人员紧急疏散

2024-09-28

人员紧急疏散（精选9篇）

人员紧急疏散篇1

随着城市建设和经济社会的飞速发展、人民生活水平的普遍提高以及石化工业技术水平的进步,尤其是西气东输工程投入运行以来,天然气已逐步成为城镇燃气的主导气源。与煤气、液化石油气等其他能源相比,天然气具有绿色环保、经济实惠、无毒副作用的优点,是一种清洁高效的优质能源。但也正因为其使用范围越来越广,一旦发生事故,后果就会不堪设想,从而对公共安全造成威胁。在天然气泄漏事故发生后应尽可能地将附近居民疏散,而事故发生地天然气工质属性、泄漏状况,天然气泄漏扩散的范围与危险性,需要疏散的人员,疏散大概需要的时间等,这些都是天然气泄漏事故现场应急管理需要考虑的问题。因此,有必要对天然气泄漏事故进行研究,设计开发出适合事故现场快速应用的人员紧急疏散系统。

1 天然气泄漏扩散范围计算模型

天然气泄漏可能发生于管道和储罐中,前者发生场景包括埋于地下的高压管线、暴露于地面上的高压管线(如门站和阀室),其泄漏主要以气态天然气为主;后者发生场景包括以液态形式储存的常压储罐,其泄漏既可能是气态,也可能以液态方式泄漏并形成液池,或以气液两相的形式发生泄漏。

1.1 泄漏计算模型

对于高压管道的泄漏过程,由于管道内的流动有其特殊性,因此国内外开展了大量研究工作,以表征高压管道泄漏速率和泄漏的其他物理条件(如泄漏压力、温度和密度等)。常规的管道泄漏模型有小孔模型和管道模型,二者分别只适用于小孔泄漏和管道大面积泄漏,对介于两者之间的泄漏过程并不适用,因此近年国内外学者发展了任意孔径的泄漏模型。研究表明,任意孔模型是一种通用的较为合理的高压气体泄漏模型。该模型满足天然气泄漏事故现场人员紧急疏散系统对高压管道泄漏过程预测中泄漏孔面积未知(任意变化)的要求。

液相泄漏和两相泄漏过程的泄漏率估算相对容易。对常压下的液体泄漏速率,取决于泄漏孔之上液位的高低;对于非常压下的液体泄漏速率,主要取决于窗口内介质压力与环境压力之差和液位高低。其泄漏速率可以采用柏努利方程进行计算。当容器内液体为过热液体,即液体的沸点低于周围环境温度,液体流过泄漏孔时由于压力减小而突然蒸发。蒸发所需热量取自于液体本身,而容器内剩下的液体温度将降至常压沸点。在这种情况下,会发生气液两相泄漏,需要考虑液体闪蒸过程。

1.2 扩散计算模型

目前开发的计算气体扩散过程的模型大体上可以分为Gaussian扩散模型、一维模型和CFD模型等几类方法。

1.2.1 Gaussian扩散模型

Gaussian扩散模型是预测各类气体泄漏的最简单的模型,它假设气体向下风向扩散时其浓度变化呈Gaussian分布,则下风向任一位置气体浓度可以表征为式(1)所示。

式中:Q表示源强(泄漏速率), kg/s;ua为风速,m/s;Hs为泄漏源高度,m;σx、σy、σz分别代表下风向、侧向和高度方向的水平扩散系数,m。

Guanssian扩散模型的缺点主要是其源强为低动量过程,即未考虑天然气泄漏速率等高动量过程的影响,不适合高压管道或设备泄漏(高动量)后的扩散过程计算。此外,Gaussian扩散模型仅适合平坦地形条件下的扩散过程的计算。

1.2.2 一维模型

一维模型则对气体向下风扩散的横截面浓度和其他特性采用指定形式的分布,采用在横截面空间进行平均,并仅在下风方向(一维)使用守恒方程的方法进行扩散计算。这类模型的优点在于考虑了气体扩散的空气卷吸、温度效应以及大气环境因素等的影响,由于采用一维计算,因此计算速度快,是比较适合的快速计算模型。典型的模型包括美国环境保护局(EPA)认可的SLAB模型、HEGADAS模型和DEGADIS模型等。SLAB模型主要适用于重气(密度大于空气的气体)扩散过程计算,包括液池泄漏扩散、水平扩散、垂直扩散和气体瞬时扩散等几种模式,在扩散计算中考虑了大气稳定性、环境条件等因素的影响。DEGADIS模型亦适于重气扩散过程,主要计算泄漏工质以垂直于风向的方向进行扩散的过程。

1.2.3 CFD方法

CFD方法是基于求解Navier-Stokes方程的计算流体力学方法。这类方法可以给出流场内的详细结构,包含了天然气扩散浓度、速度、温度及其湍流量的各种信息,同时可以考虑扩散现场的复杂地形和建筑物布局对天然气扩散过程的影响。用于此类计算的软件包括FEM3系列软件、FLUENT软件、CFX软件等。CFD方法的缺点主要是计算花费过大,计算时间过长,不能及时应用于现场泄漏和扩散过程的计算,满足不了快速反应的需要。

根据天然气泄漏事故现场人员紧急疏散系统的应用特点以及快速计算的现场需求,对扩散过程的预测模型以一维守恒方程的积分模型为主,水平扩散模型采用SLAB模型算法,垂直扩散模型采用DEGADIS模型算法。

2 人员疏散时间计算模型

根据人员安全疏散准则,一个安全有效的疏散必须满足可用安全疏散时间(ASET,Available Safe Escape Time)大于必需安全疏散时间(RSET,Required Safe Escape Time)。对于天然气泄漏事故而言,tASET是指从事故发生时刻到事故达到危害人员安全的极限状态的时间,主要取决于天然气泄漏方向、泄漏源类型、工质状态、环境等因素;此时间由上述天然气扩散范围计算模型获得。tRSET是指从事故发生时刻起到人员疏散到安全区域的时间,包括探测时间(talarm)、人员反应时间(tresp)和人员疏散运动时间(tmove),见式(2)所示。

探测时间主要取决于事故发生条件、周围环境及探测系统特性,人员反应时间则与人员的心理行为特征、年龄、对建筑物的熟悉程度、反应灵敏性、集群特征相关,此二者一般根据实际情况给定一个合理估值。人员疏散运动时间则一般取决于待疏散人群规模、分布、人员疏散速度、交通状况等,主要通过疏散计算机模型或者经验公式确定。

2.1 人员疏散时间计算机模型

据Gwynne等人的统计,当前国际上已经建立的人员疏散模型大约有20余种。建模方法大体上可分为三种:一是宏观的方法,即把行人视为连续流动介质。因为现代人员疏散研究是从交通流的研究中分化出来的,因而也就很自然地继承了流体研究中已经完善和成熟的方法;二是微观的方法,它把行人视为相互作用的粒子,其中最为著名的就是Helbing的社会力模型;三是介观的方法,它在宏观和微观中取折中,如格子气(Lattice Gas)模型和元胞自动机(Cellular Automata)模型。

计算机模型的优点在于可以精细考虑疏散细节,诸如建筑物结构、道路形状、出口尺寸、待疏散人群间差异(包括性别差异、速度差异、心理差异等)、路径选择、行人交互等复杂行为,同样也不可避免地带来两个问题。

(1)计算复杂度高,耗时长。

以社会力模型为例,在具有一个疏散出口的15 m2的空房间里,200个人的疏散模拟就需要20 min的计算时间(P4微处理机),而对于几十甚至上百个楼层、结构复杂、出口多样、人员分布不均的高楼里人员疏散进行模拟所耗费的时间则会更长。

(2)过分依赖输入,对输入精细化程度要求高。

这些模型都有各自的使用场所。如:Fire-CAMTM使用于办公楼及公寓楼式建筑,EXIT89使用于高层建筑,BFIRES主要针对医疗类型的建筑。每个模型在进行模拟计算前都要进行耗时费力的预处理工作,要对疏散场景的每个参数给予详细描述。

