技术进行细致的渲染，以便从三维视图全方面多角度的观察到火势蔓延情况。
2.火势推演
（1）相关的对象类和交互类
(a)对象类(b)交互类
（2）火势推演
采用FDS（Fire Dynamics Simulator）工具，利用数值方法求解Navier-Stokes粘性流体方程，从而通过计算推演出火灾中烟气流动和热传递的过程。
三、结束语
本项目的特点在于确定火灾事故发生地点后，第一时间通过GIS地图、应急资源配置数据库信息及相关的调度算法，估算出所需要的消防资源和相关救援单位；再根据不同时间点的火势信息与火灾事故发生点周边环境信息，推演出火情蔓延趋势；通过时间轴的拉动，模拟一段时间后火灾情况。本项目旨在用最快的速度明确火灾事故发生点周边的应急资源配置情况，辅以自动生成的快速调度方案，结合对火灾事故发展蔓延的模拟，为消防指挥人员提供直观的救援辅助决策支持，为实际的火灾事故应急与救援决策争取宝贵时间，提高救援效率。
本项目能够为消防工作主提供的便利与帮助可以简要地总结如下：
1.城市信息、应急单位信息与各种应急资源配置等内容实现电子化存储与快速查询。
2.已有消防应急预案进行电子化存储，可快速生成针对性较强的最佳应急预案。
3.二维地图直观显示火灾出事地点周边的建筑、交通和其他相关救援单位的信息。
4.3D视图立体的显示着火点火势发展趋势与救火情况。
5.模拟火势蔓延过程，实现自动估算火势发展过程中所需的应急资源种类与数量。