人员疏散仿真（精选8篇）
人员疏散仿真 篇1
0 引言
近年来,随着我国城市化建设的发展,城市建筑用地日益减少,高层住宅建筑成为我国城市住宅建筑发展的必然趋势。高层住宅建筑高度比较高,容积率比较大,一旦发生火灾,容易造成大量人员伤亡[1,2]。如2010年11月15日,上海静安区胶州路一栋28层教师公寓在实施建筑节能综合改造项目时,由于无证电焊工在实施电焊工作时,点燃了尼龙网和竹片板,引发火灾,造成了58人死亡。当发生高层住宅火灾后,确保人员快速安全的疏散是确保人们生命安全的关键,研究高层住宅建筑火灾发生后的人员快速疏散具有较强的现实意义。
高层民用建筑有高层居住住宅建筑和高层公共建筑之分。通过长期调研发现,虽然高层住宅建筑户型设计各异,但我国目前人们居住的高层住宅形式主要有塔式高层住宅、单元式高层住宅和通廊式高层住宅三种形式。塔式高层住宅又称点式高层住宅,塔式高层建筑一般共用一个楼梯井或者共用一个楼梯与电梯组成的疏散通道,多套房在一个单元式的平面上,其中的每一套住房到达楼梯井的距离和消防前室的距离都不超过10m;单元式高层住宅有几个住宅单元,每个单元都有独立的楼梯井或一个楼梯与电梯组成的疏散通道;通廊式高层住宅也是共用一个楼梯或一个楼梯与电梯组成的疏散通道,每套房的住户通过走廊进入房内,最少有一套房到达楼梯井的距离和消防前室的距离大于10m。
1 某塔式高层住宅人员疏散仿真计算
1.1 软件介绍
Building EXODUS是由英国的格林威治大学火灾安全工程实验室(FSEG)开发,是目前一款国内外常用的比较优秀的模拟各类复杂建筑物中大量个体的逃离与行为而设计的软件[3]。
CFAST是由美国国家标准研究所(NIST)建筑研究实验室开发的区域模拟软件,CFAST利用的是火灾双层区域模拟的理论,当火灾发生后,在浮力的作用下,迅速变热的烟气层向上运动,烟气和火穿过冷空气到底顶部,热的烟气在顶部和周围墙壁的限制作用下水平、向下运动,形成上烟气层与下烟气层的现象。随着火灾的持续发展,烟气层的高度不断降低,人将由于不适应而将改变逃跑方式,当烟气层继续降低,人将面临窒息的危险[4]。
1.2 某塔式高层住宅建筑结构分析
塔式高层建筑具有高容积率,低覆盖率的优点。塔式高层建筑垂直高度上的尺寸远大于水平长宽方向的尺寸,整个体型上近似一个“点”,这种户型的布局比较灵活,特别适应不平整的地形起伏坡度较大,规划用地形状不规则的地段,由于水平宽度方向的尺寸相对较低,不会轻易遮挡小区内其他住户的视线,脏空气排出较易,对小区内的通风有利。这种“点式”建筑户型一方面能在目前国内地少人多的现状下为更多人提供住房,另一个方面开发商也有更多的利益可图,得到众多居民和开发商的青睐。
本文以长沙市某高层住宅为研究对象,研究塔式高层住宅一旦发生火灾后人员疏散的情况。如图1所示,本栋楼只有一个一楼通向室外的出口。大部分人只能通过连接室外出口的剪刀梯逃离建筑物。
如图1所示,a1为户型A1的室外出口,a2为A2户型的室外出口,b1为B1户型的室外出口,b2为B2户型的室外出口。1、2、3、4为消防门。1和2两消防门间为消防前室,3和a2间为共用前室。户型A1、A2、B1和B2分别有两条逃生路线。
1.3 模拟灾害场景
当火灾发生后,人员能否能快速顺利疏散取决于建筑物本身的安全疏散设计、人员疏散过程中的行为和建筑物的火灾火情的相互作用[5,6]。在火灾发生后的整个疏散过程中,由于个人的耐力、敏捷性、驱动力和受教育程度的不同,会表现出不同的行为;建筑物起火楼层不同,起火原因不同等也会造成不同的火势,形成不同的灾情表现形式[7]。
1.3.1 人员行为对某高层住宅仿真模拟的影响
根据调研结果,利用Building EXODUS 4.06软件人群面板在北面房间A1、A2分别添加不同年龄段的5人;在南面B1、B2房间分别添加不同年龄段的4人,此栋高层住宅总共添加人数494人,所有人员都熟悉此栋建筑物的地形,了解两条逃生路线,消防门1、2、3、4都处于自由开启,模拟结果如图2所示。
结果发现,28层每一层的户型A1、A2、B1和B2在发生紧急情况时双数层的住户如28层、26层、24层等全部选择了通往逃生楼梯的门4通向楼梯逃生;单数层如27层、26层、24层等的住户全部选择了通往逃生楼梯门1逃生。由此可见,剪刀楼梯虽然起到两座楼梯的作用,但是在发生紧急情况时,在没有任何引导的情况下,只有一条逃生路线起到了作用。另外一条逃生路线相当于闲置。这跟门1和门4的位置有关,A1、A2、B1、B2通往消防前室的门a1、a2、b1、b2离门4的距离较门1近,在发生紧急情况时,人们更愿意选择距离较近的门4逃生。当只有一条逃生路线被利用起来时,群集效应和羊群效应的作用,人们之间互相影响,都趋向于人多的逃生路线,导致另外一条逃生路线闲置。鉴于此,采用人工干预引导疏散方法[8],合理配置,当发生紧急情况时,关闭每层的消防门3,起到人工分流作用,房间A1和B1的住户将被迫选择门1通往楼梯逃生,房间A2和B2的住户被迫选择门4逃生。
一般情况下,发生火灾时出现浓烟、高温、有毒气体、缺氧导致人死亡的时间最早的在5-6min,最晚的也只能在10-20分钟[9],所以快速顺利的疏散尤其重要,比较图2(a)和图2(b)可以看出当没有采用人工干预时,所有人员逃生总共需要795.96s,约13min;采用人工干预时只需478.40s,约8min。鉴于最晚死亡时间最短为10min,采用人工干预后更利于人员安全疏散。
1.3.2 起火楼层对某高层住宅仿真模拟的影响
采用上例中的人工干预疏散后关闭消防门3的模型,分别假设此栋28层楼的第25层、第18层和第7层起火,并研究其对人员疏散的影响。Building EXODUS默认人的站立高度为1.7m,当烟气层高度低于人的默认高度时,人将面临窒息死亡。高层建筑中最常见的起火原因是吸烟不慎[10],本例每层起火的情况均假设户型A1的客厅内由于烟头落在沙发上引起沙发起火,导致火灾的发生。采用人工干预后,疏散到第7层、18层和第25层所需时间分别如图3、4、5所示,CFAST模拟烟气高度随时间变化规律如图6所示。
添加人工干预疏导后,有两条疏散路线可供选择,分别为通过门1下楼的疏散路线和通过门4下楼的疏散路线2,这栋楼每一层之上的全部居民疏散到这一层之下所需的时间以到达这一层的最后一个居民通过这一层的疏散楼梯口的时间为准。如图3、4、5所示,到达7层、18层、25层的居民最后一个疏散到下层分别选择了疏散路线1、疏散路线1和疏散路线2。7层、18层、25层最后一个居民疏散到下层所需时间分别为320s、120s、55s。如图6所示,100s左右时,A1房间的烟气层高度首先达到1.7m。随着时间的推移,烟气层的高度越来越低。烟气、毒物将致人死亡。当此栋建筑物第25层发生火灾时,当人员疏散到25层时,只需55s左右,当人员往下疏散逃离火场时,烟气层的高度还未低于1.7m,人员疏散效率高。人员疏散到第7层和第18层时,分别需要320s 、120s左右,当7层或18层着火时,人员还未到达7层或18层,烟气层高度已经越来越低。人员必须穿过能让人致死的烟气层疏散到一楼,逃离起火建筑物,人员疏散效率将大大降低,特别是7楼着火时,烟气早已蔓延整个7层空间,将造成大量人员伤亡。
2 结论
高层建筑火灾人员疏散研究对保证高层建筑住户的生命安全具有较强的现实意义。本文利用相关软件对长沙市某塔式高层住宅建筑的人员疏散和烟气进行模拟,得出如下结论:
(1)剪刀楼梯的设计位置对疏散至关重要,目前的塔式高层建筑剪刀梯大多设计在靠北面位置,以便可以开设外窗采用自然通风,未添加加压送风系统,一旦发生火灾,排烟措施不够健全。
(2)剪刀楼梯靠一边设计,四个住户关于楼梯口不对称,居民分别到达两条疏散楼梯口的距离不等,一旦发生紧急情况,居民都将选择较近的疏散线路,结果可能导致一条线路拥堵,另一条线路闲置的情况,影响疏散效率。
(3)进行必要的人工干预引导疏散和疏散演习,有利于两条疏散路线的有效利用。
(4)高层住宅建筑起火楼层越底越不利于疏散,所以,位于底层的楼层应该设为消防管理的重点,房内设计避免采取易燃材料。
摘要：基于高层建筑火灾的严重危害,本文在具体分析阐述我国目前高层住宅建筑的户型设计现状后,以长沙市某高层塔式住宅建筑为研究对象,利用人员疏散软件Building EXODUS(V4.06版)和烟气模拟软件CFAST对发生火灾后建筑物的人员疏散和烟气流动情况仿真模拟。研究表明,逃生楼梯的设计位置对高层塔式住宅的人员疏散效率影响较大;在发生紧急情况后,事前是否进行过疏散演习和事中的人工干预引导疏散对保障高层住宅建筑火灾居民的生命安全尤为重要;高层住宅建筑火灾,起火楼层越底,伤亡越大。
关键词：高层住宅,塔式建筑,火灾,人员疏散,仿真模拟
参考文献
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人员疏散仿真 篇2
--获校数学建模二等
数学建模 人员疏散
本题是由我和我的好哥们张勇还有我们区队的学委谢菲菲经过数个日夜的精心准备而完成的,指导老师沈聪.摘要
文章分析了大型建筑物内人员疏散的特点，结合我校1号教学楼的设定火灾场景人员的安全疏散，对该建筑物火灾中人员疏散的设计方案做出了初步评价，得出了一种在人流密度较大的建筑物内，火灾中人员疏散时间的计算方法和疏散过程中瓶颈现象的处理方法，并提出了采用距离控制疏散过程和瓶颈控制疏散过程来分析和计算建筑物的人员疏散。
关键字
人员疏散
流体模型
距离控制疏散过程
问题的提出
教学楼人员疏散时间预测
学校的教学楼是一种人员非常集中的场所，而且具有较大的火灾荷载和较多的起火因素，一旦发生火灾，火灾及其烟气蔓延很快，容易造成严重的人员伤亡。对于不同类型的建筑物，人员疏散问题的处理办法有较大的区别，结合1号教学楼的结构形式，对教学楼的典型的火灾场景作了分析，分析该建筑物中人员疏散设计的现状，提出一种人员疏散的基础，并对学校领导提出有益的见解建议。
前言
建筑物发生火灾后，人员安全疏散与人员的生命安全直接相关，疏散保证其中的人员及时疏散到安全地带具有重要意义。火灾中人员能否安全疏散主要取决于疏散到安全区域所用时间的长短，火灾中的人员安全疏散指的是在火灾烟气尚未达到对人员构成危险的状态之前,将建筑物内的所有人员安全地疏散到安全区域的行动。人员疏散时间在考虑建筑物结构和人员距离安全区域的远近等环境因素的同时，还必须综合考虑处于火灾的紧急情况下，人员自然状况和人员心理这是一个涉及建筑物结构、火灾发展过程和人员行为三种基本因素的复杂问题。随着性能化安全疏散设计技术的发展，世界各国都相继开展了疏散安全评估技术的开发及研究工作，并取得了一定的成果(模型和程序)，如英国的CRISP、EXODUS、STEPS、Simulex，美国的ELVAC、EVACNET4、EXIT89，HAZARDI，澳大利亚的EGRESSPRO、FIREWIND，加拿大的FIERA system和日本的EVACS等，我国建筑、消防科研及教学单位也已开展了此项研究工作，并且相关的研究列入了国家“九五”及“十五”科技攻关课题。一般地，疏散评估方法由火灾中烟气的性状预测和疏散预测两部分组成，烟气性状预测就是预测烟气对疏散人员会造成影响的时间。众多火灾案例表明，火灾烟气毒性、缺氧使人窒息以及辐射热是致人伤亡的主要因素。
