突發(fā)事件下羊群行為對(duì)疏散效率的影響研究

唐藝璇 常波峰 孫璐瑤 王啟睿 田水承

摘 要：事故發(fā)生后的人員緊急疏散情境下，羊群行為會(huì)造成疏散過(guò)程的人員擁堵，進(jìn)而延長(zhǎng)疏散時(shí)間，影響疏散效率。為探究突發(fā)事件下羊群行為對(duì)疏散效率的影響，文中以某辦公樓作為疏散場(chǎng)景，基于Pathfinder軟件構(gòu)建仿真模型，通過(guò)模擬不同程度的羊群行為，探究疏散時(shí)間的變化規(guī)律。仿真結(jié)果表明，少量羊群行為平衡了疏散通道的人員流量，部分通道的利用率顯著提高，人員疏散時(shí)間減少，疏散效率提高，對(duì)人員疏散具有促進(jìn)作用;當(dāng)羊群行為的比例提高至40%時(shí)，疏散時(shí)間有所增加，疏散效率下降;當(dāng)羊群行為的比例提高至60%時(shí)，疏散時(shí)間大幅提高，阻礙人員疏散的作用十分顯著。研究發(fā)現(xiàn)，疏散過(guò)程中的羊群行為帶來(lái)的負(fù)面影響遠(yuǎn)高于其帶來(lái)的正面促進(jìn)作用。為緩解人員擁堵問(wèn)題，可通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)恼系K物提高疏散效率，為突發(fā)事件下的應(yīng)急疏散研究作為參考。

關(guān)鍵詞：羊群行為;Pathfinder;人員疏散;突發(fā)事件;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：X 915.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2021）03-0457-07

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2021.0310

Abstract：It is generally believed that herd behavior will cause congestion in the evacuation process in the emergencies，thus extending the evacuation time and affecting the evacuation efficiency.In order to explore the impact of herd behavior on evacuation efficiency in emergencies，an office building was taken as an evacuation scene，and a simulation model was built based on Pathfinder software to simulate the variation rule of evacuation time under different degrees of herd behavior.The simulation results show that the behavior of a small number of sheep balances the flow of people in the evacuation passage way，and the utilization rate of some passage ways is significantly increased，with the evacuation time of people reduced and the evacuation efficiency improved，promoting the evacuation efficiency.When the herd behavior ratio increased to 40%，the evacuation time increased and the evacuation efficiency decreased.When the herd behavior proportion is increased to 60%，the evacuation time is significantly increased，which hinders the personnel evacuation.It can be found that the negative effects of herd behavior during evacuation was much higher than the positive effects.In order to alleviate the problem of personnel congestion，appropriate obstacles can be set to improve evacuation efficiency，which can serve as a reference for emergency evacuation research.Key words：herd behavior;Pathfinder;personnel evacuation;emergencies;numerical simulation

0 引 言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，各類突發(fā)事件頻現(xiàn)，疏散是保證人員生命財(cái)產(chǎn)安全最快速、高效的途徑，對(duì)時(shí)間、空間的充分利用顯得尤為重要。突發(fā)事件本身具有的突發(fā)性、普遍性和不確定性等特點(diǎn)，使人必須在極短的時(shí)間內(nèi)作出判斷和決策，這會(huì)導(dǎo)致人直面此類危險(xiǎn)的威脅時(shí)，由于危險(xiǎn)而產(chǎn)生的恐懼、焦慮等心理干擾人的決策行為，進(jìn)而對(duì)疏散效率產(chǎn)生影響[1-3]。疏散效率是保證人員安全疏散的關(guān)鍵。

由此，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)疏散效率的影響因素進(jìn)行了大量的論證研究。對(duì)于外部環(huán)境因素的影響，田水承、XIA、宋洋等借助仿真模擬的方法，認(rèn)為合理的應(yīng)急出口位置分布、室內(nèi)布局與有效的智能消防聯(lián)動(dòng)裝置是提高疏散效率的重要因素，對(duì)疏散效率的影響較大[4-7];羅凌燕、ENRICO、王彥雲(yún)等以地鐵站為研究場(chǎng)景，認(rèn)為能見(jiàn)度、出口形狀、人體疲勞度、人的心理變化等都會(huì)影響乘客的疏散效率，而安全疏導(dǎo)員的增加在一定程度上有助于平衡各個(gè)出口的使用效率[8-11];益鵬等認(rèn)為在緊急疏散過(guò)程中，當(dāng)人員環(huán)境熟悉度較高時(shí)，習(xí)慣是影響人員出口選擇與疏散總時(shí)間的重要因素[12-13];陳一洲等通過(guò)構(gòu)建人群疏散模型，得到與Pathfinder一致的模擬結(jié)果，得出疏散效率由人員密度、移動(dòng)速度、疏散時(shí)間三者相互控制[14]。除環(huán)境因素對(duì)疏散效率帶來(lái)影響之外，部分學(xué)者從心理層面出發(fā)，袁春燕等運(yùn)用模糊邏輯方法對(duì)人員心理量化分析，構(gòu)建了“心理-環(huán)境模型”這一可靠性更高的疏散模型，為人員疏散研究提供參考[15];王莉、李曉艷、HELBING等認(rèn)為人員心理因素顯著影響疏散效率，其中，恐慌和從眾心理的權(quán)重值最高[16-18];SALOMA、HELBING、顏向農(nóng)等研究認(rèn)為，羊群行為阻止了對(duì)有效出口的利用，疏散時(shí)間顯著增加，大大降低了人員疏散速度[19-21];李昌華等研究表明，羊群行為對(duì)疏散的影響具有不確定性，需適當(dāng)加入引導(dǎo)員等外界因素，方可確定羊群行為的促進(jìn)作用[22]。

