构建面向突发事件的超高层应急指挥系统

2013-12-14谢文黎舒少龙包顺强

电气自动化 2013年2期

谢文黎，舒少龙，包顺强

(1.同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092;2.同济大学电子与信息工程学院，上海 200092)

0 引言

据统计，我国目前已经建成或者规划建造的超高层智能建筑(超高层建筑指40层以上，高度100 m以上的建筑物)超过1000栋[1]，这些建筑运用目前最先进、复杂的技术[2]，智能建筑管理系统(IBMS，Intelligent Building Management Systems)将智能建筑内不同功能的智能化子系统在物理上、逻辑上、功能上进行集成，实现综合管理与优化控制，确保智能建筑运行安全、高效、环保[3]。然而，当人们用越来越先进、复杂的技术支撑起越来越宏大的智能建筑时，越来越多的风险自然地蕴含其中，一个重要的风险来源是建筑内的突发事件。美国9.11事件很好地说明了这一点[4]。为了应对目前超高层智能建筑的安全性这一问题，构建面向突发事件的超高层智能建筑应急指挥管理系统势在必行。

1 突发事件

“建筑突发事件”是指一切与建筑结构、系统、服务和运营有关的，并影响建筑安全、节能、高效率和高舒适性等目标实现的突发性事件[5]。建筑突发事件可分为以下九种基本类型[6]:火灾、非法侵入、设备故障与报警、恐怖袭击、爆炸、化学物品泄漏、建筑结构扭曲或倒塌、地震、自然灾害。具体的建筑突发事件可能是某种基本类型建筑突发事件，也可能是几种基本类型建筑突发事件的组合。具有如下的显著特点:(1)出现的频率较高。除自然灾害外，建筑往往是人为灾害的首选目标。另外，建筑也是各种机电设备集中的地方，这些设备的运行也会产生设备故障等突发事件。(2)损失集中和剧烈。智能建筑是“小空间”环境，一旦发生突发事件(如地震、火灾、爆炸、生化攻击等)，往往在极短的时间内蔓延到整个建筑，甚而造成建筑的倒塌，导致人员和财产的重大损失。(3)应急调控的可能性。智能建筑内部集成了大量先进的工程技术，并且存在多种应对常规的条件，如火灾等突发事件的功能子系统，这些资源的存在为智能建筑应对突发事件提供了可能。

图1 应急指挥体系的目标

2 系统架构

目前智能建筑管理系统集成方面的成果较多，主要目的是提高楼宇设备的运行效率，实现建筑节能和优化运行[7]，而面对智能建筑突发事件的综合监控和管理的研究不多。已有较为成熟的用于火灾的消防监控系统，用于安全监控的安防系统等能够对一些种类的智能建筑突发事件有所响应，但这些系统大多是孤立动作的，不具备对突发事件的综合监控和管理能力。应急指挥管理系统通过建筑内部骨干网络将消防系统、安防系统、垂直交通系统和应急通讯系统等应急子系统进行集成。智能建筑应急指挥中心通过骨干网络与上述子系统进行通讯，实现实时环境感知和设备监控，监测建筑突发事件的发生。当突发事件发生中，应急指挥中心通过分析突发事件的类型和严重程度调用相应的应急预案进行处置，确保建筑的安全，并且尽可能减少人员和财产损失。一个典型的超高层建筑智能应急指挥管理系统架构如图2所示。

图2 超高层建筑智能应急指挥管理系统架构

只有高效安全的网络，智能建筑应急指挥管理系统才能正常运行，才能保证对智能建筑突发事件的实时监控和有效管理。近年来，作为有线网络的重要补充，无线网络在智能建筑中发挥着重要的作用，在智能建筑中的多个方面都得到了应用，如安全防范、火灾报警、设备监控、智能仪表等等[8]。无线网络不受传输数据的物理线缆的布线限制，可以和有线网络共同实现建筑物的全区域网络覆盖，并且具有更灵活地处理数据的能力。充分考虑无线网络在应急方面的优势，功能上达到互补，实现建筑物的全区域网络覆盖，提高智能建筑全方位地进行数据、语音、多媒体信息通信的能力[9]。智能建筑内人员应能够通过各种有线和无线通讯方式与应急指挥管理系统进行通讯，获得所需信息，并根据实时信息及时疏散。