其中烟气毒性是火灾中影响人员安全疏散和造成人员死亡的最主要因素，也就是造成火灾危险的主要因素。研究表明：人员在CO浓度为4X10-3浓度下暴露30分钟会致死。
此外，缺氧窒息和辐射热也是致人死亡的主要因素，研究表明：空气中氧气的正常值为21％，当氧气含量降低到12％～15％时，便会造成呼吸急促、头痛、眩晕和困乏，当氧气含量低到6％～8％时，便会使人虚脱甚至死亡；人体在短时间可承受的最大辐射热为2.5kW／m2(烟气层温度约为200℃)。
图1 疏散影响因素
预测烟气对安全疏散的影响成为安全疏散评估的一部分，该部分应考虑烟气控制设备的性能以及墙和开口部对烟的影响等；通过危险来临时间和疏散所需时间的对比来评估疏散设计方案的合理性和疏散的安全性。疏散所需时间小于危险来临时间，则疏散是安全的，疏散设计方案可行；反之，疏散是不安全的，疏散设计应加以修改，并再评估。
图2 人员疏散与烟层下降关系(两层区域模型)示意图
疏散所需时间包括了疏散开始时间和疏散行动时间。疏散开始时间即从起火到开始疏散的时间，它大体可分为感知时间(从起火至人感知火的时间)和疏散准备时间(从感知火至开始疏散时间)两阶段。一般地，疏散开始时间与火灾探测系统、报警系统，起火场所、人员相对位置，疏散人员状态及状况、建筑物形状及管理状况，疏散诱导手段等因素有关。
疏散行动时间即从疏散开始至疏散结束的时间，它由步行时间(从最远疏散点至安全出口步行所需的时间)和出口通过排队时间(计算区域人员全部从出口通过所需的时间)构成。与疏散行动时间预测相关的参数及其关系见图3。
图3 与疏散行动时间预测相关的参数及其关系
模型的分析与建立
我们将人群在1号教学楼内的走动模拟成水在管道内的流动，对人员的个体特性没有考虑，而是将人群的疏散作为一个整体运动处理，并对人员疏散过程作了如下保守假设：
u
疏散人员具有相同的特征，且均具有足够的身体条件疏散到安全地点； u
疏散人员是清醒状态，在疏散开始的时刻同时井然有序地进行疏散，且在疏散过程中不会出现中途返回选择其它疏散路径；
u
在疏散过程中，人流的流量与疏散通道的宽度成正比分配，即从某一个出口疏散的人数按其宽度占出口的总宽度的比例进行分配
u
人员从每个可用出口疏散且所有人的疏散速度一致并保持不变。
以上假设是人员疏散的一种理想状态，与人员疏散的实际过程可能存在一定的差别，为了弥补疏散过程中的一些不确定性因素的影响，在采用该模型进行人员疏散的计算时，通常保守地考虑一个安全系数，一般取1．5～2，即实际疏散时间为计算疏散时间乘以安全系数后的数值。
1号教学楼平面图
教学楼模型的简化与计算假设
我校1号教学楼为一幢分为A、B两座，中间连接着C座的建筑（如上图），A、B两座为五层，C座为两层。A、B座每层有若干教室，除A座四楼和B座五楼，其它每层都有两个大教室。C座一层即为大厅，C座二层为几个办公室，人员极少故忽略不考虑，只作为一条人员通道。为了重点分析人员疏散情况，现将A、B座每层楼的10个小教室（40人）、一个中教室（100）和一个大教室（240人）简化为6个教室。
图4 原教室平面简图
在走廊通道的1/2处，将1、2、3、4、5号教室简化为13、14号教室，将6、7、8、9、10号教室简化为15、16号教室。此时，13、14、15、16号教室所容纳的人数均为100人，教室的出口为距走廊通道两边的1/4处，且11、13、15号教室的出口距左楼梯的距离相等，12、14、16号教室的出口距右楼梯的距离相等。我们设大教室靠近大教室出口的100人走左楼梯，其余的140人从大教室楼外的楼梯疏散，这样让每一个通道的出口都得到了利用。由于1号教学楼的A、B两座楼的对称性，所以此简图的建立同时适用于1号教学楼A、B两座楼的任意楼层。
图5 简化后教室平面简图
经测量，走廊的总长度为44米，走廊宽为1.8米,单级楼梯的宽度为0.3米,每级楼梯共有26级,楼梯口宽2.0米,每间教室的面积为125平方米.则简化后走廊的1/4处即为教室的出口，距楼梯的距离应为44/4=11米。对火灾场景做出如下假设: u
火灾发生在第二层的15号教室;u
发生火灾是每个教室都为满人,这样这层楼共有600人;u
教学楼内安装有集中火灾报警系统,但没有应急广播系统;u
从起火时刻起,在10分钟内还没有撤离起火楼层为逃生失败;
对于这种场景下的火灾发展与烟气蔓延过程可用一些模拟程序进行计算,并据此确定楼内危险状况到来的时间.但是为了突出重点,这里不详细讨论计算细节.人员的整个疏散时间可分为疏散前的滞后时间,疏散中通过某距离的时间及在某些重要出口的等待时间三部分,根据建筑物的结构特点,可将人们的疏散通道分成若干个小段。在某些小段的出口处,人群通过时可能需要一定的排队时间。于是第i 个人的疏散时间ti 可表示为:
式中, ti,delay为疏散前的滞后时间,包括觉察火灾和确认火灾所用的时间;di,n为第n 段的长度;vi,n 为该人在第n 段的平均行走速度;Δtm,queue 为第n 段出口处的排队等候时间。最后一个离开教学楼的人员所有用的时间就是教学楼人员疏散所需的疏散时间。
假设二层的15号教室是起火房间,其中的人员直接获得火灾迹象进而马上疏散,设其反应的滞后时间为60s;教学内的人员大部分是学生,火灾信息将传播的很快,因而同楼层的其他教室的人员会得到15号教室人员的警告,开始决定疏散行动.设这种信息传播的时间为120s,即这批人的总的滞后时间为120+60=180秒;因为左右两侧为对称状态,所以在这里我们就计算一面的.一、三、四、五层的人员将通过火灾报警系统的警告而开始进行疏散,他们得到火灾信息的时间又比二层内的其他教室的人员晚了60秒.因此其总反应延迟为240秒.由于火灾发生在二楼,其对一层人员构成的危险相对较小,故下面重点讨论二,三,四,五楼的人员疏散.为了实际了解教学楼内人员行走的状况,本组专门进行了几次现场观察,具体记录了学生通过一些典型路段的时间。参考一些其它资料[1、2、3] ,提出人员疏散的主要参数可用图6 表示。在开始疏散时算起,某人在教室内的逗留时间视为其排队时间。人的行走速度应根据不同的人流密度选取。当人流密度大于1 人/ m2时,采用0.6m/ s 的疏散速度,通过走廊所需时间为60s ,通过大厅所需时间为12s;当人流密度小于1 人/m2 时,疏散速度取为1.2m/ s ,通过走廊所需时间为30s ,通过大厅所需时间为6s。
图6 人员疏散的若干主要参数
Pauls[4]提出,下楼梯的人员流量f 与楼梯的有效宽度w 和使用楼梯的人数p 有关,其计算公式为:
式中,流量f 的单位为人/ s , w 的单位为mm。此公式的应用范围为0.1 < p/ w < 0.55。
这样便可以通过流量和室内人数来计算出疏散所用时间。出口的有效宽度是从通道的实际宽度里减去其两侧边界层而得到的净宽度,通常通道一侧的边界层被设定为150mm。结果与讨论
在整个疏散过程中会出现如下几种情况:
(1)起火教室的人员刚开始进行疏散时,人流密度比较小,疏散空间相对于正在进行疏散的人群来说是比较宽敞的,此时决定疏散的关键因素是疏散路径的长度。现将这种类型的疏散过程定义为是距离控制疏散过程;
(2)起火楼层中其它教室的人员可较快获得火灾信息,并决定进行疏散,他们的整个疏散过程可能会分成两个阶段来进行计算: 当f进入2层楼梯口流出2层楼梯口时, 这时的疏散就属于距离控制疏散过程;当f进入2层楼梯口> f流出2层楼梯口时, 二楼楼梯间的宽度便成为疏散过程中控制因素。现将这种过程定义为瓶颈控制疏散过程;
(3)三、四层人员开始疏散以后,可能会使三楼楼梯间和二楼楼梯间成为瓶颈控制疏散过程;
(4)一楼教室人员开始疏散时,可能引起一楼大厅出口的瓶颈控制疏散过程;
(5)在疏散后期,等待疏散的人员相对于疏散通道来说,将会满足距离控制疏散过程的条件,即又会出现距离控制疏散过程。
起火教室内的人员密度为100/ 125 = 0.8 人/m2。然而教室里还有很多的桌椅,因此人员行动不是十分方便,参考表1 给出的数据,将室内人员的行走速度为1.1m/ s。设教室的门宽为1.80m。而在疏散过程中,这个宽度不可能完全利用,它的等效宽度,等于此宽度上减去0.30m。则从教室中出来的人员流量f0为:
f0=v0×s0×w0=1.1×0.8×4.7=4.1(人/ s)
(3)
式中, v0 和s0 分别为人员在教室中行走速度和人员密度, w0 为教室出口的有效宽度。按此速度计算,起火教室里的人员要在24.3s 内才能完全疏散完毕。
设人员按照4.1 人/ s 的流量进入走廊。由于走廊里的人流密度不到1 人/ m2 ,因此采用1.2m/s的速度进行计算。可得人员到达二楼楼梯口的时间为9.2s。在此阶段, 将要使用二楼楼梯的人数为100人。此时p/ w=100/1700=0.059 < 0.1 , 因而不能使用公式2 来计算楼梯的流量。采用Fruin[5]提出的人均占用楼梯面积来计算通过楼梯的流量。根据进入楼梯间的人数,取楼梯中单位宽度的人流量为0.5人 /(m.s),人的平均速度为0.6m/ s ,则下一层楼的楼梯的时间为13s。这样从着火时刻算起,在第106.5s(60+24.3+9.2+13)时,着火的15号教室人员疏散成功。以上这些数据都是在距离控制疏散过程范围之内得出的。
起火后120s ,起火楼层其它两个教室（即11和13号教室）里的人员开始疏散。在进入该层楼梯间之前,疏散的主要参数和起火教室中的人员的情况基本一致。在129.2s他们中有人到达二层楼梯口,起火教室里的人员已经全部撤离二楼大厅。因此,即将使用二楼楼梯间的人数p1 为:
p1 = 100 ×2 = 200(人)(4)
此时f进入2层楼梯口>f流出2层楼梯口,从该时刻起,疏散过程由距离控制疏散过渡到由二楼楼梯间瓶颈控制疏散阶段。由于p/ w =200/1700= 0.12 ,可以使用公式2 计算二楼楼梯口的疏散流量f1 , 即: ?/P>
0.27 0.73
f1 =(3400/ 8040)
× 200
= 2.2人/ s)(5)
式中的3400 为两个楼梯口的总有效宽度,单位是mm。而三、四层的人员在起火后180s 时才开始疏散。三层人员在286.5s(180+106.5)时到达二层楼梯口,与此同时四层人员到达三层楼梯口,第五层到达第四层楼梯口。此时刻二层楼梯前尚等待疏散人员数p′1:
p′1 = 200-(286.5 – 129.2)×2.2 =-146.1(人)<0(6)
