火災環(huán)境下的人員安全疏散評估

第七章火災環(huán)境下的人員安全疏散評估 ]，采用插值法得到其他坡度下的人員速度見表7.3.10。表STYLEREF2\s7.3.SEQ表\*ARABIC\s210不同坡度情況下的下樓速度統(tǒng)計樓梯坡度下樓速度(m/s)20°0.925°0.830°0.735°0.640°0.545°0.4模型中采用的建筑結(jié)構(gòu)示意如圖7.3.4所示，模擬結(jié)果主要為火災時不同坡度情況下密度－速度關(guān)系以及密度－單位寬度流量關(guān)系，從而得到了不同坡度樓梯的臨界流量值。圖7.3.5為樓梯中的對應關(guān)系，圖7.3.6則是樓梯前水平走廊走廊走廊樓梯10m10m1.6m圖STYLEREF2\s7.3.SEQ圖\*ARABIC\s24樓梯口擁塞研究額建筑結(jié)構(gòu)示意圖圖STYLEREF2\s7.3.SEQ圖\*ARABIC\s25火災時不同坡度情況下樓梯中人員的密度－速度以及密度－單位寬度流量關(guān)系圖從模擬結(jié)果可以看出，樓梯中的人員的運動特性呈現(xiàn)出與Pauls和Fruin統(tǒng)計結(jié)果一致的特性，即樓梯中的人員速度隨著密度的增大而減小，流量將隨著密度的增大而出現(xiàn)一個峰值。所不同的是，模擬結(jié)果中單位寬度流量達到峰值出現(xiàn)時密度值約為2.5～3.0人/m2，大于統(tǒng)計值的2人/m2，同時，樓梯中最大單位寬度流量為1.5人/（米秒），較0.98人/（米秒）大。由圖7.3.6可以清晰地看出，在樓梯口前的走廊上年（面）發(fā)生了擁塞現(xiàn)象，一旦擁塞現(xiàn)象發(fā)生，人員運動速度就會急劇下降，這種情況很容易引起人員的心理恐慌，因此，樓梯前的走廊設(shè)計要充分考慮一定的人員容量，使得其中的人員密度不要超過圖7.3.6中所示的臨界值（如樓梯坡度為45°時，樓梯前走廊上的臨界擁塞密度為0.8人/米2）。圖STYLEREF2\s7.3.SEQ圖\*ARABIC\s26在不同坡度樓梯前走廊中人員的密度－速度關(guān)系以及密度－單位寬度流量關(guān)系圖人員密集的公共場所，如體育場、體育館、影劇院、辦公樓等，廣泛采用十字型出口通道，針對該建筑特征的人員疏散問題，同樣采用無后退有偏隨機走動者格子氣模型對十字路口的人員疏散動力學進行了開放邊界條件下的計算和模擬[[]ChenTao,SongWeiguo,FanWeicheng,LuShouxiang.JammingTransitionofPedestrianEvacuatingFlowinCrossingExit.InHuangP,WangY,LiS,QianX.(eds.)ProgressinSafetyScienceandTechnology,Vol.III,SciencePress,Beijing,2002,507-512,[]陳濤，宋衛(wèi)國，范維澄，陸守香，十字出口寬度與人員阻塞的依賴關(guān)系及其模擬和分析，（自然科學進展）]。研究的重點是人員疏散過程中出現(xiàn)的擁塞[]ChenTao,SongWeiguo,FanWeicheng,LuShouxiang.JammingTransitionofPedestrianEvacuatingFlowinCrossingExit.InHuangP,WangY,LiS,QianX.(eds.)ProgressinSafetyScienceandTechnology,Vol.III,SciencePress,Beijing,2002,507-512[]陳濤，宋衛(wèi)國，范維澄，陸守香，十字出口寬度與人員阻塞的依賴關(guān)系及其模擬和分析，（自然科學進展）圖7.3.6（7）是十字型出口處行人流示意圖，經(jīng)向和緯向通道在虛線矩形框處相交。行人的動力學疏散模擬研究主要在L×W開放邊界條件下的格子氣中展開，其中L是經(jīng)向通道長度，W是緯向通道的長度，Wlong和Wlati分別代表經(jīng)向和緯向通道的寬度，表示可容納Wlong或Wlati個行人在通道中并行行走。WWLWlongWlati緯向通道出口通道入口A入口B入口C交界處經(jīng)向通道圖STYLEREF2\s7.3.SEQ圖\*ARABIC\s27十字型出口處的行人疏散示意圖模擬結(jié)果如圖7.3.7（8）和圖7.3.8（9）所示。圖7.3.8是當Wlati分別為10，15，20，25和30時Pcr-long與Wlong的關(guān)系曲線圖，其中帶符號的曲線為模擬結(jié)果，其余為擬合曲線，可以看出，Pcr-long與Wlong的關(guān)系滿足指數(shù)增長函數(shù)（EGF）。當Wlong較小時，對應于不同Wlati的曲線相互重疊，但隨著Wlong的增大，則由于各自的增長速度不同而彼此分離，也就是說，當Wlati愈大時，Pcr-long隨Wlong增長的速度愈慢。如圖中所示，當Pcr-long=1時，在Wlati=10的情況下Wlong約為22，而在Wlati=30的情況下Wlong約為42。圖7.3.9則顯示了當Wlati分別為10，15，20，25和30時Pcr-lati與Wlong的關(guān)系，其關(guān)系符合異速生長規(guī)則（AGL），其曲線表現(xiàn)出與圖7.3.8相似的特性，即對于較小的Wlati，Pcr-lati隨Wlong增長較快，而隨著Wlati的增加，Pcr-lati隨Wlong增長較慢。然后，Pcr-lati的增長顯然較Pcr-long平緩，且所有的Pcr-lati的值均小于0.5，這揭示出緯向通道上更容易發(fā)生堵塞。