一种基于BIM的隧道火灾预警处理方法及系统

技术领域

本发明涉及隧道火灾预警领域，尤其是涉及一种基于BIM的隧道火灾预警处理方法及系统。

背景技术

随着经济的快速发展和城市化进程的加快，增加地下空间的利用率必将成为我国解决交通拥挤问题的重要举措，也是交通建设发展的趋势。其中，公路隧道是地下空间利用的一种非常常见的形式。

虽然地下道路隧道能够给人们的生活提供便利，但由于其结构和功能的特殊性，消防安全问题显得尤为重要。近些年来，随着交通事业的发展，公路隧道建设量日益增加，长度也愈来愈长，隧道内行车密度和速度增大，车辆自燃、碰撞等事故频发。虽然隧道火灾发生概率较低，但一旦发生，就会对隧道内人员的生命财产和隧道结构造成极大的威胁。隧道呈狭长型，近似于封闭空间。受几何结构的影响，发生火灾时，隧道内火势蔓延迅速，热量不易散发且迅速积累导致温度立即升高，甚至可达1000℃以上。位于火源附近的隧道承重结构体容易被烧坏，发生崩塌事故，造成严重的经济损失。另外，火灾时隧道内空气供给不足，容易引起燃料的不充分燃烧，产生大量的有毒有害烟气，主要是CO，CO进入人体后，会影响血红蛋白与氧气的结合，造成人员缺氧。有研究表明，隧道火灾死亡人数中，有将近85%死于有毒烟气。因此，隧道火灾发生后，需要尽快对火灾进行预警，同时立即启动通风措施，一方面可以通过热对流降低隧道内的温度，另一方面通风也可以降低隧道内烟气浓度，减少人员伤亡。

BIM技术（建筑信息模型）是数字技术在建筑工程中的直接应用，解决建筑工程在软件中的描述问题，使设计人员和工程技术人员能够对各种建筑信息做出正确的应对，并为协同工作提供坚实的基础。

针对上述相关技术，发明人认为在隧道发生火灾后，预警及通风措施响应不太及时，使火灾不易得到高效率处理。

发明内容

为了在隧道发生火灾后，使火灾能够得到高效率预警处理，本申请提供一种基于BIM的隧道火灾预警处理方法及系统。

第一方面，本申请提供的一种基于BIM的隧道火灾预警处理方法，采用如下的技术方案：

一种基于BIM的隧道火灾预警处理方法，包括：

获取隧道的环境信息；

基于所述隧道的环境信息，建立关于所述隧道环境的BIM模型；

基于所述BIM模型构建火灾预警边界条件，所述火灾预警边界条件包括预设的温度阈值范围；

获取所述隧道环境的温度值；

若所述隧道环境的温度值超出所述预设的温度阈值范围时，则输出预警信息并控制通风系统启动通风模式对所述隧道进行通风。

通过采用上述技术方案，为了对公路隧道发生火灾时做到很好的预警，根据隧道内的环境信息，根据环境信息建立BIM模型，BIM模型能还原公路隧道内部的全部环境信息，包括隧道围岩地层的几何信息、岩性、隧道围护结构的热力学参数以及一些检测数据信息；然后基于建立的BIM模型建立火灾预警边界条件，火灾预警边界条件指的是发生火灾的界限条件，比如说温度阈值和烟气浓度阈值等，首先获取隧道的实际温度值，若实际温度值超出预设的温度阈值范围，则代表隧道的温度值不正常，需要引起重视，因此输出预警信息进行预警，并且启动通风模式对隧道进行通风；因此在隧道发生火灾后，使火灾能够得到高效率预警处理，使之不会造成更大的损失。