以上问题从根本上决定了采用计算机模型计算人员疏散时间的方法不适合天然气泄漏事故现场人员紧急疏散系统的快速计算需求和应用模式。因此,考虑采用经验公式作为人员疏散运动时间的计算方法。

2.2 人员疏散时间经验公式

2.2.1 Togawa经验公式

将人群距最近的门的距离表示为Ks,人群的步行速度表示为V,则可以运用公式(3)求出tmove,设定当队列中的第一名疏散对象抵达该出口后,队列的疏散是连贯的。

undefined (3)

式中:tmove为疏散运动时间,s;C为通过疏散门的单位流量,人/(m·s);Na为疏散总人数,人;w为有效门宽,m。

2.2.2 Melinek和Booth公式

Melinek和Booth的经验公式中的疏散运动时间由人流时间和穿行时间两部分组成,其中人流时间表示人群经过楼梯的排队等候时间,而穿行时间则是指人员穿过楼梯的时间。完整的经验公式如式(4)所示。

undefined (4)

式中:tmove-r为r层及以上楼层人员的最短疏散运动时间;Ni为第i层上的人数;wr为第r-1层和第r层之间楼梯间的宽度;C为下楼梯时单位宽度的人流速率(即楼梯的通行速率);ts为行动不受阻的人群下1层楼的时间。

考虑到天然气泄漏事故现场计算的特点、计算成本以及实际应用模式,综合采用式(3)、式(4)进行城市大范围人员疏散时间的现场快速估算,即建筑物内运动时间估算采用Melinek和Booth公式。建筑物外运动时间估算采用Togawa公式,即排队时间与纯运动时间的加和。

根据人员安全疏散准则,总的疏散时间tRSET见式(5)所示。

3 人员紧急疏散系统

人员紧急疏散系统从结构上分为4个模块: 泄漏扩散计算模块、疏散计算模块、参数管理模块、信息显示模块,见图1所示。

(1)泄漏扩散计算模块:

负责根据用户输入的事故现场的各种参数,计算给定时间给定高度上天然气的最大扩散浓度范围,譬如计算20 min时离地面2 m高度上天然气平均浓度达到爆炸极限下限5%的扩散边界。

(2)疏散计算模块:

负责根据泄漏扩散计算模块计算得到的实际疏散边界及其他相关输入参数,计算事故涉及疏散的人数,以及需要的疏散时间。通过比较疏散时间与危险浓度到达的时间,即可得出是否可以安全疏散,是否需要改变疏散策略采用其他方式安置群众。

(3)参数管理模块:

负责接收用户的各种参数设定,校验参数是否合法。输入参数之间的逻辑关系与限制规则交由软件系统本身接管,也减少了用户的使用负担。用户还可以将输入参数集保存到一个单独的算例参数文件,供日后阅览、修改和使用。

(4)信息显示模块:

负责计算结果的呈现,包括计算日志,提供计算中间过程更详细的信息,方便进一步研究;计算结果简述,为事故处置现场的用户提供一目了然的所需信息,包括扩散范围、波及人数、运动所需时间以及疏散所需总时间,见图2所示。为了安全起见,系统在给出扩散边界时考虑了20%的安全余量;扩散范围可视化,将扩散范围以可视化的形式呈现给用户,方便事故现场信息的快速接受和理解,如图3所示,不同线条代表不同的天然气浓度。

由于采用了模块化设计,各模块可以灵活更换。如果泄露扩散范围有更好的计算模型,可以直接替换现有的算法,而不影响整个系统架构。再比如信息显示模块今后可以考虑与GIS、3D、VR、WWW等技术的结合,为用户提供更方便和友好的操作界面。

采用C++面向对象编程语言对以上设计方案进行软件实现。

4 结论

笔者首先对天然气的泄漏扩散过程进行分析研究,提出扩散范围快速计算模型,结合人员疏散时间的计算模型,进而设计出天然气泄漏事故现场人员紧急疏散系统,最后用C++面向对象编程语言进行系统原型的软件开发实现与应用。此系统可为天然气管网公司在制订应急预案时提供参考依据,也可为消防等有关部门现场处置和应急管理提供决策辅助。

摘要：对天然气泄漏事故展开原理分析,将其按时间线拆解为泄漏、扩散及疏散三部分。对泄漏模型进行了分析研究,介绍了Gaussian扩散模型、一维模型和CFD方法等扩散模型,并对人员疏散时间的计算机模型和经验公式进行了比较分析。结合天然气泄漏事故现场的应用特点以及快速计算需求,设计开发天然气泄漏事故现场人员紧急疏散系统,为应急预案的制定及应急现场的管理提供帮助。

关键词：天然气,泄漏,扩散,疏散,应急救援

参考文献

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人员紧急疏散篇2

为了提高对突发事件的应急能力，使每一个师生都切实树立起紧急疏散地意识，增强安全意识，并具备应对风险和突发事件自救互救的能力，2010年4月9日下午14点00分，我校组织全校师生进行了紧急避险逃生自救演练活动。

按照预定方案，14点00分，学生在老师的指挥下按位置安静有序的撤离寝室，全体住宿生按照方案严肃认真、有序地撤离楼层，到指定的安全起点集合，整个疏散撤离活动安静有序，用时不到10分钟。

此次紧急疏散演练我班做的比较成功的地方：

1、学生听到哨声后沉着冷静、不慌张，按照老师提前布置的要求分别从前后门迅速离开寝室，离开寝室后自成两队有序地下楼。

2、在疏散过程中，无互相推搡的现象发生，学生秩序较好。

3、所有学生都在规定时间内安全地撤离教学楼，未发生跌倒踩踏事故。

疏散演练过程中存在的问题：

1、极个别学生的态度还不够严肃，有个别学生发生嬉笑现象。

2.疏散的有序性还需要进一步演练。撤离教学楼的速度还是有些慢。

3、学会等待的思想还有待于提高。在二楼楼梯口，有些同学不等三、四层同学全部下完，就迫不及待地要下楼，缺乏纪律意识。

4、撤离教学楼后，集合速度稍慢。

人员紧急疏散篇3

1 研究对象的选取

(1) 人员个体的选取。人员疏散基础数据会受到多方面因素的影响, 如行走速度受到年龄、性别、身体条件、疏散状态等因素的影响, 不同特性的个体在疏散中会表现出极大的差异性。为了研究同一类型人员的疏散规律, 选取了某军校在校大学生为研究对象, 由于学生年龄均处于18~25岁之间, 身体条件及受教育程度相似, 且男性人员所占比例在85%以上, 故研究对象特征明显且个体差异较小。

(2) 研究内容的选取。相对于水平方向上的疏散而言, 非水平方向上的疏散更为困难, 楼梯间往往容易成为安全疏散的瓶颈部位。对高层建筑的研究结果表明, 人员在楼梯间的疏散时间占总疏散时间的80%以上。因此, 研究楼梯间部位的疏散基础数据对安全疏散尤其是高层建筑的有效疏散极为关键。而楼梯部位的人员疏散主要受人员上下楼行走速度与楼梯间出入口通行系数的影响。目前国内外学者对上楼速度的研究在地铁疏散中已取得较多成果, 故主要研究楼梯出口的通行系数、下楼速度、下楼速度与人员密度及疏散距离的关系。

2 疏散基础数据的获取与测量方法

2.1 基础数据的获取方法

获取基础数据的方法有直接观测、录像观测、疏散演习、个体试验等, 由于疏散演习场景真实, 采集到的数据与事故疏散的实际情况最为接近, 而录像观测方便且对观测对象干扰小, 故选取对疏散演习进行录像观测的方法来获取人员疏散的基础数据。