WWlongWlong≈22Wlong≈42Pcr-long圖STYLEREF2\s7.3.SEQ圖\*ARABIC\s28Pcr-long和Wlong關(guān)系的模擬結(jié)果及其指數(shù)增長擬合曲線WWlongPcr-latiPcr-lati≈0.46Pcr-lati≈0.27圖STYLEREF2\s7.3.SEQ圖\*ARABIC\s29Pcr-lati和Wlong關(guān)系的模擬結(jié)果及其異速增長擬合曲線把圖7.3.8和圖7.3.9中的橫軸Wlong改為比通道寬度W*，也就是對模擬結(jié)果作的變量代換，分別得到了圖7.3.10和圖7.3.11。不難發(fā)現(xiàn)，在作以上代換后，Pcr相對于比通道寬度具有歸一性。通過曲線擬合，分別得到了經(jīng)向和緯向的臨界邊界密度公式7.3.9和7.3.10。PPcr-longW*W*≈2.0Pcr-long≈0.1圖STYLEREF2\s7.3.SEQ圖\*ARABIC\s210Pcr-long～W*的模擬結(jié)果與曲線擬合圖PPcr-latiW*圖STYLEREF2\s7.3.SEQ圖\*ARABIC\s211Pcr-lati～W*的模擬結(jié)果與曲線擬合 （7.3.9） （7.3.10）由臨界邊界密度公式可知，十字出口人員疏散時，只有當且僅當W*大于0.483時，經(jīng)向通道上才可能出現(xiàn)人員堵塞；而與經(jīng)向通道不同，對于不同的比通道寬，緯向通道上都可能出現(xiàn)人員的堵塞現(xiàn)象。圖7.3.10和圖7.3.11中的連續(xù)曲線分別代表公式7.3.9和7.3.10值得注意的是，公式7.3.9和7.3.10中的參數(shù)a和b不是單純的擬合參數(shù)，它們同樣具有一定的物理意義。參數(shù)a是堵塞產(chǎn)生的標志，如果a≥1，則對應于極小的比通道寬W*來說，存在最大的臨界邊界密度為1/a；如果a＜1，那么只有當W*＞(1-a)/b時，人員疏散時的堵塞現(xiàn)象才可能發(fā)生。參數(shù)b則說明了臨界邊界密度Pcr對比通道寬W*的依賴程度，b的取值越大，Pcr則越小，也就是說通道上的堵塞相變越可能產(chǎn)生，相對的，較小的b表明堵塞現(xiàn)象可以通過Wlong和Wlati的合理配置而加以避免。公式7.3.9和7.3.10可以應用于建筑防火設(shè)計和火災安全評估，對于疏散通道的防火設(shè)計來說，確定了建筑中的最大人員荷載，也就知道了疏散時最大的人員密度，通過公式7.3.9和7.3.10就可以反推得到最優(yōu)化的十字疏散通道寬度Wlong和Wlati；而對于安全評估來說，給定十字疏散通道的寬度Wlong和Wlati,計算得到臨界邊界密度Pcr-long和Pcr-lati,從而得到該疏散通道的最大疏散能力，再通過與實際的人員荷載情況相比較，就能夠評估疏散設(shè)施在火災等緊急情況下是否能夠確保人員安全順暢地疏散。另外，針對火災時人員的心理行為特性和逃生行為模式，在建筑疏散結(jié)構(gòu)中還需要注意以下對策：1.在空間中設(shè)置部分火情提示裝置，使受災人員能及時正確地判斷火情，選擇正確的逃生方式，避免恐慌行為中的歸巢等現(xiàn)象的發(fā)生；2.保證疏散通道的暢通、明確，盡可能避免大量人群疏散時造成阻塞。如可使防火門開口與走廊保持同寬，避免造成疏散瓶頸，走廊地面的高差應用緩坡代替臺階，以免在擁擠時發(fā)生摔倒踐踏；3.加強走道的防煙排煙能力，增大能見度，避免不良趨光行為的發(fā)生，從而提高疏散效率，同時減少毒煙對人的傷害；4.在大空間中，合理地安排防火分區(qū)，利用中庭空間的上部建立蓄煙區(qū)，以減緩煙氣下降，有效地減少趨光和從眾行為的產(chǎn)生。安全疏散指揮與管理安全疏散指揮與管理包括制定切實可行的安全疏散應急預案以防患未然、在疏散通道中和安全出口附近設(shè)置有效的安全疏散誘導設(shè)施以及通過人員疏散演習及培訓加強人員的防災意識和檢驗安全疏散的指揮方法。緊急情況中由于人群在慌亂中發(fā)生擠壓、踩踏所釀成的重大人員傷亡事故屢有發(fā)生，如火災。當然，此類慘劇也不僅僅發(fā)生在火災中，它還常常發(fā)生在體育集會、宗教集會和搖滾音樂會上，嚴重的傷亡多發(fā)生在入場、集會中或疏散過程中。每一次慘劇的釀成都會伴隨著一定的疏散指揮與管理方法的完善，甚至出臺相關(guān)的標準和規(guī)范，如1971年發(fā)生在格拉斯哥IbroxPark的66名足球球迷在樓梯上被踩死的慘劇促成了1976年英國內(nèi)政部頒發(fā)了體育場場地標準；1980年美國辛辛那提市發(fā)生了在等候進入搖滾音樂會會場的過程中11名人員被擠踩死的慘案發(fā)生后，辛辛那提市成立了專門委員會，美國NBS還主持召開專家會議。英國在對發(fā)生在布魯塞爾、塞菲爾德的Bradford露天運動場火災人員被擠踩傷亡事故的開展問卷調(diào)查后，促成了《人群安全工程》書籍的出版發(fā)行。2002年5月1日，《機關(guān)、團體、企業(yè)、事業(yè)單位消防安全管理規(guī)定》（簡稱61號令）在我國正式施行，從而對各單位自身的消防安全管理提出了明確要求。通過消防部門和單位相互協(xié)助完成消防管理、防火檢查、火災隱患整改、消防教育培訓、疏散預案制定等消防安全事項，從而逐步建立“隱患自除，責任自負，風險自擔”的社會化消防安全管理機制。安全疏散指揮與管理一般應該圍繞以下幾點展開：一、火災發(fā)生時立即安撫、平靜火場中人員，避免混亂局面造成，同時進行初期撲救。在組織疏散時，應當號召火場中人員相互救助，并注意阻止某些人員因貪戀財物、趁火打劫而重返火場；二、負責疏散的工作人員應立即指揮火場中人員就近逃生，而非局限于安全通道。在通過安全通道時，工作人員應竭力維持好秩序，以保證疏散人員迅速通過；三、如發(fā)現(xiàn)人員跌倒應立即上前扶助，以保證后面疏散人員的順暢通行；如有人員身體著火應立即采取相應措施上前撲救，切勿因此發(fā)生驚慌混亂局面；而一旦有人員應（因）煙霧或氣體中毒，應首先幫助其脫離火場，并呼叫救助；四、工作人員在離開火場后應帶領(lǐng)人員迅速尋找避難場所，以確保人員安全，并迅速協(xié)助其他救火人員的撲救工作；五、在包含有大量不熟悉疏散通道和設(shè)施的公共場所（如旅館），要求在顯眼部位有明確的疏散指示圖。