可选的，所述构建火灾预警边界条件的步骤包括：

从预设的数据库中获取距离今天连续N天内的历史温度数据；

基于所述连续N天内的历史温度数据，获取设置在所述隧道内的温度传感器的数量i，所述温度传感器能测定不同时刻的温度；

建立所述温度传感器i所对应的温度与时间关系，所述温度传感器i所对应的温度与时间关系满足以下关系：

其中，

通过采用上述技术方案，在构建火灾预警边界条件时，需要获取温度阈值范围，则需要利用历史的温度数据进行拟合，模拟出一天中的每个时间中的温度传感器

可选的，所述隧道环境的温度值超出所述预设的温度阈值范围，则输出预警信息的步骤包括：

获取位于火灾区域两侧的两相邻温度传感器所测定的温度值；

基于两所述温度值，分别获取两所述相邻温度传感器的温度变化率和温度降；

若两所述相邻温度传感器的温度变化率至少有一个高于预设的最大温度变化率，且该温度传感器的温度降高于预设的最大温度降，则输出预警信息。

通过采用上述技术方案，比如说当隧道有一处发生火灾后，火灾区域两侧均设置有两个温度传感器，通过测定这两个温度传感器的温度变化率和温度降，当至少有一个温度传感器的温度变化率均超过边界条件所设定的最大温度变化率，以及该温度传感器的温度降均超过边界条件所设定的正常温度降时，则说明发生火灾，需要进行火灾预警以及启动通风模式；对两个温度传感器进行分析，能提高测试结果的准确性。

可选的，所述控制通风系统启动通风模式对隧道进行通风的步骤包括：

获取火灾区域的烟气浓度扩散速度；

若所述烟气浓度扩散速度未超过预设的烟气浓度扩散速度阈值，则控制靠近所述火灾区域的竖井开启抽风模式，控制远离所述火灾区域的竖井开启送风模式。

通过采用上述技术方案，在需要对隧道进行通风时，由于隧道会设置很多竖井，利用火灾区域就近的竖井进行抽风，远离火灾区域的竖井进行送风，形成气流，有利于将隧道内的烟气排出。

可选的，所述获取火灾区域的浓度扩散速度的步骤之后还包括：

若所述浓度扩散速度超过预设的扩散速度阈值，则基于所述BIM模型构建有限元数值分析模型，所述有限元数值分析模型包括有限元模型边界条件，所述有限元模型边界条件包括预设的烟气浓度阈值；

获取所述火灾区域的位置信息和所述隧道内预设的送风机的最大功率；

基于所述位置信息和所述隧道内预设的送风机的最大功率，获取所述通风系统的通风功率初值；

基于所述通风功率初值分析得到所述BIM模型中待测点的烟气浓度；

若所述烟气浓度未超过预设的烟气浓度阈值，则所述通风功率初值符合要求，若所述烟气浓度超过预设的烟气浓度阈值，则所述通风功率初值不符合要求。

通过采用上述技术方案，如果火灾规模较大，烟气浓度扩散较快，若仍通过远处的竖井送风，反而可能会造成烟气向外扩散，造成更严重的后果，因此烟气管理的核心在于，针对不同的火灾位置和规模，对每个竖井的通风方向（送风或排风）和通风功率（送风或排风的强度）进行精细控制，以达到更好的烟气控制效果，即烟气扩散范围最小、烟气浓度下降最快；因此需要计算送风机的通风功率是否符合要求，若符合要求，则可以直接采用这个通风功率进行通风，若不符合要求，则代表这个通风功率有待改善。

可选的，所述基于所述位置信息和所述隧道内预设的送风机的最大功率，获取所述通风系统的通风功率初值的步骤包括：

基于所述通风功率初值Pmax，若所述火灾区域两侧分别存在烟气浓度传感器2i-1与烟气浓度传感器2i，则设定所述通风系统的通风功率初值

所述基于所述通风功率初值分析得到所述BIM模型中待测点的烟气浓度的步骤包括：

根据

通过采用上述技术方案，首先根据火灾的位置规模及各送风机的最大功率确定通风功率初值，然后通过有限元分析模型得到BIM模型中各个监测传感器位置处的烟气浓度，并将分析得到的烟气浓度和预设的烟气浓度阈值进行比较，若小于阈值，则给定的通风参数就是待求的参数值，如果相差很远，则需修改参数值，利用公式分别计算送风的初始功率和抽风的功率初值。

