謝文黎，舒少龍，包順強(qiáng)

(1.同濟(jì)大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092;2.同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 200092)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前已經(jīng)建成或者規(guī)劃建造的超高層智能建筑(超高層建筑指40層以上，高度100 m以上的建筑物)超過(guò)1000棟[1]，這些建筑運(yùn)用目前最先進(jìn)、復(fù)雜的技術(shù)[2]，智能建筑管理系統(tǒng)(IBMS，Intelligent Building Management Systems)將智能建筑內(nèi)不同功能的智能化子系統(tǒng)在物理上、邏輯上、功能上進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)綜合管理與優(yōu)化控制，確保智能建筑運(yùn)行安全、高效、環(huán)保[3]。然而，當(dāng)人們用越來(lái)越先進(jìn)、復(fù)雜的技術(shù)支撐起越來(lái)越宏大的智能建筑時(shí)，越來(lái)越多的風(fēng)險(xiǎn)自然地蘊(yùn)含其中，一個(gè)重要的風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源是建筑內(nèi)的突發(fā)事件。美國(guó)9.11事件很好地說(shuō)明了這一點(diǎn)[4]。為了應(yīng)對(duì)目前超高層智能建筑的安全性這一問(wèn)題，構(gòu)建面向突發(fā)事件的超高層智能建筑應(yīng)急指揮管理系統(tǒng)勢(shì)在必行。

1 突發(fā)事件

“建筑突發(fā)事件”是指一切與建筑結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)和運(yùn)營(yíng)有關(guān)的，并影響建筑安全、節(jié)能、高效率和高舒適性等目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的突發(fā)性事件[5]。建筑突發(fā)事件可分為以下九種基本類型[6]:火災(zāi)、非法侵入、設(shè)備故障與報(bào)警、恐怖襲擊、爆炸、化學(xué)物品泄漏、建筑結(jié)構(gòu)扭曲或倒塌、地震、自然災(zāi)害。具體的建筑突發(fā)事件可能是某種基本類型建筑突發(fā)事件，也可能是幾種基本類型建筑突發(fā)事件的組合。具有如下的顯著特點(diǎn):(1)出現(xiàn)的頻率較高。除自然災(zāi)害外，建筑往往是人為災(zāi)害的首選目標(biāo)。另外，建筑也是各種機(jī)電設(shè)備集中的地方，這些設(shè)備的運(yùn)行也會(huì)產(chǎn)生設(shè)備故障等突發(fā)事件。(2)損失集中和劇烈。智能建筑是“小空間”環(huán)境，一旦發(fā)生突發(fā)事件(如地震、火災(zāi)、爆炸、生化攻擊等)，往往在極短的時(shí)間內(nèi)蔓延到整個(gè)建筑，甚而造成建筑的倒塌，導(dǎo)致人員和財(cái)產(chǎn)的重大損失。(3)應(yīng)急調(diào)控的可能性。智能建筑內(nèi)部集成了大量先進(jìn)的工程技術(shù)，并且存在多種應(yīng)對(duì)常規(guī)的條件，如火災(zāi)等突發(fā)事件的功能子系統(tǒng)，這些資源的存在為智能建筑應(yīng)對(duì)突發(fā)事件提供了可能。

圖1 應(yīng)急指揮體系的目標(biāo)

2 系統(tǒng)架構(gòu)

