（管理科学与工程专业论文）应急标识的疏散作用研究.pdf

摘要 应急标识的疏散作用研究 摘要 应急标识是公共安全设施的重要组成部分，一直被要求设置在人员众 多的公共建筑、大中型酒店餐厅、高层公共建筑、地下建筑、高危厂区等。 近年来伴随高密度的大型群体活动越来越多，应急标识的作用越来越受到 关注。大型群体事件发生后当务之急就是群体疏散，而应急标识问题对群 体疏散效率的提高有着深刻的影响，它为疏散人群提供信息支持，减少生 命损失。 目前关于应急疏散标识的研究，大多从技术层面研究应急疏散标识可 见距离的拓展问题和应急疏散系统智能化问题。具体可以分为两类：一类 是通过在实际场景中进行真入疏散实验来考察应急标识的作用；一类是通 过建立数学模型以及计算机仿真来研究应急标识的作用。这些成果表明了 应急疏散标识对疏散者有指示效应并且对疏散效率有着明显影响。相比国 外研究者注重理论和方法的探讨，国内学者对应急标识的设置规范性更感 兴趣。总的来说，关于应急疏散标识的作用和优化设置研究都还处于初步 探索阶段。 本文通过建立导入马尔可夫过程的元胞自动机( c a m p ) 模型，并进 行大量仿真实验，将实验结果与真人实验和现有研究成果进行对比分析。 实验结果显示c a m p 模型对于疏散过程具有很好的精确、稳定和有效的 仿真效果，能够形象地推演疏散过程的真实情形。基于c a m p 模型，分 别对不同应急标识数量和不同数量疏散者的情况进行疏散仿真模拟。研究 表明，在疏散环境相同的隋形下，存在一个应急标识数量的拐点值，而且 t 该拐点值对不同数量的疏散者作用效果是相同的。此拐点值为建筑物设计 时应急标识数量的选择提供参考，同时为紧急疏散方案提供决策依据。 本文的研究结果，将有助于高密集大建筑空间的应急标识布局设计； 在发生突发群体疏散事件时，能够帮助安全管理人员组织群体疏散，降低 人员伤亡。 关键词：群体疏散，元胞自动机模型，马尔可夫过程，c a m p 模型 i l a b s t r a c t r e s e a r c ho nc r o w de v a c u a l 哑o n0 fe m 哐r g e n c y s i g n s e m e r g e n c ys i g n sa r e a l li m p o r t a n tp a r to ft h ep u b l i c s a f e t yf a c i l i t i e s t h e yh a v eb e e na s k e dt os e ti ns o m el a r g e - s c a l ep l a c e s ，s u c ha s ，i n t e n s i v e p u b l i cb u i l d i n g s ，m e d i u ma n dl a r g er e s t a u r a n t , h i g h - r i s ep u b l i cb u i l d i n g s ， u n d e r g r o u n db u i l d i n g s ，a n do t h e rh i g h - r i s kp l a n t w 曲t h ed e v e l o p m e n to f t h e s o c i e t y ，t h e r e a r em o r ea n dm o r ec r o w da c t i v i t i e s a n dh u m a ng i v e sh i s a t t e n t i o nt ot h ee f f e c to fe m e r g e n c ys i g n si c r e a s i n g l y a p p a r e n t l y ，t h eu r g e n t a f f a i r sa r ee v a c u a t i n gt h ec r o w dp e d e s t r i a n sa f t e re m e r g e n tt h i n g s h o w e v e r t h e r ei sa ni m p o r t a n te f f e c to fe m e r g e n c ys i g n