在安全疏散預案和管理指揮方法落實的情況下，對工作人員要進行防火安全疏散預案的學習，并定期進行人員疏散演習訓練，尤其是在人員密集的公共場所，包括地鐵站、學校、高層綜合建筑等，從而培養(yǎng)群眾的安全防范意識，提高自救自護能力，減少在突發(fā)事故時的人員損傷，盡可能避免群死群傷事件的發(fā)生。人員安全疏散必需時間（RSET）的計算人員安全疏散必需時間（RSET）的計算首先要掌握建筑中疏散通道和疏散出口的設(shè)置，審核建筑的疏散距離，其次需要準確估算建筑中的人員荷載，然后是針對特定的建筑特性和其中的人員特性，適當?shù)赝扑闫浒踩枭蕚鋾r間，最后才是通過經(jīng)驗公式或者疏散模型確定人員安全疏散運動時間。由于建筑結(jié)構(gòu)中的疏散通道和出口相對固定，人員荷載的準確估算則顯得較為重要，不同的建筑有不同人員荷載核算方法，其中以公共娛樂和聚集場所的人員荷載的核算最為復雜。以商場為例，商場營業(yè)廳內(nèi)的人員荷載不僅與該商場所在國家、地區(qū)、地段以及商場的類型和使用性質(zhì)等因素關(guān)系較大，而且對于同一商場，其最大人員荷載還受其平面布置、空間布局、營業(yè)廳的使用面積以及商品的配置等因素的影響。詳細的商場內(nèi)的人員荷載的核算可以參考《商店建筑設(shè)計規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定以及經(jīng)建生、倪照鵬等“商店建筑中消防安全疏散人數(shù)的計算方法”。經(jīng)驗公式和疏散模型是建立在對非緊急事件地點的人員運動而得來的方程上，這些方法最初來源自SFPEHandbook和NFPA防火手冊。經(jīng)驗公式一、Togawa公式Togawa經(jīng)驗公式主要應用于人員密集的公共場所的工程計算，如公式7.4.1。該公式中包括兩個時間要素，即人流時間和穿行時間。在工程計算中，如將人群距最近的門的距離表示為Ks，人群的步行速度表示為V，那么可以運用以下公式求出tmove，設(shè)定當隊列中的第一名疏散對象抵達該出口后，隊列的疏散是連貫的。 （7.4.1）其中：C表示通過疏散門的單位流量（人/ms）；Na表示疏散總?cè)藬?shù)；tmove表示疏散運動時間；Ks表示最后一道門距疏散隊列之首的距離（m）；V表示人群的步行速度。運用公式7.4.1可以方便地計算廣泛采用樓梯的建筑物的最短疏散時間。例如，一幢設(shè)有兩座出口流體（樓梯）間（有效寬度均為0.8m）的高層辦公樓，實際人員數(shù)為1000人。假設(shè)第一個人自他的辦公位置向同一層面上的出口疏散時，至出口樓梯間的距離為40m（即假設(shè)出口離其辦公位置較近）。那么，在本案例中進行建筑物的未加控制的安全疏散時，設(shè)定樓梯有效寬度內(nèi)的平均流量為1.1人/ms，并設(shè)未受阻的速度為1.0m/s（沿樓梯斜面）是合理的。于是，人流時間為455秒，穿行時間為40秒，則最短疏散時間為495秒或8.25分鐘。二、Melinek和Booth公式由Melinek和Booth提出的人員疏散經(jīng)驗公式主要用來計算高層建筑的最短總體疏散時間。公式中考慮兩個不同的情況：（1）人口密度較低的建筑物中，兩樓層之間的穿行時間大于同一層樓上的所有人進入出口的人流時間；（2）人口密度較高的建筑物中，人員從同一樓層進入出口的人流時間大于樓層間的穿行時間。將多層建筑視作一簡易模型，并假設(shè)所有建筑物中待疏散人員均等候在出口樓梯處，然后開始疏散，離開地面層的人并不會降低從上面樓層下來的人流速率。Melinek和Booth的經(jīng)驗公式中的安全疏散時間由人流之間（時間）和穿行時間兩部分時間（組成），其中人流時間表示人群經(jīng)過樓梯的排隊等候時間，而穿行時間則是指人員穿過樓梯的時間。完整的經(jīng)驗公式如7.4.2所示： （7.4.2）其中tmove-r表示r層及以上樓層人員的最短疏散運動時間；Ni表示第i層上的人數(shù)；wr表示人第r-1層和第r層之間的樓梯間的寬度；C表示下樓梯時單位寬度的人流速率（即樓梯的通行速率）；ts為行動不受阻的人群下一層樓的時間，通常設(shè)為16秒。公式7.4.3右邊第一項為人流時間，第二項為樓梯中的穿行時間。公式7.4.2給出了tmove-r（r＝1～n）的n個值，就整幢建筑物而言，最短疏散運動時間tmove等于這些tmove-r中的最大值。如果每層樓上的人數(shù)和樓梯間寬度均相等時，那么所有r層中的Nr=N，wr＝w，式7.4.2將演變?yōu)椋? （7.4.3）若N/(wC)≥ts，那么當r＝1時，tmove-r為最大值，則： （7.4.4）若N/(wC)<ts，，那么當r＝n時，tmove-r為最大值，則： （7.4.5）人員疏散模型人員疏散模型的研究是建立在對人在正常情況和緊急情況下運動的量化研究的基礎(chǔ)之上，國內(nèi)外的研究人員開發(fā)了一系列各具特色的人員疏散模型，這些模型有其各自的適用場所。比如Fire-CAMTM使用（適用）于辦公樓及公寓樓式建筑，EXIT89使用（適用）于高層建筑，BFIRES主要針對醫(yī)療類型的建筑。人員疏散模型共有四種分類方法，分別為按照模型的應用、人員特征的表示方法、人員行為的?；椒ê湍Ｐ涂臻g的表示方法。第一種分類方法按照疏散模型的應用特征分為優(yōu)化類模型、模擬類模型和風險評估類模型。優(yōu)化類模型以EVACNET模型為代表，模型中假定人員疏散是按照最有效的方式進行，即人員特性、疏散出口流動特性和人員選擇的疏散路徑都是最佳的，而忽略了外部環(huán)境和人員的其它非疏散的行為。該模型適用于把所有人員作為整體考慮而不考慮人員個體行為的情況。