火場(chǎng)人員疏散模擬平臺(tái)設(shè)計(jì)研究

林靈 劉果

摘要：新時(shí)代下，建筑公共空間在高度集成化和規(guī)?；陌l(fā)展過(guò)程中，逐漸產(chǎn)生一系列已知和未知風(fēng)險(xiǎn)，主要表現(xiàn)在公共空間流線復(fù)雜，行人密集，一旦發(fā)生突發(fā)事件，極易造成擁堵、踩踏等重大事故。所以需要研究搭建火場(chǎng)人員疏散模擬平臺(tái)，自由預(yù)設(shè)場(chǎng)景，添加隨機(jī)火源、環(huán)境元素、人員分布等;模擬火災(zāi)的發(fā)展蔓延以及人員智能疏散，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可投身于預(yù)設(shè)疏散場(chǎng)景中進(jìn)行逃生演練。此研究有利于提升突發(fā)事件下的科學(xué)疏散機(jī)制，為火場(chǎng)疏散實(shí)踐提供最優(yōu)的人群疏散方案。

關(guān)鍵詞：人員行為;火場(chǎng)模擬;疏散模型

《應(yīng)急管理部關(guān)于加快編制地方應(yīng)急管理信息化發(fā)展規(guī)劃的通知》（應(yīng)急函〔2018〕272號(hào)）中的智能業(yè)務(wù)就包含了預(yù)案管理與培訓(xùn)演練。如何將全部人員安全有效地疏散不僅是建筑設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的問(wèn)題，也是事故應(yīng)急預(yù)案中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。而其中，對(duì)人員能否安全疏散起決定性作用的因素之一就是火災(zāi)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的煙氣，煙氣對(duì)人體造成的傷害是不可逆的，以及突發(fā)事件下行人心理狀態(tài)。相關(guān)研究表明：突發(fā)火災(zāi)下，疏散過(guò)程中多數(shù)人將表現(xiàn)出明顯的競(jìng)爭(zhēng)（約69%）、避讓（約62%）、合理的冒險(xiǎn)認(rèn)知（約85%）、恐慌（約90%）和“自私”行為（約71%）。在性別方面，女性比男性更愿意相信疏散指示標(biāo)識(shí)，也更容易表現(xiàn)出從眾行為;在疏散教育培訓(xùn)影響方面，疏散培訓(xùn)頻率越高，人員疏散意識(shí)越好。

研究了火場(chǎng)人員疏散平臺(tái)，模擬建筑火災(zāi)煙氣的運(yùn)動(dòng)路線及規(guī)律，并將恐慌心理對(duì)疏散人員的影響引入到仿真實(shí)驗(yàn)中，優(yōu)化了安全疏散仿真模型，豐富擴(kuò)展建筑空間內(nèi)公共安全理論和人群疏散模型，能為消防救援部門、企業(yè)安保部門提供強(qiáng)有力的參考，為疏散演練提供了理論依據(jù)。

一、火場(chǎng)模擬環(huán)境建立

火災(zāi)的發(fā)生過(guò)程包含著舊物質(zhì)的湮滅和新物質(zhì)的產(chǎn)生，是一個(gè)十分復(fù)雜的反應(yīng)。而且火災(zāi)中也常常伴隨著熱量的傳遞，大致分為三種形式：熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)、熱輻射。實(shí)際情況下，火災(zāi)過(guò)程中熱量的傳導(dǎo)往往不是通過(guò)單一的形式，而是幾種傳導(dǎo)形式結(jié)合，或者以一種傳導(dǎo)形式為主，伴隨其他形式共同進(jìn)行熱量的傳導(dǎo)。因此，單單靠實(shí)驗(yàn)的手法得出火災(zāi)發(fā)生時(shí)的產(chǎn)物、火災(zāi)蔓延走勢(shì)，煙氣擴(kuò)散規(guī)律等可謂困難重重，然而利用數(shù)值模擬的方法就簡(jiǎn)單多了。