所以，二层楼的人员已经全部到达一层 此后,需要使用二层楼梯间的人数p2 :
p2 = 100×3=300(人)(7)
相应此阶段通过二楼楼梯间的流量f 2 : 0.27 0.73
f2 =(3400/8040)× 200
= 2.5(人/ s)(8)
这┤送ü楼楼梯的疏散时间t1 :
t1 = 300÷2.5 = 120(s)
(9)
因为教学楼三、四、五层的结构相同，所以五层到四层，四层到三层和三层到二层所用的时间相等，因此人员的疏散在楼梯口不会出现瓶颈现象 所以,通过二楼楼梯的总体疏散时间T :
T = 286.5+ 120×3 = 646.5(s)
(10)
最终根据安全系数得出实际疏散时间为T实际:
T实际 =646.5×(1.5～2)=969.75～1293(s)（11）
图7 二楼楼梯口流量随时间的变化曲线图
关于几点补充说明： 以上是我们只对B座二楼的15号教室起火进行的假设分析和计算，此时当人员到达一楼即视为疏散成功。同理，当三楼起火的时候，人员到达二楼即视为疏散成功，四楼、五楼以此类推。因为1号教学楼A、B座结构的对称性所以楼层的其他教室起火与此是同一个道理。所以本文上述的分析与计算同时适用于A、B两座楼。另外当三层以上（包括三楼）起火的时候，便体现出C座二楼的作用。当B座的三楼起火的时候，B座二楼的人员肯定是在B座三楼人员后对起火做出应对反应，所以会出现当三楼人员疏散到二楼的时候，二楼的人员也开始疏散的情况，势必造成二楼楼梯口出现瓶颈现象。因为A、B座的三、四、五楼并没有连接，都是独立的结构，出现火灾不会直接从B座的三楼威胁到A座三楼及其他楼层人员的安全，所以为了避免上述二楼楼梯口出现瓶颈现象的发生，我们让二楼的所有人员向A座的二楼转移，这样就会让起火楼层的人员能够更快的疏散到安全区域。当B座的四、五楼起火的时候也同样让二楼的人员向A座的二楼转移，为二楼以上的人员疏散创造条件。同理，A座也是如此。
在对火灾假设分析和计算的时候，我们并没有对大教室的后门楼梯的疏散做出计算，由于1号教学楼的特殊性，A座的四楼和B座的五楼没有大教室，所以大教室的后门楼梯疏散人员的速度是很快的，不会在大教室后门的楼梯出现瓶颈现象。
关于1号教学楼的几个出口： u
大厅有一个大门
u
A座一楼靠近正厅有一个门 u
A座大教室旁边有一个门
u
B座中教室靠近大厅正门侧面的窗户可以作为一个应急出口
u
A、B座的底层都有一个地下室（当烟气蔓延太快来不及疏散，受烟气威胁的时候可以作为一个逃生去向）u
A、B座大教室各有一个后门
合计： 8个出口 致校领导的一封信
尊敬的校领导，你们好。
针对我校1号教学楼，我们数学建模小组通过实际测量、建立模型、模型分析，得出如下结论：一旦1号教学楼发生火灾，人员有可能不能全部安全疏散。以上的分析是按一种很理想的条件进行的,并没有进行任何修正。实际上人在火灾中的行为是很复杂的,尤其是没有经过火灾安全训练的人,可能会出现盲目乱跑、逆向行走等现象,而这也会延长总的疏散时间。
人员疏散仿真 篇3
笔者在现有研究的基础上, 进一步阐述了视野受限时人员疏散的策略、行人运行规则, 并在此基础上考虑了竞争斥力的作用。并利用建立的疏散模型分析了人员疏散过程, 讨论了视野距离和出口宽度两个因素对疏散时间和出口利用率的影响, 对比分析了行人间的竞争斥力对疏散的影响, 分析减小竞争斥力的不利影响的方法, 提出优化对策。
1 疏散模型分析
选定疏散空间平面大小为16m×16m, 以0.4m×0.4m的尺寸对其进行均匀划分, 则疏散空间为40×40网格;出口位于一面墙壁的中央位置。笔者选择Moore型邻域进行演化处理, 如图1所示。
根据人员疏散中接受信息的不同, 将整个疏散区域划分为出口可见区域、墙壁可见区域、行人运动盲区3个部分, 如图2所示。出口可见区域为到出口的距离小于或等于行人视野距离的区域;墙壁可见区域为到墙壁的距离小于或等于视野距离的区域;行人运动盲区是指疏散空间排除出口可见区域和墙壁可见区域后的区域。
1.1 行人运行基本规则
疏散空间中的出口可见区域行人运动采用危险场的方式处理疏散。出口可见区域每个元胞对应着危险场的一个危险度值, 行人则根据危险场的情况判断运动情况。规定疏散空间出口位置危险值为零, 其他元胞的危险度则由到出口的距离决定, 距离出口越远其危险度值越大。危险度值表示如式 (1) 、式 (2) 所示。
式中:PD为位置危险度值;k为比例系数;ks为调整距离对危险度敏感效应的参数;Sxy为元胞 (x , y) 距安全出口的最短距离; (x , y) 为元胞在疏散系统中的坐标; (xm, ym) 为出口第m个元胞在疏散系统中的坐标;M为一个很大的正数, 说明行人不会可能选择墙体作为移动目标。疏散模型采用并行更新机理, 行人每个时间步移动的可能性由安全收益的相对值决定。
墙壁可见区域的行人运动时采取平行于墙壁直行的运行规则。若正前方有行人存在, 则等概率采用右前方或左前方运行;若前方3个位置都有人存在, 则行人处于等待状态;若出现对行阻碍, 则选择日常采用的右行交通流规则来执行。盲目区域的行人任意选择一个方向运动直至到达墙壁可见区域, 运动过程中若受阻, 则等待下一次通行, 直到运行成功。
若有出口指示标志按以下方式处理:行动盲区内的行人先随机运动, 当发现出口标志时, 如行人仍在运动盲区, 则先向墙壁可见区域运动, 到达墙壁可见区域后再按出口指示方向运动;墙壁可见区域的行人发现出口指示标志后, 立即按指示标志的方向运动。若同时发现多个指示标志, 则以行人到出口的运动路线上距离出口最近的标志作为标准。
1.2 行人间的竞争斥力与出口利用率
在疏散过程中存在两人或多人同时竞争一个元胞的现象, 结合疏散实际情况可知, 竞争行为会造成疏散的延迟, 或者疏散过程的不连续;因为多人竞争一个目标往往会出现均不能成功的结果, 特别是出口区域, 行人竞争出口元胞时会更多地存在此现象。为了更为准确地描述竞争斥力的影响, 对疏散模型作一定修改:即多人竞争一个元胞时, 以式 (3) 表示成功的概率。
式中:α为单位竞争斥力系数;n为竞争同一目标元胞的人数, 若仅有一人向目标元胞运动, 则成功概率为100%。
为说明出口疏散状态, 引入出口利用率的概念, 出口利用率是指疏散过程中实际疏散行人数量与此疏散时间内理论上最大行人疏散数量的比值, 见式 (4) 所示。
式中:ε为单位时间出口行人疏散系数。若η值接近1, 说明出口一直处于饱和状态。
2 人员疏散仿真分析
仿真研究时初始行人随机分布, 但一旦确定, 后续分布均一致, 为了对比不同情况下的疏散特征, 程序记忆人员疏散的第一选择方向。仿真时假设出口指示标志分布于所有墙壁的1/3分点处, 共8个指示标志、各出口指示标志均占墙壁的一个元胞长度。
2.1 人员疏散演化模拟
本部分模拟初始行人数量为100 人的人员疏散演化, 并计算无疏散标志和考虑竞争斥力后的疏散时间关系, 仿真时选择出口宽度和视野距离均为4个元胞长度。
图3给出了初始人员为100人时, 初始分布和第20、40时间步的疏散演化图形。观察演化图形发现, 行人按照划分的3个区域的行人运行规则运动, 出口区域的行人直接向出口运动, 墙壁可见区域的行人根据出口标志的指向沿墙运动, 直至进入出口可见区域, 运动盲目区域则按随机方向一直运动到出口可见区域或墙壁可见区域, 然后按墙壁可见区域的运行规则运动。观察疏散过程可知, 由于出口标志的存在, 行人在沿墙运动时的过程中基本不会出现相向运动或拥堵情况。计算可知疏散时间为108时间步;而对比研究发现, 无疏散标志时疏散时间为154时间步, 这是由于行人运行的盲目性和逆向运动的相互作用造成;同时也充分证明了出口指示标志存在的必要性。
2.2 疏散影响因素研究
2.2.1 视野距离对疏散的影响
在疏散过程中行人的视野距离是决定疏散的第一要素。笔者重点分析视野距离对疏散的作用, 并分析竞争斥力的影响。图4给出了100人和200人时疏散时间随视野距离的变化关系曲线, 仿真时选取出口宽度为4个元胞长度。从图4发现, 任何情况下, 疏散时间随视野距离的增加而减小, 且开始阶段减小极为迅速, 然后逐渐变缓。对比100人与200人的情况可以发现, 200人的疏散时间明显多于100人的时间, 说明200人疏散明显处于拥堵状态。同时对比考虑竞争斥力前后的疏散时间发现, 竞争斥力延长了疏散时间。
图5 显示了出口利用率随视野距离的变化关系曲线。对比图4可知, 出口利用率随视野距离的变化与疏散时间随视野距离的变化呈相反的趋势。当图4中视野距离较大且趋于稳定时, 出口利用率也达到了一个相对较高的水平。视野距离较小时, 人员疏散过程中获取疏散信息相对困难, 运动路径变长;随着视野距离的增加, 行人会更速到达出口区域, 利用率也就随之增高。当达到一定视野距离后行人疏散时间趋于稳定, 出口利用率也就会相对保持定值。同时, 对比有无竞争斥力时的情况可知, 竞争斥力由于造成时间延缓, 导致出口利用率的降低 (见图5) ;模拟也发现, 行人在出口处拥堵越严重竞争斥力的作用和影响就越明显。因此, 为了提高利用率应避免拥堵和人员集中。
2.2.2 出口宽度对疏散的影响
出口宽度与疏散时间息息相关, 建筑设计中也对出口宽度作了详细规定。图6给出了疏散时间随出口宽度的变化关系曲线, 给出了100人、200人在有无竞争斥力时的疏散情况, 仿真时选取视野距离为4 个元胞长度。从图6可知, 疏散时间均随出口宽度的增加呈现先迅速减少、而后基本保持不变的趋势。这一现象可以做如下解释:人员数量较多时, 如出口宽度较小, 则疏散时间主要取决于出口宽度, 随着出口宽度的增加, 疏散时间自然会减少;但出口宽度增大后疏散时间则由出口宽度和行人疏散路径长短两个因素共同决定, 此时随着出口宽度的增加疏散时间逐渐减少, 但减小的速度变缓;当达到一定宽度后疏散时间主要由行人的运动路径决定, 此时疏散时间基本保持不变。进一步对比竞争斥力的作用发现, 竞争斥力仍会导致疏散时间延缓;而且100人疏散时间随着出口宽度的增加延缓的程度在减弱, 这是因为100人时, 出口宽度达到一定值后行人疏散不会产生拥堵现象, 人员运动顺畅, 此时竞争斥力作用力基本消失。
进一步观察图7出口利用率关系图可知, 随着出口宽度的增加出口的利用率均减少。对比发现, 200 人的利用率大于100人的利用率;考虑竞争斥力后的利用率小于无竞争斥力的情况。在研究实际疏散时, 为达到疏散时间和出口利用率的有效结合, 应最大限度地满足较短的疏散时间和较高的出口利用率。对比图6和图7可以发现, 出口宽度为3个元胞长度时疏散时间基本达到最低值, 同时出口利用率也较大, 此时可认为是疏散的最佳状态。如果过于增加出口宽度疏散时间虽会有少量的降低, 但会造成出口利用率的降低, 意义不大, 且不符合实际情况。因此, 为了选择最佳的出口宽度值, 应在保证疏散时间的基础上, 尽量满足出口利用率较高的条件。