模擬類模型可以表現(xiàn)實際的疏散行為和運動，不僅能得到較為準確的結(jié)果，也能較真實地反映疏散時所選擇的逃生路線和所做（作）的決定，這類模型占絕大部分，如EGRESS、SIMULEX、EXODUS、EXIT89、EXITT等模型都屬于該范疇。風險評估模型則以CRISP和WAYOUT模型為代表，它們能識別出火災時與疏散有關(guān)的危險或者事故，并能對事故風險進行量化，并通過多次重復模擬估算人員疏散中相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。第二種分類方法主要針對建筑中人員特征的表示方法：個體分析模型和群體分析模型。其中群體分析模型不考慮人員的個體特性，只是將模型中所有人作為具有共同特性的群體加以分析和模擬，這種模型包括WAYOUT、EVACNET、EXIT89等。它們在描述疏散過程時只針對大量的人群，這使得其不論在模型的理論組織還是計算速度方面都具有較大優(yōu)勢。但同時，這些模型很難模擬火災等緊急情況下的各種事件對個體的影響，如煙氣毒性對人員的影響。個體分析模型一般允許設(shè)定或由隨機方法確定模型中人員的個體特性，以模擬人員的決定和運動過程，因此，個體分析模型可以表現(xiàn)各種具有不同特性和經(jīng)歷的人的疏散方式。當然，個體分析模型中同樣包含群體行為，如模型中所有人都可以產(chǎn)生遠離火場的決定和行為。個體分析模型主要有EXITT、EXODUS、SIMULEX、CRISP、BGRAF等模型。第三種分類方法是根據(jù)模型中人員的行為決定方法分為無行為準則模型（EVACNET）、函數(shù)模擬行為模型（MAGNETMODEL）、復雜行為模型（EXIT89、SIMULEX）、基于行為準則的模型（CRISP、EXODUS）和基于人工智能的模型（EGRESS、VEGAS）。其中無行為準則的模型完全依賴人群的物理運動和建筑空間的物理表達來決定人員的疏散情況并作出相應的預測和判斷；函數(shù)模擬行為模型中人的運動和行為完全由單個或者一組方程控制，人員的運動和行為也可以對這個或這些方程有修正作用；復雜行為模型并不明確表示人員的行為決定準則，而是通過一系列統(tǒng)計數(shù)據(jù)（心理和社會的影響）含蓄地處理人員的行為；基于行為準則的模型則明確承認人員具有個體特性，允許人員按照事先確定的行為準則來作決定和運動，這些準則將在一些特殊場合下起作用（如當人員處于充滿煙氣的房間時，將通過最近的出口疏散），需要注意的是，大部分基于行為準則的模型都是隨機模型，從而改善程序的可重復性；基于人工智能的模型則把人員設(shè)計成能對周圍環(huán)境進行智能分析的智能人，從而準確地表現(xiàn)模型中人員的決定過程，但該模型削弱了用戶對模型的控制權(quán)，模擬結(jié)果的準確與否不可預見。最后一種分類方法（是）基于模型物理空間的?；椒?，把模型分為離散化模型和連續(xù)性模型兩類。下面對該分類方法下的模型作詳細介紹。一、離散化模型離散化模型把需要進行疏散計算的建筑平面空間離散為許多相鄰的小區(qū)域，同時也把疏散過程中的時間離散化以適應空間離散化?？臻g和時間離散化的優(yōu)勢大大提高了程序的運行速度，改善了計算效率。離散化模型又可以細分為粗糙網(wǎng)絡模型和精細網(wǎng)格模型1.粗糙網(wǎng)絡模型樓梯到達樓梯到達步行24s，容量87人到達容量43人n層上人員前室入口流量4.10人/s樓梯流量4.77人/s樓梯流量4.77人/sn+1層樓梯到達步行24s，容量87人到達容量43人n-1層上人員前室入口流量4.10人/s樓梯流量4.77人/s樓梯流量4.77人/sn層樓梯到達步行24s，容量87人n-1層地面層底部出口流量4.10人/s樓梯井圖STYLEREF2\s7.4.SEQ圖\*ARABIC\s21世貿(mào)大廈水力模型粗糙網(wǎng)絡模型類似于水力模型，該模型把流動人群模化為管中的水，而把建筑結(jié)構(gòu)根據(jù)其特性?；癁樾钏睾退?，這種模型傾向于最優(yōu)化居住者行為。該模型不注重詳細的建筑布局和大小，采用每個網(wǎng)格節(jié)點都可以表示一個房間或走廊，并按照建筑中的實際情況，用代表出口的弧線將這些網(wǎng)格節(jié)點連接起來，弧線上的權(quán)值表示該出口的疏散能力。在該模型中，人員只會從一個建筑結(jié)構(gòu)單元運動到另一個建筑結(jié)構(gòu)單元，而不能在同一個建筑結(jié)構(gòu)單元中作區(qū)域性移動，它不能表現(xiàn)人員疏散過程中避開障礙物等局部運動，也不能對人員之間的相互影響進行模擬。粗糙網(wǎng)絡模型包括CRISP、EVACNET、EXIT89、WAYOUT等。粗糙網(wǎng)絡模型常用來模擬高層建筑的人員疏散，圖7.4.1為日本學者Yoshida針對世貿(mào)大廈建立的模型[[]YoshidaY.AnalysisofsimulationevacuationoftheWorldTradeCenter,InFaridahShafii,RichardBukowski,RonKlemencic(eds.),TheCIB-CTBUHConferenceonTallBuildings:StrategiesforPerformanceintheAftermathoftheWorldTradeCentre,CIBTG50,Malaysia,2003]。該模型忽略[]YoshidaY.AnalysisofsimulationevacuationoftheWorldTradeYoshida的模擬結(jié)果如圖7.4.2所示，在統(tǒng)計的人員荷載情況下，WTC1的人員疏散運動時間38分鐘，WTC2相應時間為64分鐘；而當兩幢樓都是滿員的情況下，模擬的人員疏散運動時間為120分鐘。