疏散演习在某军校的学生宿舍楼进行。该宿舍楼共6层, 层高3.2m, 在建筑的东、中、西部分别设有3部封闭楼梯间, 由首层封闭楼梯间的疏散门经过门厅可到达建筑外出口。参加演习的大学生共计1 348人, 其中男性比例占85%。为把疏散演习进行得逼真且可信度高, 在演习过程中使用了可释放大量无毒烟气的发烟罐, 各楼层安排了值班员, 发现烟雾后即吹哨通知人员疏散, 参加演习的学生拿毛巾掩口进行疏散。演习过程中, 在各标准层楼梯间入口处、首层楼梯间出口处及建筑的外出口处分别设置了数码摄像机全程记录疏散过程。

2.2 基础数据的测量方法

(1) 下楼速度的测量方法。下楼速度为人员下楼梯的直线距离L除以通过该段距离所需的时间t。确定距离L的起止点之后, 时间t可由录像资料直接获取。L可取一个梯段的长度或一层楼梯的总长度, 梯段长度可直接测量或通过踏步尺寸及数量计算得到。采用一个梯段的长度计算个体人员的下楼速度, 楼梯各部位尺寸经实地测量得出, 如表1所示。计算下楼速度与疏散距离的关系时采用了一层楼梯的总长度, 即考虑平台尺寸在内的所有梯段长度之和。

(2) 楼梯间人员密度的测量方法。楼梯间人员密度为楼梯上的总人数除以楼梯的水平投影面积。为获取某时刻楼梯上的人数, 可在视频录像中选取某一时刻并将此刻的录像定格, 在显示屏上数出该时刻楼梯上的总人数即可。而楼梯的水平投影面积可由表1中的基本尺寸计算得出。选择不同时刻, 即可计算得出该时刻楼梯间的人员密度指标。

(3) 楼梯间出口通行系数的测量方法。通行系数又称人员流动系数, 楼梯间出口的通行系数可由单位出口的人流量试验测得, 即测量单位时间内通过单位宽度出口的人数。通行系数的测量受到人员行走速度、人员密度、楼梯结构、人群组成等因素的影响, 取值有较大的随机性。由于出口通行系数主要是影响在出口附近拥堵形成后人员的疏散情况, 对于最先疏散和最后疏散的离散人员, 由于拥堵尚未形成或者拥堵现象已经消散, 其实验数据不予采用。因此, 计算通行系数时选取的是楼梯间人群密集, 出口人流连续、无断流的时间段为研究对象, 对楼梯出口处的录像资料进行慢进追踪, 记录某一时间段内走出楼梯口的总人数, 由此总人数除以该时间段再除以楼梯出口的净宽度, 即为楼梯间出口的通行系数。

3 结果与分析

3.1 楼梯间出口通行系数

通过对疏散演习录像的分析发现, 疏散初期人员进入楼梯间的速度较快, 当大量人员同时涌入楼梯间后, 人员行动较缓慢并出现了滞留现象。当楼梯内的人员顺利通过首层封闭楼梯间的疏散门后, 经过门厅到达室外出口的速度又较快。由此可见, 首层楼梯间出口的通行能力是影响楼梯间疏散效率的主要因素。

由于演习中在中部楼梯间及门厅处放置了两个发烟罐, 疏散人员看到浓烟且具有一定的刺激性, 只有极少数人利用中部楼梯间疏散, 大多数人选择了东、西两侧楼梯疏散。故只测试计算了东、西两侧首层楼梯间出口的通行系数。在录像中选取了人流连续且无断流的情况, 统计得出每间隔30s通过该出口的人数, 最后计算得出各出口的通行系数, 如表2所示。

由表2可知, 东、西两侧楼梯间出口的通行系数分别为1.87人/ (m·s) 和1.93人/ (m·s) , 取两者的平均值做为该宿舍楼楼梯间出口的通行系数, 即1.9人/ (m·s) 。根据国内外资料, 平面上单位宽度出口的流量取值为1.3~2.0人/ (m·s) 。我国现行防火规范虽然以百人宽度指标进行安全出口设计, 实际是基于出口的通行能力得出的, 如对单股人流的通行能力取值为43人/min (平、坡地面) , 换算成通行系数即为1.3人/ (m·s) 。可见, 计算结果大于我国规范所采用的通行系数值, 且接近于国内外研究成果给出的通行系数的取值上限。因为参加演习的人员均为对建筑内部状况、疏散路线等比较熟悉的青壮年, 且是在紧急疏散状态下选取人流连续无断流的时段计算的通行系数, 故计算结果应为偏大值。

3.2 下楼速度

人员行走速度与人员密度有关, 当密度较低、人与人之间距离较大时, 行走速度主要取决于人员的个体特性。为研究个体人员的下楼速度, 选取楼梯间人员密度较小即人员处于自由行走的状态, 利用上述测量下楼速度的方法, 分别测试了不同的人员个体的下楼速度, 最后通过取算术平均值分别得出男、女学生在紧急疏散状态下的下楼速度, 如表3所示。

国内外学者对人员在楼梯间行走的下楼速度也进行了大量研究, 如Fruin给出了公共场所的人员下楼速度在0.36~0.76 m/s之间, 由于没有区分不同的人员类型, 故而范围较宽。buildingEXODUS利用Fruin的研究成果, 设定了不同年龄段和性别的人员上下楼梯的默认速度。近年来, 国内也有许多学者通过试验观测疏散过程中人员的下楼速度, 得出了不同的结论。为与笔者的研究结果进行对比分析, 笔者总结了从各类文献中得到的青年男士与青年女士的下楼速度取值, 见表3。

由表3可知, 下楼速度受疏散状态影响较大, 非紧急情况下得出的统计数据比紧急疏散中的实际数据小很多, 而同属紧急状态下的疏散数据差别不大。笔者给出的下楼速度相比之下偏大, 因为参加演习的人员为军校大学生, 人员个体身体素质较好、疏散秩序良好、疏散中人员紧张程度较高。

3.3 下楼速度与人员密度的关系

为了研究下楼速度与人员密度的关系, 首先通过录像定格的方法测得某一时刻的人员密度, 当密度较小时人员流动处于离散状态, 速度受个体特征影响明显, 故可随机选取某一人员个体为观测对象, 对此阶段录像采取慢进追踪的方式, 测得该人的下楼速度。当人员密度较大时, 人员流动处于群集的连续流动状态, 速度受个体特征影响较小, 故此时可以测量楼梯间整股人流的流动速度。方法为在楼梯间整股人流的最前端设置一个标志物, 由于上述测量密度时已数出了楼梯间的总人数n, 对录像采取慢进追踪的方式计录这n个人全部通过标志物所用的时间, 用人流通过的距离除以该时间即为该股人流的下楼速度。由此, 选择不同的人员密度, 可计算得出该密度对应的下楼速度。

由得出的下楼速度v与人员密度ρ绘制的相应曲线如图1所示。下楼速度在一定程度上取决于人员密度。当密度小于1.2人/m2时, 速度受密度影响较小;当密度为1.2~3.5人/m2时, 速度随密度增加而降低;当密度超过3.5人/m2时, 人员几乎无法移动。由研究数据回归的下楼速度与人员密度的关系式, 如式 (1) 所示。

为进行对比分析, 笔者还列出了国内外其他学者关于下楼速度与人员密度关系的研究成果, 见表4。其中, Predtechenskii&Milinskii公式由在水平通道上的速度与密度的关系式 (2) , 乘以一个楼梯间速度折减系数c, 并取火灾情况下的下楼速度为正常情况的1.21倍计算得出。由表4可知, Predtechenskii&Milinskii、张培红及笔者得出的下楼速度与人员密度的关系均为多项式关系。

将表4中下楼速度与人员密度的关系式绘制成曲线, 如图2所示。从图2可以看出, 当密度较低时, 曲线与其他曲线差别比较明显;在中密度段, 4条曲线比较接近;当密度较高时, 各条曲线的差别又增大。由于笔者数据来源于疏散演习, 人员紧张程度高且参加演习的人员以军校男生为主, 而低密度情况下的速度主要取决于人员个体特性, 故得出的下楼速度在低密度区显著高于其他三条曲线。随着人员密度增大, 个人的行为受到了制约, 个体特征对速度的影响减弱, 故中间段差别较小。在高密度段之所以差距较大, 是因为各学者对速度达到零时的人员密度的研究结果不一致。笔者与Pauls的研究结果非常接近, 因为观测数据均来源于楼梯间的疏散演习, 其疏散环境与疏散状态比较相似。

