考慮恐慌影響的高校食堂應(yīng)急疏散仿真研究

李輝鵬，柳善耀，劉 丹，范鈴鈴

(1.武漢理工大學(xué) 研究生院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 中國應(yīng)急管理研究中心，湖北 武漢 430070；3.武漢理工大學(xué) 安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院，湖北 武漢 430070)

隨著高等教育的擴(kuò)招，高校學(xué)生人數(shù)越來越多，且校園內(nèi)人群密集場所較多，若發(fā)生地震、火災(zāi)、爆炸等突發(fā)事件時(shí)，容易導(dǎo)致人員踩踏事件，如2012年南非約翰內(nèi)斯堡大學(xué)踩踏事件、2015年上海同濟(jì)大學(xué)踩踏事件等，嚴(yán)重危害學(xué)生的人身安全和高校正常的教育教學(xué)秩序。2016年，教育部發(fā)布的《普通高等學(xué)校學(xué)生管理規(guī)定》，強(qiáng)調(diào)規(guī)范普通高等學(xué)校學(xué)生管理行為，維護(hù)普通高等學(xué)校正常的教育教學(xué)秩序和生活秩序[1]。相比于其他人群密集的場所，學(xué)校食堂是學(xué)生日常生活的必經(jīng)之處，目前高校食堂規(guī)模較大，當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，安全、合理、高效地實(shí)現(xiàn)食堂應(yīng)急疏散，可為建設(shè)平安校園提供應(yīng)急管理的參考和依據(jù)。

針對(duì)人員疏散問題國內(nèi)外學(xué)者已開展大量研究，從人員疏散模型看，主要分為連續(xù)模型和離散模型[2-3]。HELBING等[4]通過對(duì)房間的疏散過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)出口能力存在行人疏散動(dòng)力學(xué)影響。ISOBE等[5]開展了步行實(shí)驗(yàn)?zāi)M仿真，發(fā)現(xiàn)疏散過程中熟悉環(huán)境和不熟悉環(huán)境下的人員疏散行為存在明顯差別。宋英華等[6]建立了考慮避讓行為的元胞自動(dòng)機(jī)模型，建立了一種考慮避讓行為的元胞自動(dòng)機(jī)模型。YANG等[7]研究了疏散過程中建筑樓梯的匯流行為對(duì)疏散過程的影響。CUESTA等[8]模擬了教學(xué)樓人員疏散過程，分析建筑物的疏散性能。呂偉等[9]運(yùn)用EVACNET4建立建筑網(wǎng)絡(luò)疏散模型，并以大型購物中心為對(duì)象開展疏散過程模擬。陳一洲等[10]考慮突發(fā)事件發(fā)展對(duì)疏散人群產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)傷害作用，模擬分析突發(fā)災(zāi)害發(fā)展過程與人群疏散過程。張立紅等[11]通過出口距離和出口人群密度因素進(jìn)行應(yīng)急疏散模擬，選擇最優(yōu)疏散方案。上述研究主要考慮了客觀建筑物的疏散設(shè)施，較少考慮應(yīng)急疏散時(shí)人員可能產(chǎn)生的恐慌心理。近年來，考慮恐慌影響的應(yīng)急疏散逐漸成為研究熱點(diǎn)，如王春雪等[12]建立地鐵應(yīng)急疏散恐慌程度模型，并在北京地鐵軍博站進(jìn)行應(yīng)急疏散模擬試驗(yàn)。孫金龍等[13]構(gòu)建恐慌條件下的人群疏散模型，并運(yùn)用Anylogic仿真軟件進(jìn)行模擬。梅艷蘭等[14]運(yùn)用Pathfinder軟件構(gòu)建地鐵站密集人群應(yīng)急疏散能力仿真系統(tǒng)，并以武漢某地鐵站為對(duì)象開展仿真實(shí)驗(yàn)。陳長坤等[15]考慮恐慌情緒對(duì)行人決策的影響，建立了基于元胞自動(dòng)機(jī)的恐慌狀態(tài)下人群疏散模型?？紤]恐慌影響的應(yīng)急疏散研究大多聚焦于公共場所的避讓行為，鮮有研究考慮高校應(yīng)急疏散恐慌帶來的從眾行為。