目前智能建筑管理系統(tǒng)集成方面的成果較多，主要目的是提高樓宇設(shè)備的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能和優(yōu)化運(yùn)行[7]，而面對(duì)智能建筑突發(fā)事件的綜合監(jiān)控和管理的研究不多。已有較為成熟的用于火災(zāi)的消防監(jiān)控系統(tǒng)，用于安全監(jiān)控的安防系統(tǒng)等能夠?qū)σ恍┓N類的智能建筑突發(fā)事件有所響應(yīng)，但這些系統(tǒng)大多是孤立動(dòng)作的，不具備對(duì)突發(fā)事件的綜合監(jiān)控和管理能力。應(yīng)急指揮管理系統(tǒng)通過(guò)建筑內(nèi)部骨干網(wǎng)絡(luò)將消防系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、垂直交通系統(tǒng)和應(yīng)急通訊系統(tǒng)等應(yīng)急子系統(tǒng)進(jìn)行集成。智能建筑應(yīng)急指揮中心通過(guò)骨干網(wǎng)絡(luò)與上述子系統(tǒng)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)環(huán)境感知和設(shè)備監(jiān)控，監(jiān)測(cè)建筑突發(fā)事件的發(fā)生。當(dāng)突發(fā)事件發(fā)生中，應(yīng)急指揮中心通過(guò)分析突發(fā)事件的類型和嚴(yán)重程度調(diào)用相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行處置，確保建筑的安全，并且盡可能減少人員和財(cái)產(chǎn)損失。一個(gè)典型的超高層建筑智能應(yīng)急指揮管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 超高層建筑智能應(yīng)急指揮管理系統(tǒng)架構(gòu)

只有高效安全的網(wǎng)絡(luò)，智能建筑應(yīng)急指揮管理系統(tǒng)才能正常運(yùn)行，才能保證對(duì)智能建筑突發(fā)事件的實(shí)時(shí)監(jiān)控和有效管理。近年來(lái)，作為有線網(wǎng)絡(luò)的重要補(bǔ)充，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在智能建筑中發(fā)揮著重要的作用，在智能建筑中的多個(gè)方面都得到了應(yīng)用，如安全防范、火災(zāi)報(bào)警、設(shè)備監(jiān)控、智能儀表等等[8]。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不受傳輸數(shù)據(jù)的物理線纜的布線限制，可以和有線網(wǎng)絡(luò)共同實(shí)現(xiàn)建筑物的全區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋，并且具有更靈活地處理數(shù)據(jù)的能力。充分考慮無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)急方面的優(yōu)勢(shì)，功能上達(dá)到互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)建筑物的全區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋，提高智能建筑全方位地進(jìn)行數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、多媒體信息通信的能力[9]。智能建筑內(nèi)人員應(yīng)能夠通過(guò)各種有線和無(wú)線通訊方式與應(yīng)急指揮管理系統(tǒng)進(jìn)行通訊，獲得所需信息，并根據(jù)實(shí)時(shí)信息及時(shí)疏散。

3 應(yīng)急策略

面向突發(fā)事件的智能建筑應(yīng)急指揮管理系統(tǒng)必須具有高效率處理智能建筑突發(fā)事件的能力，一旦發(fā)生突發(fā)事件，智能建筑應(yīng)急指揮管理系統(tǒng)通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)高效地收集各種數(shù)據(jù)信息，并基于這些數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)智能建筑環(huán)境及其突發(fā)事件的演化進(jìn)行最優(yōu)的估計(jì)和重構(gòu)[10]。為了實(shí)現(xiàn)以上功能，一個(gè)典型的超高層智能建筑應(yīng)急策略執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 超高層建筑智能應(yīng)急策略執(zhí)行流程

由于在智能建筑內(nèi)部，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳回來(lái)的是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，需要研究基于數(shù)據(jù)的事件產(chǎn)生機(jī)理及其事件表達(dá)方式。事件的表達(dá)可用字符表示∑={α，β，…}，如α代表煙霧報(bào)警器報(bào)警，β代表火災(zāi)事件。一個(gè)事件提取機(jī)制是閾值法，如煙霧傳感器的值超過(guò)閾值，則α事件發(fā)生。不同事件存在發(fā)生的因果關(guān)系，如β事件產(chǎn)生的前提是α事件已經(jīng)發(fā)生，通過(guò)分析不同事件的因果關(guān)系和邏輯次序，建立導(dǎo)致突發(fā)事件發(fā)生的事件鏈模型，進(jìn)而建立整個(gè)系統(tǒng)的離散事件系統(tǒng)模型，具體可采用自動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模:

其中，∑為有限離散事件集，集中每個(gè)事件表示與突發(fā)事件相關(guān)的行為和動(dòng)作。Q為有限離散狀態(tài)集，集中的每個(gè)元素反映相應(yīng)事件序列發(fā)生之后系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)。δ0∶Q×∑→Q為自動(dòng)機(jī)變遷函數(shù)，描述了系統(tǒng)基于事件驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。q0是系統(tǒng)的初始狀態(tài)。在對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，需要考慮不同事件發(fā)生的概率，因此需要為自動(dòng)機(jī)的每個(gè)變遷增加相應(yīng)的概率，如此模型為一個(gè)概率自動(dòng)機(jī)。預(yù)測(cè)采用如下的方法:在當(dāng)前狀態(tài)qc，確定可能發(fā)生的所有事件鏈s1，s2，…，si，…。任意事件鏈s的發(fā)生概率表示為P(s)，可通過(guò)每個(gè)事件對(duì)應(yīng)的變遷概率相乘得到。為這些事件序列分為兩個(gè)集合，一個(gè)是不會(huì)發(fā)生突發(fā)事件的事件鏈集合SN，另一個(gè)是會(huì)發(fā)生突發(fā)事件的事件鏈集合SF。計(jì)算可能發(fā)生突發(fā)事件的事件鏈發(fā)生概率PF為:

如果概率PF等于1，則系統(tǒng)在一定時(shí)間之后肯定發(fā)生某種突發(fā)事件。如果發(fā)生概率比較高，則應(yīng)該發(fā)出警報(bào)信息，提醒人們注意。預(yù)警機(jī)制可以根據(jù)突發(fā)事件發(fā)生的概率大小進(jìn)行分級(jí)，給出不同級(jí)別的預(yù)警信息，或者直接通過(guò)顯示終端給出突發(fā)事件發(fā)生的概率大小。

在突發(fā)事件發(fā)生后，智能建筑應(yīng)急指揮管理系統(tǒng)得到的信息往往是不完備的，因此通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)智能建筑環(huán)境及其突發(fā)事件的演化進(jìn)行最優(yōu)的估計(jì)和重構(gòu)是重要的一環(huán)。估計(jì)和重構(gòu)的核心問(wèn)題是當(dāng)前狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)。當(dāng)前狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)離不開傳感器信息的支持，因此進(jìn)行最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)需要解決的第一個(gè)問(wèn)題是如何進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)布設(shè)，使得通訊網(wǎng)絡(luò)在突發(fā)事件發(fā)生后，獲取盡可能多的系統(tǒng)信息。假設(shè)系統(tǒng)的演化動(dòng)態(tài)由非線性微分方程描述為:

x是系統(tǒng)的狀態(tài)向量，u為系統(tǒng)的輸入。傳感器采集的信息為系統(tǒng)的輸出，可表示為:

系統(tǒng)的輸出為傳感器采集到的信息，狀態(tài)估計(jì)需要根據(jù)傳感器實(shí)時(shí)采集到的信息y，估計(jì)當(dāng)前x的大小。為了更好地進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，傳感器節(jié)點(diǎn)的地理位置的布設(shè)在實(shí)際系統(tǒng)當(dāng)中值得關(guān)注，需要進(jìn)行合理的選擇，以便得到合適的輸出函數(shù) g(˙)。在具體的狀態(tài)估計(jì)方法上，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)演化是時(shí)變的、非線性的，并且受到事件和時(shí)間的雙重驅(qū)動(dòng)，因此是一個(gè)非線性時(shí)變混雜系統(tǒng)。需要結(jié)合這方面的理論研究成果，開發(fā)具體的狀態(tài)估計(jì)算法。進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)時(shí)，必須注意到隨著突發(fā)事件隨時(shí)間向前演化，部分傳感器終端有可能在此過(guò)程中損毀，因此智能建筑應(yīng)急指揮管理系統(tǒng)獲得的傳感器信息的多寡不是一成不變的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了面向突發(fā)事件的智能建筑應(yīng)急指揮管理系統(tǒng)構(gòu)建問(wèn)題。在總結(jié)了智能建筑中突發(fā)事件的種類和特征之后，提出了智能建筑應(yīng)急指揮管理系統(tǒng)的一般架構(gòu)，特別指出，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)組合有望構(gòu)建高效安全的網(wǎng)絡(luò)體系。最后討論了應(yīng)急指揮管理系統(tǒng)的任務(wù)及其完成這些任務(wù)所需要的應(yīng)急策略。

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