綜合上述研究發(fā)現(xiàn)，前人對(duì)疏散效率的影響因素研究大多集中于環(huán)境和人的心理層面，忽視了疏散過(guò)程中發(fā)生的羊群行為，或簡(jiǎn)單地認(rèn)為該行為抑制了人員疏散，將其片面地歸于負(fù)性影響因素，沒(méi)有分類討論此行為對(duì)疏散效率的具體影響。鑒于此，文中借助Pathfinder軟件，從羊群行為的自變量出發(fā)，根據(jù)不同比例的羊群行為對(duì)疏散效率的影響程度，綜合分析應(yīng)急疏散過(guò)程中羊群行為扮演的角色，期望為應(yīng)急疏散仿真模擬與疏散模型的構(gòu)建研究提供更為細(xì)致的參考。

1 羊群行為

1.1 羊群行為產(chǎn)生機(jī)制

羊群行為（herd behavior）最初起源于對(duì)牛羊等畜類成群移動(dòng)現(xiàn)象的描述，后被社會(huì)學(xué)領(lǐng)域用來(lái)描述人類社會(huì)中的一種非理性行為：是指在社會(huì)情景或群體壓力下，個(gè)人改變自己的態(tài)度、放棄原先的意見(jiàn)，產(chǎn)生和多數(shù)人一致的行為。20世紀(jì)30年代，謝里夫的流動(dòng)錯(cuò)覺(jué)實(shí)驗(yàn)是首次圍繞羊群行為開(kāi)展的研究。

各項(xiàng)社會(huì)心理學(xué)研究成果證實(shí)，安全氛圍作為社會(huì)環(huán)境因素影響著個(gè)體行為，當(dāng)人處于應(yīng)急狀況下，最易產(chǎn)生從眾心理，導(dǎo)致羊群行為[23-25]。法國(guó)社會(huì)學(xué)家TARDE認(rèn)為，模仿是社會(huì)集體中最基本的社會(huì)現(xiàn)象，在沒(méi)有干擾的情況下，模仿一旦開(kāi)始，便會(huì)以幾何級(jí)數(shù)的速度迅速增長(zhǎng)蔓延，從而使個(gè)體行為上升為群體行為[26]。1922年，瑞士心理學(xué)家榮格提出了集體無(wú)意識(shí)理論，即在特定情況下，一群聚集的人會(huì)表現(xiàn)出全新的特點(diǎn)，個(gè)體特征消失，感情傾向趨同，服從于群體精神統(tǒng)一法則，使群體成員在情緒和行為上表現(xiàn)出一致性[27]。群體中的成員易受群體情緒的感染，從而選擇與多數(shù)人一致的行為，群體的一致性又促進(jìn)情緒在群體中的傳播擴(kuò)散，此類“暗示-模仿-循環(huán)反應(yīng)”的過(guò)程，就是研究證實(shí)的求同心理過(guò)程。這種求同心理是造成羊群行為的心理基礎(chǔ)，羊群行為是人尋求社會(huì)認(rèn)同感和安全感的結(jié)果。

1.2 羊群行為影響因素

突發(fā)事件背景下，羊群行為的影響因素大致分為個(gè)人因素與群體因素。個(gè)人因素包括人的生理、心理特征以及對(duì)場(chǎng)景的熟悉程度等;群體因素包括人群的恐慌程度、行動(dòng)方向等。在個(gè)體受群體情緒感染后，不安全感造成部分人理智缺失、判斷能力下降，在選擇疏散路線時(shí)不以距離等因素為參考標(biāo)準(zhǔn)，而是跟隨人群流動(dòng)方向進(jìn)行疏散。