st oc r o w de v a c u a t i o n e m e r g e n c ys i g n sc a nn o to n l yp r o v i d eg u i d a n c ef o rt h ep e d e s t r i a n s ，b u ta l s o r e d u c el o s so f l i f e f o r e i g n s c h o l a r sh a v e d o n es o m er e s e a r c ho ne m e r g e n c ys i g n sb y t e c h n o l o g y t h e s ea p p r o a c h e sc a nb ed i v i d e d i n t ot w oc a t e g o r i e s t h ef i r s ti s i s e x p e r i m e n t a t i o n , w h i c hi n v e s t i g a t e st h ee v a c u a t i o nb yr e a lp e o p l ei nr e a ls c e n e t h eo t h e ri se m u l a t i o nm o d e , w h i c he s t a b l i s h e sm a t h e m a t i c a lm o d e l so r c o m p u t e rs i m u l a t i o nt os t u d yt h ee m e r g e n c ys i g n s c o m p a r e dt ot h ef o r e i g n s c h o l a r sf o c u s i n go nt h e o r ya n dm e t h o d ，d o m e s t i cr e s e a r c h e r sa r ef a v o u r i t et o i i i t h es t a n d a r do ft h ee m e r g e n c ys i g n s s e t t i n g i nc o n c l u s i o n , i ti sa l lp i l o ts t u d y t ot h eo p t i m i m t i o no f t h ee m e r g e n c ys i g n e m e r g e n c ys i g n sa r ew i d e l yu s e di na r c h i t e c t u r a ld e s i g na n dr e g i o n a l s e c u r i t yp h n n i n g f i r s t l y ，ac e l l u l a ra u t o m a t ab a s e do nm a r k o v i a np r o c e s s e s ( c a m p ) m o d e lw a sp r o p o s e d a f t e rc o m p a r i s o na n da n a l y s i so f t h es i m u l a t i o n r e s u l t sb yc a m pm o d e la n da ne x t e n d e dl a t t i c eg a sm o d e l ( m o t o n a r ii s o b ee t a 1 ) ，i t i s a r g u e d t h a tt h es i m u l a t i o no fc a m pm o d e li sc l o s e rt ot h e e x p e r i m e n t so f p e o p l et h a nm o t o n a r ii s o b ee ta l sm o d e l t h e n , m a n yo t h e rs i m u l a t i o n so f c r o w de v a c u a t i o no fd i f f e r e n