建筑火災(zāi)中人員應(yīng)急響應(yīng)行為影響因素的研究綜述

張慶順 周 行 ZHANG Qingshun, ZHOU Hang

0 引言

建筑火災(zāi)是現(xiàn)實(shí)生活中最常見、危害最大的一種災(zāi)害，建筑消防安全的首要目標(biāo)是保證人員的安全，恰當(dāng)?shù)氖枭⑿袨槭前踩由挠辛ΡＵ?。掌握人在建筑火?zāi)應(yīng)急響應(yīng)過程中的行為規(guī)律、心理狀態(tài)，尤其是掌握相關(guān)影響因素對人員疏散行為心理的影響，對于建筑性能化防火設(shè)計(jì)、建筑防火安全疏散管理與教育、提高建筑火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)能力具有重要意義。

在國內(nèi)，2001年，肖國清等[1]最早簡略評述建筑火災(zāi)疏散中人行為的歷史背景、研究內(nèi)容和研究范圍，并展望以后的研究方向；2005年，張樹平等[2]最先系統(tǒng)地從人的行為調(diào)查及計(jì)算機(jī)模擬兩方面進(jìn)行綜述，但側(cè)重于研究方法，缺少對人員行為特征及影響因素的整理；在國外，2010年，科比斯（Kobes M）等[3]從火災(zāi)中人員行為研究及關(guān)鍵影響因素兩方面進(jìn)行綜述①，但關(guān)注的影響因素不全面、缺少研究方法的綜述且未深入到多因素的耦合領(lǐng)域。長期以來，建筑火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)行為的研究難點(diǎn)在于人員復(fù)雜行為受眾多因素影響且真實(shí)的火災(zāi)場景難以呈現(xiàn)，明確“有哪些影響因素、這些因素對行為心理有哪些影響、如何盡可能真實(shí)的在場景中展現(xiàn)這些影響”是解決這一問題的關(guān)鍵。以往的研究缺乏影響因素耦合作用的綜述，隨著建筑火災(zāi)科學(xué)研究的深入，文獻(xiàn)綜述需要不時更新。

本文從行為心理學(xué)視角出發(fā)，通過建筑火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)行為影響因素研究及方法的文獻(xiàn)綜述，分析各因素對人員疏散行為影響的研究，以及多因素耦合作用機(jī)制以盡可能符合真實(shí)火災(zāi)場景，指出未來研究工作的方向與重點(diǎn)。

1 影響因素劃分

火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)是人員在火災(zāi)場景中受外界綜合刺激為應(yīng)對危險而采取的系列個體或群體行為措施。行為心理學(xué)主張對行為和環(huán)境之間的關(guān)系進(jìn)行研究，使研究人員能夠以科學(xué)、系統(tǒng)的方式研究可觀察到的行為，新行為主義理論[4]則肯定個體當(dāng)時的生理、心理狀態(tài)作為中間變量的作用②。

基于行為心理學(xué)的建筑火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)研究是主觀心理學(xué)與客觀心理學(xué)的結(jié)合，涵蓋人類學(xué)、行為科學(xué)、心理學(xué)、建筑學(xué)、火災(zāi)科學(xué)與社會學(xué)等領(lǐng)域[5]，相關(guān)研究自20世紀(jì)初開始萌芽，在20世紀(jì)70及80年代中期達(dá)到活躍期③，環(huán)境物理因素（建筑特征、火災(zāi)特征）和社會互動因素（人群特征、管理特征）共同決定人員應(yīng)急響應(yīng)的行為反應(yīng)及心理狀態(tài)（表1）。

表1 建筑火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)行為心理學(xué)的影響因素Tab.1 influencing factors of behavioral psychology of emergency response performance in building fire

2 研究分布

本文選用CNKI和Web of Science作為檢索工具，以“建筑火災(zāi)（building fires）”“應(yīng)急響應(yīng)（emergency response）”“行為心理（behavior and psychology）”“火災(zāi)疏散（fire evacuation）”等相關(guān)中英文詞組進(jìn)行檢索，并對檢索結(jié)果進(jìn)行相關(guān)度篩選。截至2019年12月，搜集到高相關(guān)性中文文獻(xiàn)223篇、外文文獻(xiàn)241篇，其中核心期刊及重要會議論文398篇，學(xué)位論文46篇，專著20部。

2.1 研究的時間分布

文獻(xiàn)時序分析發(fā)現(xiàn)歷年相關(guān)文獻(xiàn)整體呈緩慢的上升趨勢。外文文獻(xiàn)自2009年出現(xiàn)躍進(jìn)增長后，整體趨勢穩(wěn)定；中文文獻(xiàn)近幾年增幅較大，增長趨勢達(dá)到一個階段性的研究熱潮。按照主導(dǎo)研究方法及關(guān)注視角，大致可劃分為四個階段。

