数字孪生驱动的多层建筑火灾智能应急系统研究

张丽岩，刘婧，马健

(苏州科技大学土木工程学院，江苏苏州，215000）

0 引言

随着国家的经济社会发展的越来越快，人民的经济水平飞速增长，建筑楼层越来越高。当多层建筑发生火灾时，会产生大量烟气并迅速蔓延扩散至整个建筑物，这增加了多层建筑火灾的人员疏散难度。最近，国内外多层建筑频繁的发生火灾，导致人员伤亡和经济损失巨大，也加大了人员疏散难度和消防救援工作难度。在智能化的时代，火灾智能应急系统能够有效准确的根据火灾发生的情况作出反应，维护群众生命和财产的安全。因此，在物联网飞速发展的今天火灾智能应急系统取代传统人工应急措施显得尤为重要。

本文为有效减少多层建筑火灾发生产生的损失提出了基于数字孪生的应急系统，即火灾智能应急系统。火灾智能应急系统组合了Flow-3D技术和GIS技术，为火灾中的逃生者提供实时精确的逃生路线，并且为消防救援人员提供救援指引，利用数字孪生技术，对实时接收火灾现场状况信息，对人员疏散路径和时间进行实时通知，最大程度的减少受灾人员的伤亡和经济损失。为此，本文以某多层建筑为研究对象，运用Flow-3D软件对该多层建筑楼发生火灾时烟气扩散速率进行了数值模拟分析，为多层建筑火灾安全管理提供依据。

1 方法概述

本文提出的数字孪生驱动的火灾智能应急系统的原理框架图如下（图1）。该系统由三个模块构成，分别是数字孪生模块、信息感知模块和实时通知模块。

图1 数字孪生驱动的火灾智能应急系统

数字孪生模块：将Flow-3D和GIS技术集成，从而等到建筑的几何尺寸和空间位置；信息感知模块：通过建筑内的传感器来获取火灾信息，包括火灾发生现场烟雾的浓度、室内的温度等；实时通知模块：由数字孪生驱动的火灾智能应急系统通过信息感知模块收集的信息分析火灾情况，实时动态地通知受灾人员最佳的逃生时间和逃生路径、可取用灭火装置位置以及及时通知消防部门[1]。

1.1 数字孪生模块

数字孪生(Digital Twin)是表述虚拟空间对物理实体空间的一种映射关系，数字孪生模型是一种融合虚拟和实体的模型[2]。在物理实体世界进行数据的记录和收集，传输到数字虚拟世界进行仿真和预测，对研究对象的全程监测与控制，从而达到现实资源的合理配置。数字孪生技术的出现很大程度上是因为大数据时代的出现，各种建模、人工智能技术的出现也加速了数字孪生技术的发展。特别是因为现今传感器技术的飞速进步，物理实体世界的实时动态信息由传感器收集并精准快速地传输到对应的虚拟世界。数据化和网络化的发展是现实世界进入虚拟世界的技术支撑；智能化和网络化的发展也使得现实世界与虚拟世界相融合，虚实结合，绵延不绝。由此，物理实体世界在与虚拟世界的交互下有序的运行[3]。

本系统中的，Flow-3D模型提供建筑物的几何尺寸和建筑物内各类设备位置等信息；GIS模型提供所研究的建筑物所处城市位置的基本信息。所以，Flow-3D和GIS所构成的数字孪生模型相当于是与现实世界相对应的一个虚拟的镜像。因此，构成的数字孪生模型可以为火灾智能应急系统提供建筑物内外的基本环境信息[4][5]。

1.2 信息感知模块

庞大的实时动态数据由各种传感器设备收集和传输，并由物联网技术分析、反馈和处理，形成数据信息的交互。在本系统中，物联网技术用于烟气浓度和温度等各类数据采集，从而判断火源、火情等级等，为后续人们逃生路径的确定奠定了多源信息基础，从而有效的防范各种危险。

1.3 实时通知模块

火灾发生后，火灾信息被前端的火灾传感器所感知并且实时传递，通过数字孪生模型信息和信息感知的结合分析，可以通过室内广播、手机通知实时获得逃生路径、灭火路径以及对消防部门的快速通知，从而最大限度的减少人员伤亡和经济损失。室内广播不间断播报可通行区域、安全防火区域等；手机可以联入室内WiFi获得动态的可通行区域的信息。

