海底隧道火災(zāi)事故人群疏散優(yōu)化方案研究

陳明仙，許貴賢

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院 安全技術(shù)與環(huán)境工程系, 福建 福州 350007)

0 引言

在路網(wǎng)特征顯著的海底隧道內(nèi)，發(fā)生事故后進(jìn)入人群疏散情景時，如何在第一時間內(nèi)將隧道內(nèi)的人員疏散至安全區(qū)域，同時避免疏散人員免受高濃度CO的長時間影響，合理制定疏散方案，進(jìn)行時空路徑的合理分配，以實現(xiàn)最安全、最有效的人群疏散是一個急待解決的問題。

在海底隧道人員應(yīng)急疏散方面，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了研究。如Penelope Burns等[1]對澳大利亞悉尼海底隧道應(yīng)急中人的行為進(jìn)行分析，進(jìn)行隧道疏散程序和系統(tǒng)研究，開展火災(zāi)實驗，并分析不同海底隧道應(yīng)急警示系統(tǒng)對疏散的影響，研究疏散指令和撤離行為對應(yīng)急的影響。Timo Salmensaari等[2]對海底隧道應(yīng)急救援手段進(jìn)行分析，研究事故應(yīng)急光源和電力的要求，描述了運營期海底隧道的主要風(fēng)險，提出了應(yīng)急交通的基本要求。王忠[3]分析了海底隧道的火災(zāi)原因、特點及危害性，并對應(yīng)急避難及疏散設(shè)施要可靠性、消防通信系統(tǒng)和搶險救援隊伍等提出了要求。

當(dāng)前關(guān)于海底隧道應(yīng)急研究多集中于事故數(shù)據(jù)分析、應(yīng)急行為和指令分析、應(yīng)急需求和微觀的疏散運動模型等方面，而對于不同區(qū)域人群疏散優(yōu)化策略方面研究較少。因此，筆者將以廈門翔安海底隧道為例，針對其火災(zāi)情景下疏散特性，考慮隧道網(wǎng)絡(luò)特點和煙氣對人體影響，建立人群疏散優(yōu)化模型，設(shè)計基于改進(jìn)蟻群算法的求解方法求解模型，得出不同區(qū)域人群疏散優(yōu)化方案。

1 問題描述

海底隧道的交通流量巨大，在火災(zāi)發(fā)生需要進(jìn)行疏散時，疏散人員面臨諸多的疏散選擇，如何合理選擇疏散方式策略，使健康傷害在可承受范圍內(nèi)、疏散時間最短和疏散路徑最短，以實現(xiàn)安全、高效的疏散目標(biāo)，是一個涉及到人員傷害、疏散時間、疏散路徑等因素的復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化問題。

在發(fā)生海底隧道火災(zāi)人員疏散情景下，車輛擁塞于火災(zāi)事故的隧道內(nèi)、車行通道和對向車道內(nèi)，對疏散產(chǎn)生影響。此時，車輛內(nèi)人員易受到煙氣和熱灼傷害。公路隧道火災(zāi)人員分布密度較小，除火災(zāi)中心區(qū)外，人員受熱灼效應(yīng)較小。由于海底隧道火災(zāi)產(chǎn)生的大量煙氣在短時內(nèi)難以排出，使逃生人員在徒步疏散過程中以運動狀態(tài)下遭受煙氣傷害，超過傷害閾值可能導(dǎo)致不可逆?zhèn)ι踔了劳?，同時導(dǎo)致疏散過程中止。在火災(zāi)煙氣中，包含了碳氧化物、氮氧化物、硫化物和氫化氰等毒害性物質(zhì)。由于隧道內(nèi)可燃物的非充分燃燒，會使CO濃度迅速升高，是隧道火災(zāi)致死的主要介質(zhì)[4]。在隧道應(yīng)急疏散在路線選擇上，容易受到隧道結(jié)構(gòu)、人員與出口距離等條件影響；同時，由于人員的恐慌心理，容易從眾、從光，隨機(jī)性強。因此，對長距離的海底隧道逃生疏散，其逃生策略的選擇應(yīng)對于不同區(qū)域采取差異化策略，并給予合理誘導(dǎo)，使得整個逃生過程的傷害指數(shù)不超過容許范圍，人群疏散優(yōu)化表現(xiàn)為逃生的過程路徑選擇，具體表現(xiàn)為各逃生階段不同區(qū)域的出口選擇策略。該問題為典型的多約束的應(yīng)急疏散組合優(yōu)化問題。

2 模型構(gòu)建

(1)目標(biāo)函數(shù)

在人群疏散情景下，目標(biāo)函數(shù)可描述為使海底隧道疏散過程的總時間最少，可表達(dá)為：

(1)