2.1.1 定性研究階段（1970—1984年）

多采用觀察、調(diào)查訪問、實(shí)驗(yàn)等手段，收集火災(zāi)發(fā)生時人員應(yīng)急響應(yīng)行為相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合心理學(xué)理論進(jìn)行定性分析，研究以人群特征為主，涉及少量建筑特征。1968年起，保羅斯（Pauls J L）在加拿大國家研究委員會（NRC）進(jìn)行人員疏散行為研究，首創(chuàng)的“演習(xí)法”成為行為研究的主要方法。

2.1.2 定量研究階段（1985—1997年）

1985年“第一屆國際火災(zāi)科學(xué)大會”標(biāo)志著火災(zāi)科學(xué)開始全面興起，研究從定性轉(zhuǎn)向定量化、精確化，多以建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。第一，建立尋路行為模型，1995年，西蒙（Sime J D）首先闡述了ORSET模型的原型，將疏散時間與人員行為、建筑平面用數(shù)學(xué)公式的方式聯(lián)系起來。第二，大量的疏散模型和火災(zāi)模型研究為后續(xù)計(jì)算機(jī)仿真奠定了基礎(chǔ)。

2.1.3 初步仿真階段（1998—2008年）

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和1998年 “第一屆火災(zāi)中的人類行為國際研討會”的召開④為計(jì)算機(jī)仿真的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。仿真模型的建立主要基于以下兩個視角。第一，以人群行為研究為主，基于動力學(xué)模型模擬行人行為，多采用疏散仿真模擬軟件（EXODUS、STEPS等）。第二，以建筑火災(zāi)場景研究為主，基于計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）模擬火災(zāi)蔓延情況，多采用火災(zāi)數(shù)值模擬軟件（FDS等）。

2.1.4 綜合仿真階段（2009年至今）

計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)逐漸發(fā)展中，暴露出人員模型數(shù)據(jù)不全面、無法在一次模擬中綜合環(huán)境物理因素和社會互動因素等問題。自2009年“第4屆火災(zāi)中的人類行為國際研討會”至今，大量研究旨在完善仿真模擬的綜合性與適用性，主要采用兩種手段。第一，改進(jìn)數(shù)學(xué)模型、優(yōu)化計(jì)算機(jī)算法完善仿真編程邏輯。第二，基于多智能體，綜合建筑、火災(zāi)、人群及管理特征進(jìn)行仿真模擬，并結(jié)合VR技術(shù)模擬真實(shí)火場環(huán)境進(jìn)行演習(xí)，充實(shí)數(shù)據(jù)庫。

2.2 研究的熱點(diǎn)分布

將研究成果按影響因素進(jìn)行初步劃分，發(fā)現(xiàn)基于建筑特征、人群特征的研究較多，占比為21%、31%。逐漸呈現(xiàn)基于多因素的綜合性研究，尤其綜合仿真階段增長迅速，占19%（圖1）。

圖1 文獻(xiàn)的時間分布統(tǒng)計(jì)圖(1998—2019年)Fig.1 time distribution statistics of literature（1998-2019）

運(yùn)用Citespace進(jìn)行關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜分析發(fā)現(xiàn)：國內(nèi)相關(guān)研究的關(guān)鍵詞由早期的廣義描述（如安全疏散、人員疏散等）逐漸細(xì)化到類型建筑（如高層辦公建筑、商業(yè)綜合體等）和具體方法（如計(jì)算機(jī)仿真、性能化研究等），其中高層建筑一直受到廣泛關(guān)注；國外相關(guān)研究的關(guān)鍵詞由模擬 （simulation）、 模型（model）等逐漸精細(xì)到元胞自動機(jī)（cellular automata，CA）、算法（algorithm）等，一直致力于仿真模擬的優(yōu)化（圖2）。

圖2 相關(guān)文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜Fig.2 key words co-occurrence map of relevant literature

3 建筑火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)行為心理影響因素研究述評

3.1 關(guān)于建筑特征的研究

建筑類型的不同或同類建筑平面布局、設(shè)備設(shè)施的不同導(dǎo)致火災(zāi)場景存在各異性，相關(guān)學(xué)者針對火災(zāi)頻發(fā)且危險性較大的類型建筑展開研究，從局部空間到整體布局逐步推動共性研究向特性研究發(fā)展。定量研究階段，加拿大國家研究委員會（NRC）及美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（NBS）等機(jī)構(gòu)及相關(guān)學(xué)者首先從樓梯、出口、電梯這三個關(guān)鍵位置開始研究。初步仿真階段以來，建立空間模型成為固定模式，劉易斯（Lewis R）等[6]最先開發(fā)建筑模型生成器（BMG），涵蓋建筑幾何形狀和開口信息，但轉(zhuǎn)化精度及效率都存在不足，而EXODUS、FDS等軟件二次建模不便，且對模型空間和構(gòu)件信息、建筑材料參數(shù)會進(jìn)行一些簡化，影響模型可信度。進(jìn)入綜合仿真階段后，隨著建筑信息模型（BIM）的引入，王宇佳等[7]指出BIM模型提供新的交互方式，極大推動了建筑特征研究的革新。