综上分析, 选择合理有效的出口宽度应首先注重较短的疏散时间, 其次兼顾出口利用率;出口宽度过大对疏散效率的提高没有帮助, 但会降低出口利用率;出口宽度的选择与初始行人数量相依赖, 行人越多自然最佳出口宽度会相应增加。
2.3 疏散的优化对策
分析结果显示, 竞争斥力会对疏散造成不利影响, 人员越多、拥堵越严重则造成的影响越大。为此必须采取一定的手段来降低竞争斥力的危害, 分析可知降低危害的最佳方式是减少人员疏散时的拥堵和竞争, 通常的手段是多出口分流。所谓多出口分流就是通过设立多个出口实现多条疏散路径疏散, 减少人员过分集中的现象, 从而有效地降低疏散过程中的拥堵和相互作用, 提高运行速度。以200人、出口宽度为4个元胞长度为例, 单出口考虑竞争斥力前后的疏散时间为140、156时间步, 而双出口 (分布于相对的墙壁中央) 则考虑竞争斥力前后的疏散时间为113、119时间步;发现单出口竞争斥力造成16个时间步的延长, 而双出口仅为6个时间步。进一步模拟发现, 类似的结果出现于大部分情况, 具有普遍性。因此, 可以通过分流来减小竞争斥力的危害。
3 结论
研究利用程序语言对疏散模型进行仿真模拟, 得到如下结果:视野受限的疏散模型能够很好地描述人员疏散的动力学过程, 出口指示标志的存在避免了行人因相向运动而产生的避让、等待等现象, 减少了疏散时间。视野距离和出口宽度对疏散时间和出口利用率有明显的影响;疏散时间随视野距离的增加而减小, 出口利用率则随视野距离的增加而升高;出口宽度的增加会减小疏散时间和出口利用率。在选择最优化设计时应注重疏散时间和出口利用率两个因素。竞争斥力会延长疏散时间, 减小出口利用率;降低竞争斥力影响的有效方法是多出口分流, 通过分流减少人员聚集和相互作用, 降低危害。研究有助于视野受限时疏散理论的完善, 对于合理的出口设计也有一定的意义。
参考文献
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人员疏散仿真 篇4
关键词：元胞自动机,吸引力,排斥力,疏散仿真
1 基于元胞自动机的人员疏散模型
1.1 元胞自动机简介
元胞自动机 (CA) 是最具代表性的微观离散模型, 元胞自动机的核心内容是构建元胞移动的局部规则, 凡是满足规则的模型都能够算作是元胞自动机模型。元胞自动机将建筑空间按照一定形式分割成规则格网, 规则格网由规则网格组成, 在规则格网中的每一元胞必须在有限的离散状态集中取值, 遵循构建的局部规则对元胞状态进行更新。不同于一般的动力学模型, 元胞自动机不是严格定义的物理方程和函数, 而是由一系列的演化规则构成, 即通过大量元胞简单的相互作用而构成动态系统的演化, 把连续的复杂动态过程转变为离散的相互作用。与传统的建模方法相比, 它以“自下而上”的研究思路直接反映系统各组成要素之间的相互作用, 具有利用简单的、局部规则的、离散的方法描述复杂的、全局的、连续系统的能力, 能够通过一些简单的规则模拟出许多自然现象与生命现象, 因此广泛应用于社会、经济、环境、地学、生物等众多领域。
1.2 模型的参数设计
模型首先将疏散空间按照行人的最小占用面积设计分割成规则格网, 在规则格网中的每个网格的大小为0.5 m×0.5 m, 网格也称为规则格网的基本单元。在一个单位时间步长内, 每一个网格或为空, 或被墙、服务设施等障碍物占据, 或被一个行人占据。在一个单位时间步长内, 每个人员占据一个元胞, 每个元胞对应于一个单元网格, 元胞邻域采用如图1所示的二维摩尔型分布, 这种元胞邻域体现在单位时间步长内, 疏散个体除停留在原地不动外, 可向上、下、左、右、左上、左下、右上、右下8个方向中的一个方向移动, 依次对应于k=1, 2, …, 8;k=0表示该元胞原地不动, 疏散个体的可移动方向如图2所示。人在正常情况下行走速度为1 m/s, 这样将每个时间步定为0.5 m/ (1 m/s) =0.5 s。
1.3 模型的建立
设在一个时间步长内, 个体元胞所在的单元格的坐标为 (i, j) , i、j分别表示该单元格位于规则网格空间的第几行第几列。设在一个时间步长内, 元胞邻域内单元格的坐标为 (i, j) , 考虑到个体选择单元格时具有一定的目的性以及其他一些影响因素, 个体选择是综合各种因素之后吸引力概率最大的单元格。单元格的吸引力概率由单元格的可达性、静态场、动态场等属性值决定。
1) 可达性。
可达性用来表示单元格是否可达, 设为Zij, 在一个时间步长内, 个体邻域内单元格若被建筑物和其他如高温、有毒的空间区域、边界等不可逾越的障碍物占据时和其他元胞占据时, Zij=0;若单元格未被占据, Zij=1。
2) 静态场。
在疏散中, 人员总是趋向于选择邻域内离出口距离最近的单元格, 为此引入了静态场的概念, 静态场是用来描述单元格离相应出口的远近程度, 设为Rij, 单元格离出口越近, Rij越大, 出口处的单元格的Rij=+∞, Rij的计算公式为
式中:Rij表示单元格的静态场值; dij表示单元格距相应出口的距离; MAX (dij) 表示建筑空间内单元格距相应出口最远的距离。
3) 动态场值。
动态场值是用来描述单元格是否在人员熟悉的出口上, 人员前进方向是否堵塞, 单元格前方视野范围内人员数量的大小, 选择的单元格是否同时有其他人员选择等动态因素。将动态场值设为Dij, 动态场值又可分为习惯值Xij、堵塞值Sij、趋众值Qij、冲突值Cij。
习惯值Xij是用来表示人员对出口的熟悉程度, 其值可由调查统计得到。
堵塞值Sij用来表示人员前进方向的堵塞程度, 即前方视野中人员和障碍的密度, 假设个体当前位置到第 (i1, i2) 个出口视野范围内的空间坐标集为A, 则到出口的人数为
其中,
同理, 到出口的障碍数为
其中,
假设个体当前位置到第 (i1, i2) 个出口视野范围内空间网格个数为N, 以及每个空间网格的面积为S, 则到各出口的人数和障碍的密度分别为
则堵塞值Sij的计算公式
其中, α为概率系数。
趋众值Qij表示单元格前方视野范围内人员的密度, 即
其中, β为概率系数。
冲突值Cij表示单元格被多个人员意图占据出现的争夺概率, 冲突产生的前提是在此单元格未被人员和障碍物占据, 假设在一个时间步长内该单元格有M个人员有占据意图 (0≤M≤8) , 则有占据意图的个体占据此单元格的概率为
由于建筑空间内的人员组成较为复杂, 不同人员针对这四种动态场值的选择可能有所不同, 比如老人、儿童、中青年女性趋众的概率更大, 更愿意随着大众一起前进, 在堵塞面前相对被动, 主动地绕行或寻找其他出口或与其他人员产生冲突争夺单元格的概率较小, 而身体强壮的中青男性在面对堵塞时更缺乏耐性, 寄希望于加塞与其他人员争夺单元格或者寻找其他出口, 某些对建筑环境较为熟悉的人群比如管理人员更愿意选择自己熟悉的出口。因此, 考虑这些因素, 本文分别对习惯值Xij、堵塞值Sij、趋众值Qij、冲突值Cij赋予不同的权重W1、W2、W3、W4, 见表1。
因此, 动态场值Dij的计算公式为
在分别计算单元格的可达性、静态场值、动态场值后, 单元格的吸引力概率计算公式为
式中:η表示使邻域内所有单元格吸引力概率总和为1的系数。
2 仿真结果及分析
2.1 仿真条件
考虑如下的仿真场景:大小为50×50个网格的封闭空间 (不包括四周围成一圈的墙壁) , 在最右侧居中位置和最左侧居中位置有两个安全出口, 坐标位置分别为 (50, 20～30) 、 (0, 20～30) , 出口宽度为5 m, 即十个网格。初始状态下, 人员在区域随机分布, 在发生灾难以后, 人群都向出口的方向进行疏散。模拟中时间步设置为0.5 s, 逃生人员的总数量和人员的视野范围由人为设定, 该场景的初始化情形如图3所示。
2.2 仿真结果及分析
图3 (a) ～ (d) 分别显示了人员疏散初始情形、两个中间情形以及临近结束情形, 其中每个元胞的视野领域为5个网格。从第一个中间情形可以看出, 人员在疏散过程中开始朝着出口的方向有效疏散, 并且接近出口的人群形成了一柱形结构, 这是明显的动力学特征图;第二个中间情形表明, 人群为了尽快疏散, 自发地朝出口方向堆积, 形成了拱形或半圆形, 这表明当人群急于逃生在出口处形成拥挤的人群时, 就会使人群的疏散速度减慢, 产生“快即是慢”现象。
图4反映了疏散时间与四种权重W1、W2、W3、W4之间有直接关系, 仿真结果显示当熟悉值权重W1较大时, 疏散较快, 表现在人员对出口的熟悉程度较高, 疏散效率也随之提高, 当W1达到一定值时, 疏散时间趋于平稳;当堵塞值权重W2增大时, 疏散时间随之降低, 但当W2达到一定值时, 疏散时间开始增加, 这表明人群寄希望于寻找堵塞程度较小出口时, 有时反而会造成停滞不前, 使疏散速度降低, 这与实际情况也是相符的;当趋众值权重W3增大时, 人群的疏散时间降低, 在W3达到一定值后, 疏散时间趋于平稳, 这表明人群的趋众效应在一定程度上是有利于疏散的;当冲突值权重W4增大时, 人群的疏散放慢甚至产生停滞, 这表明在人群疏散时, 过多的冲突只会使疏散的速度放慢, 甚至造成人员伤亡使疏散陷于停滞。
3 结束语
本文基于元胞自动机建模思想, 提出了一种人员疏散的微观模型。模型能够模拟疏散人群在出口处形成拱形或半圆形、快即是慢现象, 人群疏散时间与人群对建筑环境的熟悉程度、人群的堵塞程度、人群的趋众值、人群疏散冲突之间的关系, 仿真结果表明, 模型具有很强的现实描述能力, 能够再现和解释现实的疏散情形。
参考文献
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人员疏散仿真 篇5
关键词：高校教学楼,人员疏散,Pathfinder,疏散仿真
0 引言
高校教学楼作为高校的主要教学场所,由于人员密集度高,对于突发事件的管理具有一定难度。随着经济的发展,我国高校的校内设施已逐步完善,但由于学生人数的逐年增加,使得教学楼容纳学生数量随之增加。高层建筑在疏散中存在疏散通道堵塞、人员踩踏等问题,将人群安全快速的疏散到安全区域具有重要意义[1]。国外学者对公共场所人员疏散进行了深入的研究,建立人员疏散模型分析疏散过程,通常这些模型可以分为连续模型和离散模型[2,3,4]。通过对房间的疏散过程进行实验研究和数值模拟,Helbin[5]发现,出口能力存在行人疏散动力学影响。Isobe[6]进行了步行实验和模拟仿真,发现在疏散过程中,人们在熟悉的环境和不熟悉的环境下的疏散行为明显不同。A.Cuesta[7]通过对教学楼进行人员疏散模拟,搜集相关详细疏散数据,并根据建筑物构图、疏散模拟等分析建筑物的疏散性能。Yang等人[8]通过观测得出,疏散过程中楼梯的汇流行为影响疏散过程,陈海涛[9]进行了建筑物楼、电梯模拟研究出口高效疏散方案。近年来,火灾、地震等紧急情况下公共场所人群疏散备受关注,疏散模拟技术在不断完善[10]。郑丹等人[11]通过建立疏散模型分析疏散过程情况。张立红[12]通过出口距离和出口人群密度因素进行疏散模拟选择最优疏散方案。教学楼人员密度高,建筑物疏散能力有限。在疏散过程中,除基础设施因素外,疏散时间不仅取决于楼内总人数,还取决于人员分布等[13,14]。本文在前人的研究基础上,选取某高校北区实验楼的左侧单幢教学楼作为研究对象,实际测量教学楼的各项基础数据,搜集排课资料,实地观测教室使用情况并统计人数,运用计算机仿真软件Pathfinder2015建立教学楼模型,并运用该模型进行疏散模拟仿真,通过对比实际的排课系统和改进后排课系统的疏散结果数据,得出结论并为教学楼的教室安排和人员疏散方案优化提供参考。