為此，筆者以高校食堂為研究對(duì)象，考慮疏散時(shí)恐慌影響導(dǎo)致的從眾行為，引入群體恐慌系數(shù)改進(jìn)社會(huì)力模型，建立考慮恐慌影響的高校食堂疏散模型，運(yùn)用Anylogic仿真軟件，對(duì)高校食堂的應(yīng)急疏散進(jìn)行仿真分析。

1 恐慌影響下的行人運(yùn)動(dòng)模型

1.1 高校食堂人群恐慌心理行為分析

在突發(fā)事件(如地震、火災(zāi)、爆炸、暴力傷人等)中，恐慌心理是一種極易發(fā)生的非適應(yīng)性心理。高校食堂人群恐慌受食堂設(shè)備設(shè)施、師生安全意識(shí)和行為、校園安全管理制度等影響，使個(gè)體心理發(fā)生非理性變化，進(jìn)而體現(xiàn)在生理、情緒和認(rèn)知3個(gè)方面，如圖1所示。

圖1 高校食堂人群恐慌心理應(yīng)激模型

(1)當(dāng)突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，個(gè)體會(huì)產(chǎn)生心理緊張，心理狀態(tài)由冷靜轉(zhuǎn)變成了恐慌潛伏。

(2)當(dāng)個(gè)體心理狀態(tài)處于恐慌潛伏時(shí)，受環(huán)境和其他人員影響，心理緊張達(dá)到一定程度后，則引起恐懼，引發(fā)恐慌心理。當(dāng)恐慌潛伏人群中出現(xiàn)恐慌者時(shí)，恐慌情緒由恐慌者開始傳播到恐慌潛伏人群，導(dǎo)致恐慌大面積傳播。

(3)隨著對(duì)食堂疏散環(huán)境的熟悉和對(duì)突發(fā)事件的了解，部分人群由恐慌逐漸恢復(fù)冷靜，但若突發(fā)事件態(tài)勢(shì)突變(如火災(zāi)火勢(shì)突然猛烈增大或引發(fā)爆炸)或疏散時(shí)間過長，將又變回恐慌人群，產(chǎn)生焦慮心理和盲從現(xiàn)象。

1.2 符號(hào)參數(shù)說明

1.3 恐慌影響的行人出口選擇

(1)緊張程度(從眾行為權(quán)重)。恐慌對(duì)人的直接影響表現(xiàn)為面對(duì)突發(fā)事件時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度變化，緊張程度的定義如式(1)所示。

(1)

“緊張程度”表示正常狀態(tài)下人群的行為與恐慌影響下人群不合理的行為之間存在一個(gè)臨界點(diǎn)，該參數(shù)可以直接影響個(gè)人行為的理想速度、從眾行為等。當(dāng)人的緊張程度大于臨界值時(shí)，人的心理將變?yōu)椤翱只拧?，行為也將從眾。?dāng)ni(t)無限趨近于0時(shí)，表明個(gè)體處于常態(tài)，表現(xiàn)出完全理智的行為，不受他人的影響，直接尋找距離最近的目標(biāo)方向；當(dāng)ni(t)無限趨近于1時(shí)，表現(xiàn)出嚴(yán)重的心理恐慌狀態(tài)，行為上會(huì)盲目從眾。

(2)出口選擇概率。距離越近的出口，個(gè)體選擇該出口的概率越大。采用個(gè)體到第k個(gè)出口的距離與個(gè)體到各出口距離總和的比值表示出口選擇概率，如式(2)所示。

(2)

(3)從眾行為概率。從眾行為概率為個(gè)體考慮不同出口經(jīng)過的人數(shù)決定自己運(yùn)動(dòng)方向的概率。目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向選擇與疏散總?cè)藬?shù)、從各出口疏散的人數(shù)相關(guān)，則從眾行為概率用式(3)表示。

(3)