現(xiàn)有研究從宏觀及理論角度分析建筑整體布局對行為心理的影響，對空間分隔、空間尺度、設(shè)備材料等有所涉及，但對空間的系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性考慮不足。建筑內(nèi)部關(guān)鍵的局部空間包括：特殊空間類型（中庭、展陳空間、避難層等）及空間的基本要素（出口、樓梯、走廊、緊急疏散標(biāo)志等），局部空間的研究應(yīng)納入到整體空間系統(tǒng)中進(jìn)行分析。

3.2 關(guān)于火災(zāi)特征的研究

20世紀(jì)末至21世紀(jì)初，范維澄、張和平等[8-9]基于火災(zāi)規(guī)律及翁文國等[10]基于回燃、轟燃等研究，為后續(xù)仿真模擬研究介入特殊火現(xiàn)象提供了依據(jù)。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）開發(fā)的CFAST和FDS模型，自1990年至今持續(xù)更新⑤，成為研究火災(zāi)特征的主要模型，為后續(xù)研究奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

火災(zāi)特征對人員行為心理應(yīng)急響應(yīng)主要有以下兩方面影響。第一，影響火場中人員可用安全疏散時間（ASET），李強(qiáng)等[11]運(yùn)用FDS對ASET進(jìn)行模擬，楊海潮等[12]結(jié)合蒙特卡洛方法建立了基于火災(zāi)荷載的ASET數(shù)學(xué)模型。第二，火場現(xiàn)象干擾人員行為心理，降低逃生效率，煙氣會降低視力、刺激呼吸器官，導(dǎo)致反應(yīng)能力喪失、無意識、慢速等，溫度升高將使人員疲憊感升高、造成建筑結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等，火焰及火場聲音導(dǎo)致產(chǎn)生恐懼心理、燒傷危險、阻擋疏散路徑等[13-15]，曹里（Cao L）等[16]指出火場中人員疏散方式分為三個階段：正常行走—彎腰行走—爬行。

現(xiàn)有研究涉及到視覺、觸覺及聽覺特征，主要通過對火災(zāi)逃生者及周邊知情者的問詢，結(jié)合火災(zāi)蔓延的動態(tài)模擬，其結(jié)論可靠性受限于數(shù)據(jù)真實(shí)性及數(shù)量集。結(jié)構(gòu)與構(gòu)配件的抗火設(shè)計(jì)、火災(zāi)荷載和燃燒狀態(tài)及部位、主動式與被動式防火方式都將影響煙火蔓延及人員疏散，火災(zāi)的不可模擬性導(dǎo)致研究只能是盡量接近真實(shí)狀況。

3.3 關(guān)于人群特征的研究

3.3.1 個體特征

關(guān)于影響因素，2001年肖國清等[1]總結(jié)出因個人慣性行為、等待心理，指出火災(zāi)危險狀況的不確定將增加導(dǎo)致疏散延遲；2019年沙欣（?ahin C）等[17]指出生理因素包括位置、年齡、速度、視力、體重、性別、健康狀況等，心理因素包括反應(yīng)時間、環(huán)境知識水平、經(jīng)驗(yàn)、感覺（如神經(jīng)質(zhì)、幸福、憤怒）等，社會因素包括社會角色、協(xié)作能力等，較完整地匯總了影響因素。閻衛(wèi)東、張培紅、陳長坤等學(xué)者則通過問卷調(diào)查、建立評估指標(biāo)對以上因素的影響進(jìn)行定性、定量分析，充實(shí)行為數(shù)據(jù)庫[18-20]。

關(guān)于疏散模型，格溫（Gwynne S）等（1999年）[21]及肖國清等（2004年）[22]總結(jié)人的行為動力學(xué)模型，推動疏散模型的廣泛運(yùn)用；2007年鄔劍明等[23]總結(jié)個人的行為心理特點(diǎn)：從眾、回避、趨光、歸巢、走捷徑、超常發(fā)揮、絕望行動等，指出疏散行為屬于不連續(xù)、非線性、隨機(jī)性的規(guī)律，為優(yōu)化疏散模型提供理論參考。早期仿真對不同個體特征（尤其是心理特征）考慮不足，近年來大量研究致力于完善智能體的異質(zhì)性。楊立中[24]系統(tǒng)介紹了CA模型模擬從眾、親情、出口選擇等行為的方法；舍費(fèi)爾（Sch?fer C）等[25]通過角色（Persona）方法更精細(xì)地描述個體特征；曹夢曉（Cao M X）等[26]提出P-SIS情緒感染模型；傅志堅(jiān)（Fu Z J）等[27]提出一種離散場CA模型，集成人員異質(zhì)性、各向異性和時間依賴性特征。

