基于Unity 3D的建筑火灾最佳逃生路径规划探讨

本文是一篇电气自动化论文，本文分析建筑中人员消防疏散行为影响因素，分析消防疏散过程在的拥堵问题，分析各种因素对逃生时间的影响，使用MATLAB以及Unity 3D对寻路算法进行仿真测试对比，对A*算法进行优化，使每个人根据不同的需求对障碍物进行动态躲避，更快速完成逃生；
第1章绪论
1.1研究背景及意义
随着我国城市化发展不断加快，城市人口数量上升，大型建筑规模不断扩大，已成为城市稳定发展的支撑。近些年，出现了越来越多的大型建筑，比如：大型工厂、大型住宅、大型办公楼、大型商场等。原因有如下两个方面：一是对于单个建筑来说，在碰到边际效应之前，投入越多，则边际成本越低，投资回报率越高，边际效益也就越高。二是权力信用与城市形象，城市中的巨大建筑也成为地方权力生产者巨大权力信用的象征，它们的目的都只有一个，即减少交易成本。简单来说，标志性建筑越大，所产生的社会信用也越大，短期内土地价值的提升和城市融资也就越大，从而为地区走出经济阴霾注入了一剂强心针。
随着大型建筑的不断增加，城市公共安全问题正面临巨大挑战。复杂的电力设备分布提高了建筑火灾发生的风险，一旦火灾发生将会严重危害社会安全。首先大型建筑内人员较多，且分布密集，发生火灾可能会引发民众恐慌，甚至会出现踩踏事件，从而增加不必要的人员伤亡和逃生难度。其次救援人员的通道与疏散人员行进方向相反，会造成拥挤情况。又由于建筑面积大，建筑内电梯、电井数量多、分布广，火灾蔓延迅速，因此极易造成大面积、立体性燃烧，产生的烟雾导致逃生及救援路线的可见度低，在不清楚火势情况、不了解建筑构造的情况下，人员逃生难度大大增加。另外目前的建筑消防疏散方式单一，尤其是疏散路径的选择，它对建筑的消防安全有着极其重要的影响，传统的建筑消防预防方式仅局限于消防示意图和消防演练，不具备针对性，逃生效果不佳，因此无法有效应对火灾中的突发情况。

