人群擁擠碰撞訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計

劉海生，劉曉雯，蘇海龍，韓 麗，韓亞麗

(1.唐山學(xué)院 a.機(jī)電工程學(xué)院，b.河北省智能裝備數(shù)字化設(shè)計及過程仿真重點實驗室，河北 唐山 063000； 2.中國一拖集團(tuán)有限公司，河南 洛陽 471004；3.中國一拖集團(tuán)柴油機(jī)公司，河南 洛陽 471004； 4.機(jī)械工業(yè)部第四設(shè)計研究院，河南 洛陽 471004)

0 引言

公共場所或大型活動現(xiàn)場往往人流密集，極易造成個體間的擁擠碰撞，甚至導(dǎo)致突發(fā)踩踏事故[1-2]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對此類問題做了多方面研究，但主要集中在利用虛擬仿真技術(shù)建立監(jiān)測機(jī)制進(jìn)行風(fēng)險評估、人群的擁擠機(jī)理及群集行為特性研究、對碰撞個體進(jìn)行建模和仿真分析三個方面[3-5]，而對實訓(xùn)訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)卻鮮少研究。

本文研發(fā)了一套供保安等相關(guān)人員訓(xùn)練使用的實戰(zhàn)化訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)可近似真實地模擬人群流動及擁擠碰撞的不同狀態(tài)，受訓(xùn)者可利用該系統(tǒng)訓(xùn)練自身在人群擁擠碰撞情況下自我防護(hù)及引導(dǎo)疏散和實施營救的能力?；谠撓到y(tǒng)研究得出不同擁擠狀況下的碰撞規(guī)律，并通過實驗驗證了仿真結(jié)果的合理性。

1 總體方案

人群擁擠碰撞訓(xùn)練系統(tǒng)方案如圖1所示。該系統(tǒng)主要由主體框架、架空軌道、輸送機(jī)構(gòu)、吊具、轉(zhuǎn)向裝置、驅(qū)動裝置、安全裝置、擬人沙袋及控制器組成，最大外形尺寸為21 m×13 m。

1.架空軌道；2.支撐立柱

1.主體框架；2.架空軌道；3.擬人沙袋 4.輸送機(jī)構(gòu)；5.吊具

系統(tǒng)主體框架采用雙坡屋面鋼架結(jié)構(gòu)，由間距5.1 m布置的10根支撐立柱、立柱連接梁、5套鋼屋架、軌道安裝梁及7環(huán)S形架空軌道組成。輸送結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動裝置安裝在架空軌道上，擬人沙袋通過吊具固定在輸送機(jī)構(gòu)的牽引鏈條上，并通過變頻調(diào)速器控制其運行速度，沙袋可前后左右搖擺從而產(chǎn)生側(cè)向力，與轉(zhuǎn)向裝置相結(jié)合，模擬人群突然啟動、即停、前進(jìn)、后退、加速、減速、同向和對沖等運動狀態(tài)。

2 碰撞分析

2.1 碰撞初始條件設(shè)定

根據(jù)中國成年男、女平均身高分別為1 671 mm和1 586 mm，體重分別為66.2 kg和57.3 kg[6]，選取高1 600 mm，質(zhì)量60 kg的擬人沙袋，并將其三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件LS-DYNA模塊，設(shè)置沙袋質(zhì)量60 kg、密度520.3 kg/m3、自由網(wǎng)格劃分、施加重力加速度。

根據(jù)擬人沙袋重60 kg，高1 600 mm及實際訓(xùn)練基本速度要求，施加給沙袋A的撞擊速度分別為0.33 m/s，2 m/s，4 m/s，沙袋B設(shè)置為靜止，碰撞方式為勻速。

2.2 速度分析

當(dāng)0.1 s內(nèi)沙袋A分別以0.33 m/s，2 m/s，4 m/s的速度碰撞沙袋B時，兩沙袋的速度波動如圖2和圖3所示。

(a)v=0.33 m/s

(b)v=2 m/s

(c)v=4 m/s圖2 0.1 s內(nèi)沙袋A的碰撞速度波動

(a)v=0.33 m/s

(b)v=2 m/s

(c)v=4 m/s圖3 0.1 s內(nèi)沙袋B的碰撞速度波動

由圖2可知，A，B兩沙袋相撞后，運動沙袋A的速度迅速下降并呈波浪式變化，平均速度趨近于定值；并且可知沙袋A的初始速度越大，碰撞后的速度波動量也越大。

由圖3可知，沙袋B被沙袋A碰撞后，速度迅速加快，最終圍繞沙袋A的初始碰撞速度上下波動并有不斷接近的趨勢，之后沙袋B還將以這個速度運行一段時間；碰撞后沙袋B的最大速度和最小速度互補(bǔ)，平均速度趨近于零。