火災(zāi)中的人員傷亡既可能是災(zāi)難本身造成的，又可能是不恰當(dāng)?shù)氖枭⑿袨樵斐傻??；馂?zāi)中總會有人試圖穿過煙霧，甚至選擇跳樓，而不是選擇庇護(hù)或等待救援，疏散效率存在個體差異，兒童、老人及殘障者的疏散行為往往也不符合預(yù)設(shè)的情形。個體特異性研究仍在起步階段，需要綜合的、詳細(xì)的、差異性的人員行為心理數(shù)據(jù)庫來支撐系統(tǒng)研究。

3.3.2 群體特征

20世紀(jì)初鄔劍明、張樹平等[23,28]指出在火災(zāi)中個體的行為心理會相互影響，火災(zāi)中的群集屬于無序群集現(xiàn)象。群體行為包括羊群行為、合作、競爭、排隊(duì)、領(lǐng)導(dǎo)者—追隨者行為等，綜合仿真階段，邱發(fā)盛（Qiu F S）、阿吉雷（Aguirre B E）、施家城等[29-31]通過定義不同群體展開對比研究并分析群體間的相互作用；洛夫雷利奧（Lovreglio R）等致力于羊群行為的研究，提出基于離散選擇的行為模型以突出人員異質(zhì)性，基于隨機(jī)效應(yīng)理論引入行為不確定性[32-33]；方解石（Fang J S）等基于標(biāo)量場方法（scalar field method，SFM）充分模擬群體行為中的多種社會關(guān)系[34-35]。

密度是群體行為研究中的重要依據(jù)，研究表明當(dāng)最大密度達(dá)到約7人/㎡時人群流動將停滯，擁堵將加劇恐慌，恐慌情況下的人員選擇移動到高密度地點(diǎn)而不是移動到目的地，高密度區(qū)域成為疏散瓶頸[36-37]。2002年赫爾賓（Helbing D）等[38]指出在中等和高密度區(qū)域人的運(yùn)動與流體運(yùn)動相似，提出以介觀模型（介于宏觀與微觀模型之間）對人流密度進(jìn)行分析，此后涌現(xiàn)了大量的介觀行人運(yùn)動模型[39-41]；2014年霍斯金斯（Hoskins B L）等[42]提出流動單元的概念，糾正僅基于總密度預(yù)測運(yùn)動時間的局限性。

群體行為心理的研究較為全面，但對各類群體相互影響的情況研究較少，需進(jìn)一步研究不同群體及群體成員之間的影響。人群安全是由最大發(fā)生密度決定，而不是由平均密度決定，了解極端密度下的人群行為和風(fēng)險狀況對于開發(fā)有效的仿真預(yù)測模型至關(guān)重要，現(xiàn)在人群仿真模擬可引用的數(shù)據(jù)庫相對滯后，缺少更新的統(tǒng)計(jì)。

3.4 關(guān)于管理特征的研究

3.4.1 安全教育與疏散演習(xí)

建筑中人員的隨機(jī)性很大，對空間的熟悉度不夠，因此應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)安全教育和疏散演習(xí)。疏散演習(xí)自定性研究階段延續(xù)至今，多采用預(yù)設(shè)場景不定時發(fā)出警報(bào)通知的方式，在零售商店、工業(yè)公司、酒店等火災(zāi)隱患較大的地點(diǎn)進(jìn)行演習(xí)[43-45]。進(jìn)入初步仿真階段后，施乃中（Shih N J）等（2000年）[46]及張培紅等（2002年）[47]指出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）可作為疏散演習(xí)和應(yīng)急決策的一種新型工具。近年來，馮哲楠（Feng Z N）、卡基羅格魯（?akiro?lu ü）等[48-49]辯證探討基于VR的行為技能培訓(xùn)與現(xiàn)實(shí)運(yùn)用的可行性，推動VR演習(xí)的發(fā)展。

通過傳統(tǒng)方法（如視頻、海報(bào)、課程或疏散演習(xí)）對人員進(jìn)行培訓(xùn)無法有效地傳播應(yīng)急響應(yīng)知識和信息，因?yàn)椋菏紫仁枭⒀萘?xí)后通常不會向參與者提供評估其疏散行為的反饋；其次，疏散演習(xí)無法模擬火災(zāi)狀態(tài)；再次，無法容納大量人群共同參與演習(xí)。目前，基于VR的演習(xí)在模擬環(huán)境的真實(shí)性、沉浸性等方面仍存在不足。