3.4 下楼速度与疏散距离的关系

为了研究疏散距离对下楼速度的影响, 笔者所在的项目组在北京国贸三期进行了疏散测试试验, 参加测试的人员信息如表5所示。

试验前, 对楼梯间及避难层的尺寸进行了实地测量, 计算出了每层楼梯间的实际疏散长度Li, 即楼梯梯段长度与平台转弯长度之和, 对有避难层的楼层还需加上避难层的过渡长度。试验过程中, 参加测试的人员手持秒表, 每下一层记录一次时间, 由此原始数据可计算得到每层楼梯疏散所需的时间ti, 由Li/ti可得到每层楼梯的疏散速度。自上而下将每层楼梯的疏散长度Li进行叠加, 可得到需要的疏散距离S;将每层的疏散速度除以初始速度即得到速度折减系数k。

参加测试人员的速度折减系数随疏散距离的变化关系, 如图3所示, 将所有测试人员速度折减系数的平均值进行回归 (见图4所示) , 得到下楼速度折减系数k与疏散距离S的关系式如式 (3) 所示。

由图可以看出, 随着疏散距离的增大, 下楼速度逐渐下降。在疏散的初始阶段速度折减比较明显, 随着疏散距离的增大速度折减越来越平缓, 而到后期速度则变化不大。笔者的数据结果显示, 在初始疏散的200m距离范围内, 速度折减最快。疏散距离为200m时, 速度折减为初始速度的70%左右, 此后随着距离增大速度缓慢折减到60%, 之后速度基本保持在比较稳定的水平。

4 结论

(1) 通过对设有封闭楼梯间的宿舍楼疏散演习的观测发现, 楼梯间出入口为安全疏散的“瓶颈”部位, 首层楼梯间出口的通行系数是影响疏散效率的主要参数。通过实测得出该楼梯间出口的通行系数为1.9人/ (m·s) 。该值大于我国规范对通行系数的取值, 并且接近于国内外研究成果给出的通行系数的取值上限。

(2) 利用在疏散演习中获取的录像资料, 通过统计分析得出青年男士和青年女士在紧急疏散状态下的下楼速度分别为1.13m/s和0.85m/s。由于选取的研究对象身体素质较好、疏散演习组织有序等原因, 该结果与其他学者的研究结论相比偏大。

(3) 分析了人员密度对下楼速度的影响, 给出了下楼速度与人员密度的关系式, 并与国内外其他学者的研究结果进行了对比分析, 指出了存在差异的主要原因。结果表明, 当人员密度小于1.2人/m2时, 速度受密度影响较小;当密度在1.2~3.5人/m2之间时, 速度随密度增加而降低;当密度超过3.5人/m2时, 楼梯间人员几乎无法移动。与其他学者的结论对比发现, 当密度较低时, 笔者的曲线与其他曲线差别比较明显;在中密度段, 各条曲线比较接近;当密度较高时, 各条曲线的差别又增大, 但笔者与Pauls的研究结果非常接近。

(4) 研究了疏散距离对下楼速度的影响, 通过疏散试验得出下楼速度折减系数与疏散距离的关系式。结果表明, 随着疏散距离的增大, 下楼速度逐渐下降。当疏散距离为200m时, 速度折减为初始速度的70%左右, 此后随着距离增大速度缓慢折减到60%, 之后速度变化不大。

摘要：利用某高校宿舍楼疏散演习的录像资料, 得到了楼梯间出口的通行系数、下楼速度及下楼速度与人员密度的关系, 并与其他学者的结论进行了对比分析。为研究疏散距离对疏散速度的影响, 在某超高层建筑内进行了疏散试验, 得出了下楼速度折减系数与疏散距离的关系式。研究结果表明, 首层楼梯间出口的通行系数是影响疏散效率的主要参数;随着疏散距离的增大, 下楼速度逐渐下降。

关键词：疏散,楼梯间,人员密度,下楼速度

参考文献

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紧急疏散演练总结篇4

为加强学校的安全管理，提高全校师生的安全意识，确保全校师生的生命安全，按照学校总体工作布署，今天大课间我校进行一次教学楼应急疏散演练。在疏散演练的过程中，经德育处精心组织，周密安排，各参与教师积极组织，师生沉着冷静、互相合作，一切行动听从指挥，按照学校制定的紧急事件疏散的预案，本着时间就是生命、纪律就是保障，以最快的速度分秒、最好的秩序圆满地完成了此次紧急疏散的预演任务，同学们也上了一堂生动、实际的逃生技能课。

同学们，我现在看到的更多是你们有些兴奋的脸庞,你们或许还体会不到发生地震或火灾等意外情况真正的可怕，自然灾害的发生是人类无法抗拒的，但是人们可以通过有效的措施把自然灾害造成的损失降到最低限度。大家一定还记得发生在2008年5月20日14:28分的四川汶川大地震,刹那间的地动山摇，让无数人失去了亲人,失去了家园.然而，在这样一场的突如其来的灾难，有一所紧邻重灾区北川县的乡镇中学，绵阳市安县桑枣中学，却创造了全校2300名师生没有一人在地震中受伤或者遇难的奇迹。那么，这神话般的奇迹，是怎样被创造出来的呢？因为该校从2005年开始，每学期都要在全校组织一次紧急疏散演练。由于平时多次演练，地震来时全校2300多名学生，上百名老师，仅用1分36秒的时间从不同的教学楼和不同的教室中全部冲到操场上。要知道，该校每个教学楼内的学生都非常多，人员密集，学生数最多的班级有80多名，能做到安全、快速的疏散很不容易。桑枣中学抗震救灾的经验告诉我们，平时重演练，震时无伤亡。因此，开展防灾减灾宣传教育和应急演练，不断提高师生应对突发自然灾害的能力，减少各种自然灾害造成的伤亡和损失，具有重要意义。

同学们，在校园中，需要紧急疏散的机率并不大，但我们必须“居安思危”，做好准备，减少同学受伤的机会，同学们时刻要有安全意识，了解发生紧急情况时如何应变及紧急疏散的程序。同学们，在取得成绩的同时，我们也存在着一些问题：一是在疏散过程中各班队伍衔接不够紧密，二是各别班级组织的不够严密，没能当做一次实战演习，在整个疏散预演的过程中紧张程度不够，撤离速度可以提高。三是同学们要在努力保障自己生命安全的前提下，尊重他人的生命权。当危险突然来临时，不能自私自利夺路而逃，更不能为保障自己的生命权而恶意损害他人的生命权。要服从指挥，从容镇定，遵守秩序，让所有人在最短的时间内撤离到安全的地方。

老师们,同学们,今天,我们是幸运的，但是谁能保证危险不会在我们身边发生呢？重视安全，是我们每个人的义务，更是每一个人的责任。我们希望今天“紧急疏散演练”活动能够再次唤醒同学们对安全的重视，只有你们的欢声笑语、平安健康，才能使我们的校园充满阳光，充满生机。

雄县龙湾中学

教学楼紧急疏散问题的数学模型篇5

学校人口十分密集而中学生在日常生活中很少遇见应急状况。当应急情况发生时, 中学生很少能够保持镇定。所以我们应该未雨绸缪, 提前制定出疏散方案, 从而尽可能减少人员损失提高疏散效率。

某高中教学楼一共有三层, 每层楼含三个教室, 一个厕所, 两个办公室, 通过实际测量, 每层楼高4.6米, 两边各有楼道一个, 平面图如图1所示。本文针对教学楼的以上特点, 提出几种疏散模型, 发现逃生时间与速度及其他变量的关系, 从而指导学生在最短时间内, 疏散到安全地带。

