多層實驗樓的人員疏散研究與仿真*

張學鋒, 榮禹銘, 儲岳中, 湯亞玲

(安徽工業(yè)大學 計算機科學與技術(shù)學院,馬鞍山 243000)

0 引 言

隨著多層建筑災(zāi)難事件報道的不斷增多,多層建筑災(zāi)難中的人員疏散問題愈發(fā)引起人們的關(guān)注。人員疏散問題的研究方法主要分為疏散演習、問卷調(diào)查和計算機建模仿真模擬3種,較3種方法而言,疏散演習是最具真實性的方法,但耗時耗力;問卷調(diào)查可以得到大量的信息,但得到的信息存在一定的局限性,所以主流方法是使用計算機進行建模仿真模擬。很多專家學者從不同的方向和角度進行大量的研究,例如,任子暉等[1]將疏散人群視作粒子群,賦予例子一定的思維能力,運用智能粒子群算法提出一種智能粒子群逃逸模型。黃希發(fā)等[2]基于Agent模型,從微觀的角度研究了疏散過程中人的決策機理,較好地再現(xiàn)疏散情景。陳佳俊等[3]將Agent技術(shù)與社會力模型結(jié)合建立了一種新的能反映疏散人員行為的Agent模型,并提出了一種改進的路徑規(guī)劃算法。陸小杰等[4]以某大型批發(fā)市場為研究背景,通過設(shè)置不同的火源位置,進行數(shù)值實驗?zāi)M建筑火災(zāi)煙氣流動蔓延來研究對于人員疏散的影響。

以上述研究內(nèi)容為基礎(chǔ),以多層實驗樓為背景,運用多Agent技術(shù),建立效果逼真的災(zāi)難環(huán)境[5],不僅考慮環(huán)境對于疏散人員的影響, 還考慮疏散個體之間的影響,以及整個疏散群體對于疏散人員的影響,可以較好地模擬出災(zāi)難多層建筑人員疏散的狀況。此外還加入了以電梯疏散為輔助疏散手段的探討與研究。

1 電梯疏散分析與探討

1.1電梯疏散的可能性

由于多層實驗樓的火災(zāi)有著蔓延途徑多、蔓延速度快、救援與疏散困難等特點,一旦發(fā)生火災(zāi),疏散人員往往會首先選擇樓梯進行疏散,因為這是公認的安全疏散方式,但是也存在著一定的弊端,如疏散距離過長、疏散時間長以及由于人員擁擠產(chǎn)生的踩踏等,且不利于老弱病殘等特殊人群的疏散。雖然我國的《建筑設(shè)計防火規(guī)范》中明確規(guī)定了發(fā)生火災(zāi)時,不得使用電梯進行疏散,但是使用電梯成功進行人員疏散的例子還是比比皆是的,其中最著名的就是2001年的美國9.11恐怖襲擊事件中,南樓中的處于高層的人員在北樓遭受襲擊后,通過普通電梯疏散到快速電梯所在的樓層,然后通過快速電梯撤離到首層大廳,迅速進行撤離。因此在災(zāi)難前期,使用電梯疏散作為輔助手段是可行的,可以大大加快疏散的進程,對于老弱病殘等特殊人群的安全也有一定保障作用,但是對使用電梯進行疏散的危險不進行解決的話,一切都只是空談,接下來會對如何克服火災(zāi)中使用電梯疏散的困難進行描述。

1.2 解決辦法

克服火災(zāi)中使用電梯疏散的困難主要從兩方面入手,分別是設(shè)備以及疏散分配方案。首先,在設(shè)備方面, 應(yīng)該盡力提高疏散電梯的性能,使其向消防電梯的層次靠攏。消防電梯和普通電梯的區(qū)別主要有以下幾個方面：

(1) 防火、防煙、防水、耐高溫能力更加出眾。

(2) 電梯供電的可靠性。使用專門回路,采用耐火材料的電纜以及可靠的備用電源。

(3) 良好的監(jiān)控和通訊功能。 實時監(jiān)控電梯的情況并且保證電梯內(nèi)與消防控制室的通訊暢通無礙,使得外界人員能即時了解疏散情況。

(4) 電梯井道的加壓送風系統(tǒng)。電梯井道的加壓送風系統(tǒng)可以很大程度的減少電梯在運行過程中引發(fā)的活塞效應(yīng),從某種程度上可以減緩火勢的蔓延以及煙氣的擴散。