使用模擬軟件對(duì)煙氣這種流體進(jìn)行模擬要遵循流體的基本方程，模擬過(guò)程中主要是將所建模型的空間劃分成若干個(gè)網(wǎng)格，在各個(gè)網(wǎng)格內(nèi)運(yùn)用Navier-Stokes方程對(duì)網(wǎng)格內(nèi)各參數(shù)進(jìn)行求解。它不僅可以對(duì)火場(chǎng)中的煙氣的擴(kuò)散軌跡進(jìn)行跟蹤，還能對(duì)煙氣的濃度、火場(chǎng)溫度、CO等有毒有害氣體的濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)并且形成數(shù)據(jù)。而Smokeview模塊可以在模型建立并模擬之后對(duì)模型進(jìn)行可視化處理，直觀地看到建立的模型中煙氣的流動(dòng)軌跡、溫度等影響因素的變化。

火場(chǎng)模擬環(huán)境的設(shè)置需要考慮到溫度監(jiān)控裝置、煙氣探測(cè)裝置、有毒有害氣體監(jiān)測(cè)裝置等，改變模擬參數(shù)、設(shè)定火災(zāi)熱釋放速率、控制燃燒反應(yīng)等，并建立參數(shù)化的調(diào)整方案。

二、疏散人員模型建立

在安全疏散的過(guò)程中，由于人體個(gè)性、社會(huì)背景、生長(zhǎng)環(huán)境的文化底蘊(yùn)等，都會(huì)對(duì)疏散的風(fēng)險(xiǎn)程度產(chǎn)生影響。通過(guò)分析問(wèn)卷以及結(jié)合個(gè)體的疏散行為特點(diǎn)，可以把突發(fā)情況下影響人恐慌行為的因素劃分成以下幾點(diǎn)：疏散人群個(gè)體差異特征、緊急情況下的客觀因子特征、建筑物理環(huán)境的變化因子以及群眾對(duì)個(gè)體行為的影響因子。

在建筑疏散模型設(shè)計(jì)中，需要將建筑二維平面轉(zhuǎn)化為疏散模型，疏散模型需要真實(shí)地反映出建筑空間模型，包括房間尺寸、位置和與走廊的連接等問(wèn)題。這里建筑疏散模型沒(méi)有單元網(wǎng)格的模數(shù)限制，建筑疏散模型在房間尺寸和安全出口位置和寬度設(shè)計(jì)上更精確，其各個(gè)參數(shù)的修改余地也更寬泛。

仿真設(shè)計(jì)中考慮到的人員行為，在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)行人能夠個(gè)性化設(shè)計(jì)，包括行人疏散行為特性和行人生理特征。在疏散模型中，行人的行為對(duì)疏散效果的影響是非常直觀的，所以在疏散過(guò)程中，行人行為特征差異和心理影響因素需要在模擬過(guò)程中體現(xiàn)。在疏散開始前，系統(tǒng)內(nèi)不僅僅可以自定義疏散行人位置特性，還能夠自定義生理特征，例如行人肩寬決定其占據(jù)空間大小，行人年齡、身高等特性決定了行人平均步速。行人疏散行為特征的設(shè)計(jì)對(duì)疏散開始以后也有相當(dāng)?shù)挠绊?，突發(fā)事件下，行人心理活動(dòng)對(duì)行為決策起著決定性作用。

結(jié)合初步研究，在既定場(chǎng)景中火災(zāi)交互環(huán)境需要設(shè)置的參數(shù)包括：

（一）火場(chǎng)可燃物布局

（二）空氣流通路徑（煙、火蔓延路徑）

（三）受災(zāi)人行為模塊（生命屬性、隨機(jī)目的、逃避路線導(dǎo)引）

（四）動(dòng)態(tài)仿真效果（爆炸物、可燃物延時(shí)點(diǎn)燃、可燃物燃燒傳遞）

三、校園交互式消防虛擬訓(xùn)練場(chǎng)景

近年來(lái)高?；馂?zāi)時(shí)有發(fā)生，由于高校是人員密集場(chǎng)所再加之人員火災(zāi)意識(shí)淡薄，導(dǎo)致火災(zāi)事故往往造成很大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。首先要了解典型高校火災(zāi)的發(fā)展蔓延規(guī)律，并針對(duì)火災(zāi)具體特點(diǎn)和建筑物特點(diǎn)為學(xué)生提供最佳疏散路線指導(dǎo);同時(shí)還需了解學(xué)生疏散能力水平現(xiàn)狀，針對(duì)學(xué)生存在的問(wèn)題有針對(duì)性地鍛煉學(xué)生疏散能力，提高學(xué)生疏散速度，使學(xué)生能夠在火災(zāi)情形下安全逃生，保障人員安全。