可选的，所述基于所述通风功率初值分析得到所述BIM模型中待测点的烟气浓度的步骤包括：

基于所述构建的有限元数值分析模型；

获取所述各粒子记录的通风参数分别通过所述有限元数值分析模型的边界条件的分析结果；

基于所述分析结果，获取通风预设时间后的所述BIM模型中的待测点的烟气浓度。

通过采用上述技术方案，当烟气浓度不符合要求时，将构建粒子群，每个粒子代表一种可能的通风参数，通过粒子群来对通风参数进行修正，使通风参数的准确性提高。

可选的，若所述烟气浓度未超过预设的烟气浓度阈值，则所述通风功率初值符合要求，若所述烟气浓度超过预设的烟气浓度阈值，则所述通风功率初值不符合要求的步骤包括：

若所述待测点的烟气浓度

若所述待测点的烟气浓度

其中，

通过采用上述技术方案，在待测点的烟气浓度未达到烟气浓度阈值时，则代表此时的通风参数为合适参数，当待测点的烟气浓度超过烟气浓度阈值，则需要通过粒子群对通风参数进行修正；其中使用适应度函数进行修正，适应度函数前两项用于判断隧道烟气的扩散情况，最后一项用于判断隧道烟气的排出效果，然后进行迭代计算，直至获取合理的通风参数，

可选的，所述通风功率初值不符合要求的步骤之后包括：

设置参数

通过参数

其中，

基于修正后的粒子的通风参数信息，获取通过所述有限元数值分析模型的烟气浓度。

通过采用上述技术方案，由于获取的通风参数初值不准确时，需要对通风参数进行修正，则首先将每个粒子的通风参数进行修正，然后将修正后的通风参数

第二方面，本申请提供的一种基于BIM的隧道火灾预警处理系统，采用如下的技术方案：

一种基于BIM的隧道火灾预警处理系统，应用于上述的一种基于BIM的隧道火灾预警处理方法，包括：隧道环境信息获取模块、BIM模型建立模块、火灾预警边界条件构建单元；环境温度值检测模块、控制模块、预警模块及通风系统；

所述隧道环境信息获取模块，用于获取隧道的环境信息；

所述BIM模型建立模块，用于基于所述隧道的环境信息，建立关于所述隧道环境的BIM模型；

所述火灾预警边界条件构建单元，用于基于所述BIM模型构建火灾预警边界条件；

所述环境温度值检测模块，用于检测所述隧道环境的温度值；

所述预警模块，用于在所述隧道环境的温度值超出预设的温度阈值范围时，则输出预警信息；

所述通风系统，用于在所述隧道环境的温度值超出预设的温度阈值范围时，启动通风模式对所述火灾区域进行通风；

所述控制模块，用于判断所述隧道环境是否超出预设的温度阈值范围，若超出预设的温度阈值范围，则发出预警指令给所述预警模块，以及发送通风指令给所述通风系统。

通过采用上述技术方案，为了对公路隧道发生火灾时做到很好的预警，根据隧道内的环境信息，根据环境信息建立BIM模型，BIM模型能还原公路隧道内部的全部环境信息，包括隧道围岩地层的几何信息、岩性、隧道围护结构的热力学参数以及一些检测数据信息；然后基于建立的BIM模型建立火灾预警边界条件，火灾预警边界条件指的是发生火灾的界限条件，比如说温度阈值和烟气浓度阈值等，首先获取隧道的实际温度值，若实际温度值超出预设的温度阈值范围，则代表隧道的温度值不正常，需要引起重视，因此输出预警信息进行预警，并且启动通风模式对隧道进行通风；因此在隧道发生火灾后，使火灾能够得到高效率预警处理，使之不会造成更大的损失。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.根据隧道内的环境信息，建立BIM模型，然后基于建立的BIM模型建立火灾预警边界条件，获取隧道的实际温度值，若实际温度值超出预设的温度阈值范围，则代表隧道的温度值不正常，需要引起重视，因此输出预警信息进行预警，并且启动通风模式对隧道进行通风；因此在隧道发生火灾后，使火灾能够得到高效率预警处理；

2.如果火灾规模较大，烟气浓度扩散较快，针对不同的火灾位置和规模，对每个竖井的通风方向（送风或排风）和通风功率（送风或排风的强度）进行精细控制，以达到更好的烟气控制效果，即烟气扩散范围最小、烟气浓度下降最快；因此需要计算送风机的通风功率是否符合要求，若符合要求，则可以直接采用这个通风功率进行通风，若不符合要求，则代表这个通风功率有待改善。