(4)行人出口目標(biāo)選擇。綜合考慮出口選擇和從眾行為確定最終的行人出口目標(biāo)，個(gè)體i在時(shí)刻t選擇出口k作為目標(biāo)方向的概率P(t,i,k)如式(4)所示，通過比較選擇P(t,i,k)最大的出口作為行人i的目標(biāo)方向，如式(5)所示。

P(t,i,k)={[1-ni(t)]×P1(xi,yi)+

ni(t)×P2(NK)}

(4)

P出=max[P(t,i,k)]

(5)

1.4 社會(huì)力模型改進(jìn)

HELBING等[16]提出的初始社會(huì)力模型如式(16)所示，該模型在一定程度上可以模擬大規(guī)模人員疏散，但在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，人們對(duì)于受災(zāi)建筑物出口的選擇并非完全理智，即在危急情況時(shí)，并非會(huì)選擇距離自己最近的出口，可能會(huì)受其他疏散人群的影響，即從眾心理的影響，從而選擇大多數(shù)人選擇的出口方向。因此，應(yīng)急疏散下需要對(duì)行人的自驅(qū)動(dòng)力fi的期望速度方向做一定改進(jìn)。初始社會(huì)力模型自驅(qū)力如式(6)所示[16]。

(6)

行人i對(duì)于出口的選擇為P出=max[P(t,i,k)]，因此考慮恐慌影響下，期望速度的方向改進(jìn)為ei(P出)，則改進(jìn)社會(huì)力模型自驅(qū)力如式(7)所示。

(7)

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 食堂模型

以武漢某高校學(xué)生食堂為例，食堂總面積為2 890 m2，內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為兩層，上下兩層相距3.7 m，共設(shè)有800個(gè)座位，可容納800人同時(shí)就餐，每層均有取餐口和就坐的餐桌，有3個(gè)樓梯和5個(gè)疏散出口，左右側(cè)樓梯為旋轉(zhuǎn)下降式樓梯，中間為直梯。二樓通往一樓的3個(gè)樓梯分別為二樓西樓梯、二樓中樓梯和二樓東樓梯。一樓的5個(gè)出口分別為一樓西樓梯出口、一樓中樓梯1出口、一樓中樓梯2出口、一樓東樓梯出口和一樓后出口。

基于Anylogic仿真軟件，分別采用“目標(biāo)性”“線服務(wù)”“吸引子”等功能實(shí)現(xiàn)食堂內(nèi)的學(xué)生進(jìn)出口、學(xué)生排隊(duì)取餐、尋找座椅就坐等，建立的食堂一樓模型和二樓模型分別如圖2和圖3所示，基礎(chǔ)環(huán)境3D效果如圖4所示。

圖2 食堂一樓模型

圖3 食堂二樓模型

圖4 基礎(chǔ)環(huán)境3D效果

2.2 疏散速率分析

設(shè)食堂疏散總?cè)藬?shù)為600人，二樓人數(shù)為226人，一樓人數(shù)為374人?？紤]恐慌影響和不考慮恐慌影響的疏散效率分別如圖5和圖6所示，可看出第450 s開始疏散，在應(yīng)急疏散前期，食堂內(nèi)人數(shù)快速下降，疏散效率較高，在75 s左右時(shí)，食堂內(nèi)約一半人完成疏散，但是兩種情況的疏散速率變化相差較大。

圖5 考慮恐慌影響的疏散速率

圖6 不考慮恐慌影響的疏散速率

由圖5可知，總體人數(shù)疏散速率在開始疏散100 s后大幅降低，其原因在于二樓疏散人員由于受到恐慌影響產(chǎn)生從眾行為，對(duì)于樓梯口的選擇偏向于大多數(shù)人的選擇，導(dǎo)致從二樓通往一樓的樓梯口聚集人數(shù)劇增，引發(fā)擁堵。由于人員下樓梯時(shí)的速度較慢，導(dǎo)致二樓疏散速率較慢，開始疏散后200 s時(shí)二樓人員才疏散完畢。一樓雖然有從眾行為，但由于出口較多，疏散速率相對(duì)二樓疏散更快。