3 应急策略

面向突发事件的智能建筑应急指挥管理系统必须具有高效率处理智能建筑突发事件的能力，一旦发生突发事件，智能建筑应急指挥管理系统通过通讯网络高效地收集各种数据信息，并基于这些数据对整个智能建筑环境及其突发事件的演化进行最优的估计和重构[10]。为了实现以上功能，一个典型的超高层智能建筑应急策略执行流程如图3所示。

图3 超高层建筑智能应急策略执行流程

由于在智能建筑内部，通过网络传回来的是实时数据，需要研究基于数据的事件产生机理及其事件表达方式。事件的表达可用字符表示∑={α，β，…}，如α代表烟雾报警器报警，β代表火灾事件。一个事件提取机制是阈值法，如烟雾传感器的值超过阈值，则α事件发生。不同事件存在发生的因果关系，如β事件产生的前提是α事件已经发生，通过分析不同事件的因果关系和逻辑次序，建立导致突发事件发生的事件链模型，进而建立整个系统的离散事件系统模型，具体可采用自动机进行建模:

其中，∑为有限离散事件集，集中每个事件表示与突发事件相关的行为和动作。Q为有限离散状态集，集中的每个元素反映相应事件序列发生之后系统当前的状态。δ0∶Q×∑→Q为自动机变迁函数，描述了系统基于事件驱动的动态过程。q0是系统的初始状态。在对突发事件进行预测时，需要考虑不同事件发生的概率，因此需要为自动机的每个变迁增加相应的概率，如此模型为一个概率自动机。预测采用如下的方法:在当前状态qc，确定可能发生的所有事件链s1，s2，…，si，…。任意事件链s的发生概率表示为P(s)，可通过每个事件对应的变迁概率相乘得到。为这些事件序列分为两个集合，一个是不会发生突发事件的事件链集合SN，另一个是会发生突发事件的事件链集合SF。计算可能发生突发事件的事件链发生概率PF为:

如果概率PF等于1，则系统在一定时间之后肯定发生某种突发事件。如果发生概率比较高，则应该发出警报信息，提醒人们注意。预警机制可以根据突发事件发生的概率大小进行分级，给出不同级别的预警信息，或者直接通过显示终端给出突发事件发生的概率大小。

在突发事件发生后，智能建筑应急指挥管理系统得到的信息往往是不完备的，因此通过对数据进行分析，对智能建筑环境及其突发事件的演化进行最优的估计和重构是重要的一环。估计和重构的核心问题是当前状态的最优估计。当前状态的最优估计离不开传感器信息的支持，因此进行最优状态估计需要解决的第一个问题是如何进行网络布设，使得通讯网络在突发事件发生后，获取尽可能多的系统信息。假设系统的演化动态由非线性微分方程描述为:

x是系统的状态向量，u为系统的输入。传感器采集的信息为系统的输出，可表示为:

系统的输出为传感器采集到的信息，状态估计需要根据传感器实时采集到的信息y，估计当前x的大小。为了更好地进行状态估计，传感器节点的地理位置的布设在实际系统当中值得关注，需要进行合理的选择，以便得到合适的输出函数 g(˙)。在具体的状态估计方法上，系统的动态演化是时变的、非线性的，并且受到事件和时间的双重驱动，因此是一个非线性时变混杂系统。需要结合这方面的理论研究成果，开发具体的状态估计算法。进行状态估计时，必须注意到随着突发事件随时间向前演化，部分传感器终端有可能在此过程中损毁，因此智能建筑应急指挥管理系统获得的传感器信息的多寡不是一成不变的。