2 模型構(gòu)建

Pathfinder是由美國(guó)Thunderhead Engineering公司開(kāi)發(fā)的一款基于人員運(yùn)動(dòng)的仿真模擬器，常用于對(duì)人員的緊急疏散逃生評(píng)估。通過(guò)對(duì)人員肩寬、移動(dòng)速度、預(yù)動(dòng)作時(shí)間等相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，計(jì)算出疏散的最佳時(shí)間，獲得直觀的可視化結(jié)果。使用者可根據(jù)軟件模擬結(jié)果篩選出最優(yōu)疏散方案，減少人員傷亡[28]。其中人員運(yùn)動(dòng)方式有2類可供選擇，分別是Steering模式和消防工程師協(xié)會(huì)（society of fire protection engineers，SFPE）模式。Steering模式下，通過(guò)路徑規(guī)劃、指導(dǎo)機(jī)制和碰撞處理3類機(jī)制相結(jié)合對(duì)人員運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，如果人員之間的距離和最近點(diǎn)的路徑超過(guò)某一閾值，可以重新規(guī)劃路線以適應(yīng)新的形勢(shì)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是在該模式下人員的疏散方向及速度取決于實(shí)際環(huán)境情況及人員密度等綜合因素，不單以距離為參考量。SFPE模式利用空間密度確定運(yùn)動(dòng)速度，依據(jù)就近原則，疏散人員對(duì)出口的選擇僅以距離作為選擇該出口的原則。2類模式中，Steering模式疏散路徑的規(guī)劃參考條件更加豐富，考慮因素較多，更貼近人員真實(shí)疏散情況，更符合實(shí)際需要，故選擇該模式作為文中人員的運(yùn)動(dòng)方式。

文中借助Pathfinder仿真平臺(tái)，通過(guò)構(gòu)建虛擬場(chǎng)景，模擬不同程度的羊群行為對(duì)疏散效率的影響。與實(shí)景實(shí)驗(yàn)相比，該方法節(jié)省了大量人力物力，且避免大量人群疏散情境下可能發(fā)生的擁擠、踩踏事故。

2.1 場(chǎng)景構(gòu)建

以某辦公樓火災(zāi)為例，該辦公大樓共地上4層，1～3層為標(biāo)準(zhǔn)層，層高3 m，寬9 m，長(zhǎng)22 m，4層天臺(tái)建筑高2.6 m，建筑面積共691.02 m2。文中對(duì)建筑采用1∶1的比例簡(jiǎn)化模型內(nèi)外結(jié)構(gòu)。室內(nèi)共有2部樓梯，其中一部為從一樓直通3樓的旋轉(zhuǎn)樓梯，一部為連接各樓層直至天臺(tái)的單跑樓梯。選擇發(fā)生火災(zāi)時(shí)的最不利情況，將起火點(diǎn)假設(shè)為位于靠近一層正門與旋轉(zhuǎn)樓梯口的位置，選擇一層側(cè)門（Exit 1）與天臺(tái)（Exit 2）作為人員疏散的2個(gè)出口，寬度分別為2 m和1 m，連通一二層的旋轉(zhuǎn)樓梯不做疏散用途，僅將單跑樓梯和連通二三層的旋轉(zhuǎn)樓梯作為連接室內(nèi)各個(gè)樓層的疏散通道。場(chǎng)景模型如圖1所示。

2.2 人員參數(shù)設(shè)定

據(jù)事件新聞報(bào)道，事件發(fā)生時(shí)建筑內(nèi)共70人，1樓12人，2樓31人（15女，16男），3樓27人（14女，13男），其中69人在20～50歲區(qū)間內(nèi)，1名60歲以上的老人。面對(duì)突發(fā)火災(zāi)，人員疏散行為通常會(huì)稍做延遲，根據(jù)人員所處樓層的不同，以一層反應(yīng)時(shí)間T1=0.62 s為基礎(chǔ)，依次遞增1 s作為各層人員的反應(yīng)時(shí)間[29]。構(gòu)建疏散模型時(shí)，人員空間位置分布隨機(jī)設(shè)定如圖2所示，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