tn u m b e ro f e m e r g e n c ysi g n sa n dd i f f e r e n tn u m b e ro fe v a c u a t e sw e r em a d eb a s e do n c a m pm o d e li ti sp o i n t e do u tt h a tt h e r ei sak n e ep o 谳o ft h en u m b e r so f e m e r g e n c ys i g n sf o rt h es a m ee v a c u a t i o ne n v i r o n m e n t , a n dt h ep 0 缸i s n t e f f e c t e db yt h en u m b e r so fe v a c u a t e s t h er e s u l t so fo u rs t u d yw i l lb eh e l p f u lt or e s e a r c ht h e h y o u to ft h e e m e r g e n c ys i g n si nh i g h - d e n s i t y1 a r g ea r c h i t e c t u r a ls p a c e a f t e rt h ee m e r g e n c y e v e n t , p e d e s t r i a n sc a ne v a c u a t ee f f e c t i v e l yw i t ht h eh e t po f e m e r g e n c ys i g n s k e yw o r d s ：c r o w de v a c u a t i o n , c a m o d e t , m a r k o v - c h a i n ，c a m pm o d e l i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名： 扭白缕 日期：翌! ! ：鱼：墨 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论义被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上| 一年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 导师签名： 沁l o s 考 e t 期：一竺! ! ：坌：节 第一章绪论 1 1 应急标识的概况 1 1 1 应急标识的应用背景 第一章绪论 广义的应急标识包括疏散通道指示标识、出口指示标识、顶部应急照明灯等，主 要通过电力系统产生的光线进行疏散引导。而狭义的应急标识，是指采用先进高科技 材料制造，可以在电力故障或者浓烟密布的情形下引导行人疏散的指示标识。随着社 会的不断发展，现代建筑物丌始向着大型、 散系统的作用也就越加重要。突发事件后， 键。 高层、多功能和复杂化方向发展，应急疏 如何有效利用应急标识快速疏散便成了关 重大公共事故，尤其是火灾、恐怖袭击或是过度拥挤等突发事件的情况下，造成 的拥挤状况是最需要关注的部分。拥挤的环境下，人员密度过高，在内部扰动或者 受到外界的冲击的作用下，容易形成人员之间的踩踏，从而形成人员伤害事故乜1 。突 发事件多发生在人员众多的公共场所、地下建筑、大中型酒店餐厅和高危厂区等，其 特点可以概括为三点：突发性强、诱因不定、危害深远。 i 、突发性强 顾名思义，突发事件一个重要的特点就是突发性强。事故可能发生在几分钟甚至 几秒的时间内，像是有毒物质的泄露和扩散，化学危险品爆炸等。据瑞士再保险公司 的资料显示，2 0 0 8 年1 2 月2 0 日，位于巴基斯坦洛瓦平第的六层高的购物中心g a k k a r 中心倒塌，由于事发突然，人们来不及逃生，造成1 2 人死亡6 5 人受伤的惨剧1 。 2 、诱因不定 突发事件的发生并没有固定的原因，可能是人为的恐怖活动，也可能与周围环境 因素相关。体育赛事或者演唱会的场馆，由于人们争先涌入导致踩踏事件；突发火灾 导致大型商场内的人员要紧急疏散。由此可见，突发事件并没有规律可循。 