(5) 配備應(yīng)急救生設(shè)施。在不占過多空間的前提下,存放滅火工具、防毒面罩等設(shè)備。

其次,在疏散分配方案上,應(yīng)秉承優(yōu)先高層,優(yōu)先向下的原則。因為著火層以上的最高處面臨的危險性最大,疏散時間最長,應(yīng)使用電梯進行疏散,為提高疏散效率,可將高層的人員疏散至較低的安全樓層即可,然后使用安全樓梯進行疏散。著火層附近以及低層待疏散人員,可使用樓梯進行疏散。在電梯運行過程中,不到預定安全樓層, 將不在其他樓層停止。為了避免在發(fā)生災(zāi)難時,出現(xiàn)慌亂的人群出現(xiàn)不顧一切地爭搶電梯的局面,應(yīng)安排專人進行電梯的操作(電梯只受專人操控),指揮疏散人員進行電梯疏散,最大限度地發(fā)揮電梯疏散的作用。

2 災(zāi)難模型

2.1 火災(zāi)模型

火災(zāi)模型可分為穩(wěn)態(tài)模型和非穩(wěn)態(tài)模型兩種[6],穩(wěn)態(tài)模型是指熱釋放速率不隨時間變化,非穩(wěn)態(tài)模型一般用t2火災(zāi)來近似表示,是指從有效燃燒時算起,隨時間按指數(shù)增長。t2火災(zāi)模型如式(1)所述:

Q=αt2

(1)

其中α為增長系數(shù),采用的是非穩(wěn)態(tài)的火災(zāi)模型進行模擬；Q代表的是火災(zāi)熱釋放率(MW),上海市的《民用建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》給出了一些災(zāi)熱。釋放速率參考值,如表1所示:

表1 不同類型建筑的熱釋放量Table 1 Heat release from different types of buildings

在這里使用的建筑類型為無噴淋的辦公室。依據(jù)歐洲規(guī)范EC1等[7]可以將火源模型視作一個圓錐體,底面直徑D與高度H可以由論文[7]中的式(2)、式(3)得到:

(2)

H=-1.02D+0.235Q2/5

(3)

qe為單位面積熱釋放率(kw/m2),且qe=500 kw/m2。

2.2 煙氣模型

火災(zāi)發(fā)生時會產(chǎn)生煙氣,煙氣是一種混合物包括了多種微小的固體顆粒、CO2、CO等有毒或腐蝕性的氣體。眾多的研究數(shù)據(jù)表明,火災(zāi)中大多數(shù)的死亡者都是由煙氣造成的,因其具有遮光性、毒性以及高溫等特點,對于疏散人員的影響不止體現(xiàn)在生理上,例如速度、健康狀況等,心理影響也非常大,其遮光性會影響疏散人員的視線,在一定程度上引起恐慌心理,從而干擾疏散人員的正常思維。煙氣危害主要體現(xiàn)在對疏散人員速度、選擇路徑的影響,因而模擬煙氣對疏散人員生理及心理的影響。

3 人員感知模型

感知指的是疏散人員獲取周圍信息的過程,主要是視覺信息和嗅覺信息。在現(xiàn)實世界中,人們所獲得的視覺信息,是物體上的光折射或反射到人的眼睛,在視網(wǎng)膜中成像所得。嗅覺信息則是通過氣味分子與鼻腔內(nèi)的嗅覺受體相結(jié)合,產(chǎn)生的神經(jīng)沖動使人們感受到氣味。而在模擬的3D世界中,疏散人員的視覺可以通過發(fā)射一定范圍的物理射線來進行模擬,當物理射線觸碰到3D世界中的物體后,反饋給人員信息。疏散人員的嗅覺模擬,主要體現(xiàn)在對于疏散人員的速度的影響上,當煙氣擴散到疏散人員附近后,會根據(jù)接觸煙氣的時間以及煙氣的濃度,給出對于人員疏散速度的影響(暫不考慮不同的有害氣體對于人員的具體影響)。