1 模型建立
1.1 Pathfinder软件功能
Pathfinder是由美国Thunderhead Engineering公司开发的基于人员进出和运动的模拟器[15]。它提供了图形用户界面的模拟设计和执行,以及三维可视化工具的分析结果[16]。
该软件运用三维网格模型,可模拟在正常和紧急情况下的人员疏散情况。网格化分解使计算速度更快,适合大型复杂建筑的评估分析,可视性强,能够清晰的看到疏散的动态过程并记录疏散数据[17],计算结果报表清晰,可作为疏散方案优化的依据。在几何模型构建过程中,房间、出口、楼梯、电梯、行人等都能进行三维仿真,从而模拟疏散过程。Pathfinder软件可以对行人的各项参数定义。疏散开始后,行人的行为会随着疏散环境的变化而作出相应,选择最优疏散路径。Pathfinder2015增加了更丰富的分析功能,运用色彩变化描述疏散过程中各个房间内的人群密度、疏散速度等指标,可视化能力更强。
Pathfinder软件模拟疏散过程中,每个行人都有一个最大速度vmax,如果行人是在一个密度小于0.55人/m2的房间,则速度的计算公式如下:
式中:D为人群密度;vmax为最大步行速度[16];如果D为0.55人/m2或更高,则行人的速度由下面的公式确定:
式中:k为疏散速度常数;vmax为最大步行速度;D为人群密度。在这两个方程中,房间和坡道的疏散速度常数k值为1.40 m/s,这些速度方程均基于1.19 m/s最大速度和人最大速度等因素计算得出。
1.2 模型背景
本文选取XX大学实验楼的北侧单幢教学楼作为研究对象进行模拟仿真。实验楼的总建筑面积约为19 751 m2,该幢教学楼属于实验楼的一部分,为本科生集中上课场所,与周围连接的教学楼相对独立,因此选择该幢教学楼作为研究对象。建筑层数5层,楼层高3.9 m,总共30间教室。1楼有4间实验室,2间器材室,2楼和3楼各7间小教室,4楼和5楼各4间大教室和1间小教室。统计座位数得到小教室最多可容纳132人,大教室最多可容纳165人。教学楼有东西两个楼梯间连接的出口,楼梯平台净宽2 m。教学楼一楼楼梯口直接连接东西两个与外室相通的出口,建筑结构规则。
平时人群流动量大,人群密度高,由于学校课程安排,楼内的每间教室使用率高,每天早上9:40-10:00的下课期间是学生流动量最大的时段,学生分别从东西两个楼梯出口疏散。根据学校排课情况实地调查各楼层教室使用情况和统计人数。运用疏散仿真模拟软件Pathfinder2015,选用steering模式模拟仿真教学楼人员疏散场景,并对各层教室使用做一定调整,对比分析疏散时间、累计疏散人数和平均人流量变化情况,为排课教室安排提出相应对策。
1.3 模拟场景设计
通过实地观测对每间教室的上课人数做出估计,通过教室内座位排数和每排的人数确定教室人数,间接确定该幢教学楼总人数。模拟场景通过调整各楼层排课教室实现,主要研究排课教室调整对各楼层楼梯出口疏散时间、累计疏散人数和平均人流量的影响,不涉及男女比例分析,各楼层估计人数如表1所示。
其中一楼为实验室,放置相应实验器材,平时上课人数较少,可忽略不计,“-”表示无此教室。数据以实地观察的实际情况为准。根据统计结果,初步估计当天整幢教学楼容纳学生人数约为2 017人,其中1楼为实验室,未安排课程,且2楼教室6和4楼教室4未排课,只有少量学生自修。2楼和3楼的人数最多分别为481人和830人,可根据教室内的学生人数调整楼层之间排课教室和楼层内排课教室设计模拟场景。
场景1:按照实地调查的各楼层人数进行模拟。
场景2:根据场景1,充分利用低楼层未使用教室,调换5楼教室1内140人和四楼教室4内6人,调换5楼教室5内90人与二楼教室6内1人。
场景3:根据场景1,调整2楼和3楼的教室安排,在2楼内调换教室1内90人和教室2内120人以及教室3内80人和教室4内60人,在3楼内调换教室6内120人和教室7内110人,将人数较多班级的安排至靠近楼梯出口的教室。
场景4:同时做出场景2和场景3的调整。
人员安全疏散均选择距离出口最短路径进行安全疏散,在软件中设置人员参数,运动速度为1.19 m/s,人员平均肩宽为45.58 cm,模型中未设置障碍物,因此按规范排列添加人员,各楼层人员分别从东西两个楼梯出口疏散,教学楼的仿真疏散模型如图2所示。
2 结果与分析
通过对排课教室的调整而设计的4种场景进行疏散模拟,根据模拟数据分析教学楼各楼梯出口疏散时间、累计疏散人数和平均人流量变化情况。
2.1 疏散过程
图3为场景1中教学楼3楼疏散过程,由于3楼的人数最多,因此选取3楼作为人群疏散过程观察对象。疏散开始后,人群从教室前后门进入过道,分别向东西两边楼梯出口汇集并进入,从就近出口疏散。从图3(c)可看出,疏散开始后300 s时,疏散通道右侧的人群较多,左侧则较少,人群分布不均匀,疏散通道内存在拥堵现象,导致该出口疏散时间延长。
2.2 疏散时间
通过各场景的仿真模拟,记录模拟疏散时间结果。安全疏散允许时间,是指建筑物发生火灾时人员离开着火建筑物到达安全区域的时间。一般民用建筑,一、二级耐火等级应为6 min,人员密集的公共建筑,一、二级耐火等级应为5 min,根据《建筑设计防火规范GB50016-2014》6.4.3条,人员密集公共建筑中,疏散通道、楼梯间安装的乙级防火门的耐火等级为1 h。该幢教学楼模拟疏散时间结果如表2所示。
根据统计的各楼梯出口最先到达时间看出,场景1的疏散总耗时最长,为609.3 s,场景4的疏散总耗时最短,为591.6 s,场景2和场景3的疏散总耗时分别为600.2 s和607.4 s。通过对上课教室的调整,场景2、4中人员最先到达4楼西楼梯出口和5楼东楼梯出口的时间均较场景1中缩短。根据最后到达时间可以看出,场景2、3、4中人员到达各楼层东西楼梯出口的时间间隔较场景1缩短,场景4中人员分别在590.0 s和591.6s最后到达1楼东西出口,两侧出口几乎同时完成人员疏散。
场景2在场景1的基础上将部分高楼层上课班级安排至较低楼层,最后到达5楼出口的时间为485.6 s,有效缩短了较高楼层内的疏散时间。
场景3在场景1的基础上对2、3楼层内的排课教室进行调整,将人数较多的班级安排至靠近楼梯出口的教室,较场景1缩短了人员最后到达1~4楼东部各楼梯出口的时间,各楼层东西出口疏散完成的时间间隔较场景1缩短,但部分楼层人员最后到达西楼梯出口时间延长。
场景4在场景1的基础上同时做场景2和场景3调整,结果显示人员最先到达4楼西楼梯出口和5楼东楼梯出口时间较场景1缩短,最后到达各楼层东楼梯出口时间较场景1缩短,最后到达5楼东西楼梯出口的时间分别为468.2 s和377.7 s,1~4楼层东西楼梯出口疏散完成时间间隔较场景1缩短。
通过对不同场景的疏散模拟发现,将高楼层的人群分散到低楼层的教室,充分利用低楼层的空间,可缩短疏散时间,较高楼层人员提前疏散完成。适当将高密度人群安排至就近的楼梯出口的教室,使各楼梯出口得到充分利用,缩短各楼层东西楼梯出口疏散完成时间间隔,缩短疏散总耗时,提高疏散效率,不可过量安排,否则容易造成疏散通道拥堵。
场景4疏散完成时间为591.6 s,对比国家相关标准,虽然小于乙级防火门耐火等级1 h,但却大于一、二级民用建筑耐火等级6 min,在调整排课系统基础上,适当控制学生人数,增加疏散标识。
2.3 楼梯出口累计疏散人数
根据模型运行结果统计各场景下楼梯出口累计疏散人数和各楼层内的人群分布情况(表3),发现排课教室调整之后教学楼5楼的人数减少,疏散时人群均匀汇集于两侧楼梯出口,2、3、4楼的人数增加,其中场景4中2楼有292人汇集在西楼梯出口,278人汇集在东楼梯出口,人群较场景1分布均匀。
根据模拟结果将场景1和场景4中各楼梯出口的累计疏散人数进行对比,可间接观察出各楼梯出口的疏散情况。图4所示为各场景西楼梯出口累计疏散人数,其中图4(a)为各场景二楼西楼梯出口累计疏散人数,由于一楼无上课班级,因此选择二楼楼梯出口作为观察对象,发现在各场景下该出口累计疏散人数逐渐增加,变化不大。图4(b)为各场景三楼西楼梯出口累计疏散人数,场景1和场景3的累计疏散人数在疏散开始150 s后逐渐增加,而场景2和场景4则有所延迟。图4(c)为各场景四楼西楼梯出口累计疏散人数,变化趋势较为明显,其中场景4在疏散开始100 s以后曲线变平缓,说明楼梯内存在拥堵现象,但较其余场景有所延迟。图4(d)为各场景五楼西楼梯出口累计疏散人数,场景2和场景4通过调整上课班级,五楼学生人数减少,缩短了疏散时间。
教室调整之前由于高楼层人数较多,因此4、5楼的人员疏散时间较长,排课教室调整之后5楼学生人数减少,较低楼层人数增加,且将部分班级安排在靠近楼梯出口的位置,充分利用各楼梯出口,楼梯出口内的拥堵时间增长,低楼层疏散结束的时间会有所延长,但延迟了拥堵出现的时间,较高楼层人员疏散耗时减短,人员全部疏散完成时间缩短。
2.4 楼梯出口平均人流量
统计各楼梯出口的平均人流量,如表4所示,根据平均人流量判断各楼梯出口的疏散情况,判断是否用拥堵。发现每个场景中各楼梯出口的平均人流量均随楼层的上升而下降,其中1、2楼出口的平均人流量为1.8~1.9人/s。
排课教室调整后平均人流量变化明显的是4、5楼楼梯出口,场景4中4楼东西楼梯出口平均人流量分别为0.6和0.8人/s,5楼东西楼梯出口平均人流量分别为0.2和0.3人/s,均较场景1有所减小。仿真数据说明在调整上课教室后,虽然疏散总耗时有所减短,但是由于较多的人群集中在较低楼层,人群疏散耗时增加,再加上上一楼层人群累加,导致楼梯出口拥堵时间增长,平均人流量降低,且最易发生在中间以上楼层的楼梯出口。图5为各场景西楼梯出口人流量变化情况。
由于排课教室调整主要集中在3、4、5楼,因此二楼楼梯出口人流量变化无较大差别,其中3、4楼楼梯出口人流量变化为零出现的时间延迟,说明拥堵出现时间延迟,5楼的学生人数减少,曲线波动结束时间早,提前恢复平稳状态,人群在疏散开始后500 s以内疏散完毕。
3 结论