附图说明

图1是本申请实施例的一种基于BIM的隧道火灾预警处理系统的整体结构示意图。

图2是本申请实施例的一种基于BIM的隧道火灾预警处理系统的硬件架构示意图。

图3是本申请实施例的一种基于BIM的隧道火灾预警处理方法的流程图。

图4是本申请实施例的一种基于BIM的隧道火灾预警处理系统的隧道火灾温度扩散示意图。

图5是本申请实施例的一种基于BIM的隧道火灾预警处理系统的隧道火灾烟气扩散示意图。

附图标记说明：1、隧道；2、温度和烟气监测传感器；3、竖井；4、送风机；5、风速传感器；6、隧道火灾预警与通风管理系统；7、第一温度传感器；8、第二温度传感器；9、第一送风竖井；10、第一抽风竖井；11、第二抽风竖井；12、第二送风竖井。

具体实施方式

以下结合附图1-5对本申请作进一步详细说明。

参照图1，本申请实施例公开一种基于BIM的隧道火灾预警与通风管理系统，公路隧道1上方设置N个竖井3，分别为i=1，2，…，N。竖井i下方布置温度和烟气监测传感器2，温度和烟气监测传感器2包括温度传感器和烟气浓度传感器，编号为2i-1，竖井i与竖井i+1之间的中部位置也布置有温度和烟气监测传感器2，编号为2i；公路隧道1两端布置风速传感器5，温度和烟气监测传感器2通讯连接有隧道火灾预警与通风管理系统6。

参照图2，基于BIM的隧道火灾预警与通风管理系统的硬件包括隧道环境信息获取模块、BIM模型建立模块、火灾预警边界条件构建单元、环境温度值检测模块、控制模块、预警模块及通风系统；其中隧道环境信息获取模块、BIM模型建立模块、火灾预警边界条件构建单元，环境温度值检测模块、预警模块及通风系统均与控制模块通讯连接。

隧道环境信息获取模块，用于获取隧道环境信息，隧道环境信息包括模型几何信息（隧道围岩地层、隧道工程结构与监测传感器的三维几何尺寸和空间位置信息）、隧道围护结构的热力学参数（密度、导热系数、比热容等）、竖井工程信息（竖井尺寸、位置等）、设备信息（抽风机与送风机性能参数等）、监测数据信息（监测传感器型号及布设位置、实时获取到的监测数据）。

其中，隧道围岩地层的几何信息、岩性可以通过地质钻孔勘查获取，隧道围护结构的热力学参数通过隧道设计方案及材料试验获取，监测传感器信息通过隧道监测设计方案获取，监测数据则通过传感器采集仪实时获取。监测项目主要包括温度、烟气浓度、风速等。

BIM模型建立模块，用于基于隧道的环境信息，建立关于隧道环境的BIM模型；BIM模型能深度还原公路隧道的环境情况。在公路隧道建设时布置传感器及控制系统，利用BIM技术对温度及烟气浓度等监测数据进行有效的管理，在传感器监测到异常数据时分析处理，并通过控制通风系统等措施来改善公路隧道内情况，减少经济损伤及人员伤亡，是公路隧道火灾防控的重要手段。

火灾预警边界条件构建单元，用于基于BIM模型构建火灾预警边界条件，隧道内发生火灾后的主要现象是温度急速升高和烟气浓度急剧上升。由于目前烟雾探测器精度还难以达到实用要求，仅能作为辅助和参考，因此火灾预警可利用隧道内温度分布的显著变化来实现。为了实现火灾自动化预警，需要将常规情况的温度分布作为边界条件，突破此边界即视为异常情况，然后进一步判断是否发生火灾。

环境温度值检测模块，用于检测隧道环境的温度值，包括设置在公路隧道的多个温度传感器，用来检测各个时刻的公路隧道的温度值，然后将测得的温度值发送至控制模块。

控制模块，用于判断隧道环境是否超出预设的温度阈值范围，若超出预设的温度阈值范围，则发出预警指令给预警模块，以及发送通风指令给通风系统；控制模块包括存储器和处理器，存储器存储有在公路隧道发生火灾时做出预警处理的程序，包括硬盘、U盘等其他存储介质，处理器用于运行在公路隧道发生火灾时做出预警处理的程序，包括微处理器、CPU、芯片等。

