基于NetLogo平臺的室內(nèi)學生疏散過程仿真研究

張 瑩 段凌燕

（陜西交通職業(yè)技術學院，陜西 西安 710018）

0 引言

學校教學樓（教室）的主要功能是滿足學校的日常教學工作，除此以外，學生自習活動和部分校園活動也在其中進行，教學樓是學生所處時間較長的地點之一[1-2]。教學樓內(nèi)人員密集，空間狹窄，若發(fā)生火災、地震等突發(fā)事件，易發(fā)生擁堵踩踏等安全事故，甚至在日常狀況下，由于學生安全意識參差不齊，學校安全防范措施不當，也會導致校園安全事故。2017年3月22日河南省濮陽縣第三實驗小學的學生上廁所時發(fā)生擁擠踩踏事故，共造成22名學生受傷，其中1人死亡。教學樓內(nèi)學生的疏散過程主要分為兩個階段，首先是教室內(nèi)的學生從室內(nèi)移動至走廊，其次學生通過走廊和樓梯移動至教學樓外部。為了保證學生在緊急狀況下能夠安全迅速的疏散，本文選取疏散過程的第一階段，即教室內(nèi)的學生如何安全疏散至走廊，基于NetLogo仿真平臺，研究了不同出口條件下室內(nèi)學生的安全疏散過程，計算結果可以為指導教學樓的緊急疏散和安全管理提供參考，同時也可評估學生應急疏散水平，為突發(fā)事件的應急預案編制提供理論基礎。

1 計算原理

1.1 NetLogo平臺

多智能體的仿真平臺NetLogo功能強大，在醫(yī)學、化學、物理學、數(shù)學、生物學和社會學等多個領域均有廣泛應用[3-5]，適合研究由若干個體構成的較復雜系統(tǒng)的運行機制，近些年部分學者使用該平臺對體育場、地鐵站等公共場所人員疏散和移動進行了仿真研究[6-8]。NetLogo平臺定義的虛擬世界中存在3類對象，第一類為海龜（turtles），該對象可以在虛擬世界中自由移動，代替現(xiàn)實世界的任何一種有活動特性的物體，如行人、動物、汽車等；第二類為瓦片（patches），瓦片構成了海龜所生存的虛擬世界，代替現(xiàn)實世界中的房間、大地、天空等；第三類為觀察員（observer），可以觀察和控制虛擬世界的運行，具有上帝視角。本文基于NetLogo平臺，通過測量得到教室的幾何尺寸，用瓦片建立出反應真實情況的虛擬教室模型，通過編程賦予代表學生個體的海龜各種屬性和運行規(guī)則，并行地控制海龜?shù)囊苿?，模擬突發(fā)事件發(fā)生時教室內(nèi)學生的移動行為。

1.2 行人移動規(guī)則

本文基于NetLogo平臺，根據(jù)觀測到的學生運動特點進行建模仿真，初始時刻學生隨機分布在教室中，當發(fā)生突發(fā)事件后，學生起立離開座位移動至過道，從過道移動至出口，實現(xiàn)安全疏散。在移動過程中，學生可以通過探測躲避障礙物（桌椅、講臺），選擇最優(yōu)路徑，同時擁擠人群中的每位學生均有一定的概率向前移動，模擬了排隊等待的情形，在移動過程中保證每個瓦片只能有一名海龜占據(jù)，即學生與學生之間不能發(fā)生重疊。

2 計算模型

2.1 模型建立

仿真計算選擇的教室尺寸為長13.0m，寬12.0m，共布置有3組座位，如圖1（a），A區(qū)域為3列×5排=15人，B區(qū)域為4列×5排=20人，C區(qū)域為3列×4排=12人，整個教室總共可容納學生47人。教室AB區(qū)域之間和BC區(qū)域之間設有兩條寬1.0m的過道，第一排座位與講臺之間有一條寬1.0m的過道。教室共有2個出口，離講臺較近的記為出口1，另一個記為出口2，寬度均為1.0m，如圖1（b）。通過Netlogo平臺建立教室模型，如圖1（c），模型中對象包括出口、學生、桌子、椅子和講臺，初始狀態(tài)下學生隨機分布在教室內(nèi)，當學生移動至出口，實現(xiàn)安全疏散。計算考慮兩種工況，單出口條件和雙出口條件，并根據(jù)教室日常使用情況分別計算了教室內(nèi)學生人數(shù)為15人、30人和47人（滿員）的情況下學生的疏散過程，每1s記錄一次計算結果，最終可以重現(xiàn)室內(nèi)學生的整個疏散過程。