通过模拟仿真以及排课教室调整使用的方法,设计4种场景进行教学楼疏散模拟仿真,对比分析各楼梯出口的人员疏散情况,研究发现:
1)通过将高楼层人群安排至低楼层教室和较多人数班级安排至靠近楼梯出口教室,人员疏散总耗时从为609.3 s分别减少至600.2、607.4和591.6 s,且有效缩短楼层东西楼梯出口的疏散完成时间间隔,实现两侧出口人员分别以590.0和591.6 s最后到达。但疏散总耗时超过相关国家标准规定的安全疏散允许时间,在调整排课系统的基础上,可适当控制学生人数,增加疏散标识。
2)模拟疏散开始后楼层内东西两侧人群分布影响疏散效率,排课教室调整使5楼人数减少至187人,且2、3、5楼的两侧楼梯出口汇集人群分布差距分别由39、56、108减小至14、50、1人,低楼层教室和两侧楼梯出口均被充分利用。
3)各楼梯出口累计疏散人数变化不同,其中4、5楼变化较为明显,通过调整班级,累计疏散人数增加出现时间延迟,但较高楼层提前疏散完毕,可适当减少较高楼层人群分布。
人员疏散仿真 篇6
1CDS仿真平台简介
CDS疏散仿真平台是基于正方形网格元胞自动机模型开发的三维疏散仿真平台,既可作为普通疏散软件使用,也可扩展作为建筑疏散风险评估平台。因为软件具有三维仿真功能,因而也可用于虚拟仿真疏散演习。
CDS通过读取AutoCAD的DXF格式文件建立楼层的平面和三维模型,通过输入踏步高度、宽度、踏步数、梯段宽度和休息平台深度等楼梯参数,自动生成双跑和直跑楼梯,双跑楼梯经组合也可建立双分对折楼梯和剪刀楼梯。
CDS采用正方形网格 元胞自动 机模型构 建建筑模型,网格大小由用户 自定,每个网格 与周围8个网格相连,即人员在任一时刻具有8个行走方向,如图1所示。
网格生成后,即可计算 建筑的距 离势图,如图2所示。人员由高势网格向低势网格或等势网格行走。当人员周围最低 势网格有2个或2个以上时 ,随机选择1个作为前进方向。
CDS可根据建筑的实际情况将对外出口设置为主要出口和次要出口,以考虑人员对建筑的熟悉程度及出口选择策略。同时,CDS能考虑人员密度和疏散距离对人员行走速度的影响。
文献[7]通过对平地行走时间、楼梯行走时间及出口通行能力等功能验证表明,CDS平台的计算结果与理论值基本一致,计算精确度高。
2CDS的大规模人群疏散演习验证
2.1演习情况
疏散演习在中国人民 武装警察 部队学院 的10# 学员宿舍楼进行。该宿舍楼层高3.2m,共6层,建筑高度19.7m,总建筑面积为14192.87m2。该楼共设置3个对外安全出口。西侧和中部安全出口宽为3.6 m,东侧安全出口宽为6.6m。每层设置3部疏散楼梯,梯段宽1.85m,楼梯间疏散门洞宽1.5m。
参加此次演习的人员包括消防工程系一至四年级本专科大学生、学员队干部和10余名教师,共计1348人,各层人员分布见表1,其中女性人员占15%。
演习前,由学员队干部告知学员演练的注意事项,主要包括:演练过程中使用的发烟罐释放的烟气无毒,学员不用过度紧张;参加演习的学员必须拿毛巾掩口、参加摄像的学员必须戴口罩;演练过程中不得嬉笑打闹、推搡;学员听到哨声后应立即开始疏散。不告知学员演练的具体时间,仅说明在下午4点左右。演习时由一名教师在中部楼梯间入口处启动发烟罐,值班员发现烟雾后吹紧急集合哨通知学员疏散,其他楼层值班员听到哨声后立刻吹紧急集合哨通知人员疏散。
演习过程中,在各标准层楼梯入口处、一层楼梯间出口和对外安全出口处各设置一部摄像机全程录像,共设置21部摄像机,以便详细了解疏散情况。
通过录像回放分析可以看出,学员认真参与了疏散演练。听到集合哨声后,多数学员立即疏散,虽然部分学员反应迟钝,但不影响整体疏散效率,1348人在267s疏散完毕,3个对外安全出口均无滞留现象。疏散过程中,楼梯间虽出现严重滞留现象,但楼梯的人员最大通行系数为1.36人/(m·s),仍超过规范值1.1人/(m·s)。
2.2CDS仿真模拟分析
2.2.1仿真模拟设置
根据演习录像统计和各学员队上报人数,共有1348人参与此次演习。从西 门疏散636人,从东门疏 散575人。因为演习过程中在中厅楼梯间入口处释放烟雾,中门人流断断续续,且人数远 少于其他 两出口,仅为137人。对于这种复杂的疏散状况,目前的疏散软件无法模拟,因而对比模拟中不考虑中门疏散的137人,即模拟人数为1211人,各层的具体人数见表1的模拟人数。人员属性为:男性占85%,行走速率1.2~1.3m/s,下楼速率0.7m/s;女性占15%,行走速率1.1~1.2 m/s,下楼速率0.6m/s。
按照疏散演练要求,紧急集合号吹响前学员应在宿舍内待命,但在演练过程中,部分学员在楼道内观望。因此,在模拟时将学员设置为在各楼层均匀分布。一层中间不分配人员的原因为,这部分人员是从中门疏散的,对比验证时模型没考虑中门疏散。
从疏散演习可以看出,对外出口由于学员互相避让从未发生滞留现象,因此在仿真模型中将通行系数设置为较大值,即不限制通行系数,宿舍楼实际设计时外出口宽度分别为3.6、3.6、6.6m,高于规范规定值。考虑到疏散演习过程中从西门疏散人数为636人,从东门疏散人数为575人,比西门少61人。模拟过程中,为吸引更多人员从西门疏散,将其出口势值从默认50调整为45。
2.2.2仿真结果分析
疏散开始后,各层学员立即开始疏散,各房间学员出房间后,通过楼道向楼梯间集结。学员陆续到达楼梯间后,发现楼梯间充满学员,存在严重滞留现象。60s后,1~2层学员已疏散完毕,3~6层学员因楼梯间堵 塞,只能等待下层学员疏散完毕后才能进行疏散。楼层清空次序依次为一层、二层、直至六层,这与演习结果是一致的。
因为疏散模拟具 有一定的 随机性,因而共模 拟10次。最短疏散时间为287s,最长疏散时间为301s,平均为292s。工程系宿舍楼演习的疏散时间为267s,演习时间比平均模拟时间少25s,误差8.56%。各时段疏散人数同演习结果对比,如图3、图4所示。从对比图可以看出,模拟人数有时多于演习人数,有时少于演习人数,总体上相差不大。这表明,CDS平台模拟结果与真实疏散的误差较小,能准确预测大规模人流的疏散时间,且预测结果较为保守。若用于疏散设计,结论为偏于安全。
3CDS与buildingEXODUS的对比研究
目前,在疏散研究及性能化评估中,广泛采用国外的商用疏散软件,如buildingEXODUS、STEPS、simulex和Pathfinder。此研究对CDS疏散仿真平台和buildingEXODUS做对比研究。
EXODUS是一套用于模 拟复杂结 构中大量 人员疏散的软件包,由英国格林威治大学开发。建筑模型被剖分成0.5m间隔的节点,然后节点由特定的弧相连,每个节点容纳1人。buildingEXODUS适用于建筑环境,如超市、医院、电影院、火车站、高层建筑及学校等建筑。
采用buildingEXODUS仿真模拟时,建筑模型、人员属性设置细节与CDS保持一致。人员密集场 所疏散模拟时,当人流密度增加时,人群疏散速度将降低。多数疏散软件通过人员速度与人群密度之间的关系来考虑人流密度对速度的影 响,而buildingEXODUS通过冲突 惩罚时间考虑这一影响。当2人或多人前进过程中竞争某一节点时将引起冲突,所有冲突涉及到的人员均要受到一定时间的惩罚,惩罚时间表示冲突各方为此所损失的逃生时间,具体时间值根据设定的上下限随机生成。惩罚时间分两个级别,若冲突的解决是因为有人的力量明显高于其他竞争者,则采用第一级别的惩罚时间;若冲突的解决是因为力量相近而随机选取获胜者,则采用第二级别的惩罚时间,其时间比第一级别要长,如表2所示。
由于EXODUS无法直接考虑人流密度对人群速度的影响,理论上应考虑冲突 惩罚时间。与CDS一样,同样取10次模拟的平均值作为疏散时间,考虑冲突惩罚时间的平均疏散时间为475s,不考虑冲突惩罚时间的平均疏散时间为376s,后者与演习时间较为接近。因此,软件对比分析时采用不考虑冲突惩罚时间的数据。
CDS与buildingEXODUS模拟结果 比较,如图5所示。从图5可以看出,无论西门还是东门,在疏散前期阶段,西门110s之前,东门130s之前,buildingEXODUS的疏散人数均高于CDS;之后,buildingEXODUS的疏散人数远低于CDS。演习时间267s,CDS模拟时间292s,buildingEXODUS模拟时间376s。两软件的人员疏散过程虽然一致,但CDS模拟结果 与疏散演 习结果更 为接近,而EXODUS软件模拟 疏散时间 与疏散演 习及CDS模拟结果有较大差别。主要原因为buildingEXODUS楼梯的疏散效率较低。
图5CDS与 EXODUS模拟结果比较
4疏散软件应用分析
疏散软件可用于建筑疏散设计、灭火救援仿真训练和人群疏散规律研究。作为建筑性能化评估工具时,疏散总时间计算采用式(1)。
式中:Ta为报警时间,应根据所采用的火灾探 测与报警装置的类型、火灾的发展速度及其规模、着火空间的高度等条件、人员的安全意识与清醒状态等因素综合确定,与疏散软件无关;Tpre为疏散准备时间,即人员从接到火灾警报之后到疏散行动开始之前的这段时间,主要根据报警系统类型及人群特征确定,该参数在多数疏散软件中可以作为人群参数设置,这说明疏散软件已经考虑疏散准备时间对疏散行动时间的影响,因此式(1)也可不重复计算Tpre。
若疏散场景简单时,式(1)的第三项,即疏散行动时间Taction可采用经验公式计算。但对于多数建筑,由于建筑布局及疏散人群组成复杂,疏散行动时间用疏散软件才能考虑更多因素的影响及获得准确的结果。由前面的验证过程可以看出,人群参数设置及疏散软件其他参数设置对计算结果有较大影响。对于建筑中待疏散人数不多的场所,如工业厂房,一般在安全出口处不会出现滞留现象,疏散行动时间主要取决于人员行走速度。对于人群密集场所,如商场、车站、体育场馆等,安全出口处会出现严重滞留现象,此时安全出口的通行系数是影响疏散行动时间的最重要参数,建议模拟时通行系数不超过《建筑设计防火规范》百人 宽度指标 的折算值,即平地1.3人/(m·s),坡地1.1人/(m·s)。
为使人流在各出口大致平均分配,一般要调整安全出口的出口势值。对于simulex等软件无此参数,也可通过对特定人群指定出口达到同样目的,这些模拟方法应在疏散报告中详细说明并给出各出口的利用情况。
5结束语
随着消防管理机构对建筑防火性能化设计思想的广泛接受,我国《建筑防火性能化规范及设计指南》的颁布以及建筑防火设计工程人员素质的提高,疏散仿真工具必将越来越受到工程技术人员的青睐。目前,建筑疏散设计中普遍使用国外的商业软件,其重要原因之一是国内尚无经充分验证的商业软件。借助公安部应用创新项目,此研究组在验证方面做了有益的尝试。
人员疏散仿真 篇7
通过实地的调查,该综合楼存在以下问题:
(1)为使两个功能区之间不互相影响,教学楼与体育室之间的连通门关闭;