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第2章建筑火灾逃生路径的方案设计与研究思路
2.1系统的总体设计方案
本课题主旨在设计一套基于Unity 3D的建筑消防物联网系统，整体结构如图2-1所示。综合运用前沿的无线通信技术、UWB精准定位机制、传感器技术、数据库技术、虚拟现实技术对建筑室内环境进行监测，为高效管理提供技术支撑，并为人身财产提供保障。物联网技术综合运用了无线通信、传感器、定位等技术，以实现“万物互联”。其网络架构可分为应用层、网络层、感知层。感知层主要完成对覆盖范围内实际环境的数据采集，通过网络层将采集数据上传到服务器做数据处理，最后在应用层呈现数据结果，并与用户进行交互。
感知层主要负责感知和采集物理世界的信息。本文应用的感知层设备主要包括传感器、UWB无线通信设备的基站以及标签。
网络层主要负责高效、稳定地传输上下层数据。一方面将感知层采集到的信息传递给电脑端，另一方面将平台发出的命令下达给感知层。
应用层主要负责处理原始数据，并将数据按照用户的需求进行可视化展示，是物联网应用价值的输出。物联网旨在实现各种场景下的用户应用，提取和处理各种所需信息用于实际生活和生产当中。应用层能实现数据信息的存储、处理和使用，结合各行各业的需求，提供面向使用功能的物联网接口，实现广泛智能化。
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2.2系统需求分析
对物联网系统需求进行深入细致分析，准确理解项目的功能、性能、可靠性等具体要求，从而确定系统需要。
1.电源供应
UWB定位设备中的A基站直接连接服务器，通过电脑USB串口供电，UWB的其他基站及标签内部提供有24V的电源。
2.实现客户端与硬件设备之间数据和指令的上传下发
制定并实现相应的协议，通过UWB对应的客户端发送数据和指令，解析完成后将数据准确传送回客户端，这需要物联网设备具有计算处理能力和通信功能。客户端与硬件设备之间需要进行交互的消息可以分成两类，一类是主动发送给硬件设备的消息，另一类是硬件设备主动传回的消息。
3.数据处理并存储
为了方便存储和调用UWB硬件设备传回的串口数据，需要把数据进行相应的处理，并将数据存储到MySQL数据库中。提前在数据库中添加表格，用来保存人员的定位数据，字段设置为编号、人员位置以及时间。数据在上传过程中可能会遇到串口不稳定的情况，如果数据在上传时遭遇数据丢失，可以将数据封装完成后暂存到物联网设备中，等恢复后再将数据上传至云平台，从而保证数据尽可能的完整和连续。Unity 3D与数据库交互时，调取数据库中的相关数据，并对数据进行处理，使其可在系统中调用，实时还原场景情况，对建筑环境进行实时模拟。
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第3章 无线定位技术 .................................. 12
3.1 无线网络通信技术对比.............................. 12
3.1.1 ZigBee技术 ................................... 12
3.1.2 UWB技术 ..................................... 13
第4章 建筑火灾消防系统 ................................ 18
4.1 模型制作及使用 ............................... 18
4.1.1 相关软件简介 ............................... 18
4.1.2 建筑模型制作 .................................... 18
第5章 建筑火灾最佳逃生路径算法 ........................... 34
5.1 楼梯拥堵问题分析 ................................ 34
5.1.1 建立数学模型 ..................................... 34
5.1.2 影响选择的因素分析 .......................... 34 
第5章建筑火灾最佳逃生路径算法
5.1楼梯拥堵问题分析
为研究建筑消防疏散中的楼梯拥堵问题，使用三层办公楼建筑模型作为示例，以网络节点为参考点，借助MATLAB软件的相关函数对最佳路径进行计算，为人员规划撤离路线。并根据建筑中人数和位置分布的不同，判断是否会造成楼梯拥堵情况，对此进行多组数据对比，得出人员安全撤离建筑总时间及有效方案，使人员快速、安全、有序地撤离建筑，有效降低火灾造成的人员伤亡及财产损失。
5.1.1建立数学模型
假设有一个三层办公楼建筑，整体情况如图5-1所示，二层三层分别选取a、b、c、d四个房间，一层不涉及楼梯拥挤问题，本次论文暂且不做考虑；二层a房间有n1人，二层b房间有n2人，三楼c房间有n3人，三层d房间有n4人。本建筑有两个楼梯（两个楼梯大小不同），分别命名为楼梯e、楼梯f，且每层楼梯有两段。假设楼梯e的每段楼梯可同时通行人数为i人，楼梯f的每段楼梯可同时通行人数为j人；楼梯e每段楼梯通过时间设为t1s；楼梯f每段楼梯通过时间设为t2s；为方便计算，通过楼梯时，人们自动排队，全部通过本段楼梯后，后面的人才可继续进入，普通人走路平均速度为v(m/s)。建筑的一层有两个出口，分别为出口g、出口h，出口g靠近楼梯e，楼梯f距离出口h较近，故作出简化，不考虑楼梯e到达出口h和楼梯f到达出口g的距离。

电气自动化论文参考

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第6章结论与展望
6.1结论
随着“智能建筑”和“物联网”的兴起，消防系统也越来越多样化，传统的消防系统以及传统的疏散方式已无法满足当下需求，已无法满足火灾防控及灭火救援的现实需要，迫切地需要在消防工作机制方面有所创新。为了消防工作更好发展，业界提出了“智慧消防”的概念。在此背景下，本文应用物联网技术，实现对当前建筑场景的重构，实时观测建筑内人员情况，出现突发情况时，也可为每个人规划逃生路径，通过智慧消防建设更好地开展火灾防控及灭火救援。
为了实现上述功能，本文做了如下研究与设计工作：
1.首先为实现定位数据的功能，对比当前常用的几种无线定位方式，选用合适的UWB定位设备，深入剖析UWB无线定位的算法原理与操作方法，并通过串口传输定位数据到MySQL数据库，以便定位数据的调用及使用；
2.分析建筑中人员消防疏散行为影响因素，分析消防疏散过程在的拥堵问题，分析各种因素对逃生时间的影响，使用MATLAB以及Unity 3D对寻路算法进行仿真测试对比，对A*算法进行优化，使每个人根据不同的需求对障碍物进行动态躲避，更快速完成逃生；
3.为实现建筑的深度还原，使用Revit对建筑场景建模，在Unity 3D虚拟仿真中，导入建筑模型、人物模型及火灾动画等物品，编写相关程序用于读取MySQL数据库中的定位信息，实现对实际场景的100%真实还原；
4.无论再精密的设备都存在一定的误差，对于定位数据精度问题，本文选用了误差较小的定位设备并且在上传数据的过程中加入数据判断脚本，分析每组数据的合理性，降低定位误差，尽最大可能保证数据的可用性。
参考文献（略）