3737分21秒流出結(jié)束63分48秒流出結(jié)束5分14秒流入結(jié)束最遲發(fā)生在31層20分48秒流入結(jié)束最遲發(fā)生在99和100層流出率：2.5人/秒流出率：3.5人/秒流出暫停期流出速率減小WTC1WTC2圖STYLEREF2\s7.4.SEQ圖\*ARABIC\s22世貿(mào)大廈疏散樓梯的模型模擬結(jié)果2.精細網(wǎng)格模型精細網(wǎng)格模型把建筑平面空間劃分為瓦片狀的網(wǎng)格或者網(wǎng)點，因此，它比粗糙網(wǎng)絡模型更能準確地描述建筑平面空間。精細網(wǎng)格模型主要有EXOSUS、SIMULEX、EGRESS等模型，以及中國科學技術(shù)大學火災科學國家重點實驗室研究的元胞自動機（CellularAutomata）模型和格子氣（Lattice-gas）模型。不同的精細網(wǎng)格疏散模型采用的網(wǎng)格大小、形狀以及網(wǎng)格點的連接各不相同，如EXODUS采用0.5m×0.5m的正方形網(wǎng)格點，每個網(wǎng)格與相鄰八個網(wǎng)格點相連；SIMULEX采用0.2m×0.2m的正方形網(wǎng)格點，每個網(wǎng)格可與臨近的十六個網(wǎng)格點相連；EGRESS采用六邊行（形）網(wǎng)格點，每個網(wǎng)格與相鄰六個網(wǎng)格點相連；元胞自動機模型和格子氣模型采用0.4m×0.4m的正方形網(wǎng)格點，每個網(wǎng)格與相鄰四個網(wǎng)格點相連。精細網(wǎng)格模型可以準確地表示建筑平面空間的幾何形狀及其內(nèi)部障礙物的位置，在疏散模擬過程中任一時刻模型中的每個人都有準確的位置。元胞自動機是在均勻一致的網(wǎng)格上由有限狀態(tài)的變量（或稱元胞）構(gòu)成的離散的動力系統(tǒng)。元胞自動機可以看成為無窮維動力系統(tǒng)中的一類，其特點是空間、時間和狀態(tài)都離散，同時每一個變量只取有限多個狀態(tài)。其運行規(guī)則主要有：所有元胞的狀態(tài)是同時發(fā)生變化的；同時，在時刻t+1的第i個元胞的狀態(tài)是由時刻t的第i個元胞以及相鄰的有限個元胞的狀態(tài)決定的。一般可以通過制定不同的規(guī)則來滿足實際應用的需要，例如，對于交通流問題中的最簡單的一維模型來說，它采用的規(guī)則就是Wolfram的184號初等元胞自動機。我們可以從以下幾個方面來了解元胞自動機的基本特性：1．元胞（cell）：它是元胞自動機的基本元素，每個時間步每個元胞只取有限多狀態(tài)（state）中的一個。2．網(wǎng)格（lattice）：所有的元胞都排列于空間上均勻劃分的網(wǎng)格上。通常有：一維的，如用來模擬單行道路上的交通流模型；二維的，如用于模擬城市道路網(wǎng)交通流模型或者雙向、四向的行人流模型等，以及更加復雜的三維立體模型。3．鄰域（neighborhood）：每個元胞的下一個時間步的狀態(tài)是由其鄰域內(nèi)所有元胞以及它自身當前時刻的狀態(tài)共同決定的。圖7.4.3給出了VonNeumann[[][]VonNJ,BurksAW.TheoryofSelf-reproducingAutomata.Urbana:UniversityofIllinois4．時間步（time-step）：所有元胞的狀態(tài)是同時發(fā)生變化的。5．規(guī)則（rule）：記在時刻t第i個元胞的狀態(tài)為？，那么它在時刻t+1的狀態(tài)是由t時刻的第i個元胞以及鄰域內(nèi)的所有元胞（假設(shè)有n個）的狀態(tài)共同決定的。用公式寫出來即是 （7.4.6）其中的映射f與i和t都無關(guān)。稱f為元胞自動機的局部映射或局部規(guī)則。(a)(a)r=1(b)r=2(c)r=1(d)r=2圖STYLEREF2\s7.4.SEQ圖\*ARABIC\s23元胞自動機鄰域的定義元胞自動機是由大量簡單一致的個體通過局部聯(lián)系組成的離散、分散及空間可擴展系統(tǒng)。它最早是由VonNeuman和Ulam提出來的，起初主要用于模擬生命系統(tǒng)所具有的自復制功能。近年來人們對元胞自動機模型的興趣大增，原因是這類簡單的模型能十分方便的復制出復雜的現(xiàn)象或動態(tài)演化過程中的吸引子、自組織和混沌現(xiàn)象。因此目前元胞自動機被廣泛應用于模擬各種物理系統(tǒng)和自然現(xiàn)象，如流體運動、星系形成、生物模式形成、雪崩、交通阻塞、并行計算機、地震等等。用元胞自動機來模擬一個物理過程的優(yōu)點在于省去了用微分方程作為過渡而直接通過制定規(guī)則來模擬非線性物理現(xiàn)象。在這些實際應用中，元胞自動機模型通過簡單的微觀局部規(guī)則揭示了自然發(fā)生的宏觀行為。元胞自動機在流體力學中最重要的應用之一是元胞自動機交通流模型。其中最經(jīng)典的要算Wolfram建立的第184號元胞自動機模型。其它模型一般都是在該模型的基礎(chǔ)上進行改進以模擬更真實、復雜的情況，比較典型的有N-S模型和F-I模型。N-S模型是一個簡化的模型，其每一步都是模擬實際交通流各種特性所必需的，它為更復雜的情況或城市交通流提供了基本規(guī)則。這些模型揭示了車輛速度的非線性變化規(guī)律，再現(xiàn)了真實交通流中的阻塞、時走時停等現(xiàn)象的發(fā)展過程，成功解釋了交通流中的激波自組織臨界現(xiàn)象，在指導城市交通建設(shè)方面起到了重要的作用。對二維行人流的模擬則較為復雜。較為重要的有VictorJ.Blue和JeffreyL.Adler提出的雙向行人流模型。該模型基本上描述和解決了雙向行人運動中遇到的一些常見問題，可以用來模擬人行道上行人運動的情況。而在建筑物中人員的運動則更為復雜一些，如在購物中心，人們的運動更多的是散漫的，或者是有針對性的，至于發(fā)生火災或其他突發(fā)事件之后的人員運動則更是以尋找安全出口離開建筑物為主要目的。