(2)平时教学楼的学生人数很多,而体育楼内的人数比较少,而且下课时教学楼经常会出现过于拥堵的现象,特别是袋型走道的现象明显。
为了保证紧急情况下人员的安全,笔者对该综合楼进行了相关的调研及建模研究,对相应的模拟现象进行分析,得出相应的结论并提出相关的建议,为高校类似教学楼的应急疏散管理提供借鉴,以保证人员的安全。
1 构建模型
1.1 相关数据收集
为使结果具有一定的可信度,笔者实际调研了该综合教学楼的男、女生比例和男、女生肩宽等数据。
(1)男、女生比例的确定。教学楼在固定的时间段内上课人数较多,其余时间人员的流动量较小,通过对教学楼内人员上课数量的实地的调研与研究,分别记录了14次不同时间段内的上课人员的数量并进行了统计。共调查统计了5 842人次,结果表明,男同学约占学生总人数的75%,女同学约占总人数的25%。
(2)疏散速度的确定。参考相关资料,笔者以最大行走速度进行设定,即男生取1.35m/s,女生取0.98m/s。
(3)男、女生肩宽的确定。通过调查取证的方法对60名学生的肩宽进行了调查统计,共调查男生30名,女生30名,统计所得肩宽的平均值分别是:男生肩宽平均值为45.5cm,女生的平均肩宽为38.37cm。
(4)建筑简化基本概况如图1所示。
综合教学楼内共有4层,综合教学楼西侧作为教室使用,东侧作为体育室使用,中间有连通的通道。西侧的二、三和四层作为教室使用,教学楼总共有12个教室,一层作为办公、实验室;东侧一层为室内游泳馆,二、三层为舞蹈室,四层为羽毛球室;教室门的宽度为85cm,疏散宽度总计为4.4m,游泳馆不作为研究对象参与模拟。
(5)人数设定。由于平时体育楼内人数不多,综合教学楼内的人数以教学楼内的最大人数和实际调研获得最大上课人数进行疏散,分别为1 624人和1 000人。
1.2 场景的设定
(1)由于每层近乎相同,共模拟了一个场景,为四层教室1内发生火灾,火灾模拟模型如图2所示。Pyrosim的燃烧过程模型选择非稳态的t2火模型,火灾发展系数α=0.046 89kW/s2,按照教学楼的消防条件及最不利原则,选定火源的热释放速率大小为6 MW。
(2)Pathfinder共模拟7个场景,其各自场景设置如表1所示,基本疏散模型如图3所示。
场景的设置考虑到了平时的实际情况与最有利的疏散情况,疏散出口设置分为:1部楼梯可用、2部楼梯可用与3部楼梯可用;人员行为设置分别为设置人员路径与人员任意疏散;人数设置情况为:最大座位量1 624人与调查统计到的人员最大量。疏散模型人员开始时的状况设置是根据实际上课时的人员情况进行安排的。二、三、四层教室内人员设置情况基本相同,其余人员均在一层房间内,东侧体育室内不设置人员。
1.3 危险的判别标准
为保证建筑内人员及消防员的生命安全,并保护建筑内的财产安全,将采用以下性能标准:
(1)各层距地面高度2m以下烟气层/空气层温度不超过60℃;
(2)各层距地面高度2m以下烟气层/空气层能见度不小于10m;
(3)各层距地面高度2m以下烟气层/空气层CO体积分数不大于5×10-4。
2 结果分析与讨论
2.1 FDS模拟结果
该场景下,火源产生的烟气以轴对称烟羽流形式上升,到达顶棚后,沿顶棚迅速向四周扩散。火灾产生的烟气将填充整个房间顶部。当烟气层高度下降到低于教室的房门高度时,烟气向走廊以及其他房间蔓延。相比于温度以及CO体积分数达到的临界指标的时间,能见度指标下降到危险指标以下的时间最快。模拟结果表明,当时间为400s时,距地面高度2m以下烟气层/空气层能见度小于10m,接近危险,温度与CO体积分数达到危险时间皆在1 800s以后。
2.2 Pathfinder模拟结果
各场景下人员完全疏散出建筑物外所用时间统计,见表2所示。
场景A模拟的过程中连通门关闭,教学楼内的人员疏散仅通过教学区内一部疏散楼梯进行疏散,模拟开始后人员走出教室进入走廊,然后从疏散楼梯疏散,一部疏散楼梯不足以让全部人员顺利通行到达楼外,各层人员拥挤在楼梯口处,形成严重的袋型走道现象。
场景B模拟利用到了体育楼所有的疏散楼梯,借助于体育楼的疏散楼梯,人员疏散时间缩短了将近一半的时间,但是最初设置时人员的行走状态是无序的,模拟的状态相当于人员没有相应的专业人员的指导,大部分人员从体育楼的西侧楼梯疏散,最东侧楼梯的利用率不大。
场景C连通门开启,人员从两个疏散楼梯处进行疏散,人员出现了拥堵的现象。
场景D人员从体育楼的西侧楼梯与教学楼分别疏散,人员通过体育楼西侧的疏散楼梯疏散较为顺畅,疏散用时511s。
场景E人员疏散时各人员按照各自的设定的行走路线进行疏散,但由于疏散人员过多,疏散时人员拥挤在各疏散走廊内,相比于前几个场景,疏散楼梯的利用率达到最大,疏散完毕时间460s。
场景F人员的数量减少了624人,能够确保人员有序的疏散,该场景下疏散时间为283s。
场景G人员的疏散路径没有事先确定,人员可以向任意一个出口疏散,与场景B的疏散行为相似,同时也出现了类似场景B的现象,人员疏散完毕时间为308s。
2.3 对比分析与讨论
(1)通过场景A与场景B的对比分析可知,连通区域开启且利用体育楼的两部疏散楼梯可以缓解教学楼内人员应急疏散的压力。
(2)通过B、C、D三个火灾场景的对比分析可以得出:增加疏散楼梯可以缓解人员安全疏散的压力;由于第三部疏散楼梯距离教学楼较远,人员的疏散时间较长,但通过观察模拟得到的相关数据,大部分人员进入到体育楼内,当教学楼发生火灾时,人员可以进入体育楼内以躲避火灾危险。
(3)通过场景B、E、F的对比可以看到,当疏散人数为1 624人时,良好的疏散指导并没有对人员的疏散时间造成太大的效果;当疏散人数为1 000人时,良好的疏散指导可以缓解人员的疏散压力。所以,应尽量限制人员的数量,以确保紧急情况下的人员的安全疏散。
(4)通过场景E、G的对比可得,限制人员的数量及规定人员疏散路径,可以很大程度上缓解人员的安全疏散压力。提高人员应急疏散能力以及限定人员的数量,可以很大程度提高应急疏散的程度。
(5)对比FDS与Pathfinder的模拟结果可知,在合理的限制人数、良好的疏散指导以及综合楼疏散门全开启的情况下,人员疏散时间为283s,可用安全疏散时间为400s。但必需安全疏散时间包括了报警的时间、人员响应的时间和疏散时间,且对最后结果还需做一定修正。
3 结论
(1)综合教学楼内单一功能区的应急疏散可以依靠其他功能区的安全疏散通道,这样可以缓解某一功能区由于人员过多而产生的疏散压力;
(2)综合教学楼尽量避免锁闭用于连通各区域的安全通道,以便发生危急情况时人员能顺利的疏散到安全区域;如果平时确实需要各区域之间进行隔断,可以安装相应的自动控制装置,保证危急情况下其能自动开启,以确保人员能够其进行相应的疏散;
(3)采用限制上课人数的方式来确保人员的安全;
(4)学校对学生进行安全教育时应当注重对学生进行教学楼的参观及熟悉以便发生危及情况时人员能准确及时的找到安全通道;学校应当制定相应的应急疏散方案并加强学生的应急疏散的培训,以确保紧急情况时人员能及时并准确的疏散至安全区域;
(5)应当对该综合楼进行改造或者加强综合楼的安全管理。
笔者结合相关的软件进行了模拟并得出了相应的结论,虽有一定的局限性,但模拟是基于一定的调研基础的。所以,具有一定的可行性并能反映实际的问题。
摘要：为研究高校综合教学楼的应急疏散能力,结合某高校综合教学楼的实际情况,利用Pathfinder和FDS对其进行建模并进行模拟。结果表明,相比于只使用教学楼的楼梯,借助体育楼的楼梯,并设定人员路径以及限定人员数量时,人员的疏散时间从870s缩短到283s。在此基础上,提出建议认为,综合教学楼单一功能区的应急疏散可以依靠其他功能区的安全疏散通道,不应锁闭连通各区域的通道以及疏散门;提高人员应急疏散能力、限定人员的数量可以提高综合教学楼的应急疏散的能力。
人员疏散仿真 篇8
随着我国经济以及体育事业的飞速发展,体育场馆日益增多,人群密集程度与场馆的使用率也随之增加,面临的事故发生率也不断增大,而继发和伴生现象是场馆伤亡事故加剧的主要原因[1]。因此,加强人员安全疏散的研究,在现阶段显得尤为重要。
目前人员疏散仿真模型主要分为宏观模型和微观模型两类[2,3]。宏观模型把人群看作一个整体;而微观模型是与人群行为有关的模型,主要用来研究个体行为对疏散时间等的影响。
人员疏散模型的主体是人。在现实中研究人群的行为规律,必须考虑诸多复杂的个体因素。疏散个体的行为及特征等,都会影响疏散结果。如在存在小团体时,具有亲情行为的小团体在疏散时会尽量的聚集在一起来撤离场馆,小团体的该行为对疏散结果会产生影响。而目前对于小团体的研究涉及的内容很少,因此,在此我们将采用微观模型中的基于Agent的建模方法对体育场馆中的个体进行建模,并主要研究小团体对人员安全疏散的影响。
2 基于Agent的人员疏散仿真建模
基于Agent的整体建模方法是在复杂适应系统理论指导下,结合元胞自动机网络模型和计算机模拟技术来研究复杂系统的一种有效方法[4]。
2.1 Agent模型概述
Agent是人工智能和计算机软件领域中一种新兴的技术。Agent总是能够感知其所处的环境,具有可影响环境的多种行为能力,并能够适应环境变化[5,6]。而且Agent之间复杂的交互作用[7],可以用来描述人员的群体行为,Agent的基本结构图如图1所示。
在此,我们结合Agent的智能性并借鉴一种基于Agent的人员疏散仿真框架,如图2所示。它结合Agent理论应用可以有效的解决疏散仿真的复杂过程[7]。
2.2 基于Agent的环境空间建模
借鉴元胞自动机的模型假设,采用环境空间网格表示法建立人员疏散仿真模型的空间环境,并采用目前比较常用的二维元胞空间进行建模[9]。把空间、时间、和状态离散化处理,将建筑物的平面进行均匀的网格划分,网格大小设为0.4m×0.4m,并按照Moore的元胞自动机的邻域模型来确定个体下一步可能的行动方向,如图3所示的包括个体所占据网格在内的9个网格空间。
在二维元胞空间中,每个元胞空间可以有一下几种状态:一被墙壁或障碍物占据,二被人员占据,三为空闲状态[10]。而在任意时刻,一个Agent只能占据一个网格。同一个网格属性相同,即该网格若为人员占据,则人员占据该网格所代表的全部空间,其他情况类似。
2.3 个体Agent行为建模
在人员聚集的场所,当发生紧急事件时,由于受到疏散个体心理、身体素质、疏散个体之间交互的影响以及个体能力的差异,在疏散时将会出现一些行为现象。
(1)人员疏散时必然出现如下典型现象
a.疏散过程中人员自发的聚集到出口前;
b.在靠近出口前呈现出拱形或是半圆形;
c.大量的人员聚集,出现人员的拥塞;
d.由于个体能力的差异,出现人员的伤亡;
e.人员疏散时出现小团体现象。
鉴于以往对于小团体的研究较少,因此本文将对小团体现象进行分析。
(2)当存在小团体时人员安全疏散会具有以下行为现象
a.随着小团体的数量增多,人员疏散所需时间及步数增加;