3.4.2 應(yīng)急預(yù)案與管理平臺

進(jìn)入綜合仿真階段后，大數(shù)據(jù)研究為火災(zāi)應(yīng)急管理提供了巨大機(jī)遇。戈比爾（Gorbil G）、格倫貝（Gelenbe E）等[50-51]使用傳感器網(wǎng)絡(luò)、通信和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來指導(dǎo)決策的自主緊急支持系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)訊息實(shí)時傳遞。2016年以來，王佳、王宇佳等[52,7]系統(tǒng)地闡明BIM用于消防疏散應(yīng)急管理的方式，指出基于建筑工程數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)（IFC）可與多平臺交互，結(jié)合網(wǎng)頁圖形庫(Web GL)、VR插件，可實(shí)現(xiàn)可視化展示及沉浸式漫游，支撐建立實(shí)時動態(tài)的消防管理平臺。

應(yīng)用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)，建立包括消防設(shè)施綜合管理平臺、智能消防信息管理平臺、自主緊急支持系統(tǒng)平臺等在內(nèi)的3D動態(tài)消防管理平臺，能夠?qū)崟r反饋火場信息和指導(dǎo)人員疏散救援，有效支撐消防應(yīng)急預(yù)案及救援指揮的發(fā)展，這是管理特征未來研究的重要方向。目前相關(guān)研究與實(shí)踐仍處于初步階段，對應(yīng)急疏散行為心理帶來影響的研究也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。

4 多因素作用下的建筑火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)行為研究

建筑、火災(zāi)、人群和管理特征共同作用于人的應(yīng)急疏散，厘清聯(lián)動性影響并分析其耦合作用是綜合仿真階段研究發(fā)展的重要方向。

4.1 耦合研究的成果

4.1.1 建筑特征及火災(zāi)特征的耦合研究

此類研究一般限定在某一特定建筑內(nèi)，運(yùn)用CFD數(shù)值模擬對各類火災(zāi)場景進(jìn)行整體仿真，相關(guān)研究已涵蓋多種建筑類型。地上建筑類型較多，不同類型建筑有其典型的火災(zāi)特征。第一，（超）高層建筑的樓梯間、電梯井、中庭等豎向連通空間煙囪效應(yīng)強(qiáng)；第二，人員密集的大型公共建筑（包括商場市場、體育場館、交通樞紐站等）存在封閉的高大空間；第三，倉儲建筑常儲藏大量易燃易爆品；第四，古建筑多為木結(jié)構(gòu)或磚木混合結(jié)構(gòu)。許曉元（Xu X Y）、許俊斌（Xu J B）、田垚等通過設(shè)置特定建筑的空間形狀、通風(fēng)條件、放熱率等要素進(jìn)行模擬，對建筑內(nèi)部設(shè)置、人員疏散計(jì)劃提出指導(dǎo)性意見[53-55]。

地下建筑以地鐵站的研究為主，少量涉及地下商場。地下建筑發(fā)生火災(zāi)時，煙霧蔓延與人員疏散方向相同，能見度對人員行為起主導(dǎo)作用，劉容（Liu R）等[56]使用地面場元胞自動機(jī)（FFCA）模型集成可見性影響模擬向上疏散過程；根據(jù)煙氣蔓延模擬，塚原學(xué)（Tsukahara M）、楊賀明等[57-58]均提出地下建筑疏散應(yīng)增加新的疏散渠道，如增設(shè)一層地下室、下沉式廣場及避難走道等。

建筑特征、火災(zāi)特征的耦合研究對于場景的模擬尤為關(guān)注，不同建筑環(huán)境中火及煙氣的運(yùn)動方式不同，多通過對建筑場地基礎(chǔ)信息的搜集建立建筑模型，求解火災(zāi)過程中狀態(tài)參數(shù)的時間分布及其隨時間變化模式，將環(huán)境物理因素耦合量化。

4.1.2 建筑特征及人群特征的耦合研究

在醫(yī)院、老年人建筑、中小學(xué)校等特殊建筑類型中，人員包括乘坐輪椅、行動不便和耐力較低的人，部分人員無法自主逃生或步行逃生，建筑內(nèi)部疏散障礙較多。王德強(qiáng)等[59]發(fā)現(xiàn)骨科樓層疏散過程會出現(xiàn)間歇性人流，兒科樓層人員速度受背抱小孩的影響；王寓哲等[60]研究表明老年人反應(yīng)時間長且樓梯行動不便，疏散路徑不宜過長；漢密爾頓（Hamilton G N）等[61]指出4—12歲的孩子需要在成人幫助下疏散，在樓梯上年齡小的孩子移動更慢。