二、模型假设

(1) 整栋教学楼共有495名师生, 其中所有教室都是满的, 假设每个教室里人数为55人 (含一位老师) , 每个办公室里无人。

(2) 假设每个人的行走能力相同即疏散速度相同, 且有序疏散。

(3) 人与人之间间距相等, 厚度相同。

(4) 师生从指定出口 (或消防安全出口) 到操场指定位置, 所用时间为常数。

(5) 每位师生均处于清醒状态, 且疏散过程中没有摔倒、停留、沿途返回的情况。

三、符号设定

四、问题分析

由假设 (3) 可知, 每个人之间的间距与厚度是相同的, 为p+q, 假设每一个台阶上有一人向下逃离, 且半层楼共用13级台阶, 如图2所示。

根据楼梯台阶测量数据, 看计算楼梯水平长

五、疏散时间模型的建立

(一) 合理分流式疏散

由该校的楼层平面图可知, 两个教室均处于靠右出口的位置。右边两个教室都可以从右出口逃生。但学生如果只从一个门出教室必定会造成拥堵, 且浪费时间, 所以应从每个教室的前后门分流出教室。

假设分别从左边第一教室的左右门出门人数为k1, k2, 如图3所示。若想要同时完成疏散, 则出门时间相同。则从左门与右门疏散的人数k1, k2, 满足下列关系式

化简上述关系式, 可得

上述关系式表明从左门至少应安排9人疏散, 这样才不会浪费时间, 解得

k1=32, k2=23

同理可计算出第二、三教室中从左门与右门疏散的人数与第一教室相同。

(二) 各楼层疏散模型

通过实测可以知道, 一楼各教室门口直接与操场相连。所以每门疏散人员数可相等, 所以一楼疏散完全所用时间为

对于二楼的疏散, 由实际疏散情况我们可以知道, 可分为等待与不等待两种情况。

等待状态模型从右边第三教室左门的第一人到达右门时, 右门的同学还未疏散完毕, 即k2>9人时,

以上分流方式为较为合理的分流方式, 但还可以进行优化。

(三) 疏散模型的优化

由于p+q与V人为变量。对 (p+q) ∈[1.0, 2.5]上取出5个数值进行计算, 得到各自对应的速度v。其结果如下表:表1变量对应关系

从而得到p+q与V人为一次函数关系, 所以无法通过调整数值大小进行优化, 所以为2分56秒。

为了更加节省时间, 假设楼道上同时方便3人行走, 为了方便奔走, 人与人之间应留出更多的空间, 由文献【1】的启发, 应该按照下图“品”字方式进行疏散, 如图4所示。

如上图所示, 我们将每三个人划分为一个单位, 将这样的模型称作“品”字模型, 必要条件为:

2p+q<S楼

实际上, 2p+q<2 (p+q) =2×0.83=1.66<S楼

分别取3个V的值, 可计算出疏散时间

由此得出T3=155+5+5=165秒, 所以优化后时间缩短为2分45秒。

由合理分流模型计算出的时间与“品”字模型计算出的时间比较。在相同的厚度、间距与行走速度下。可得出“品”字模型与分流模型结合可得到最佳疏散方案。

六、合理建议

1、由于学校人口密集, 所以每个学校都应该制定出合理的疏散计划, 以便防患于未然, 能更加安全地面对紧急情况的发生。

2、每班的老师应主动组织学生进行疏散, 从而使疏散更加有效。

3、每位靠近出口的同学应就近疏散, 以减少疏散时间。

4、每位同学到楼梯口时, 应主动自觉按照“品字模型进行疏散。

5、每位同学应服从老师的安排、管理, 不能慌乱, 要有序疏散。

参考文献

[1]吕雷, 程远平, 王婕, 对学校教学楼疏散人数及疏散速度的调查研究[J].安全, 2006 (1) .

[2]刘绚, 孙育英, 等.某高校教学楼人员疏散优化研究[J].消防科学与技术, 2011, 30 (12) :1121-1124.

[3]教学楼人员疏散时间预测数学模型研究[J].长江大学学报 (自科版) , 2012, 9 (11) :18-20.

[4]李彩娟, 张新.有效疏散指挥下教学楼人员紧急疏散数学模型探讨[J].河北建筑工程学院学报, 2013, 31 (2) :118-120.

[5]陈丹, 曾文霞, 等.大学教学楼人员疏散策略研究[J].价值工程, 2015, 34 (35) :149-151.

[6]方正.建筑物人员疏散逃生速度的数学模型[J].武汉大学学报 (工学版) , 2002, 35 (2) :66-70.

人员紧急疏散篇6

1紧急疏散门系统的结构

紧急疏散门是以2 根空气弹簧为动力源的上翻式结构, 具体组成如图1 所示。

在正常情况下, 紧急疏散门系统处于锁闭状态, 坡道被折叠固定在门板后部, 占用的司机室空间较小。设计人员在疏散门板中上部设计了透过式玻璃窗, 不影响司机室整体采光。在紧急情况下, 工作人员按照紧急操作标识的指示, 手动将紧急疏散门系统锁闭机构解开, 然后向外推动疏散坡道, 疏散门板和坡道便会联动自动打开形成车辆到轨面的紧急通道, 用于疏散人群。使用后, 工作人员需手动回收紧急疏散门系统。

1.1 锁紧机构

紧急疏散门锁紧机构为机械式硬连接结构, 整个锁紧机构安装在门扇中间偏下方的铝型材框架体上, 与其对应的门框部分左右分别安装有一锁座。

锁紧机构由锁舌、锁连杆、转臂、空气弹簧、限位座、锁座、把手、二级锁闭装置等组成。该机构采用了硬连接结构, 门扇在锁闭后与门框切合面的间隙更小, 使疏散门的密封性能更好。在设计整个锁紧机构时, 增加了空气弹簧, 使锁紧机构在紧急疏散门锁闭状态下的可靠性更高, 防止出现锁紧机构自动打开的现象。锁紧机构打开时, 空气弹簧的作用力会减小打开力。在锁紧机构处设计有二级锁闭机构, 防止误操作。

1.2 密封装置

紧急疏散门采用的是两级密封结构, 是通过安装在门扇、门框的2 种高弹性橡胶条与门扇、门框切合面完全切合来达到密封效果的, 如图2 所示。密封胶条选用的是优质的原材料, 弹性好, 防火性能符合DIN 5510 第4 部分阴燃等级第4 级。密封胶条的对缝处采用的是硫化处理方式, 密封效果更佳。

1.3 疏散坡道

坡道采用的是四级折叠结构, 由立柱机构、扶手机构、踏板机构、锁机构组成。在打开时, 只要轻轻扳动锁机构把手, 向外推出一定距离, 就能使整个疏散梯完全展开, 形成通道, 两侧形成软性扶手。疏散梯踏板选用的是铝蜂窝板结构, 这在保证踏板有足够强度的同时, 减轻了质量。

坡道踏板机构由框架和踏板组成。框架由优质碳素结构钢焊接而成, 强度高。踏板采用了高强度铝合金蜂窝板结构, 表面坚硬平整, 每平方米踏板可承受9 名乘客的质量 (每名乘客的质量为60 kg) 。踏板表面贴了3M防滑贴, 以防乘客在行走时滑倒, 并贴有带绿色箭头的黄色荧光反射条, 用来指引乘客逃生。经过试验, 其他地铁项目的坡道踏板机构每分钟可疏散乘客60 名。

1.4 扶手机构

坡道扶手机构由支撑杆和吊带组成。支撑杆由优质结构钢加工而成, 具有很高的强度;吊带由特殊材料加工而成, 具有耐磨、耐腐蚀、韧性好等特点。在坡道展开后, 吊带与支撑杆形成软性扶手, 帮助乘客逃生, 防止乘客在逃生时从侧面跌落。

1.5锁机构

坡道锁机构由坡道下部限位和紧急疏散门联动机构两部分组成。在坡道完全关闭后, 坡道下部限位开口槽卡入坡道底座的限位销里;在门板关闭后, 门板连动机构滚轮卡入坡道滑槽内将坡道位置限位。