3 、危害深远 拥挤事故往往导致大量的人员伤亡；化工厂火灾容易引起有毒物质泄漏，形成多 米诺效应，使灾害范围扩大。化工事故对环境的污染不易消除，难以估量，其对环境 与人的危害都是长期的。例如，尽管印度博帕尔毒气泄漏事故已经发生了二十多年， 它的后遗症依然严重，当前农药厂遗弃的大量废料仍向地下渗透毒液，严重污染着地 下水源h 1 。据瑞士再保险公司的资料统计，总结各地发生的重大事故损失情况( 表1 1 ) 。 表1 - 1 重大事故损失情况 t a b l e1 - 1a ni l l u s t r a t i v el i s to fs o m eo ft h em a j o ra c c i d e n t s 北京化t 大学硕士学位论文 突发事件后如何安全地紧急疏散现场人员，已成为国内外公共安全领域的研究热 点和重点。在受到威胁或者灾难事件发生的情况下，行人由潜在的危险地方到安全地 方的转移避难过程，称之为紧急疏散璐1 。诸如建筑火灾、炸弹威胁、毒气泄漏、地震 等偶然事故下，建筑内紧急疏散是极其必要的。一方面，群体从危险区域疏散，本质 上是降低建筑内灾难的不良效应的方式；另一方面，在疏散过程中由于群体行为，例 如群体同时冲向出口、拖曳、推挤、挤压、绊倒等，行人会受到伤害，甚至失去生命。 因此，对有限空间内的行人而言，快速而有效地疏散显得更加重要。为了实现紧急情 形下的风险最小化，恰当地认识建筑内的群体疏散是必要的。因此，疏散研究获得了 研究的动力，并吸引了越来越多的关注。 然而，群体疏散是一项复杂的过程，它受到周围环境、行人心理和行为等多种因 素的影响。紧急疏散过程中行人之间的影响、行人与环境( 例如：墙壁、门、障碍物) 之间的影响，会决定行人的疏散行为，进而影响整体的疏散效果。一些学者还考虑到 建筑结构、社会关系等对群体疏散的影响。总之，群体疏散是复杂多变的，对突发事 件后的紧急疏散的研究也是很困难的。应急标识，可以归属到环境空间因素的范畴， 认识应急标识的作用和影响，可以帮助行人更有效地逃生，缩短疏散时间，提高疏散 效果。 建筑物内，具体明确的规定了应急照明和疏散指示标识的设置要求、设置形式、 2 第一章绪论 设置位置和设置类型等。建筑内发生火灾时，为了确保行人能够方便快速地逃生，建 筑物内一些空间要求设置应急照明：公共建筑内的疏散通道、居住建筑内长度超过 2 0 m 的内走道、封闭的楼梯间、消防电梯问以及消防电梯间前室、防烟楼梯间以及防 烟楼梯间前室、合用前室、封闭的避难层、人员聚集的场所像观众厅或者展览厅、人 员密集且建筑面积超过3 0 0 m z 的地下室。除二类居住建筑外，高层建筑的疏散通道和 安全出口处，礼堂、体育馆、影剧院、医院病房楼等的疏散通道和疏散出口，人防工 程的疏散通道及疏散通道的交叉口、拐弯处和安全出口处，这些地方也要求设置疏散 指示标识。 紧急疏散时用到的应急照明灯主要设置在墙面上部或者房间顶部，应急照明灯的 地面最低照度不能低于0 5 l x ；安全出口处的指示标识一般设置在出口的顶部，疏散通 道内的应急指示标识则设置在疏散通道以及通道转角处距离地面l m 以下的墙壁上。 应急标识的安装位置一般选择在疏散通道和公共出口处，并且保证设置在人们的视野 范围内，并处于显眼的位置。 1 1 2 应急标识的作用 公共场所内都会设置应急指示标识，以提高公众对突发事件的处理能力。应急标 识作为应急疏散系统的主要组成之一，包括应急通道标识、应急出口标识、应急电话 标识和应急避险标识。火灾或电路故障等紧急状态下，大量的人员需要紧急疏散，应 急标识是保障行人安全的一项重要设施，必须高度重视并保证其可靠运行。尤其一些 大型商场、影剧院、体育场所，人员密集，流动性强，且人群不固定，人们对现场的 环境不熟悉，一旦发生紧急情况，疏散变得更加不易。于是，应急标识的设置更显得 尤为重要。应急疏散标识一直被要求设置在人员众多、密集的公共建筑、大中型酒店 餐厅、高层公共建筑、人员众多的地下建筑、高危厂区等。具体设置应根据建筑物情 况、停留和流动人员情况、对环境的熟悉程度、事故情况等多种因素综合确定。 紧急情形下，疏散者常因不同应急疏散标识指示效应、疏散环境、行为异常等多 因素影响，而存在路径选择问题。认识应急标识的作用，可以帮助疏散者更有效的利 用应急标识的作用，快速逃生。