如圖2所示，該平臺(tái)包括兩種模式，一是訓(xùn)練場(chǎng)景配置模式，二是訓(xùn)練場(chǎng)景體驗(yàn)?zāi)Ｊ?，?chǎng)景配置模式用于訓(xùn)練任務(wù)管理人員對(duì)場(chǎng)景內(nèi)環(huán)境進(jìn)行個(gè)性化配置，針對(duì)不同的訓(xùn)練目標(biāo)對(duì)訓(xùn)練場(chǎng)景中的著火點(diǎn)、爆燃點(diǎn)、空氣流動(dòng)路徑、體驗(yàn)人員著陸點(diǎn)以及全局的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行配置，配置結(jié)果將在訓(xùn)練場(chǎng)景體驗(yàn)?zāi)Ｊ街猩?，在?chǎng)景體驗(yàn)?zāi)Ｊ较?，由煙霧火焰仿真模塊自動(dòng)根據(jù)配置模式下的配置結(jié)果在對(duì)應(yīng)著火點(diǎn)位置真實(shí)模擬火焰及其煙霧的特效，煙霧火焰在根據(jù)氣流動(dòng)力學(xué)仿真模塊進(jìn)行真實(shí)的流動(dòng)仿真，場(chǎng)景中人流也將根據(jù)著火點(diǎn)分布進(jìn)行智能化的逃生行為（尋路、避火、避障等）。同時(shí)，體驗(yàn)人員可以在場(chǎng)景中與消防基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行互動(dòng)和模擬使用，對(duì)火點(diǎn)進(jìn)行滅火處理。角色生命周期管理負(fù)責(zé)對(duì)每一個(gè)角色進(jìn)行生命值的計(jì)算和管理。

火焰煙霧特效仿真：當(dāng)用戶以體驗(yàn)?zāi)Ｊ竭M(jìn)入已經(jīng)配置過(guò)的場(chǎng)景，場(chǎng)景將根據(jù)配置內(nèi)容自動(dòng)生成已經(jīng)粒子化的火焰煙霧，同時(shí)根據(jù)其各自的動(dòng)力學(xué)模型并解析空氣流場(chǎng)在其所在位置的受力情況，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)火勢(shì)情況和受力情況，根據(jù)當(dāng)前速度值計(jì)算下一幀粒子所在的位置，從而模擬出真實(shí)的煙霧和火焰的特效。

火焰煙霧動(dòng)力學(xué)仿真：火焰煙霧將根據(jù)場(chǎng)景中的空氣流通路徑的走向進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，本系統(tǒng)將煙霧受力情況簡(jiǎn)化為浮力、空氣流場(chǎng)壓力、重力、空氣阻力、碰撞力等五個(gè)力的相互作用，其中空氣阻力與當(dāng)前速度的平方成正比關(guān)系。在這幾個(gè)力中，空氣流場(chǎng)壓力起到主導(dǎo)作用，如圖6所示，空氣流通路徑由地鐵站臺(tái)沿著電梯指向二樓，產(chǎn)生的實(shí)際效果是火焰和煙霧沿著該路徑慢慢擴(kuò)散，逐漸向二樓蔓延。

智能尋路行為模塊：場(chǎng)景中的角色都受到智能尋路模塊的驅(qū)動(dòng)，尋路模塊基于場(chǎng)景的布局和著火點(diǎn)、爆炸點(diǎn)的燃燒情況實(shí)時(shí)生成一張角色可行走的激活區(qū)域圖，當(dāng)火焰發(fā)生以后，每個(gè)角色都嘗試以最優(yōu)路徑在激活區(qū)域圖范圍內(nèi)逃跑至特定的安全目標(biāo)點(diǎn)，在逃跑過(guò)程中能智能識(shí)別道路的障礙物，并能智能逃避火焰燃燒區(qū)域，在按既定路線逃生的過(guò)程中，遇到著火點(diǎn)開始燃燒，能夠?qū)崟r(shí)重規(guī)劃新的逃生路徑。角色的逃生速度也會(huì)受到其年齡特征、心理因素等原因的影響。

