村镇火灾数字仿真分析系统研究

摘要：随着我国广大村镇经济的发展，村镇所面临的火灾威胁以及其所造成的损失日益加大，与此同时，村镇相对于城市而言，抗灾设施薄弱，对于火灾的应急管理缺乏支持工具。本文利用信息技术建立了村镇火灾数字仿真分析系统，基于可视化技术实现火灾环境和灾害模型的虚拟重建，实现了火灾发生蔓延过程动态直观模拟，并以一种安全和经济的方法获得有关灾害决策的数量指标，为村镇火灾的防治、应急管理等提供可靠依据。

关键词：村镇 火灾 数字仿真 决策支持

中图分类号：tp391.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）04-0112-02

1 引言

随着信息技术的发展，利用计算机模拟火灾并进行分析，以实现火灾信息管理与应急决策支持，成为防火救灾的发展趋势。加利福尼亚大学以Pola-Alto市为试点，设计实现了火灾损失计算机模拟模型[1]；清华大学许云等对城市地震次生火灾危险性概率和城市消防指挥调度系统进行了研究；中国地震局地质研究所许建东等研究了复杂系统条件下城市地震次生火灾蔓延的数学模型；北京大学的王文俊等对城市119消防指挥调度系统的快速火警识别、车辆跟踪等问题进行了研究[2]。虽然在火灾仿真方面取得了不少研究成果，但这些研究都是基于城市进行火灾预防信息管理、数字仿真以及灾后信息分析与评估，目前，还没有针对于村镇进行的专门研究。

因此，本文首度以村镇应用为目标，基于通用的B/S系统架构，采用先进的ArcGIS技术对火灾数字仿真分析系统进行研究，使得村镇政府在有效管理基础信息的基础上，实现火灾数字仿真，为村镇政府提供直观的信息服务和决策支持。

2 系统设计

2.1 设计原理

村镇火灾数字仿真分析系统的主要功能有：建立村镇火灾数字仿真模型，实现火灾演变过程的动态模拟；建立信息管理模型，实现生命线等基础信息和抗灾设施等灾害信息的可视化管理；建立应急反应模型，实现突发事件应急决策支持；利用GIS技术的图形表达功能，实现上述结果的可视化表达。系统总体设计思路如图1所示。

建筑物、生命线工程、抗灾设施等信息通过信息管理模块，为火灾数字仿真提供信息支持；火灾形成机理是火灾数字仿真理论的基础，GIS技术是火灾数字仿真平台的核心；火灾数字仿真结果直接用于指导应急决策和安全空间规划。

2.2 系统流程

系统仿真分析功能可分为火灾危险概率分析、火灾蔓延模拟、消防应急指挥和火灾损失预测四部分。由于各个模型的运算是以其它模型的结果为参数，因此系统按照消防扑救调度模式设置模型的运算顺序和操作步骤。系统模型运算流程如图2所示。

2.3 体系结构及开发技术

系统采用基于B/S模式的WebGIS体系结构，客户端使用标准的Web浏览器与服务器进行交互，同时基于组件的思想，将系统分为可重构、可扩展的组成部分。为了更好地处理相关部分的业务需求，系统实现在B/S结构基础上进行扩充，采用三层模式作为体系结构。

用户层使用浏览器与系统交互，主要使用Ajax技术结合Html技术实现，能够实现图形化的友好界面，改善用户体验并方便用户使用系统功能。

中间层属于系统核心部分，用C#语言实现，具有数据处理灵活、功能适用、操作方便的特点，同时保证了系统的运行速度和兼容性。中间层包括表示、业务和访问三个子层。表示层为浏览器提供界面表现；业务层包括可视化信息查询与管理、火险分析、火灾蔓延分析、损失预测与归档等；访问层提供数据库存取功能，使系统能够访问属性数据和空间地图数据等不同类型服务。

数据层主要是指属性数据库和空间数据库，用于构建火灾基础信息数据库、村镇空间数据库、仿真模型库、仿真算法库和历史档案数据库等。

2.4 开发技术

系统采用Visual Studio 2008作为开发平台，编程语言为C#，同时采用ArcGIS Server9.3.1作为GIS功能服务平台。数据库采用SQL Server2005，操作系统采用Windows Server2003企业版。硬件平台选择P5，主频3.0Ghz，内存4GB，硬盘250GB。