由圖6可知，不考慮恐慌影響時(shí)，人群能夠迅速撤離，總體人數(shù)快速下降。二樓人員雖然存在擁擠，但群體會(huì)尋找最優(yōu)路徑進(jìn)行疏散，開始疏散后150 s時(shí)二樓人員完成了疏散。一樓疏散速率在疏散前中期較高，隨著二樓疏散人員通過樓梯到一樓后，一樓的疏散人員增多，產(chǎn)生擁擠，疏散速度減緩。

綜上可知，考慮恐慌影響的疏散時(shí)間為200 s，不考慮恐慌影響的疏散時(shí)間為150 s，前者是后者的1.3倍。

2.3 出口選擇分析

考慮恐慌影響和不考慮恐慌兩種情況下，從各出口疏散的人數(shù)如表1所示。恐慌影響導(dǎo)致從眾行為，人群在食堂疏散過程中對(duì)于出口的選擇更加偏向于人數(shù)多的出口，各出口疏散人數(shù)比例相差較大，大量人員集中在二樓中樓梯口、一樓東樓梯出口，而一樓后出口被疏散群體忽略，造成其他出口人員過度擁擠。不考慮恐慌影響下，每個(gè)出口處人員分布較為均勻，個(gè)體能夠?qū)ふ易顑?yōu)路徑進(jìn)行疏散。

表1 各出口疏散人數(shù)

2.4 人群密度分析

考慮恐慌影響和不考慮恐慌影響兩種情況下，左樓梯口、中間樓梯口、右樓梯口處人群密度變化分別如圖7和圖8所示，對(duì)比分析可得：①不考慮恐慌影響時(shí)，左樓梯口行人密度的最高值最大，為0.82人/m2，中間樓梯口和右樓梯口的最大值均為0.71人/m2?？紤]恐慌影響時(shí)，中間樓梯口行人密度最高值最大，達(dá)到了1.16人/m2，擁擠程度遠(yuǎn)大于不考慮恐慌情況下的中間樓梯口行人密度?？紤]恐慌影響峰值的人群密度是不考慮恐慌影響的1.4倍。②考慮恐慌影響時(shí)，樓梯口處于擁擠狀況的時(shí)間較長，行人密度超過0.7人/m2的時(shí)間為120 s，而不考慮恐慌影響的行人密度超過0.7人/m2的時(shí)間僅為50 s。可知考慮恐慌影響瓶頸處的擁擠時(shí)間是不考慮恐慌影響的2.4倍。③由于恐慌影響產(chǎn)生的從眾效應(yīng)，疏散群體在右樓梯的密度較小，最大值未超過0.6人/m2，而不考慮恐慌影響的疏散群體在右樓梯的密度超過0.6人/m2的時(shí)間約為60 s。

圖7 考慮恐慌影響的樓梯口行人密度

圖8 不考慮恐慌的樓梯口行人密度

3 結(jié)論

針對(duì)高校食堂應(yīng)急疏散問題，基于改進(jìn)的社會(huì)力模型建立考慮恐慌影響的人群運(yùn)動(dòng)模型，基于Anylogic軟件開展仿真實(shí)驗(yàn)，分析恐慌因素對(duì)疏散的影響,得到如下結(jié)論：

(1)二樓疏散人員受恐慌影響對(duì)樓梯口的選擇表現(xiàn)出較強(qiáng)的從眾行為，容易忽略距離較遠(yuǎn)但疏散人員少的通道，導(dǎo)致從二樓通往一樓的樓梯口聚集人數(shù)劇增，引起人員擁堵，造成瓶頸效應(yīng)。

(2)從眾心理不僅給部分出口帶來極高的疏散壓力，還導(dǎo)致部分樓梯口的疏散人群密度過大、擁擠時(shí)間較長，一旦有人摔倒或者事故現(xiàn)場情況突變，容易導(dǎo)致?lián)頂D踩踏事件。

(3)應(yīng)建立人員疏散提示系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警疏散出口人員密度，智能優(yōu)化疏散路徑，組織引導(dǎo)人員疏散，提高應(yīng)急疏散效率。后續(xù)研究可進(jìn)一步考慮行人避讓行為和疏散引導(dǎo)策略。