圖1 教室模型示意圖Fig.1 The schematic diagram of classroom model

2.2 計算參數(shù)

疏散仿真計算中最主要的參數(shù)為行人的移動速度，選擇不同的移動速度會直接導致不同的疏散結果。呂雷等[9]對教學樓內(nèi)學生疏散速度進行了實地測試，結果表明當人群密度較低時（＜0.5人/m2），正常步行速度為0.6m/s，隨著人群密度的增加，移動速度隨之減??；孫金龍等[10]認為突發(fā)事故發(fā)生時個體的移動速度大小一般不超過1.5m/s；陳娜等[11]在對高校學生公寓的應急疏散中選擇的移動速度為0.8～1.27m/s。本文在綜合其他學者研究成果的基礎上，通過對上、下課期間學生移動速度的實地測量，最終選擇的學生最大移動速度為1.2m/s。

3 計算結果

3.1 單出口條件下計算結果分析

考慮單出口條件下室內(nèi)學生的疏散計算，如圖2，保持出口1狀態(tài)為常開，出口2狀態(tài)為關閉。教室內(nèi)共隨機分布學生30名，t1為初始時刻0s，此時學生正常位于各自的座位中，而后發(fā)生突發(fā)事件，學生開始自行疏散；t2時刻為疏散開始后的5s，此時部分學生已經(jīng)離開座位，移動至教室過道中，由于過道寬度為1m，僅能容納一人通過，在過道內(nèi)出現(xiàn)了排隊等待現(xiàn)象；t3時刻為疏散開始后的30s，此時已經(jīng)有部分學生完成安全疏散，由于教室后排學生離出口1距離較遠，仍然處于移動過程中，隨著學生人數(shù)的降低，過道內(nèi)排隊等待程度有所消減；t4時刻為疏散開始后的45s，此時大部分學生已經(jīng)完成疏散，其余學生也在有序撤離，經(jīng)統(tǒng)計最終所有學生安全疏散共用時54s。由于教室內(nèi)只有一個出口，位于靠近講臺的位置，不利于后排學生的疏散，同時過道較窄，學生從座位起身移動至過道內(nèi)需要短暫時間的排隊，而從過道內(nèi)移動至出口1附近仍然需要排隊，從而增加了疏散所需的時間。

圖2 單出口條件下30名學生疏散過程示意圖Fig.2 The schematic diagram of evacuation process for 30 students under single-exit condition

3.2 雙出口條件下計算結果分析

考慮雙出口條件下室內(nèi)學生的疏散計算，如圖3，保持兩個出口的狀態(tài)均為常開。通過編寫程序，賦予學生智能估算自身位置距離出口的長度并作出選擇的能力，即距離出口1較近的前排學生選擇出口1為移動目標，距離出口2較近的后排學生則選擇出口2為移動對象，當個別學生距離出口1、2的長度相同時，則各有50%的幾率隨機選擇移動方向。

圖3 雙出口條件下30名學生疏散過程示意圖Fig.3 The schematic diagram of evacuation process for 30 students under double-exit condition

教室內(nèi)共隨機分布學生30名，t1為初始時刻0s，此時學生正常位于教室中，而后發(fā)生突發(fā)事件，學生開始自行疏散；t2時刻為疏散開始后的5s，后排離出口2距離較近的學生已經(jīng)完成安全疏散，其余大部分學生也已經(jīng)離開座位，移動至教室過道中，由于前后排學生進入過道后會沿著上下兩個方向分別移動，所以過道內(nèi)雖然出現(xiàn)了排隊等待現(xiàn)象，但是程度較低；t3時刻為疏散開始后的15s，此時大部分學生已經(jīng)完成安全疏散，其余學生繼續(xù)移動；t4時刻為疏散開始后的20s，此時后排學生全部疏散完畢，前排剩余少數(shù)學生也已經(jīng)移動至出口附近，即將完成疏散。經(jīng)統(tǒng)計最終所有學生安全疏散共用時24s。雙出口條件可以分流教室內(nèi)的學生，從而降低在過道內(nèi)排隊等待的時間，同時有利于后排學生，尤其是靠近出口2的學生，其疏散距離短，疏散用時少，從而降低了整體疏散用時，對比單出口條件下的計算結果，雙出口條件共節(jié)約時間30s，效果非常顯著。