预警模块，用于在隧道环境的温度值超出预设的温度阈值范围时接收并且响应于预警指令并且对火灾进行预警提示。

通风系统，用于在隧道环境的温度值超出预设的温度阈值范围时，用于接收并且响应于通风指令，启动通风模式对火灾区域进行通风。

一种基于BIM的隧道火灾预警处理系统的实施原理为：根据隧道内的环境信息，根据环境信息建立BIM模型，BIM模型能还原公路隧道内部的全部环境信息，包括隧道围岩地层的几何信息、岩性、隧道围护结构的热力学参数以及一些检测数据信息；然后基于建立的BIM模型建立火灾预警边界条件，火灾预警边界条件指的是发生火灾的界限条件，比如说温度阈值和烟气浓度阈值等；首先获取隧道的实际温度值，若实际温度值超出预设的温度阈值范围，则代表隧道的温度值不正常，需要引起重视，因此输出预警信息进行预警，并且启动通风模式对隧道进行通风。

基于上述硬件架构，本申请实施例还公开一种基于BIM的隧道火灾预警处理方法，参照图3，包括步骤S100~S500：

步骤S100：获取隧道的环境信息。

包括模型几何信息（隧道围岩地层、隧道工程结构与监测传感器的三维几何尺寸和空间位置信息）、隧道围护结构的热力学参数（密度、导热系数、比热容等）、竖井工程信息（竖井尺寸、位置等）、设备信息（抽风机与送风机性能参数等）、监测数据信息（监测传感器型号及布设位置、实时获取到的监测数据）；隧道围岩地层的几何信息、岩性可以通过地质钻孔勘查获取，隧道围护结构的热力学参数通过隧道设计方案及材料试验获取，监测传感器信息通过隧道监测设计方案获取，监测数据则通过传感器采集仪实时获取。

步骤S200：基于隧道的环境信息，建立关于隧道环境的BIM模型。

与常规BIM模型相比，本方案中建立的BIM模型涵盖的信息更广，根据软件构建关于公路隧道的BIM模型，使BIM模型能模拟出公路隧道的环境。

步骤S300：基于BIM模型构建火灾预警边界条件，火灾预警边界条件包括预设的温度阈值范围。

隧道内发生火灾后的主要现象是温度急速升高和烟气浓度急剧上升，因此火灾报警可利用隧道内温度分布的显著变化来实现，为了实现火灾自动化报警，需要将常规情况的温度分布作为边界条件。

步骤S400：获取隧道环境的温度值。

根据设置在公路隧道上的温度传感器，能实时检测公路隧道的不同时刻的温度值，公路隧道的每个竖井内均设置温度传感器，两相邻竖井之间也设置有温度传感器，通过设置的温度传感器实时获取隧道的温度。

步骤S500：若隧道环境的温度值超出预设的温度阈值范围时，则输出预警信息并控制通风系统启动通风模式对隧道进行通风。

举例来说，隧道温度的正常值为30~50℃，若温度传感器测得的隧道温度为60℃，则代表发生火灾，需要进行预警并且及时对隧道进行通风。

具体地，步骤S300中的基于BIM模型构建火灾预警边界条件包括步骤S310~S330：

步骤S310：从预设的数据库中获取距离今天连续N天内的历史温度数据。

步骤S320：基于连续N天内的历史温度数据，获取设置在隧道内的温度传感器的数量i，温度传感器能测定不同时刻的温度。

举例来说，对于每个温度传感器i，以当前时刻7天内（当前时刻一小时前为基准，前推7天）的正常温度数据（未发生火灾）作为边界条件建立的依据。

步骤S330：建立温度传感器i所对应的温度与时间关系，温度传感器i所对应的温度与时间关系满足以下关系：

其中，

具体地，步骤S500中若隧道环境的温度值超出预设的温度阈值范围时，则输出预警信息的步骤还包括步骤S510~S530：

步骤S510：获取位于火灾区域两侧的两相邻温度传感器所测定的温度值。

参照图4，在隧道1中，设火灾发生于编号2i-1的第一温度传感器7与编号2i的温度传感器8之间，可以得出隧道1内等温线分布具有如下特点：1、火灾发生区域临近两个温度传感器位置的温度将加速上升，温度变化率远高于常规情况的最大温度变化率；2、火灾发生点临近区域的温度降显著高于常规情况。