消防設(shè)備交互模塊：在體驗(yàn)場(chǎng)景中，預(yù)設(shè)了各種消防滅火設(shè)備在逃生的路徑中，用戶可以與之進(jìn)行交互并能模擬滅火操作，通過(guò)用戶的滅火操作、用戶的逃生激活區(qū)域圖也會(huì)實(shí)時(shí)得到更新，用戶逃生可選擇的路徑也會(huì)更多，從而減少了因?yàn)閾矶聦?dǎo)致逃生效率低下的情況。

四、結(jié)語(yǔ)

在突發(fā)事件下，公共空間內(nèi)疏散行人快速高效地從危險(xiǎn)建筑環(huán)境疏散至安全環(huán)境已經(jīng)成為建筑公共安全的熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。建筑空間物理環(huán)境的變化引起建筑內(nèi)行人不適應(yīng)反應(yīng)，將會(huì)使得建筑安全疏散變成非常復(fù)雜的問(wèn)題，而建筑房間安全出口的設(shè)計(jì)，作為整個(gè)建筑疏散路徑的重要節(jié)點(diǎn)，對(duì)于疏散效率的影響尤為重要。

設(shè)計(jì)研究火場(chǎng)人員疏散模擬平臺(tái)，重點(diǎn)在于災(zāi)害場(chǎng)景的模擬以及人員行為的模擬?；饒?chǎng)疏散過(guò)程不只是個(gè)人行為，還牽涉到人與人之間的關(guān)系，如何在火場(chǎng)中趨利避害，第一時(shí)間撤離成功或力所能及地幫助他人，需要一個(gè)“活”的場(chǎng)景來(lái)做演練。既有隨機(jī)性又符合自然規(guī)律，才能真正把應(yīng)急預(yù)案落實(shí)到位。

參考文獻(xiàn)：

Margrethe Kobes，Ira Helsloot，Bauke de Vries，etc. Building safety and human behaviour in fire：A literature review[J]. Fire Safety Journal，2010，45（1）：1-11.

Zheng X，Yuan C. Modeling cooperative and competitive behaviors in emergency evacuation：A game-theoretical approach[J]. 2011，62（12）：4627-4634.

陳長(zhǎng)坤，秦文龍，童蘊(yùn)賀，etal.突發(fā)火災(zāi)下人員疏散心理及行為的調(diào)查與分析[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2018，14（08）：37-42.

王海燕. FDS數(shù)值模擬在隧道火災(zāi)中的應(yīng)用[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2008（11）：6-9.

余點(diǎn).基于FDS及人員定位系統(tǒng)的高層建筑火災(zāi)疏散研究[D].安徽工業(yè)大學(xué).

徐向宇.典型宿舍火災(zāi)危險(xiǎn)性及人員疏散模擬與疏散心理及行為調(diào)查研究[D].太原理工大學(xué).

許秦坤，周煜琴，林朋，etal.基于FDS某鉛鋅礦礦井火災(zāi)數(shù)值模擬[J].玻璃，2013（12）：30-34.

Hui Ping Tserng，Jia Yi You，Chih Yuan Chang，etc. The hot area evacuation model application in large scale gymnasiums[J].Statyba，2011，17（2）：217-226.

張志魁，張嘉琪.基于計(jì)算機(jī)模擬的實(shí)驗(yàn)綜合樓火災(zāi)和安全疏散研究[J].價(jià)值工程，2015（7）：308-309.

作者簡(jiǎn)介：

林靈（1989.9—），男，漢族，浙江溫州人，研究實(shí)習(xí)員，碩士學(xué)歷，主要從事消防安全與科普教育訓(xùn)練方向的研究。

劉果（1988.8—），男，漢族，四川南充人，工程師，碩士學(xué)歷，主要從事多媒體交互技術(shù)及虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究以及相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)與設(shè)計(jì)。