疏散人員在3D模擬世界中,獲取周圍信息的方法主要有輪詢和事件驅(qū)動兩種。輪詢方式是指人員積極地觀察周圍世界,從而獲得信息,但是當需要查詢的信息增大時,返回的大量信息可能都是無用的信息,不利于人員對于信息的處理。事件驅(qū)動方式則是指給予人員一定的感知范圍,當發(fā)生能讓人員感興趣的事件時,作為刺激源通知事件管理器,驅(qū)使人員做出相應(yīng)的反應(yīng)。獲取信息所采用的方式是事件驅(qū)動方式,因其更方便處理,同時也比較貼近真實情況。

4 智能體分析

智能體所采用的模型框架如圖1所示。

圖1 模型框架Fig.1 Model framework

將智能體模型劃分為3個模塊：信息采集模塊、信息處理模塊以及運動模塊。由信息采集模塊采集到的信息,交由信息處理模塊進行信息處理,其中決策層是針對單個智能體的,戰(zhàn)略層則是指多個智能體或智能體群體的,從而對運動模塊的運動進行指揮。當災(zāi)難發(fā)生時,疏散人員的行為不僅受到環(huán)境與自身決策的影響,整個疏散群體對其也有影響,結(jié)合現(xiàn)實情況,將災(zāi)難中人員的疏散行為劃分成了6種,分別是:

(1) 設(shè)法逃生行為,在得知發(fā)生火災(zāi)后,熟悉周圍環(huán)境的疏散人員,將會設(shè)法進行逃生自救,首先選擇距離自己最近或者最熟悉的出口或樓梯口進行逃離。當發(fā)現(xiàn)選擇的出口或樓梯口出現(xiàn)擁堵情況時,可能會進行其他出口或樓梯口的選擇,影響選擇的重要因素就是預估疏散時間[8],這里的預估疏散時間,是根據(jù)當前的疏散人員的位置到達選定目標的預估時間以及在此等待疏散的人員數(shù)量決定的,目標i的預估疏散時間計算方法為

ti=di/v+p/w

其中ti是預估疏散時間,di是預估疏散距離,v為預估疏散人員的速度,p是等待疏散的人數(shù),w為出口寬度。其中預估疏散人員的速度可以由人流密度得出,人流密度可以由公式(4)[9]可得：

p=nf/((n-1)d+ns)b/2

(4)

其中n為待疏散人數(shù),f為人員水平投影面積(m2),d為人員間距,s為人員的單位垂直厚度,b為有效通道寬度。

(2) 驚慌行為,當火災(zāi)發(fā)生時,每個人面對突發(fā)事件時,或多或少都會產(chǎn)生一定的恐慌心理,不僅對人員的決策有影響,對其運動的速度也有一定的影響。當人員做出正確的決策時,可以安全逃生；一旦做出錯誤的決策,發(fā)現(xiàn)不能安全逃生時,往往會有一些非理性的行為,如不顧危險試圖挽救財物,放棄自救,驚慌地四處游走等,甚至極端的行為如跳樓等。對于速度的影響可以用式(5)表示[8]:

v=p*v0

(5)

其中v0表示正常行走速度,p為影響程度,取值范圍為(0,1],p越大表示影響程度越小,反之影響越大。

(3) 跟隨行為,當疏散人員對于環(huán)境不熟悉,且沒有發(fā)現(xiàn)逃生出口或樓梯口的情況下,會選擇跟隨發(fā)現(xiàn)的其他疏散人員,雖然存在不一定能夠順利逃生的風險,但是人在危機情況下產(chǎn)生的依賴心理不會使疏散人員考慮太多。

(4) 穿越煙氣行為,當發(fā)現(xiàn)可能安全的疏散口時,盡管周圍存在著煙氣,但求生欲會促使人員冒著能見度低以及逃生出口并不安全的危險,穿越煙氣進行逃生。

(5) 群聚行為,災(zāi)難發(fā)生時,疏散人員本身具有的從眾心理,再加上危險帶來的心理壓力,會使得人們覺得人越多越安全,但是這種現(xiàn)象往往會產(chǎn)生反作用,人數(shù)過多使人員之間產(chǎn)生的疊加效應(yīng),可能會引發(fā)新的災(zāi)難,例如踩踏,過度擁擠等行為。