在這方面“危險度”等級的概念基本上解決了人們運動路線的選擇問題[[]楊立中,方偉峰,黃銳,鄧志華.基于元胞自動機的火災中人員逃生的模型.科學通報,Vol.47(12),2002,[]楊立中,方偉峰,李健,黃銳.考慮人員行為的元胞自動機行人運動模型.科學通報,Vol.48(11),2003]，即該疏散模型中所有的規(guī)則都是以“人員將希望以最快速度到達最安全的位置”為基本原則而建立的。行人運動作為道路交通中一個重要的組成部分，對交通工具的站點設(shè)計和交通燈的設(shè)計有很重要的影響，此外在設(shè)計辦公大廳、市場、商業(yè)街等人流密集的場所時，都需要考慮其使用效率以及應付各種突發(fā)事件的能力。美國的HighwayCapacityManual（HCM）便主要致力于對行人運動的模擬和道路容納能力的宏觀技術(shù)分析，Blue和Adler建立了一系列元胞自動機行人流模型[[]BlueVJ,AdlerJL.Cellularautomatamicrosimulationformodelingbi-directionalpedestrianwalkways.ForthcominginTransportationResearchB-METH,Vol.35(3),2001]，此外對這方面感興趣的還有Helbing和Molnar[[]HelbingD,MolnarP.Socialforcemodelforpedestriandynamics.PhysicalReviewE,Vol.51(5),1995]等等。但是總的來說，目前在實際中應用較多的仍然是基于對從[]楊立中,方偉峰,黃銳,鄧志華.基于元胞自動機的火災中人員逃生的模型.科學通報,Vol.47(12),2002[]楊立中,方偉峰,李健,黃銳.考慮人員行為的元胞自動機行人運動模型.科學通報,Vol.48(11),2003[]BlueVJ,AdlerJL.Cellularautomatamicrosimulationformodelingbi-directionalpedestrianwalkways.ForthcominginTransportationResearchB-METH,Vol.35(3),2001[]HelbingD,MolnarP.Socialforcemodelforpedestriandynamics.PhysicalReviewE,Vol.51(5),1995[]BursteddeC,KlauckK,SchadschneiderAetal.Simulationofpedestriandynamicsusingatwo-dimensionalcellularautomaton.PhysicaA.Vol.295,2001理論研究表明，簡單但包含關(guān)鍵因素的元胞自動機模型完全可以抓住復雜系統(tǒng)的本質(zhì)特征。為了研究火災中人員逃生這種特殊現(xiàn)象，基本模型規(guī)則的制定應盡量遵循基本、簡單和必要性原則。通過分析火災對人員逃生的影響，可以認為人員在火災中的逃生過程主要受兩個方面因素的影響：一是主觀因素，包括人員對周圍環(huán)境的認識（如各個出口位置分布，各處人員密度大小等），人員對火災發(fā)生位置和危險程度的認識等等；二是客觀因素，包括人員逃生能達到的最大速度、人員的視力范圍、障礙物的存在對人員逃生的影響等等。此外主、客觀因素之間是相互影響、相互作用的，例如由于火災產(chǎn)生的煙氣濃度增大會導致人員對周圍環(huán)境的認識受到限制，而由于從眾心理作用會使得各個出口處的人員分布極不均勻?qū)е氯藛T能達到的最大速度下降。元胞自動機是在均勻一致的網(wǎng)格上由有限狀態(tài)的變量（或稱元胞）構(gòu)成的離散的動力系統(tǒng)。其運行規(guī)則主要有：所有元胞的狀態(tài)是同時發(fā)生變化的；同時，在時刻t+1的第i個元胞的狀態(tài)是由時刻t的第i個元胞以及相鄰的距離不超過r的2r個元胞的狀態(tài)決定的。研究中模型的基本思路是：將所研究的二維空間進行均勻的網(wǎng)格劃分，每個格點（元胞）為空或被一個人員占據(jù)。每個人員另外附帶一個與建筑物空間大小一致的網(wǎng)格，該網(wǎng)格每個格點的值代表該人員對建筑物各處危險度的認識，我們稱之為“總危險度圖”（包括“位置危險度”和“火災危險度”）。需要指出的是每個人員的“總危險度圖”僅代表該人員在當前時間步對周圍環(huán)境的認識，所以各個人員之間的“總危險度圖”可以不同，并且每個人員的“總危險度圖”可以隨時間而更改。模型中每個元胞對應0.40×0.40m2的空間，這是在密集人流中典型的人員空間分配（另外一種常用的標準是0.457×0.457m2）。另據(jù)觀察發(fā)現(xiàn)，人在松懈的情況下速度約為0.85ms-1，正常情況下為1.30ms-1左右，而緊張情況下可達1.80ms-1左右。因為模型中所有人員是并行變更位置的，這樣就引入了反應時間問題，如果規(guī)定每個時間步每個人員只能移動一格，則緊急情況下每個時間步為火災場景的引入主要是考慮：（1）當人員發(fā)現(xiàn)某處發(fā)生火災時，則該處及周圍格點的危險度隨之增大；（2）由于火災的存在，在其影響區(qū)域內(nèi)的人員在運動速度和視力范圍等方面會受到相應的影響。人員運動方向的選擇主要是根據(jù)“總危險度圖”來進行的，總的原則是：逃生的人員總是盡可能以最快的速度往最安全的地方運動。研究中模型分為基本模型和擴展模型兩種，基本模型主要有三個并行變更階段。第一個階段是目標格點的選擇，每個人員在本身所在格點及相鄰的4個格點中（即不包括對角線運動）根據(jù)自己的“總危險度圖”選擇一個空的、危險度最低的格點作為運動的目標格點?！翱偽ｋU度”的確定方法如下：首先確定“位置危險度”，即將房間內(nèi)所有格點按其到出口的距離劃分等級；對“火災危險度”的確定則是以火源處為危險等級最高點，距火源越遠等級越低。