2 紧急疏散门的技术参数

门净通过高度:不小于1 800 mm。

坡道净通过宽度:500 m。

打开时间:不大于60 s。

回收时间:不大于10 min (仅限2个人) 。

承载能力:9人/m2 (按60 kg/人计算) 。

逃生门的质量:不大于190 kg。

使用寿命:不小于30年。

锁机构最大打开操作力:不大于150 N。

可靠性指标:逃生设备的展开具有99.99%的可靠性。

3疏散门操作

3.1打开操作

如图3 所示, 打开疏散门的具体操作步骤为: (1) 拉动快卸弹簧销, 将快卸弹簧销从安装孔位拉出并插入底板孔内; (2) 拉动锁机构把手至开位, 将门板解锁; (3) 向外推动坡道, 紧急疏散门、坡道自动展开。

3.2 关闭操作

关闭疏散门的具体操作步骤为: (1) 将回收带一端与门板连接起来; (2) 逐步折叠回收前三级坡道, 整理各回收带, 并将其放至正确位置; (3) 操作人员上车, 将回收吊带另一端与坡道把手连接, 拉动吊带将坡道拉回; (4) 拉动回收带将紧急疏散门门板拉回, 然后将回收带分别从坡道把手和门板上取下; (5) 拉动锁机构把手至关闭位置, 将快卸弹簧销插入对应孔位内。

4 安全性设计

紧急疏散门锁机构被设计安装在门板中部位置, 由锁体、转轴座、锁舌、锁把手、连杆、连接销和安装在门框结构的锁座等组成。锁体、转轴座都采用螺钉连接方式与门板框架体固定为一体。锁舌由45 号结构钢经过热处理制成, 截面尺寸为20 mm×20 mm, 紧急疏散门设计有2 个锁舌。在锁闭状态下, 锁舌伸进锁座的长度不小于30 mm。锁座与门框框架体采用的是螺钉连接方式。通过计算, 锁机构的最大载荷可以满足车辆正常行驶和紧急制动时3 g的减速度载荷要求。

锁座设计有触点开关, 当锁舌伸进锁座将门锁闭或从锁座内脱出时, 都会在司机台TMS中显示。为了防止车辆在过弯道时紧急疏散门门板由于惯性而向一边偏移, 在门板上部设计了有限位装置。

5 结束语

该紧急疏散系统达到了地铁车辆对紧急逃生的基本要求, 满足了车对地面的紧急救援需求, 同时, 通过各种试验发现, 与其他地铁项目相比, 该系统具有操作方便、结实耐用、方便维修等特点。但此紧急疏散门系统也存在一定的局限性, 例如质量较大、不适用于车辆对车辆间连挂时的紧急疏散等。因此, 在后续紧急疏散门的设计中, 设计人员应综合考虑具体项目的需求。

参考文献

[1]殷瑞忠, 俞太亮.地铁车辆的紧急疏散门系统[J].现代城市轨道交通, 2007 (4) .

人员紧急疏散篇7

1 紧急疏散大规模人群运动模拟系统应用的概念及作用

人群疏散运动模拟系统研究就是利用仿真技术、心理学以及社会学等方面知识进行有效的人群疏散过程控制, 很多国家政府机关、安全部门均开展了该方面应用系统研究。当前人群运动模拟系统应用主要存在以下几方面问题:其一, 应用系统可视化程度极为有限。其二, 系统可负载人群有限。其三, 应用系统主要针对特定场合中的危机事件且通用性较差。其四, 辅助论证分析功能缺乏。因此, 本文针对这类问题提出了面向紧急疏散大规模人群运动模拟系统, 该系统要求在特定环境下和特殊人群, 制定最佳的人群疏散方案, 从而构建视觉效果更加逼真的动态模拟效果, 制定研发危机实时绘制引擎, 并通过辅助论证分析进行模拟结果预定。

2 人群运动模拟系统框架

当前较为常见的大规模人群疏散模拟系统有场景模拟、人群模拟、灾害现象模拟、虚拟个体路径规划、危机实时渲染。可以将系统框架总结如下:

2.1 人群模拟

面对紧急疏散人群来说, 人是疏散的主体和关键影响因素, 这也是运动模拟方案中最复杂的部分。现今所研究的大规模模拟人群数量在5万人以上, 大规模人群模拟系统支持人群运动模拟和交互控制, 能够在极大程度上发挥渲染引擎可视化数据分析作用, 尽可能的还原危机情况下的人群运动规律。

2.2 场景模拟

人群仿真模拟主要由构建和渲染两方面构成, 仿真模拟构建是在真实环境的基础上进行的群体仿真需求模型模拟, 渲染就可以简单理解为通过场景管理技术进行三维虚拟环境模拟, 进行紧急情况下人群疏散设计和控制。

2.3 灾害模拟

灾害模拟是危机处置预案中必须要考虑的模拟要素, 该系统支持各种灾害现象在系统当中不同情况模拟, 这样能够极大程度的还原火灾、积水、爆炸等灾害现象可能产生的影响, 提供三维可视化数据。

2.4 人群疏散、危机过程渲染

通过计算机模拟系统应用来进行虚拟个体行走路径规划研究, 让人们能够明确疏散模拟系统核心服务的重要性及实用性, 更好地满足紧急情况下的大规模人群疏散最优路径设计。危机渲染主要是针对灾害现象和复杂场景虚拟人群运动的实时渲染, 以配合灾害实际发生效果, 提升人群的危机应对能力, 做好危机人群运动数据的动态调整, 做好前期数据载入, 对特定危机处置预案加以辅助论证分析。

3 模块功能实现

3.1 人群建模与运动合成

针对当前运动个体特点, 最常用的是个性化建模方式, 而群体建模则不适用该方法。群体建模主要依据大规模人群运动特点, 同时还对计算的质量和效率有着很高的要求, 群体建模通过一个模板生产不同类型的模型, 且利用随机方式来改变模型参数, 进而实现多样化设计目的。笔者所提出大规模人群运动模拟系统是一种快速生成模拟人群运动的方法, 该系统秉持Poser人体建模软件创建个体角色的办法, 将其导入3Dmax软件中, 以人群建模插件来实现人体模型骨架自动蒙皮和匹配, 并结合Fat Map创建原理建立了生长形态各异的人体模型库。模型与运动的相互结合, 极大的提升了系统的实时性和视觉逼真性, 合成数万个体模拟运动动作, 提高系统模拟的准确性和全面性。因此, 本文笔者以实时逼真的人体运动合成技术为基础, 进行了常见危机情况下的人体动作数据, 并综合这些动作数据模拟出更多的个体体型、运动速度、运动方向等新的动作数据模拟。

3.2 灾害模拟

为了提高危机情况下人群疏散的安全性, 必须充分考虑到爆炸、烟雾、积水和燃烧等灾害现象中人群的运动体动力学规律, 对其行为进行仿真模拟, 还原人群在灾害中的运动规律和心理, 进而实现对大规模人群运动的有效控制, 减少灾害带来的伤害。系统模拟过程中, 应根据流体不同特征, 合理选择不同的系统构建表现方法, 尽可能防止烟雾扩散或燃烧过程中与周围物品的物理、化学反应, 通常爆炸会形成大量尘云、碎片和冲击波。同时灾害本身也有一定的共同性, 这就给建筑物结构设定了一定的灾害模拟画面, 提高了数据集合模拟蔓延现象。灾害蔓延过程中, 可能会受到外力的冲击, 造成模拟曲面移动, 产生灾害扩散。

大规模人群疏散运动模拟系统要保证模拟个体与虚拟曲面的位置, 并且定义了距离场函数, 当灾害发生的边界点移动到虚拟曲面的内外侧时, 一定要利用距离场函数将其移动到距离曲面最近的点上。笔者建议要综合利用各种运动模拟, 充分提高系统计算的准确性和实时性。人群扩散速度和密度有着一定的规律, 可将其整理为以三种颜色表示的纹理通道, 并将其综合运算整合到一个统一的像素程度中, 提升状态的稳定性, 减少绘制次数, 建议根据危机实际发生情况选用不同应对策略。