2.3 應(yīng)力分析

三種碰撞速度下，沙袋碰撞力云圖如圖4所示。

(a)v=0.33 m/s

(b)v=2 m/s

(c)v=4 m/s圖4 不同碰撞速度下沙袋正應(yīng)力云圖

由圖4可知，速度越大，碰撞時產(chǎn)生的撞擊力越大；最小撞擊力發(fā)生在沙袋頭部，σmin=9.1×103Pa，此時碰撞速度為0.33 m/s；最大撞擊力σmax出現(xiàn)在沙袋中部，σmax=8.10×104Pa，此時碰撞速度為4 m/s。仿真結(jié)論與文獻(xiàn)[7]中“撞擊主要發(fā)生在胸部”一致。

3 實驗驗證

3.1 實驗方案及參數(shù)

實驗方案如圖5所示。擬人沙袋質(zhì)量和高度與仿真一致，質(zhì)量為60 kg，高為1 600 mm，吊裝后高度Y=2 150 mm；沙袋與撞擊點的初始水平間距為X1=0，通過計算及實驗，確定沙袋由Ⅰ位推至Ⅱ位時的水平位移X2，得到控制沙袋的擺角θ分別為15°，30°和45°時，產(chǎn)生的撞擊速度分別為0.33 m/s，2 m/s和4 m/s，與仿真速度一致；撞擊點A，B，C分別代表頭頸部、胸部和腿部，考慮撞擊主要發(fā)生在胸部，故選取撞擊點B為測量點，重復(fù)實驗3次并取沖擊力的平均值，用以研究不同碰撞速度下胸部受到的沖擊力。

圖5 實驗方案

3.2 實驗材料

實驗材料主要包括懸吊沙袋、瑞士托力多SBC-500kg稱重傳感器、XSB5-CHK1R2A1V0稱重控制器、傳感器調(diào)節(jié)固定架。3個傳感器及控制器圍繞測試中心區(qū)呈放射狀焊接在撞擊測試裝置上，如圖6所示。

(a)主視圖

(b)俯視圖圖6 撞擊測試裝置圖

3.3 現(xiàn)場實驗及測量結(jié)果

當(dāng)擺角θ=45°時現(xiàn)場實驗如圖7所示。

圖7 θ=45°時B點沖擊力測試圖

經(jīng)3次測量并取平均值，得到測量點B的沖擊速度和沖擊力，如表1和表2所示。

表1 沙袋不同角度撞擊點B的沖擊速度 m/s

表2 B點沖擊力 Pa

3.4 實驗與仿真結(jié)果對比分析

由表1可知，當(dāng)θ分別為15°，30°和45°時，撞擊點B的沖擊速度實驗值與仿真值相近。

由表2可知，測量點B碰撞力最大實驗值P1max出現(xiàn)在θ=45°時，P1max=8.51×104Pa，此時撞擊速度平均值為v=3.92 m/s，與仿真結(jié)果接近。

由圖4和表2可得θ分別為15°，30°和45°時，沙袋B點碰撞力P的實驗值與仿真值的對比結(jié)果，如表3所示。

由表3可知，測量點B沖擊力的實驗平均值接近仿真值，最大誤差為5.2%，驗證了仿真結(jié)果的合理性。

表3 B點碰撞力實驗值與仿真值對比表

美國聯(lián)邦機(jī)動車安全標(biāo)準(zhǔn)(FMVSS)指出，人的胸部單位面積耐沖擊上限為Plim=12×104Pa[8]，而沙袋單純擺動下產(chǎn)生的最大沖擊力P1max

4 結(jié)論

針對擁擠碰撞事故多發(fā)問題研發(fā)了一套供保安等相關(guān)人員訓(xùn)練使用的訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過控制擬人沙袋突然啟動、即停、前進(jìn)、后退、加速、減速、同向和對沖等運動狀態(tài)，模擬人群各種擁擠狀況下的碰撞情況?；谠撓到y(tǒng)研究了不同碰撞速度下的碰撞規(guī)律，通過仿真發(fā)現(xiàn)最大撞擊力σmax出現(xiàn)在沙袋中部，最大撞擊力值為8.10×104Pa，此時撞擊速度為4 m/s。通過實驗發(fā)現(xiàn)，沖擊力及沖擊速度的實驗平均值接近仿真值，驗證了仿真結(jié)果的合理性。