為簡單起見，基本模型中“總危險度”只包括“位置危險度”而不包括“火災危險度”，“火災危險度”則在擴展模型中考慮。第二個階段的目的是解決沖突，所有人員按第一階段變更之后，如果進入某個格點的人數(shù)大于0則按每人相同的概率選擇一位留下，其余回到原位，而所有人員都回到原來位置的概率為p，這樣做主要是為了模擬現(xiàn)實情況下的人員運動的不確定性。用這種方法解決沖突還有一個作用就是較密集的地方由于競爭增大必然會有更多的人員不能移動，這就模擬了人員之間推擠而導致前進困難的情況。這兩個階段就完成了該時間步的人員位置變更。最后一個階段主要是對“總危險度圖”進行變更，根據(jù)各人員對周圍環(huán)境的重新認識變更各自的“總危險度圖”。具體的程序運行流程如下：對所在的房間進行均勻網(wǎng)格劃分，隨機分布房間內(nèi)人員，確定每個人員各自的“總危險度圖”。在每一個離散的時間步，所有人員由以下規(guī)則更新狀態(tài)：1：對每個被人員占據(jù)的元胞，比較其與周圍4個元胞（除去被其他人員占據(jù)的元胞）的總危險度大小，選擇危險度最小者作為要進入的目標元胞，并將目標元胞的進入人數(shù)增加1；全部結(jié)束后轉(zhuǎn)到2。2：判斷每個元胞的進入人數(shù)n，若其值大于0，則按均等機會原則選擇其中一位留下，其余元胞在本時間步不做（作）移動；對于要移動的人員，按概率p判斷是否放棄移動；到這里實現(xiàn)了所有元胞狀態(tài)（即是否被人員占據(jù)）的變更；全部結(jié)束后轉(zhuǎn)到3。3：分析每個新位置上人員的“總危險度圖”，若因為發(fā)現(xiàn)更優(yōu)出口而需要改變路線則調(diào)整其“總危險度圖”將新出口作為危險等級最低點，在擴展模型中還要考慮根據(jù)火災場景來調(diào)整其“總危險度圖”；全部結(jié)束之后重新轉(zhuǎn)到1，進行下一時間步的變更。擴展模型是在基本模型的基礎(chǔ)上根據(jù)需要進行改進的。主要包括以下幾個方面：（1）為了模擬人員的智能加入“視野”的概念（見圖7.4.4，圖7.4.4(a)、7.4.4(b)中的陰影部分分別是視野為1和2時中間位置元胞所看到的范圍），隨著人員視野的擴大，其對當前時間步運動方向的確定就可以按照下一時間步的最優(yōu)選擇來進行。此外，視野還可以用來模擬人員在火災中由于煙氣存在而導致的視力范圍縮小等問題；（2）為了模擬人員繞過障礙物的運動可以將障礙物看作固定的“危險源”，其周圍的危險度相應增大；（3）為了模擬火災中不同類型人員的運動特點將運動速度分為兩個（或以上）的等級。此外，速度等級變化還可以用來研究火災場景對人員生理機能的傷害而引起的運動速度下降問題；（4）另外可以通過數(shù)據(jù)收集和問卷調(diào)查的方式收集實際生活中人員在火災中的各種反應數(shù)據(jù)并將其加入到模型當中。例如在接收到火災信息后的反應（因為人從接收信息到做（作）出逃生決定之間有個反應時間，不同的人反應時間也會不同）；在對出口位置不明確的情況下是如何選擇逃生路線的（如跟隨多數(shù)人運動還是往人少的地方運動等），以及人在有毒煙氣中停留時間與其生理上受到的傷害之間的關(guān)系等等，這些因素的考慮可以使模型更真實的模擬火災人員逃生情況。(a)(b)(a)(b)圖STYLEREF2\s7.4.SEQ圖\*ARABIC\s24元胞視野示意圖下面給出用基本模型和擴展模型模擬的大房間內(nèi)人員疏散的一些典型結(jié)果。圖7.4.5是用基本模型模擬一個大房間（只有一個出口）內(nèi)人員疏散的情況，為了和已有的模型進行比較，這里暫時不考慮火災場景的作用，即“總危險度圖”只與建筑物的位置有關(guān)，并且認為各個人員對周圍地理環(huán)境的認識都是正確的并且不隨時間變化。這樣每個人員的“總危險度圖”都是一樣的，即危險度以門口為中心呈輻射狀衰減，門口處的元胞危險等級最低，而離門口最遠的兩個角落上的元胞危險等級最高。所有要移動的人員放棄移動的概率p設(shè)為0.1。圖中給出的分別是疏散過程中的三個典型階段，7.4.5(a)，7.4.5(b)和7.4.6(c)分別為初始時刻、第15個時間步和第80個時間步時的人員分步情況圖。(a)(a)(b)(c)圖STYLEREF2\s7.4.SEQ圖\*ARABIC\s25基本模型模擬的大房間人員疏散示意圖圖7.4.6是在算例1的基礎(chǔ)上將視野范圍改為圖7.4.3(b)所示情況后的人員疏散情況（初始條件、放棄移動概率p和“總危險度圖”的確定都相同）。7.4.6(a)，7.4.6(b)和7.4.6(c)分別為第15、50、80個時間步時人的員分布情況，比較圖7.4.5(c)與7.4.6(c)可以看出由于擴展了視野，人們能夠看到更廣的范圍從而進行更合理的路線選擇。同樣這種情況也可以用來解釋人員在火災中由于煙氣存在而導致的視力下降現(xiàn)象，即將算例1解釋為煙氣濃度更大時的人員疏散過程。(a)(a)(b)(c)圖STYLEREF2\s7.4.SEQ圖\*ARABIC\s26擴展模型（增大視野）模擬的大房間人員疏散示意圖從本算例可以看出引入“視野”概念的確可以解決真實火災場景中的一些特殊現(xiàn)象。此外該擴展模型還可以用來模擬由于煙氣對人們視力的影響或其它原因?qū)е碌牟煌隹谔幦藛T分布不均勻而導致逃生效率降低的情況。另外其它的擴展模擬同樣可以用來研究實際逃生過程的特殊現(xiàn)象，例如考慮不同速度等級的人員分配可以研究長走廊中由于局部加寬而引起的逃生效率變化問題。算例3是在算例2的基礎(chǔ)上加入了火災場景后的人員逃生情況，這里簡單的認為火源及其影響區(qū)域不隨時間變化，并只考慮火災場景對人員心理的作用（對人員逃生路線的影響），暫時不考慮有毒煙氣對人員生理機能（包括期望速度和視力等）的影響。