建筑局部空間內(nèi)人員的疏散行為心理受人群特征影響較大，林（Lam J H T）、朗奇（Ronchi E）、佐野友紀(jì)（Sano T）等[62-64]將樓梯空間與人群的年齡、性別、職業(yè)、疲勞及行人合并率等結(jié)合建立疏散模型；劉少博（Liu S B）、施曉蒙（Shi X M）等[65-66]研究表明出口位置人群密度大時易出現(xiàn)排隊(duì)、成群、拱起和堵塞現(xiàn)象；奧蘭德（Olander J）、耶努穆拉（Yenumula K）等[67-68]結(jié)合人群接受度設(shè)計(jì)勸阻型、引導(dǎo)型標(biāo)志系統(tǒng)。現(xiàn)有研究多綜合建筑物布局、安全出口、樓電梯、建筑內(nèi)障礙物等建筑特征以及身體素質(zhì)、運(yùn)動特性、反應(yīng)時間、對逃生路線的選擇、逃生速度、上下樓梯能力等人群特征進(jìn)行研究。

4.1.3 建筑特征、火災(zāi)特征及人群特征的耦合研究

實(shí)際案例反映出多因素耦合作用的影響，現(xiàn)有成果對實(shí)際案例的研究較少且較淺顯。英國世界貿(mào)易中心（WTC）項(xiàng)目收集了行為心理相關(guān)的詳細(xì)信息，整理和存檔在相關(guān)的高層疏散評估數(shù)據(jù)庫（HEED）中，據(jù)此，麥康奈爾（McConnell N C）等[69]分析了驗(yàn)證、決策階段的行為心理及影響因素，格爾森（Gershon R R M）等[70]補(bǔ)充了行為階段的研究。該數(shù)據(jù)庫僅收集少量建筑、火災(zāi)特征的信息，更多是針對人群特征的信息，不利于深入的耦合研究。

近年來，為了耦合三種特征的影響，相關(guān)研究綜合建筑特征及火災(zāi)特征的影響，將其轉(zhuǎn)換為影響因子，并在仿真模擬時考慮人群特征的差異性。裴成龍（Bae S）、卡利恩多（Caliendo C）等[71-72]通過同時模擬火災(zāi)和疏散情況耦合建筑空間、人群特征、人與煙之間的相互作用力，能夠直觀展現(xiàn)火災(zāi)場景中的人員行為。

4.2 耦合研究的方法

4.2.1 影響因素?cái)?shù)據(jù)收集

通過對災(zāi)后人員的問卷調(diào)查，可以獲得真實(shí)的應(yīng)急響應(yīng)行為心理及其影響因素?cái)?shù)據(jù)，但大多數(shù)調(diào)查因人力、物力及時間因素的限制，缺乏系統(tǒng)性、完整性。迄今為止最為系統(tǒng)的是WTC火災(zāi)調(diào)查，美國NIST自2002—2008年持續(xù)開展WTC火災(zāi)調(diào)查并發(fā)布研究報(bào)告，英國WTC項(xiàng)目則建立了HEED數(shù)據(jù)庫，更有利于統(tǒng)計(jì)分析。由于不能采取真實(shí)實(shí)驗(yàn)手段收集火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)相關(guān)數(shù)據(jù)，疏散演習(xí)在長時間內(nèi)是收集行為數(shù)據(jù)的重要手段[43,45]，或通過實(shí)驗(yàn)、數(shù)學(xué)建模分析及相關(guān)軟件模擬來收集理論數(shù)據(jù)[8-10]。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段不能充分模擬火場環(huán)境，尤其不能模擬火的特征，因此實(shí)驗(yàn)中人員行為心理的真實(shí)性存疑。21世紀(jì)初采用VR進(jìn)行消防實(shí)驗(yàn)[48-49]，模擬各種不可見的因素如有毒氣體和熱量等、可見因素如煙霧和火焰等，人員通過頭戴式顯示器（HMD）或基于投影的顯示器（PBD）沉浸于虛擬環(huán)境中，能夠真實(shí)反應(yīng)人員應(yīng)急狀態(tài)下的行為心理，非常適合相關(guān)數(shù)據(jù)的收集。