步骤S520：基于两温度值，分别获取两相邻温度传感器的温度变化率和温度降。

两温度传感器的温度变化率分别为

步骤S530：若两相邻温度传感器的温度变化率至少有一个高于预设的最大温度变化率，且该温度传感器的温度降高于预设的最大温度降，则输出预警信息。

若同时满足以下两公式，则代表隧道可能发生火灾，

步骤S500中控制通风系统启动通风模式对隧道进行通风的步骤还包括步骤S5A0~S5G0：

步骤S5A0：获取火灾区域的烟气浓度扩散速度。

步骤S5B0：若烟气浓度扩散速度未超过预设的烟气浓度扩散速度阈值，则控制靠近火灾区域的竖井开启抽风模式，控制远离火灾区域的竖井开启送风模式。

参照图5，通过烟雾探测器检测当前的烟雾扩散速度，举例来说，预设的烟气浓度扩散速度为0.5m/s，若烟雾扩散速度未超过0.5m/s，则通过第一送风竖井9和第二送风竖井12往隧道1内部送风，通过第一抽风竖井10和第二抽风竖井11抽风，加快烟气的排出速度；一方面可以避免烟气向外扩散，另一方面也增加了火灾区域的气压，进一步促进了烟气从竖井中排出。

步骤S5C0：若浓度扩散速度超过预设的扩散速度阈值，则基于BIM模型构建有限元数值分析模型，有限元数值分析模型包括有限元模型边界条件，有限元模型边界条件还包括预设的烟气浓度阈值。

如果火灾规模较大，烟气浓度扩散较快，若仍通过第一送风竖井9和第二送风竖井12送风，反而可能会造成烟气向外扩散，造成更严重的后果，因此需要根据BIM模型构建有限元数值分析模型，有限元分析是一种数值仿真分析，通过数值模拟的方式来求解；有限元数值分析模型包括：三维有限元网格单元、有限元模型网格单元材料属性与热力学参数、有限元模型边界条件。

其中，三维有限元网格单元可通过从BIM模型中提取几何信息及结构信息后直接生成；有限元网格单元的材料属性（包括热力学参数）在设计施工时有明确参数，可根据BIM模型中的材料属性信息直接赋值；边界条件包含两方面信息，一部分是隧道内温度和烟气浓度的分布情况，可通过监测传感器实时获取；另一部分是通风情况，即每个竖井的通风方向和功率。

有限元数值分析模型中边界条件的通风情况为待确定的参数，由此，通风管理系统可以抽象为一个多目标参数优化问题，即对每个竖井的通风参数优化，以达到最好的烟气控制效果。

步骤S5D0：获取火灾区域的位置信息和隧道内预设的送风机的最大功率。

参照图1，确定隧道1的发生火灾的区域，每个竖井3内均设置有送风机4，获取火灾发生区域的送风机4的最大功率。

步骤S5E0：基于位置信息和隧道内预设的送风机的最大功率，获取通风系统的通风功率初值；

基于通风功率初值Pmax，若火灾区域两侧分别存在烟气浓度传感器2i-1与烟气浓度传感器2i，则设定通风系统的通风功率初值

步骤S5F0：基于通风功率初值分析得到BIM模型中待测点的烟气浓度。

根据

举例来说，根据BIM模型建立有限元数值分析模型，并分别将粒子

步骤S5G0：若烟气浓度未超过预设的烟气浓度阈值，则通风功率初值符合要求，若烟气浓度超过预设的烟气浓度阈值，则通风功率初值不符合要求。

若待测点的烟气浓度

若待测点的烟气浓度

基于构建的有限元数值分析模型获取各粒子记录的通风参数分别通过有限元数值分析模型的边界条件的分析结果；基于分析结果，获取通风预设时间后的BIM模型中的待测点的烟气浓度。

适应度函数满足以下关系：

其中，

若通风功率初值不符合要求的步骤之后包括：

设置参数

通过参数

其中，

将修正后的粒子

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。