(6) 排隊行為,當大量的疏散人員在通過一個寬度有限的逃生出口時,可通過的人員數(shù)有限,會產(chǎn)生排隊的現(xiàn)象,由于疏散人員的素質(zhì)以及性別存在的差異,會出現(xiàn)超越、排擠、避讓等現(xiàn)象。

5 模擬仿真

仿真實驗,以某6層實驗樓為實驗背景,并對其進行場景建模。圖2為整體場景的正視圖,圖3為1層場景的俯視圖,圖4為6層場景的俯視圖,2至5層分布與6層大致相同,這里不再一一給出。圖3中的紅色框線部分,代表的是1層場景的出口。在建模之前進行實地考察時,發(fā)現(xiàn)1號出口和2號出口是暢通的,3號出口和4號出口處堆滿雜物,無法正常通行。圖4中的紅色線框部分代表的是樓梯通道,1至6層的樓梯分布都是如此。

圖3 1樓場景俯視圖Fig.3 Overhead view on the first floor

圖4 6樓場景俯視圖Fig.4 Overhead view on the sixth floor

此實例中的人員分布情況為：1、2層場景人數(shù)為每層40人,3至6層的人數(shù)為每層30人,總計200人,男女人數(shù)各半?；馂?zāi)模擬發(fā)生在一層場景的1號出口,火災(zāi)功率設(shè)置為6 MW。

為了說明人員模型的合理性以及探討建筑構(gòu)建的合理性,進行了4種情況的模擬。第1種情況,火災(zāi)發(fā)生在1層場景的1號出口,2號出口可以通行,且3號、4號出口均封閉,也是屬于真實情況；第2種情況,火災(zāi)發(fā)生位置不變,2號、3號出口可以通行,4號出口封閉；第3種情況,火災(zāi)發(fā)生位置不變,2號、4號出口可以通行,3號出口封閉；第4種情況,火災(zāi)發(fā)生位置不變,2號、3號、4號出口均可通行。

第1種情況中,由于火災(zāi)發(fā)生在1號出口,且3號、4號出口封閉,所以場景中的疏散人員只能通過2號出口進行逃生。第2種情況,由于1號出口不能通行,4號出口封閉,所以從場景中2號樓梯進行疏散的人員,只能向2號、3號出口進行逃生。第3種情況下,從樓上疏散至1樓的人員,可就近通過2號、4號出口進行逃生,3號出口附近的人員,可以通過2號出口進行逃生。第4種情況,場景中疏散至1樓的人員以及1樓的疏散人員,均可就近選擇逃生出口。

將以上4種情況的實驗數(shù)據(jù)進行繪圖,如圖5所示。

圖5 模擬疏散數(shù)據(jù)圖Fig.5 Simulated evacuation data diagram

圖5中4條曲線分別代表著4次模擬得到的數(shù)據(jù),可以看出第1和第2次模擬的總疏散時間基本一致,略微不同的是前期的疏散速率,第2次模擬中位于3號出口附近的人員可以快速逃離;第3和第4次模擬的總疏散時間大致相同,比第1和第2次模擬的總疏散時間減少了近40 s,這是由于從2號樓梯口疏散至1樓的人員可以迅速從4號出口逃離,大大提高4號出口的利用率,且總疏散時間是取決于最后一個疏散人員逃離危險場景的時間。從4次模擬的情況可以看出,第4次模擬的疏散效率最高。總體來看,模型較好地模擬了火災(zāi)情況下人員疏散的過程,對于建筑在災(zāi)難情況下的疏散能力有一定的評價能力。

6 結(jié) 論

為研究火災(zāi)情況下多層實驗樓人員疏散的問題,提出電梯疏散作為輔助疏散手段,并對其進行探討和研究,下一步的工作將以電梯疏散參與疏散模擬為主。采用多智能體技術(shù)建立了可向外界感知的人員疏散模型,通過對逃生出口開閉情況的模擬實驗,驗證模型的有效性。此外,實驗結(jié)果顯示:在多層建筑中,若樓梯口附近設(shè)有暢通無阻的逃生出口,可以很大程度上提高建筑的疏散能力,所以現(xiàn)實情況中,應(yīng)保證逃生出口處無雜物堆放,以防緊急事件的發(fā)生。實驗結(jié)果較為貼近現(xiàn)實,對于人員疏散的研究工作有一定的幫助。