4.2.2 應(yīng)急響應(yīng)行為仿真模擬

仿真模擬最大的挑戰(zhàn)是找到一種方法來模擬火災(zāi)真實(shí)場景，并準(zhǔn)確模擬個體和群體的行為，針對四方面特征的主要模型總結(jié)于下表（表2）。隨著計(jì)算能力的提高和研究深入，多因素逐漸納入耦合作用下的仿真，2009年帶有疏散模塊的FDS5.0版本（FDS+EVAC）發(fā)布，2010年唐方勤等[73]首先設(shè)計(jì)了GIS模型至FDS模型的轉(zhuǎn)換接口，實(shí)現(xiàn)場景中火場、建筑環(huán)境、人員等要素的綜合描述，之后FDS與Pathfinder、STEPS等軟件耦合分析逐漸增多[72,74-75]。近年研究重點(diǎn)在于如何更加詳細(xì)考慮人群行為，并與火災(zāi)場景綜合仿真，CA模型的廣泛發(fā)展更好地定義了人群行為[27,76-77]，2018年夏爾馬（Sharma S）等[78]將遺傳算法（GA）與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）和模糊邏輯（FL）結(jié)合起來，建立具有獨(dú)立性、合作性和學(xué)習(xí)性等特征的新型智能體，此外，還可納入決策理論及博弈論研究個體之間的決策交互作用[79]；2019年馬爾祖克（Marzouk M）等[80]將3D建模與基于Agent的模擬（ABS）和決策支持工具集成實(shí)現(xiàn)3D可視化，米拉哈迪（Mirahadi F）等[81]提出的EvacuSafe框架集成了BIM、ABS和火災(zāi)動態(tài)模擬。

表2 基于四個特征的仿真模型Tab.2 the simulation model based on four features

疏散動力學(xué)從與工程學(xué)及建筑學(xué)結(jié)合，拓展到與社會心理學(xué)等領(lǐng)域。仿真模型最廣泛采用的方法是將人員行為相關(guān)模型與代表物理特性的空間模型相結(jié)合，未來仿真模型的研究目標(biāo)是建立能夠量化火場溫度、煙氣蔓延等數(shù)據(jù)的建筑環(huán)境模型，結(jié)合人群的社會屬性，基于綜合影響的耦合反映出群體的應(yīng)急響應(yīng)效應(yīng)，盡量實(shí)現(xiàn)接近真實(shí)火災(zāi)場景的疏散模擬（圖3）。

圖3 研究方法的發(fā)展歷程Fig.3 the development of research methods

4.3 小結(jié)

現(xiàn)有多因素耦合研究多關(guān)注于火勢發(fā)展與人群在特殊建筑或空間中的表現(xiàn)，盡管逐漸綜合建筑、火災(zāi)、人群三方面特征進(jìn)行研究，也更貼近真實(shí)火場狀況，但鮮有將管理特征納入火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)行為的系統(tǒng)研究。未來研究大致存在兩種方向。第一，系統(tǒng)研究一些代表性影響因素的相互作用，與基于單一特征的研究成果一起納入影響因素?cái)?shù)據(jù)庫，逐步建立綜合完善的數(shù)據(jù)庫以支撐仿真模擬。第二，普適性研究進(jìn)一步向精確性研究轉(zhuǎn)變，充分利用各影響因素差異性及耦合作用的相關(guān)研究成果，針對特定建筑進(jìn)行分析，以表達(dá)真實(shí)的建筑火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)情形，更準(zhǔn)確地定義人群行為，優(yōu)化安全策略并制定應(yīng)急預(yù)案。

5 結(jié)論與討論

5.1 細(xì)化研究應(yīng)急響應(yīng)各階段的行為特征

人員的火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)過程包括驗(yàn)證階段、決策階段和行動階段。現(xiàn)有研究大多針對行動階段采取仿真研究，未能真正從起火到成功逃生的全過程進(jìn)行模擬，也無法反映全過程人員行為心理的差異性特征和相關(guān)影響因素。后續(xù)研究可以針對性地選擇各階段主要影響因素進(jìn)行模擬，細(xì)化掌握各階段的特異性行為心理，尤其是對群體行為特征有更清晰的認(rèn)知，針對性地在建筑設(shè)計(jì)及制定應(yīng)急疏散預(yù)案時采取相應(yīng)措施，才能更有效地提高安全疏散效率。

5.2 擴(kuò)展完善建筑火災(zāi)影響因素?cái)?shù)據(jù)庫

通過建立科學(xué)系統(tǒng)、綜合化的火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)數(shù)據(jù)庫，將影響因素與行為心理的對應(yīng)關(guān)系納入數(shù)據(jù)庫，進(jìn)一步細(xì)化仿真模型，才能更加真實(shí)準(zhǔn)確地反映建筑火災(zāi)場景與疏散行為。第一，針對建筑、火災(zāi)、人群、管理四方面特征的研究仍存在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量及準(zhǔn)確性不足的問題，應(yīng)當(dāng)注重實(shí)際案例的調(diào)查統(tǒng)計(jì)以獲得最真實(shí)的數(shù)據(jù)，結(jié)合VR演習(xí)或?qū)嵉匮萘?xí)以補(bǔ)充各類數(shù)據(jù)。第二，各影響因素研究存在缺失，應(yīng)加強(qiáng)建筑物設(shè)備設(shè)施、火災(zāi)荷載、各類人群、建立疏散引導(dǎo)小組、編制疏散單元及制定預(yù)案、管理平臺實(shí)時反饋等方面的研究，加強(qiáng)各因素對應(yīng)急響應(yīng)行為心理影響的量化分析，將不同因素的耦合作用納入數(shù)據(jù)庫。