应急标识的作用可以概括为三类：提供照明、指示方 向和减少恐慌。 l 、提供照明 在疏散通道的墙面或者顶部设置的应急标识灯，可以在停电或者浓烟弥漫的异常 情况下提供照明，帮助人们识别方向。由于突发事件诱因的不确定性，电力故障或者 浓烟密布的状况很可能发生，弱视或者不可视环境下的群体疏散要比可视情况下的疏 散更为困难，容易引起更严重的混乱和后果。此时，应急标识灯的照明作用，犹如给 3 北京化工人学硕十学位论文 人们打了一针强心剂，给人们带来希望。 2 、指示方向 公共场所内疏散通道、疏散路线的地面上和靠近地面的墙壁上设置有应急标识， 可以帮助人们及时识别疏散位置和逃生方向。这点上看，应急标识实质上就是一个方 向指示器，突发事件发生时，能够正确地向行人传递逃生信息，指示逃生路线。行人 根据应急标识的引导，选择j 下确的逃生方向，可以避免盲目逃生引起的伤亡，安全、 准确、迅速地选择安全通道逃生。应急标识的引导，使整体应急系统疏散逃生通道的 选择有章可循，更为合理。 3 、减少恐慌 遇到紧急情况，群体会产生恐慌心理，他们感觉无能为力，看不到希望。l a c y 与 b e n e d e k 7 】总结了引发恐慌的几个风险因素：认为脱险机会不大、感知风险大、有效资 源有限、失去有效感知响应、当局威信减弱。吴国宏等人【8 】认为导致恐惧的因素有两 个，一是空间封闭，就是说所有逃生通道处于关闭状态，而眼前的危险却不断逼近和扩 大，再者，潜在的危险不明确。应急标识的出现，可以给行人增加有效的逃生信息， 增强信心，减少恐慌，从而更有效的进行疏散。 应急标识在群体疏散中发挥的作用是巨大的，应急标识的设置减少了人们对突发 事件发生的恐惧感，对应急标识优化设置的研究也很重要。优化设置问题是基于应急 疏散标识作用距离的确定展开的，通过研究在特定场景下应急疏散标识数量和位置来 实现的。基于特定场景研究数量的最优值，建立理论数值的计算方法和实践指导；然 后针对不同场景、不同应急疏散标识应用区域探索确定位置的方法和程序，提取相关 的优化方法。应急标识在群体疏散中的有效利用以及应急标识的优化设置，已成为国 内外学者研究的重点。 1 2 研究现状与分析 现在有关于群体紧急疏散的研究成果很多，国内外学者用不同的视角、不同的模 型研究群体疏散，主要有社会力模型、元胞自动机模型、格子气模型、流体力学、代 理模型、博弈模型等，研究视角可以归纳为三类：宏观视角、微观视角和基于生物实 验的视角。宏观视角把疏散群体看作一个整体进行模拟研究；微观视角则把群体分割 成许多个体，研究个体在疏散过程中的行为；生物实验是利用白蚁、老鼠等生物模拟 紧急疏散时人的行为。 l 、宏观模型：研究群体疏散的宏观模型主要是流体动力学模型。流体动力学模 型用流体的概念解释群体，以偏微分方程的逻辑描述人群的密度和速度。 4 第一章绪论 h u g l l e s 【9 】通过观察行人逃生时的运动行为，导出步行者疏散时的多种运动类型表 达式，分析认为人流密度大于某个临界值时，由于行人碰撞产生恐慌，步行者的逃生 速度受到限制，步行者之间会产生冲突。随着人流密度增加，步行者的逃生速度不断 下降，当密度达到最大值时，发生人群聚集。为了讨论清楚单类型及多类型步行者群 体流动的机理，h u g h e s n 们导出了可以控制步行者流动的两维运动方程，应用于沙特阿 拉伯的境内的麦加附近的贾马拉大桥步行者拥挤悲剧的实例。基于以上研究，h u g h e s u u 提出了“思想流体 的连续统一体模型，即人流能思考。c o l o m b o 与r o s i n i 2 1 提出用 行人流动模型来研究人群流动的典型特征，描述了人群中发生的过压缩情形。 2 、微观模型：当前，研究群体疏散的微观模型主要有元胞自动机模型、格子气 模型、社会力模型和基于a g e n t 的模拟。 v a r a s 等人3 1 应用二维元胞自动机模型仿真房间有无障碍物的疏散过程。结果显 示，当房问没有障碍物的时候，在出口处出现类似拱形的特征，出口的宽度存在一个 临界值。r y o i c h in a g a i 等人【1 4 】通过实验和格子气模型的仿真两种方式研究步行者和爬 行者疏散行为的不同。他们研究步行者和爬行者通过通道从出口疏散的动力学行为， 并阐述了步行者和爬行者的行为特性，研究证明步行者和爬行者的流动速率高度依赖 于出口宽度与群体移动。