3.3 人群疏散

紧急情况下, 人们所做的都是本能的求生反应, 主要遵从“心理-行为”模式。人群在危机情况下的运动有以下几种行为特征:

首先, 每个人本能的希望能够最快逃出危险。其次, 人群集中于出口处, 造成出口人流缓慢且拥挤。再次, 受大量人群运动引导忽略其他逃生出口。最后, 人群拥挤易造成其他伤害。笔者建议通过障碍避免、信息感知、行为调整和疏散速度几方面进行虚拟人群行为指导控制方式和实时控制方式, 进而制定人群行动路径和人群目标。

综上所述, 面向紧急疏散大规模人群运动模拟系统能够有效提升危机过程中的应对能力, 保证人们的生命财产安全, 维护社会稳定。

4 结语

为了做好大规模紧急人口疏散, 减少公共安全所导致的人员伤亡, 本文笔者对紧急疏散大规模人群运动模拟系统涉及的技术进行了简要阐述, 希望能够增进对危机情况下大规模人群疏散过程的了解, 实现模拟结果的有效分析, 制定科学合理有效的人群紧急疏散策略。

参考文献

[1]李强.城市公共安全应急响应动态地理模拟研究[D].北京:清华大学, 2010.

[2]杨海潮, 孙冰.基于PERT和最短路理论的人员疏散最优化[J].消防科学与技术, 2011, (02) :85-86.

人员紧急疏散篇8

公共安全是国家安全和社会稳定的基石，我国每年因公共安全问题造成的GDP损失高达6%，夺去二十万人的生命。一些大型公共设施的安全危机事件，如:恐怖袭击、重大火灾、公众聚集场所的人员踩踏、危险化学制品泄漏爆炸、重大交通事故等，如果处置不当，不仅会带来巨大的人员伤亡和经济损失，还会给国家造成重大的负面政治影响。因此，在突发危机的情况下，进行科学、有效的疏散是一个值得研究的课题。

目前比较流行的研究人群疏散过程的方法是使用计算机仿真技术，结合心理学、社会学领域相关知识，研究紧急情况下人群失控行为与相应的疏散模拟技术。很多国家政府部门和安全机构都对这一应用进行了研究并开发了相应的应用系统，如美国的国家标准署NIST设计开发的EVACNET紧急疏散软件模型、日本虚拟现实技术中心的地震模拟系统以及英国Colt Virtual Reality公司的Vegas火灾疏散演示设计模拟仿真系统等。已有的应用系统存在的共同问题是:其一，可视化程度有限;其二，系统可负载的人群规模有限;其三，这些系统都是针对某些特殊场合中的某一特定类型的危机事件，缺乏一定的通用性;其四，缺乏辅助论证分析功能。

针对这些问题，本文提出一个面向紧急疏散的大规模人群模拟系统。其基本思路是:在发生重大公共危机事件时，针对特定的环境和人群状况(人群规模达五万人以上)，确定最佳疏散策略，通过个性化人物建模方法和动态三维场景建模技术达到视觉逼真性效果，并研制开发了一套危机过程实时绘制引擎，保证整个危机过程的逼真、实时展示。最后，在上述内容的基础上，通过用户设置并载入相应的前期数据，可对预案模拟结果进行相关的辅助论证分析。

2 系统框架

一个典型的大规模人群疏散模拟系统主要包括以下几个方面的内容:人群模拟、灾害现象模拟、场景模拟、虚拟人个体路径规划、危机过程实时渲染。系统基本框架图如图1所示。

(1)人群模拟:人是疏散系统中最为关键的因素，也是预案模拟中最复杂的部分。本系统实现在虚拟环境中创建大规模虚拟人群(人群规模达五万人以上)，支持对虚拟人群的运动模拟和交互控制，并根据渲染引擎的需要提供大规模人群的三维可视化数据，使得系统能够以三维逼真方式表现人群在整个危机过程中的行为特征。

(2)场景模拟:群体仿真中的虚拟环境研究主要分为构建及渲染两个方面，其中构建过程主要是基于真实环境创建出满足群体仿真需求的环境几何模型，渲染则是通过一定的场景管理技术将三维的虚拟环境显示出来。本系统以办公大楼为例，模拟研究危急情况下人群的疏散。

(3)灾害模拟:灾害现象是公共安全危机处置预案中必不可少的模拟要素，本系统支持在虚拟环境中创建各种灾害现象，如:火灾、爆炸、毒气、积水等，同时支持对灾害现象的计算模拟和交互控制，并提供三维可视化数据。

(4)人群疏散:通常指为虚拟个体设计的路径规划策略，它是人群疏散模拟系统中的核心问题，提供疏散过程中所需的核心服务。本系统采用一种二级搜索路径规划策略，能够快速实时地为虚拟人搜索到满足其需求的最优路径。

(5)危机过程渲染:被系统提供对大规模虚拟人群、复杂场景和灾害现象的实时渲染，配备场景、人群和灾害的三维可视化数据读入接口，具备自适应能力，能够根据机器配置和数据量大小进行动态调整，保证整个危机过程的实时逼真展示。

在上述内容的基础上，我们还研制了一套人群疏散模拟的辅助论证分析工具，通过用户简单设置并载入相应的前期数据，即可对特定危机处置预案进行相关的辅助论证分析。

3 模块功能实现

3.1 人群建模与运动合成

目前的个性化建模方法都是针对个体的，无法应用于群体建模中，这是因为群体建模既要很好的反映出人群的多样性，又要兼顾计算效率。已有的群体建模方法是使用模版，即通过同一模版生成不同模型，然后随机改变模型的某些参数(如身高、皮肤等)来达到外观多样性的目的。本系统提出一种快速生成大规模虚拟人群的方法，其基本思路是:首先在Poser人体建模软件中创建所需要的单个角色，并导入到3Dmax软件中，利用人群建模插件实现对人体模型的骨架自动匹配和自动蒙皮，利用FatMap创建生长形态各异的人体模型库。创建流程图如图2所示。

由于在Poser中生成的模型点和面数目较大，大规模的人体模型生成时将严重影响计算机的演示效果，所以在3Dmax中有必要对人体模型进行优化，在不影响模拟效果的情况下尽量减少其点和面的数目。边折叠的方法可以很好的实现这一目的，它是通过将一条边的两个端点捏合成一个顶点并删除由此导致的冗余面和更改局部拓扑来实现的，如Qslim简化算法。

运动合成方面，在保证视觉逼真性和系统实时性的前提下，合成数万个虚拟个体的运动动作仍然是一个挑战。因此，我们研究了基于动作库的实时逼真人体运动合成技术，动作库中包含了危机情况下常见的人体动作数据(如走、跑、上楼梯等)，在这些动作数据的基础上，可以生成符合当前虚拟人个体体型、运动方向、运动速度的新的人体动作数据。

为了降低CPU和GUP的计算开销，可以对运动动作做适当约减。通过SOM技术将运动数据的一个周期动作表示为m*n的低维特征数据，然后利用这些低维数据实现运动的内插和外推。在此基础上，通过质心位置和速度实现运动的合成，并利用低维参数的连接实现运动的平滑过渡。

3.2 场景模拟

在本项目中，我们采用基于GIS数据的大规模场景建模方法，直接从GIS数据转换得到三维场景模型。主要包括两个关键步骤:数据表达(数据模型和数据结构)以及地物模型与地形模型的套合。

我们采用基于3单纯形与CSG(Constructive solid geometry)构件的混合数据模型来对各个类型的数据进行分类，3单纯形用0单纯形、1单纯形、2单纯形、3单纯形分别表示0维、1维、2维、3维对象，将复杂的空间通过一定的规则剖分为一系列单纯形。CSG构件包括长方体、棱台、圆台等3维对象，主要用来表示规则建筑物。基于以上划分，直接利用常规GIS数据，就可自动生成一种简单的城市建筑物实体数据。