b.小团体占总人数的比例越大,人员的疏散时间及步数增加;
c.单个小团体的人数增多,人员之间的交互复杂,人员疏散所需的时间增加;
d.小团体分布越密集,人员疏散越困难;
e.小团体之间的距离范围发生变化时,人员疏散的时间及步数增加。
2.3.1 个体Agent决策模型的建立
疏散行为是个体的自我决策行动的过程,即个体通过行动达到目标,在到达目标的过程中必须对目标方向进行感知和判断从而调整行动方向[11,12,13],如图4所示的个体决策模型框架。
3 个体模型建立及算法描述
在研究体育场馆内的人员疏散时发现,往往会存在具有亲情关系的小团体现象,而小团体内部成员又存在一种主从关系。因此在本文中采用主从建模的方法研究小团体现象。其中小团体的成员在疏散时根据以下原则进行疏散:①主客体按照自由意愿疏散(考虑距离、人数、障碍和密度等因素);②对于从个体而言,它根据距主个体的距离进行目标选择:当从个体与主个体的距离近时,从个体以向主靠拢的意愿进行疏散(考虑与主的距离,到目标的距离、人数、障碍和密度等因素);当从个体与主个体的距离远时,从个体按照自由意愿疏散。
同时,结合图4所示的个体决策模型可知,个体目标方向的确定分为以下几个方面。
(1)确定目标出口
个体出口的确定考虑了同类人员之间的吸引力,到目标出口的困难程度及到出口的距离因素。因此当主从个体的吸引力在某一范围内时,其表达式的形式如下:
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其中,i=1,2,…,9、j=1,2,…,E分别表示9个可行的方向和各出口的方向,其中E为出口的个数。Gij、Pij、Oij、Dij、ρPij和ρOij分别表示主从个体之间的距离及各行动方向到各出口的人数、障碍数、距离、人数密度、障碍物密度,μ1-μ6分别为确定目标出口时各决策因素的系数。下面对式(1)中涉及的函数及参数进行介绍:
①主从个体之间的吸引力Gij
当个体属于某一小团体,且该个体为从个体时,个体在确定目标时需要考虑主从个体之间的吸引力。因此对于主从个体的目标选择,需要将主从个体之间的吸引力引入,即主从个体之间的距离G′ij。可以用下式表示:
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其中
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其中,D=λ×n,(xundefined,yundefined)为主个体的位置坐标,(xundefined,yundefined)为当前同类个体的位置坐标,即从个体,λ为单个网格的边长大小,n为调控距离范围的系数。
②确定第i个行动方向到第j个出口的人数Pij、障碍Oij以及距离Dij
假设个体的第i个行动方向到第j出口的视野范围,所包含的空间网格坐标集为R,则第i个行动方向到第j个出口的人数为:
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i表示行动方向i=1,2,…,9,j表示场馆出口j=1,2,…,E。
同理,第i个行动方向到第j个出口的障碍数为:
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其中,undefined
对于第i个行动方向到第j个出口的距离Dij如下所示:
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其中(xundefined,yundefined)为第j个出口的位置坐标,(xi,yi)为第i个行动方向的位置坐标。
③计算各行动方向到各出口的人数密度ρpij以及障碍密度ρoij
假设个体第i个行动方向到第j个出口视野范围内的网格个数为N,则到各出口的人数和障碍的密度分别为:
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其中,人数和障碍的计算方法分别与式(3)和(4)相同,此处的空间网格坐标集为R*。
(2)确定行动方向
方向的确定同样要考虑到目标方向的困难程度以及到出口的距离等,并要综合人员之间的吸引力、人数、障碍、密度因素来确定行动方向。对于行动方向的确定可用下式表示:
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其中,j=1,2,…,9为包含个体自身在内的9个可行方向。Gundefined、Pundefined、Oundefined、Dundefined、rPundefined、rOundefined分别表示个体之间的距离,各个可行方向的人数、障碍、距离、人数及障碍的密度因素。μ7-μ12为确定可行方向时的各决策因素的系数。
主从个体之间吸引力Gundefined的计算方法和式(2)相同。同时,假设第j个行动方向到目标出口DE视野范围,所包含的空间网格坐标集为Uj,所包含的空间网格数为Nj,则到出口的人数、障碍、距离以及人数和障碍的密度的计算方法同3(1)所述。
(3)确定最优方向及次优方向
个体按照设定的概率在最优方向(如式(8)所示)和次优方向(如式(9)所示)之间随机的选择方向DED。如选择最优的概率为95%,次优的概率为5%。
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4 仿真结果及分析
4.1 仿真条件
通过面向对象的程序语言Java来动态模拟疏散过程中人群的行动规律,该仿真模型采用33×33个网格的封闭空间,场馆放置有312人。其中连续的红色个体为具有一定关系的小团体。
在此,我们对2.3节所述的各种疏散现象进行仿真研究并主要研究小团体的行为特征。同时,按照以下几种情况对小团体进行仿真研究:首先,按照小团体在场馆内的分布情况分为:一小团体随机的分布在场馆内;二小团体集中分布在场馆内某区域。其次,按照以下情形进行分类:一小团体占总人数的比例不同;二单个小团体的人员个数不同。最后,按照小团体吸引力的不同进行仿真研究。
实例一:小团体随机分布在场馆内
(1)小团体所占比例不同
小团体人数约占总数的20%,即小团体的总数为60,分为15组,每组4人,则在空场有组织的情况下,不同时间的疏散情形如图5所示。
不难看出,疏散过程个体自发地聚集在出口前;在各出口前呈现出拱形或半圆形;随着拥挤程度的增加,出现人员的拥塞;疏散过程中出现人员的伤亡;具有亲情关系的小团体在疏散时尽量聚集在一起,但随着疏散的进行,具有亲情关系的小团体受到外界人员的干扰而被其他的人流冲散(验证了2.3.1)。
①不同比例下,疏散统计结果如表1所示。
由表1可知,随着小团体总数的增加,人员疏散时间和步数非线性的增长(验证了2.3.2.a)。小团体所占比例越大疏散所需时间和步数增加(验证了2.3.2.b)。
②小团体吸引力不同
在比例为20%的条件下,由上节知主从个体之间的约束力为Gij,而当Gij取值范围不同时疏散结果不同。本文中通过设定给定值D的系数n,模拟距离范围不同时对疏散的影响,则n分别取值8,16,32时的统计结果如图6所示。
通过图6可知,随着个体约束力取值范围的增大,人员疏散所需的时间和步数也相应的增加,并呈现出非线性增加(验证了2.3.2.e)。
(2)小团体的人数不同
小团体人数的不同对于人员疏散的影响。设定12组小团体,每组有5个个体,则不同时间的疏散情形如图7所示。
由该案例可知,在小团体的人数发生变化时,同样也符合2.3.1所述的内容。
①不同人数的小团体统计结果如表2所示。
当小团体的人数增加时,人员疏散的时间增加(验证了2.3.2.c)。
②小团体吸引力不同
在本实验中,我们将每个小团体定为5,共12组。研究小团体内的吸引力对疏散结果的影响,同时仿真统计,在n分别取值8,16,32时疏散时间及疏散步数,则该实验的统计结果如图8所示。
通过上述实验可知,小团体均匀的分布在场馆内时,小团体的人数、比例以及吸引力均会影响疏散时间及步数(验证了2.3.2.e))。因此,小团体的疏散行为对场馆内人员的安全疏散起到一定的约束作用。
案例二:小团体集中分布在场馆的某区域
小团体集中分布在某一区域,使得该区域的小团体的人数增加,小团体的比例增大,则该情况下各时间的疏散情形如图9所示。
①小团体分布区域不同
小团体所占比例及人数相同,如所占比例为20%,人数为60的条件下,小团体分布区域不同时的统计表格如表3所示。
表3表明在人员分布的区域不同时,疏散时间及步数也不同。对于局域分布的小团体由于个体分布的比较集中,人员的交互作用会影响个体的疏散。因此在这种情形下,人员的疏散的时间和步数比随机分布的人员疏散所需的时间和疏散步数相对增加(验证了2.3.2.d)。因此,人员的大量聚集使人员安全疏散所需的时间增多。
②小团体吸引力不同
同上小团体集中分布在场馆的左上区域,每组4人,共有15组。在n分别取值8,16,32时疏散时间及疏散步数的统计结果如图10所示。
在小团体的分布区域比较集中时,随之小团体之间的吸引力的增加,疏散时间及疏散步数相应的增加(验证了2.3.2.e)。
4.2 仿真结果分析
通过仿真可以总结出基于Agent的仿真模型可模拟仿真真实的疏散现象。由上节,我们可以总结出在第一个中间情形中,具有亲情关系的小团体会尽量聚集到一起;在第二个中间情形中,小团体会因受到外界人流的作用而被冲散且大量的个体由于出口的方向不同,出现人员的拥塞现象;临近结束情形表现出在疏散时由于人员之间的拥挤踩踏出现人员的伤亡;对于小团体现象而言,当小团体所占的比例或小团体的人数增加时,人员疏散的时间和疏散步数非线性的增加,同时由于小团体内部的吸引力的增加,小团体疏散时间和步数也非线性的增加。
5 结论
本文提出了一种基于Agent的个体决策模型,该模型可以仿真小团体现象、出口处的拱形现象、人员的拥塞以及由于个体之间能力的差异而出现的人员伤亡等疏散现象。通过仿真实验可知,小团体的存在会影响人员疏散的效率,阻碍人员的正常疏散。但经过仿真分析得知,该模型可以用于人员安全疏散仿真研究及体育场馆的设计预案,同时该模型还可以真实的再现和解释现实情况,因此对人员疏散的研究具有重要的价值和意义。
摘要：使用微观建模方法中的Agent技术对体育场馆内的人员安全疏散进行仿真研究。首先,对疏散个体以及场馆环境进行了分析,并对个体及场馆环境的建模方法进行了分析;其次,为了真实的再现现实的疏散情况,使用网格方法对场馆平面进行划分,采用基于Agent的方法建立个体决策模型;最后,分析了体育场馆内人员疏散的行为特点,并主要研究体育场馆内的小团体行为,以期再现该行为,并据此分析两种情形下对人员安全疏散的影响。仿真实验得到的数据及结果表明,上述研究与真实的疏散现象相似。因此该模型可用于体育场馆的建设评估及现场指挥预案制定的依据。