2 案例研究

以某多层建筑为原型，建立基于Flow-3D模拟仿真的建筑模型，假设一个火灾发生地点，主要研究多层建筑大楼中自带的楼梯间、电梯井和合用前室火灾发生后的烟气扩散浓度和速率，结合火灾智能应急系统对竖向通道进行研究，分析提出关于火灾预警、处理、疏散的建议[6]。

2.1 数字孪生模型的建立

2.1.1 多层建筑楼概况

建立火灾仿真模型如图2、3。建筑的全部高度约42米，楼层高度约3.8米，楼层数为10层。现对某多层建筑大楼进行火灾的仿真模拟，主要研究多层建筑大楼中自带的楼梯间、电梯井和合用前室火灾发生后的状态及烟气充满竖井的速率，通过数字孪生技术对这些竖向通道进行火灾的应急处理。

图2 多层建筑模型侧视图

图3 多层建筑模型平面图

2.1.2 火灾场景设置

火源设置：将火源设为发生在合用前室的固定火源，建立相应的火灾场景。需要注意的是，火灾场景不是实实在在发生的火灾，而是在大量数据统计下的结果。在进行设计时，应该先确定研究模型的几何形状和着火点的位置。假定火源发生在一楼的合用前室（如图4），主要研究合用前室起火以及楼梯间和电梯井烟气扩散的速率。

图4 多层建筑模型起火点

边界条件设置：（1）火灾中存在的任何气体都视为理想气体；（2）火灾发生过程以全封闭区域为研究对象； （3）着火点在合用前室；（4）模拟时间为500s。本论文建筑模型边界条件的设置如下图所示（如图5）。

图5 多层建筑模型边界条件

网格划分：火灾仿真燃烧模拟时采用网格大小为0.1m×0.1m×0.1m，模拟网格总数量为6699000个（如图6）。

图6 多层建筑模型网格图

2.2 烟气浓度和扩散速率模拟分析

火灾发生时竖向通道烟气扩散的状况如图7。火灾刚发生时，烟气在着火层的浓度最大，烟气不断产生并且往上扩散。随着时间的增长，烟气逐渐扩散在建筑物顶部。由于楼梯间和合用前室在自身的垂直区域内向上扩散有墙壁的阻挡，而电梯井在垂直方向上毫无阻力，所以电梯井的扩散速度最快。图8、9为火灾场景下，多层建筑火灾烟气浓度以及烟气扩散到达的层数随时间的变化曲线。

图7 多层建筑模型中的烟气运动

图8 多层建筑火灾烟气浓度曲线图

图9 多层建筑火灾烟气扩散速率曲线图

由图8、9，我们可以看出该多层建筑着火后，随着时间的增长，烟气扩散层数不断上升。但随着层数越来越多，烟气扩散速率逐渐下降，即曲线图中斜率越来越小；当每层的烟气浓度达到人体所不能通行的浓度（A=1mg/m3）时，室内广播则会进行播报通知，例如，在80s时，1层的烟气浓度达到1mg/m3，在没有任何排烟措施下，此时1层的楼梯疏散已不可选用。所以上层受灾人员的楼梯疏散最佳时间则在发生火灾的80秒内，此后可以通知未疏散人员采用其他设备进行逃生，例如自动逃生梯、擦窗吊篮等[7]。

在火灾初期，实时动态地提示火源位置，匹配距离最近的灭火器位置进行快速灭火，有效防止火灾扩散；在火灾扩散期，及时通知人员疏散和消防部门赶赴现场，合理安排人员逃生路径[8]。

3 结语

本文提出一种适用于多层建筑的火灾智能应急系统，将Flow-3D、GIS等技术相结合，进行火灾数值模拟，为火灾逃生人员提供有效的逃生信息，同时也有利于消防部门救援工作的展开。本例中，数字孪生模块中的数字孪生模型由Flow-3D软件和GIS技术结合组成；物联网与火灾传感器组成系统的信息感知模块，及时收集和传输实时的火灾信息；实时通知模块主要由室内广播和手机通知组成，并以某多层建筑为例进行分析。

本文的模拟仿真只对烟气浓度和速率进行了研究，还可以结合温度因素考虑。本系统受室内WiFi技术限制，火灾中环境的变化也会影响到系统的工作效能。如果在火灾中建筑物内额定位设备、信息感知设备损坏，将会导致系统结果出现误差。由此，设想在火灾智能应急系统中进一步结合AR和5G技术来增强性能、提高准确度。