其中：

A為疏散區(qū)域集合；

k為海底隧道中所需疏散的區(qū)域數(shù)；

tij(x)為人員x在疏散路徑(i,j)所用時長，單位為s；

式(1)表達(dá)的意義為：人員疏散優(yōu)化問題研究對于含有N個可能疏散出口，海底隧道各區(qū)域內(nèi)總數(shù)為K的被疏散對象，對于區(qū)域Ai內(nèi)的人員有疏散方案w，其個體疏散區(qū)域綜合時間成本為疏散方案W執(zhí)行過程總出行時間累加，通過求解k個被疏散區(qū)域內(nèi)人員累積綜合時間成本最低使應(yīng)急疏散系統(tǒng)整體效益最優(yōu)[5]。

(2)模型的約束條件

疏散人員在疏散過程累計所受CO傷害值不能超過閾值，否則因身體傷害超限，會引起死亡或不可逆?zhèn)Γ瑫r導(dǎo)致疏散過程中止或受阻。

(2)

式中：

rij為路徑上人員單位時間CO攝入量，單位為cm3/m3；

Rz為累積傷害限值，單位為cm3/m3。

根據(jù)ACGIH化學(xué)物質(zhì)閾限值(2012版)，考慮CO對人體傷害機(jī)理、事故情景演變過程、應(yīng)急通風(fēng)特性和人員行為特性要素，計算累計傷害閾值Rz[6]，則：

(3)

式中：

α1為運動系數(shù)，與人員運動強度和緊張情緒成反比，人員步行疏散時系數(shù)較低，取[0,1]；

α2為閾值飄移系數(shù)，特殊狀態(tài)(如事故狀態(tài))下閾值漂移上限不超過3倍，即取[0,3]；

tr為閾值時間系數(shù)，總接觸時間不超過30 min，即取[0,30]；

3 模型算法設(shè)計

蟻群算法具有分布式計算、自組織、正反饋等優(yōu)點，搜索能力強，收斂快，對解決路徑規(guī)劃和組合優(yōu)化問題有很強的適應(yīng)性，并能取得良好的效果。根據(jù)模型的特性，結(jié)合海底隧道應(yīng)急疏散特點，基于蟻群算法進(jìn)行改計，設(shè)計模型算法與步驟。

3.1 蟻群算法基本步驟

以旅行商問題為例，蟻群算法基本步驟如圖1所示[7]。

3.2 蟻群算法的改進(jìn)

(1)啟發(fā)式信息

結(jié)合海底隧道的特點，在人群疏散過程中，除了考慮各路徑長度對于螞蟻路徑選擇的影響外，還應(yīng)考慮螞蟻與出口距離、路徑CO濃度等因素的影響[7-8]。

1) 螞蟻與出口距離影響

在海底隧道人群疏散過程中，存在著多個疏散出口。以翔安海底隧道為例，人群可能疏散出口含左線、右線、服務(wù)隧道出入口共六個，任一疏散對象最終疏散撤離出口具有不確定性，為使螞蟻能夠快速找到出口，除了基本蟻群算法中將路徑行程時間為啟發(fā)式信息外，將螞蟻與各第n個出口的位置距離引入啟發(fā)式信息，使螞蟻的搜索更具方向性，加快收斂過程。

2) CO濃度

在人群疏散過程中，以致傷度較高的CO為代表的火災(zāi)煙霧會對疏散人員造成傷害，傷害與吸入煙氣濃度、吸入量等緊密相關(guān)。在人群疏散過程中，應(yīng)優(yōu)先選擇CO濃度較底的疏散路徑，降低人員傷害。

(4)

式中：

Dij為人員在疏散路徑(i,j)上的危險值；

dk為人員位置與出口k的距離，單位為m。

(2) 疏散人員的轉(zhuǎn)移規(guī)則

為了提高算法的全局搜索能力，引入確定性選擇和隨機(jī)選擇相結(jié)合的選擇策略，并且在最優(yōu)解的搜索過程中自適應(yīng)地調(diào)整確定性選擇的概率。這種選擇方式稱為偽隨機(jī)比例狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則，人員k由節(jié)點i轉(zhuǎn)移到節(jié)點j的規(guī)則如下:

(5)

式中：

τis為路徑(i,s)的信息素量；

q為(0，1)區(qū)間內(nèi)均勻分布的隨機(jī)數(shù)；

q0為[0,1]之間的任一給定參數(shù)。

在“其他”狀況下，j 的取值可以根據(jù)公式(6)得出：

(6)