除了空间位置信息外，拓扑与属性信息也是GIS的主要特征。对于城市三维模型，其拓扑和属性数据是通过关系数据结构的形式来建立的，我们采用Meier关系数据结构，先定义模型中的各物体，再通过联合操作将它们联系起来构成GSG模型。

3.3 灾害模拟

由于烟雾、爆炸、燃烧、积水等灾害现象的运动均遵循流体动力学规律，对它们的仿真方法具有相似性，因此我们采用基于NS方程的方法统一对这些现象进行仿真。NS方程由两部分组成，一是连续性方程，另一个是动量方程，如下所示:

其中，为流体运动速度，ρ是密度，p为压强，v为动力粘性系数，珒f是外部作用力。虽然各种灾害现象的建模都是基于NS方程，但是针对不同的流体，还需要构建不同的细节表现方法，如烟雾会扩散，燃烧会产生化学反应和火焰，爆炸的主要后果是冲击波、碎片和尘云等。

灾害现象的蔓延在本质上也具有相似性，我们根据建筑物结构设定了水火烟等蔓延的虚拟曲面，然后用基于体数据集合的增强距离场模拟蔓延现象。在蔓延中，边界点因外力作用，在相关的虚拟曲面上移动。为了保证它们的下一个位置始终与虚拟曲面相邻，我们定义了一个距离场函数，当火焰或水的边界点运动到虚拟曲面内侧或外侧时，利用距离场函数可以把它们移动到距离曲面最近的点上。下图所示为火和烟的蔓延。

求解NS方程的常用方法是Stam提出的半拉格朗日法与隐式迭代结合的方法，半拉格朗日法能执行所有局部计算而不要求数据散布，因此它可以被扩展至GPU。鉴于速度和密度的扩散方程类似，我们将速度与密度整合成纹理的三个颜色通道，从而把运算整合到一个像素程序中，减少了状态量的改变和整个绘制的次数。对于原项和边界条件也采用相同的策略。

3.4 人群疏散

紧急状况下，人群的行为遵从“心理-行为”模式，当发生危险状况时，人群的行为特征表现为:(1)每个人都希望以最快的速度逃生;(2)人群集中在出口处，使出口处变得拥挤且人流速度慢;(3)恐慌的人群容易集中在一个出口而忽略其他出口;(4)易引起其它伤害;这种情况下人群行为仿真主要是从信息感知、障碍避免、疏散速度和行为调整几个方面来考虑。

在正常情况下，虚拟人群的行为采用实时控制方式和指导控制方式，主要由系统设计者指定人群的目标、行动路径。而在紧急情况下，考虑到恐慌状态下人群的行为特征，人群的行为采用自主的控制方式，每个个体都是一个高度自治的智能体，能自主的选择目标出口，自动进行路径规划。在这里，我们采用一个基于A*算法的二级搜索路径规划策略供智能体选择其当前最优路径，其基本思想是:将整个活动区域划分为若干个小区域，称为宏观网格，虚拟个体首先利用全局搜索策略找到目标点所在的网格中心，确定运动方向，同时将所经区域间的交点设为临时目标点，然后在各个小区域内利用局部搜索策略搜索从当前点到下一个临时目标点的最优路径。临时目标点的作用就类似于路面上的路标，它可以减小搜索范围，极大的提高算法的执行效率。

为了确保个体选择的路径是无障碍的，我们采用微观网格机制。即将宏观划分后的活动区域划分为许多细小的网格，每个格代表一个空位，它有八个邻居节点，这些邻居节点在路径搜索过程中是动态变化的。个体处在某一个空位上时，它将搜索其邻居节点，选择离目标点近的邻居节点作为其下一个目标位置，当某个节点为非活动状态时就表示这个节点处有障碍，这个障碍有可能是一个静态的物体或者一个运动的行人，因此个体需要选择其它方向移动。二级搜索和网格如图所示，其中左图为微观网格，右图为宏观网格。

个体的疏散速度与个体的自身状况、人群密度和所处位置有关，根据研究人员的统计数据，人在正常情况下的行走速度为1.2m/s，紧张状态下可达到1.5m/s，随着人群的密度增大，人群的行走速度会下降。Togawa推导出了一个用于描述速度密度关系的公式:

式中，v为行走速度，ρ代表人群密度，v0=1.34m/s为常数。

为了估算人群疏散的时间，可以假定群体的行为一致，有共同的目标。紧急情况下人群能否安全疏散取决于疏散所需的时间和可以获得的疏散时间，最终取决于人群疏散的速度和灾害蔓延的速度。以火灾为例，疏散时间是指从火灾开始到人群全部疏散完毕，它可以表示为:

其中Tdetector表示监测预警系统检测到火灾所需的时间，通常为60s;Tresponse表示人群意识到灾害所需的反应时间;Tescape表示人群逃生所需的时间。用Tfire表示从火灾开始到它逐渐蔓延到可以威胁人的生命的这段时间，则只有当Tfire>Tevacuate时，人群可以安全撤离。

3.5 实时渲染

在大规模人群疏散模拟系统中，人群规模达到5万人以上，环境规模大于100平方公里，建筑面积大于10万平方米，要实时逼真的展示整个危机过程，需要制定合理高效的危机过程实时绘制引擎，其基本过程如图5所示:

对于原始数据库中的大规模场景以及虚拟人数据，我们首先进行LOD预处理，所有的这些预处理数据构成了危机过程的静态绘制数据库，存储在外存中。由于静态数据库的容量过于庞大，难以一次性的调入内存，需要依据当前视点信息对数据库进行内外存之间的数据调度，从而得到了有效待绘制的静态数据。同时，对大规模虚拟人群和灾害模型进行仿真计算，得到危机过程的动态绘制数据，静态数据和动态数据构成了有效数据集合。

对于不同的数据，我们采用不同的方法进行处理。对虚拟人群采用基于PSR的点绘制技术，对虚拟场景采用常规的网格绘制技术，对动态灾害数据采用体绘制技术。这样就可以实现危机过程的实时绘制与可视化，整个绘制过程是在GPU中进行的。

4 案例分析

应用本系统模拟某单位办公大楼在发生火灾时的疏散情况，具体数据和指标如下:该办公大楼共有8层和3个独立出口，通常工作日容纳超过2000办公人员，我们模拟某一工作日大多数人员都在其工位上时的疏散情况，大楼结构和模拟结果图6所示。

通过对疏散过程的观察和分析可知，人群疏散的高峰集中在整个疏散过程的前90秒，而出口B是大多数人在撤离时的首选，在130秒时刻，基本上所有人都已经成功撤离。从理论上来看，这个时间小于灾害蔓延至能侵害人的生命所需的时间。由此可见，我们的系统在灾害发生的环境下，可以被应用到现实生活中，起到有效的引导疏散的作用。图7为整个疏散过程的数据分析示意图。

5 结论和展望

本文对大规模虚拟人群疏散系统所涉及的关键技术进行了详细的介绍，主要包括人群建模和仿真技术、基于GIS的场景建模技术、基于NS方程的灾害模拟技术、基于二级搜索的人群疏散控制策略以及海量数据实时渲染技术。实验结果证明，该系统能高效逼真的模拟危机情况下大规模人群的疏散过程，并对模拟结果进行分析，从而制定出现实世界中符合实际情况的人群疏散策略，极大的减小公共安全问题造成的人员伤亡。

然而，紧急状况下的人群行为是非常复杂的，它不仅受到周围环境、人群心里因素、人群身体素质、人群对环境的熟悉程度等的影响，而且还实时的受到其它突发事故以及各种因素的相关性等方面的影响。尤其当人群规模很大时，要考虑的因素也相对较多，针对人群疏散的模拟技术也应该进一步的发展提高。

同时，我们使用动态LOD技术对模型进行简化，根据原始复杂模型和模型简化记录，按照一定的规则从中恢复出任意级别的LOD，就是动态LOD。它可以达到简化模型、降低存储和提高显示效率的目的。

参考文献

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