3.3 出口條件優(yōu)化分析

圖4 單出口條件下疏散率隨時間的變化曲線Fig.4 Evacuation rate with time under single-exit condition

為了進一步研究不同出口條件下，室內(nèi)學生數(shù)量對最終疏散結果的影響，針對上述兩種情況，分別計算了學生人數(shù)為15人、30人和47人（滿員）的情況。定義“疏散率”這一變量，為已經(jīng)安全疏散的學生人數(shù)與教室內(nèi)總?cè)藬?shù)的比值，當學生全部安全移動至室外，此時疏散率為100%。計算繪制兩種出口條件下，不同學生人數(shù)的疏散率隨時間的變化曲線，如圖4、5。在單出口條件下，教室內(nèi)15名學生疏散用時共計34s，30名學生疏散用時共計54s，47名學生疏散用時共計86s，隨著學生數(shù)量的增加，疏散用時也隨之增長。在雙出口條件下，教室內(nèi)15名學生疏散用時共計17s，30名學生疏散用時共計24s，47名學生疏散用時共計38s。二者對比來看，雙出口條件分別可以節(jié)約疏散時間17s、30s和48s，平均可節(jié)約53.8%左右。由此可見，雙出口條件可以縮減學生的安全疏散用時，為學生從走廊逃生至教學樓外提供寶貴的時間，增大逃生概率。

圖5 雙出口條件下疏散率隨時間的變化曲線Fig.5 Evacuation rate with time under double-exit condition

結合《建筑設計防火規(guī)范》[12]和消防火災中的黃金逃生時間，一般認為高層建筑的安全疏散允許時間為5～7min；一、二級耐火等級民用建筑的安全疏散允許時間為6min；一、二級耐火等級人員密集的公共建筑的安全疏散允許時間為5min。教學樓應屬于第三類型，表明學生必須在5min內(nèi)從教室移動至教學樓外。本文中教學樓為9層建筑，共設有3組樓梯，經(jīng)測量每一層平均臺階數(shù)目為20階，臺階踏面寬度為0.30m，長2.5m，踢面高0.15m，計算得到七層樓梯的等效長度為48m，從走廊移動至樓梯的最長距離為30m，從一樓大廳移動至教學樓外的距離為10m，由此可以通過以下公式估算得到學生從走廊移動至教學樓外的時間。

式中：

t—學生從走廊移動至教學樓外的時間，s；

L1—樓梯等效長度，m。L1=48m；

v1—學生下樓速度，一般為0.25～1.45m/s，經(jīng)測量下樓速度和人流密度成反比，下課期間人流密度最大，此時學生在樓梯內(nèi)移動緩慢，在計算中v1取最小值；

L2—從走廊移動至樓梯的最長距離，m。L2=30m；

v2—學生平地移動速度，和上文計算保持一致v2=1.2m/s；

L3—從一樓大廳移動至教學樓外的距離，m。L3=10m，v2=v3=1.2m/s。

最終計算得到學生從走廊移動至教學樓外所需的時間t為225s，為了保證學生在5min內(nèi)完成安全疏散，這意味著學生必須在75s內(nèi)從教室內(nèi)移動至走廊?？梢愿鶕?jù)這一計算結果對目前的出口條件進行優(yōu)化，如圖6，雙出口條件下，均可滿足學生在75s內(nèi)完成安全疏散，單出口條件下，當學生人數(shù)大于臨界學生人數(shù)（40名）時，疏散用時大于75s，學生的安全無法得到保障，由此得出優(yōu)化結論：當教室內(nèi)學生小于40名時，前后出口至少有一個保持常開狀態(tài)；當教室內(nèi)學生大于40名，前后兩個出口必須同時保持常開狀態(tài)。應用本文的計算模型還可以對現(xiàn)有教學樓應急通道、逃生門等的安全設置進行評估，判斷是否滿足安全疏散的需求，后續(xù)應結合應急演練試驗，對個體行為準則進一步完善和優(yōu)化，更好的與實際結合，提高仿真計算的準確度。

圖6 出口條件優(yōu)化模型示意圖Fig.6 The diagram of optimization model for export condition

4 結論

本文基于NetLogo平臺，通過編寫程序，對不同出口條件、不同學生人數(shù)的教室內(nèi)學生疏散過程進行了仿真計算，得出以下結論：

（1）基于NetLogo平臺，建立教室模型，賦予海龜自主移動能力，可以重現(xiàn)不同條件下室內(nèi)學生的疏散過程，為后續(xù)研究提供基礎。

（2）隨著學生人數(shù)的增加，疏散用時隨之增大，雙出口條件學生疏散用時較單出口條件可平均節(jié)約53.8%，可提高學生的安全逃生概率。

（3）為了保證學生的安全疏散，當教室內(nèi)學生人數(shù)大于40名時，必須保持前后兩個出口為常開狀態(tài)，應用該方法，可對教學樓內(nèi)其他安全設施的合理性進行評估，指導疏散通道、逃生門的科學布設。