對于火災場景的危險度我們是這樣考慮的：在火災影響區(qū)域內(nèi)，TD（總危險度）等于RD（位置危險度）與FD（火災危險度）的線性和，通過對模型的演算，我們發(fā)現(xiàn)當RD與FD的系數(shù)比為1/10左右時模擬效果比較好，因此在該算例中我們選擇系數(shù)比為1/10。真實火災中對于不同的人（其對火災危險度認識不一致）以及不同危險程度的火災，這個系數(shù)比是不同的，這需要通過相應的數(shù)據(jù)調(diào)查獲得。這里為了簡單起見，認為所有人員對房間和火災的認識都是完整的，并且不隨時間變化，這樣每個人員的“總危險度圖”由“火災危險度圖”和“位置危險度圖”疊加而成，“火災危險度圖”是以火源為危險等級最高點呈輻射狀衰減，并有一定的影響范圍，“位置危險度圖”同算例1和2。最終“總危險度圖”中，火源處危險等級最高。圖6同樣給出了逃生過程的三個典型階段，7.4.7(a)，7.4.7(b)和7.4.7(c)分別是第5、15、50個時間步時人員分布情況（圓形陰影部分為火源及其影響區(qū)域），可以看出由于火災場景的加入使得該處的危險度急劇升高，人們相應的改變了逃生路線，繞過了火災影響區(qū)域。(a)(a)(b)(c)圖STYLEREF2\s7.4.SEQ圖\*ARABIC\s27擴展模型模擬的發(fā)生火災大房間內(nèi)人員逃生示意圖模擬的場景是根據(jù)一個小型超市得出的示意圖，模擬開始時，將所有200個人員（自主體）從超市的各個進口引入，隨后這些人員將作隨機運動以熟悉超市的結(jié)構(gòu)，在某一時刻，假設(shè)超市發(fā)生火災或其他意外事件必須緊急疏散，這時所有的自主體都可以按自己熟悉的路線進行疏散。模擬中假設(shè)自主體的視野為r=3的VonNeumann型的鄰域，隨機慢化概率取0.05。我們還可以通過對疏散過程的可視化演示來評估建筑物的設(shè)計以及內(nèi)部布局結(jié)構(gòu)的合理性。圖7.4.8給出了疏散剛開始時和60個時間步之后建筑物內(nèi)人員分布情況。通過人員在疏散過程的分布情況，我們可以找出影響疏散效率的瓶頸，因為人群特別擁擠的地方往往造成人員的傷亡，所以我們在設(shè)計建筑物結(jié)構(gòu)時應盡量避免這種情況的出現(xiàn)。此外，還通過對建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整可以對各個設(shè)計方案進行對比以選出最合理的方案。這在現(xiàn)實生活中往往很難做到，但通過模擬的模型我們可以很容易做到這一點。(a)t=0(b)t=60(time-step)圖STYLEREF2\s7.4.SEQ圖\*ARABIC\s28對超市疏散過程的模擬二、連續(xù)性模型連續(xù)性模型又可以稱為社會力模型，它基于多粒子自驅(qū)動系統(tǒng)的框架，產(chǎn)用一般的力學模型模擬步行者恐慌時的擁擠動力學。社會力模型可以在一定程度上模擬人員的個體行為特征。很多人都有這種感覺：人的行為是混亂無序的，至少是不規(guī)則和不可預測的。但是在一些相對比較簡單和寬松的環(huán)境下，可以找到行人行為的概率描述，進而發(fā)展出gas-kinetic模型。Lewin則提出了另一種模擬行人行為的方法，他認為人們行為的改變是因為“社會力”的緣故。對周圍環(huán)境的感知對周圍環(huán)境的感知個人目標和興趣信息處理過程：權(quán)衡選擇，最大效用原則處理結(jié)果：做出決定心理壓力：激勵行動物理實現(xiàn)：行為改變，行動刺激心理智力活動反應圖STYLEREF2\s7.4.SEQ圖\*ARABIC\s29引起行為改變的過程示意圖圖7.4.9行人會期望盡可能自然地跨越一段距離。因此他會選擇一條盡可能短的路徑，而不繞彎地到達目的地。一個行人的行為會受到其它行人的影響。這里每個行人的“私有空間”起了重要的作用。很自然地，離一個陌生人越近，人們就越會感到不舒服，因為你不能預知他是否會有侵略性的行為。人們通常也會與建筑物邊界、墻壁、障礙物等保持一定的距離。離它們越近，越感到不舒服，因為他要時刻注意避免傷害，比如不小心碰到墻壁等等。行人有時候會被其它人（如朋友、親人、街道藝人等）或物體（如商品展銷等）吸引，這就是人群中人堆形成的內(nèi)在機制。實際情況中這種吸引力還會因興趣減弱而隨時間減弱。在沒有阻擋的情況下，行人會自主加速到期望速度。以上四點，人們做出的選擇，都可以用環(huán)境或者個人目標所“施加”的影響力來形容，正是由于這些力的作用，才引起人的行為的改變，即速度矢量的改變，由此，可以列出行人受力的牛頓方程。假定行人受到社會心理和物理的作用。質(zhì)量為mi的行人i，期望以大小為vi0，方向為ei0的速度疏散，因此，他會在疏散中將不斷地調(diào)整自己的實際速度vi，我們假定其在τi時間內(nèi)加速到vi0。同時，他要與墻和其它行人保持一定的距離，顯然，這個距離與速度有關(guān)。這可以用作用力fij和fiw來模擬。則社會力模型中人員速度的變化可以用公式7.4.7所示的運動學方程描述[[]D.Helbing,PeterMolnar.Socialforcemodelforpedestriandynamics,Phys.A.[]D.Helbing,PeterMolnar.Socialforcemodelforpedestriandynamics,Phys.A.Vol.51,1995[]D.Helbing,I.Farkas,T.Vicsek,Simulatingdynamicalfeaturesofescapepanic,Nature,Vol.407,2000 (7.4.7)位置ri(t)的改變由速度vi(t)給出。通常情況下，行人i和行人j有保留一定距離的趨勢，用心理作用力來模擬。當兩個人的距離小于二者半徑之和時，兩人會有接觸，此時人與人之間的作用力會增大。結(jié)合起來，行人間的相互作用力可以表示