式中：

allowedk表示螞蟻k下一步可選擇的搜索點；

α為信息啟發(fā)式因子；

β為期望啟發(fā)式因子。

(3)信息素更新策略

當(dāng)螞蟻k從節(jié)點i轉(zhuǎn)移到節(jié)點j后，邊(i,j)上的信息素量按式(7)、(8)進(jìn)行更新[9]：

τij(t+1)=(1-ρ)·τij(t)+Δτij(t)

(7)

(8)

式中：

ρ為信息素?fù)]發(fā)系數(shù)，ρ∈[0,1]；

Δτij(t)為本次循環(huán)中路徑(i,j)上的信息素增量。

4 人群疏散仿真算例分析

以翔安海底隧道客車碰撞火災(zāi)事故為例，燃燒點位于隧道中部88號消防箱位置，隧道結(jié)構(gòu)均沒有嚴(yán)重?fù)p壞，交通功能正常。

按照人群疏散模型進(jìn)行疏散仿真。

4.1 隧道疏散區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)化

以翔安隧道12個人行橫通道、5個車行通道為縱格線，左線、右線和服務(wù)隧道為橫格線，將隧道疏散區(qū)域劃分為54個區(qū)域，隧道可能到達(dá)安全出口為6個，如圖1所示[10]。

4.2 構(gòu)建簡化OD表

根據(jù)隧道內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)，獲取各路徑上的CO濃度、擁塞程度、流量等動態(tài)信息。為簡化函數(shù)計算，構(gòu)建簡化OD表，如圖2所示。

圖1 海底隧道人群疏散區(qū)域劃分

圖2 海底隧道人群疏散簡化OD表

4.3 人群疏散優(yōu)化模擬

根據(jù)海底隧道特點，結(jié)合前人研究經(jīng)驗[9-11]，設(shè)置蟻群參數(shù)：m=30，Ncmax=100，α=0.8，β=0.5，ρ=0.9。人員平均疏散速度vp=1.8m/s。

人群疏散階段的自由疏散人員處于運動狀態(tài)下，應(yīng)考慮運動狀態(tài)下吸入CO影響，取α1=0.2，α2=3，tr=25min=1500s，則

=22500 ppm·s

運用編制的MATLAB程序，可得核心區(qū)域在CO濃度限制下的最佳人員疏散路徑圖，如圖3所示。

圖3 核心區(qū)域疏散誘導(dǎo)路徑

區(qū)域疏散對象出口路徑路徑長度累加CO攝入值CO超限調(diào)整次數(shù)6人群16→5→4→3→2→11800223332637人群27→6→5→24→23→22→21→202133216822728人群28→27→26→25→24→23→22→21→202433210705569人群39→28→27→26→25→24→43→42→41→40→39276622400185810人群310→29→48→47→46→45→44→43→42→41→40→39306621343299811人群611→30→49→50→51→52→53→54→55→56→5727662034331812人群512→31→32→33→34→35→36→37→3824332173719013人群513→14→33→34→35→36→37→382133207004914人群414→15→16→17→18→19180021333192

4.4 結(jié)果分析

從圖3和表1可以看出，核心區(qū)域的誘導(dǎo)路徑累計攝入值在閾值范圍內(nèi)，蟻群在路徑計算時共避開了閾值超限路徑共6696次，不同區(qū)域根據(jù)路徑長度、CO閾值限制和出口距離等要素差異化選擇了出口，既避免了CO攝入超限，又使6個出口得到充分利用，保證了人員的健康和疏散過程的有序進(jìn)行。

通過在每個區(qū)域的VIS情報板、監(jiān)控設(shè)施和LED誘導(dǎo)裝置，可誘導(dǎo)該區(qū)域人群按路徑出口編號進(jìn)行逃生疏散，選擇最優(yōu)的逃生路徑，可以有效提升疏散效率，同時確保在其疏散過程所攝入的CO量不超過閾值，保證疏散綜合效益最優(yōu)。

5 結(jié)論

(1) 在海底隧道火災(zāi)應(yīng)急情景下，考慮海底隧道火災(zāi)事故特性和CO對疏散人員的傷害，建立疏散區(qū)域內(nèi)人員累積綜合時間成本最低的人群疏散優(yōu)化模型。

(2) 根據(jù)海底隧道應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)特點和模型需求，改進(jìn)蟻群算法的啟發(fā)式函數(shù)、疏散人員轉(zhuǎn)移規(guī)則和信息素更新策略，優(yōu)化路徑選擇策略，使算法充分適應(yīng)模型求解。

(3) 仿真算例結(jié)果在實現(xiàn)時間成本最低的同時，降低CO對疏散人員的傷害，又使出口得到充分利用，提升了疏散的綜合安全效益。

(4) 海底隧道人群疏散情景下，疏散策略還受到隧道通風(fēng)、聲光等影響因素。今后的研究將納入這些因素。

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