5.3 深化研究影響因素的耦合作用機(jī)制

真實(shí)的火場現(xiàn)象呈現(xiàn)出人與人、人與環(huán)境之間的復(fù)雜作用，在不同情況下呈現(xiàn)出不同的耦合作用，耦合作用的研究還需大量的分析驗(yàn)證。建筑、火災(zāi)特征的研究應(yīng)結(jié)合火災(zāi)發(fā)展過程中自動滅火、防煙排煙的真實(shí)模擬，以及人群構(gòu)成與分布、建筑類型、空間分隔、煙火蔓延及管理措施等因素的綜合作用，其中任何變量都將導(dǎo)致耦合作用的結(jié)果發(fā)生根本變化。研究多因素耦合作用的差異性與系統(tǒng)性，由單一變量向多變量研究發(fā)展，形成全局聯(lián)動的綜合仿真，才能進(jìn)一步提升研究的科學(xué)性、真實(shí)性。

5.4 推動精細(xì)化仿真模型的應(yīng)用與發(fā)展

仿真模擬作為最直觀的、最準(zhǔn)確的安全疏散研究方式，已被運(yùn)用于各類建筑火災(zāi)研究并成為國內(nèi)外研究的主流方式，3D建模結(jié)合基于具有社會力影響的智能體（Agent）建立的精細(xì)化仿真模型具有極大的發(fā)展?jié)摿?。推動仿真模型集成建筑、火?zāi)、人群、管理多因素作用，優(yōu)化建模邏輯與方式，不斷優(yōu)化精細(xì)化仿真模型，實(shí)現(xiàn)安全疏散仿真模擬的直觀性、交互性，才能更科學(xué)地揭示應(yīng)急響應(yīng)過程各階段人員行為心理及疏散規(guī)律，從而應(yīng)用于建筑火災(zāi)風(fēng)險評估、安全疏散設(shè)計(jì)、制定預(yù)案與輔助決策系統(tǒng)、實(shí)時消防管理平臺等領(lǐng)域。

圖表來源：

圖1-3：作者繪制

表1：作者根據(jù)穆娜娜, 肖國清, 陳論理.建筑物火災(zāi)疏散中人的行為可靠性評價[J].火災(zāi)科學(xué), 2013(3): 64-67; KOBES M, HELSLOOT I, VRIES B D,et al.Building Safety and Human Behaviour in Fire: A Literature Review[J].Fire Safety Journal 2010, 45: 1-11.整理繪制

表2：作者繪制，其中人群模型分類參考.ZHENG X P, ZHONG T K, LIU M T.Modeling Crowd Evacuation of a Building Based on Seven Methodological Approaches[J].Building and Environment, 2009, 44 (3):437–445.

注釋：

① 王在東、郭子?xùn)|將此文編譯為中文，譯作《火災(zāi)中建筑安全及人的行為研究綜述》，發(fā)表于《消防技術(shù)與產(chǎn)品信息》2012年第6期。

② 行為心理學(xué)20世紀(jì)初起源于美國，其創(chuàng)始人華生（Watson J B）認(rèn)為“心理學(xué)不應(yīng)該研究意識，只應(yīng)該研究行為”，1930年起以托爾曼（Tolman E C）為代表的學(xué)者修正了華盛頓（Watson J B）的行為心理學(xué)，提出新行為主義理論，肯定了意識與行為的關(guān)聯(lián)性與重要性。

③ 由美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（NBS，于1988年成為美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST））主辦，于1974年、1978年在華盛頓（Washington D.C.）分別召開了1—2屆“人在火災(zāi)中行為（International Seminar on Human Behavior in Fire Emergencies）”的國際討論會。

④ 由英國跨學(xué)科通訊有限公司（Interscience Communications Ltd，UK）主辦，于1998年（貝爾法斯特）、2001年（波士頓）、2004年（貝爾法斯特）、2009年（劍橋）、2012年（劍橋）、2015年（劍橋）分別召開了1—6屆“火災(zāi)中的人類行為國際研討會（International Symposium on Human Behaviour in Fire）”。

⑤ 20世紀(jì)80年代以來，大量火災(zāi)煙氣數(shù)據(jù)模型涌現(xiàn)，1992年弗里德曼（Friedman R）首先將國際上62種模型劃分為場模型（field model）、區(qū)域模型（zone model）和網(wǎng)絡(luò)模型（net model），2003年奧列尼克（Olenick S M）等完成對該工作的更新，并在互聯(lián)網(wǎng)（the Internet）上建立了公開的火災(zāi)煙氣模型的資料庫，但研究表明大量模型由于缺乏后續(xù)資金投入，沒能得到維護(hù)與發(fā)展。