3 仿真方法

火灾仿真模型根据建筑物相关数据以及天气和环境等信息，计算单体建筑物发生火灾的概率；在某个建筑发生火灾后，根据着火点位置以及当前天气情况，计算火势蔓延速度，并根据火灾持续时间，分析处于蔓延范围内的建筑物，为救援提供决策支持。

3.1 建筑物火险概率分析模型

根据当前天气情况对单体建筑物发生火灾的概率进行计算。

输入数据：

（1）建筑物缺省属性：是否有可燃物、可燃物可燃性等级等，为建筑物的基本数据属性，源于建筑物字典表。

：建筑物中有无可燃物，有其值为1，没有为0；

：可燃物对产生火灾的影响。

（2）天气、季节、环境等影响，采用表示。

计算公式：

为建筑j的发生火灾概率。

输出结果：。

3.2 火灾蔓延分析模型

确定发生火灾的建筑物的空间位置后，计算特定时间内火灾蔓延范围。

输入数据：

（1）发生火灾的建筑坐标，为建筑物的空间数据，源于地图。

（2）火灾持续时间。

（3）发生火灾建筑物的层高，为建筑物的基本数据属性，源于建筑物字典表。

（4）火灾发生时的风速。

计算公式：

（1）火灾蔓延速度计算

其中，V为火势蔓延速度，单位为m/s；U为风速，单位为m/s；BH为发生火灾建筑物层高，单位为m。此计算公式假设蔓延区内的燃料属性均匀同质，不考虑坡度的影响。

（2）火灾蔓延范围半径计算

其中，T为火灾持续时间。

（3）其他建筑物到灾点建筑物距离计算。

（4）

其中，为建筑物j到发生火灾建筑i的距离；和为建筑物j的经度和纬度；和为发生火灾建筑物i的经度和纬度；为地球半径。注意，确定经度纬度时许遵循以下原则：在东经取经度的正值，西经取经度负值，北纬取90减去纬度值的差，南纬取90加上纬度值的和。

输出结果：将与V进行比较，确定处于火灾蔓延范围的建筑物。

4 系统实现

4.1 建筑物火险概率分析及显示

在图3操作界面中选择天气状况后，系统自动计算出单体建筑物的火险概率并列表显示。

依据图3初步量化得到的建筑物火险概率，通过指定火险概率阈值，确定火灾隐患建筑物，并在地图中直观显示，操作界面如图4所示。其中，界面上侧列表显示超过阈值的建筑属性信息，下侧地图红色高亮显示高火险建筑物空间信息。

4.2 火点空间定位及信息显示

在图5所示的操作界面中，在地图上点击发生火灾的建筑物，界面列表显示该建筑物的属性信息，地图显示该建筑物的空间信息，同时，可在下侧的火灾信息列表中录入本次火灾的相关数据。

4.3 火灾蔓延分析及显示

在图6所示的操作界面中，使用下拉列表框选取要分析的火灾后，输入火灾持续时间，点击确定按钮，列表显示处于火灾建筑物的信息，地图红色高亮显示处于蔓延范围的建筑物群。

5 系统应用及结论

基于Web的村镇火灾数字仿真与分析系统，为村镇政府在有效管理基础设施和抗灾设施的基础上，提供火灾的数字仿真，为灾前预防、灾害应急、灾后评估提供可操作的技术支持系统，将决策支持架构在空间数据上，为村镇管理者提供直观的信息服务和决策支持，避免客观环境和人为因素造成的时间延误和决策失误，从而使财产和人员伤亡减少到最低程度。系统在辽宁省多个村镇运行过程中，反应良好，为村镇的抗灾设施建设、高危险源管理以及火灾模拟分析提供了有力决策支持。

参考文献

[1]杨嘉春.村镇火灾风险评估体系研究[D].北京工业大学硕士论文，2008.

[2]谢旭阳，任爱珠.城市地震次生火灾蔓延模拟系统[J].消防科学与技术，2003（6）：460-462.