3 羊群行為模擬

3.1 不同比例的羊群行為模擬

突發(fā)事件疏散過(guò)程中的羊群行為表現(xiàn)為人員疏散過(guò)程中對(duì)出口的選擇，當(dāng)群體處于正常情況時(shí)，人員往往會(huì)根據(jù)自身對(duì)場(chǎng)景的熟悉程度、出口距離、自身習(xí)慣和需要等對(duì)出口做出選擇。一旦遇到情況不明的緊急事件，在逃生本能的驅(qū)使下，處于群體中的人因恐懼失去理智，出于對(duì)群體選擇的信任，常常會(huì)選擇做出與群體一致的行為。文中以正常情景下的疏散情況為對(duì)照組，由圖3可知，模擬發(fā)現(xiàn)通過(guò)Exit 1的人員數(shù)量略多于Exit 2，故文中將出現(xiàn)羊群行為的人員設(shè)定為僅選擇Exit 1作為疏散出口，其余人員仍遵循Steering模式進(jìn)行疏散。本模型選擇以0.2為步長(zhǎng)，模擬了羊群行為人數(shù)占比從0到1的疏散情況，將疏散時(shí)間作為評(píng)定疏散效率的指標(biāo)。

3.2 結(jié)果分析

疏散模擬結(jié)果如圖4所示。正常情況下的疏散時(shí)間為64.3 s，與對(duì)照組相比，在羊群行為比例達(dá)到20%時(shí)，疏散效率最高，所需疏散時(shí)間為60.8 s;40%時(shí)疏散效率有所下降，但對(duì)疏散仍起正向促進(jìn)作用。當(dāng)羊群行為比例上升到60%時(shí)，疏散時(shí)間提高了19.84%，增長(zhǎng)速度較快，說(shuō)明此時(shí)羊群行為大大影響了人員疏散。此后，疏散時(shí)間隨著該行為比例的上升持續(xù)增大，當(dāng)整個(gè)群體都發(fā)生羊群行為時(shí)，疏散時(shí)間提高至91.5 s。與對(duì)照組相比，最短疏散時(shí)間減少了5.44%，最長(zhǎng)疏散時(shí)間增加了42.31%。

分別選取模擬結(jié)果中疏散時(shí)間最短和最長(zhǎng)的情況，如圖5～圖8所示，發(fā)現(xiàn)疏散過(guò)程中3層樓梯拐角處出現(xiàn)人員密度最大且移速最慢的情況，說(shuō)明此處發(fā)生人員擁堵情況。當(dāng)疏散通道口達(dá)到自身疏散極限時(shí)會(huì)出現(xiàn)如圖所示的“成拱效應(yīng)”，群體內(nèi)的相互作用力使得該效應(yīng)下的疏散效率降低，導(dǎo)致人員滯留，3層樓梯拐角人員疏散路徑的相互交錯(cuò)情況如圖9所示。針對(duì)上述問(wèn)題，在不改變樓梯寬度與拐角空間的狀況下，在擁堵處增加適當(dāng)?shù)恼系K物可適當(dāng)分流人群，減少人員間的摩擦力。結(jié)合實(shí)際情況在距樓梯不遠(yuǎn)處設(shè)置一1.1 m×0.1 m的障礙物，改進(jìn)前后疏散時(shí)間見(jiàn)表2，改進(jìn)后的疏散時(shí)間均有減少，其中比例為20%和100%的分別為57.5和90.8 s，分別下降了10.58%和0.77%，對(duì)疏散效率有促進(jìn)作用。

驗(yàn)證了以往研究中認(rèn)為羊群行為會(huì)導(dǎo)致疏散時(shí)間增加、疏散效率下降的觀點(diǎn)的正確性。但文中通過(guò)將羊群行為劃分成不同比例的方法，發(fā)現(xiàn)較小比例的羊群行為對(duì)人員的疏散速度起到促進(jìn)作用。這是由于正常情況下，各出口會(huì)出現(xiàn)利用不均的情況，而羊群行為導(dǎo)致的出口利用不均衡，可改善正常情境中出口利用不均的缺陷。改進(jìn)后障礙物的設(shè)置，能有效改變?nèi)藛T疏散路徑，減弱了人群成拱效應(yīng)的穩(wěn)定性，減緩成拱效應(yīng)的形成周期，緩解人員擁擠狀況，有效提高疏散效率。

4 結(jié) 論

文章借助Pathfinder軟件，以某辦公樓為場(chǎng)景構(gòu)建了疏散模型，目的是探究羊群行為對(duì)疏散效率的影響，并以縮短疏散時(shí)間為目的對(duì)模型加以改進(jìn)，得到以下結(jié)論。

1）疏散過(guò)程中的羊群行為不能簡(jiǎn)單歸結(jié)為負(fù)性影響因素。羊群行為比例在20%～40%時(shí)，有助于提高疏散效率;一旦超過(guò)該范圍，疏散時(shí)間顯著增長(zhǎng)，效率降低。

2）一定條件下的障礙物對(duì)人員疏散有促進(jìn)作用。正常疏散條件下，障礙物可以消解或抑制疏散口的成拱效應(yīng)，改變?nèi)藛T路徑，緩解疏散過(guò)程中的擁擠程度，提高疏散效率。

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