d i r kh e l b i n g 等人【1 5 】在假定社会心理及身体作用影响群体行 为的基础上，提出社会力模型，并对逃生过程中的恐慌特征进行了总结。他们在自我 驱动多粒子系统的框架下模拟群体逃生的恐慌现象，发现了群体逃生过程中的“欲速 则不达效应和“从众行为。 3 、生物实验：现实中用人群进行逃生实验是有难度的：首先，人群聚集的公共 场所的疏散往往涉及成千上万的人，一般的实验模拟规模很难达到。其次，群体疏散 与危急状况有密切关联，然而，实验中无法真实模拟火灾、电路故障等突发事件。再 次，疏散实验存在不安全因素，容易造成人员的伤亡。所以，学者通过蚂蚁或者老鼠 等生物的逃生实验的结论认识人群的逃生行为。 m a r c e l oc t o y a m a 等x t l 6 】在元胞自动机的基础上提出一个基于a g e n t 的模型，描述 了性别、速度、认知、羊群行为和避障行为等不同行为特征对疏散的影响。c a e s a r s a l o m a 等人【1 7 】使用老鼠作为模型的步行者，通过老鼠经水池出口逃生到平台的实验， 研究被困行人的逃生特征。他们阐述了恐慌群体的行为以及被困群体受到建筑空间的 影响。e a l t s h u l e r 等人【1 8 】进行了以蚂蚁为对象的生物实验，通过高低两种恐慌情绪的 比较，证实了恐慌可以通过效仿快速传播。当房间有两个位置对称的出口，人群逃生 时往往出现一个出口比另一个出口拥挤更多人的现象，意味着群体的特定体系会影响 甚至打破均衡现象。k a t s u h i r on i s h i n a r i 等人【1 9 】通过元胞自动机方法以统一的方式研究 了蚂蚁与步行者的简易模型，阐明了在轨迹上的蚂蚁与疏散中的步行者的相似性：在 形迹上的蚂蚁沿着前面的蚂蚁留下的信息前进；主要出于安全与有效率的原因，在拥 挤或者恐慌的时候，步行者也是跟着其他人前进。 5 北京化t 大学颁十学位论文 通过以上分析，群体疏散是一个极其复杂的过程，其动态要受到很多因素的直接 或间接的影响，例如疏散的空间环境因素，群体中个体间的相互作用，个体的心理状 态和行为特征等。对群体疏散的研究着重在疏散的行为分析，然而对于空间环境的研 究还不够深入。y u 等人【2 0 】曾仿真行人在通道中的逆流情况。在模型中引入交感半径 来描述环境对行人的影响，行人收集到当前位置周围的环境信息后决定往哪个方向 走。结果表明考虑周围环境是必要的，环境信息可以帮助行人降低堵塞的可能性。应 急标识所属的空间环境因素作为研究群体疏散的角度之一，目前对空间环境的研究主 要集中在出口、障碍物、可视情况和应急标识对疏散效率的影响。 1 、出口：出口的设置对群体疏散的效率有着重要的作用，出口数量的不同导致 疏散时间的不一样，同样，出口宽度的设置也影响疏散时间的多少。 n a g a i 等人【2 l 】提出一个扩展的偏随机行人格子气模型来仿真从多出口的昏暗房问 疏散过程，研究证明昏暗房间的出口外形对疏散过程有影响，并且显示逃生时间分布 依赖于出口的外形。出口布置应该对称，否则每个出口的不同使用效率将延长疏散时 间及引起不稳定的疏散状态【2 2 】。出口的宽度存在一个临界值，是指门的宽度超过该值， 增加门的宽度没有降低疏散时问。当出口宽度大于临界宽度的时候，竞争行为可以降 低外出时间；当出口宽度小于临界宽度的时候，竞争行为比非竞争行为增加外出时间 。同一个房间考虑两种类型的出口，一是只能通过一个人的单出口，另一是可以同 时通过两个人的双出口。对于单出口，有障碍物时临界值比没有障碍物时更低；如果 双出口被两个单出口代替，那么疏散时间只是轻微降低。对于单出口门，每单位宽度 的平均流量随着出口的宽度增加而减少，但是平均总流量是一个关于出口宽度的三阶 多项式函数，并随着出口宽度的增加而增加1 2 2 1 。 。2 、障碍物：空间内的设备、仪器、桌椅或者盆栽，凡是影响行人逃生的物体都 被视为障碍物。疏散空间的障碍物对疏散时间有着奇妙的影响。 障碍物的出现在一定程度上阻碍了行人的疏散过程减少了疏散时间；但是，行人 对障碍物的记忆有效度，即行人对疏散空间内障碍物与出口的位置的记忆程度，会提 醒行人找到通往出口的捷径。一般说来，对障碍物的记忆越有效，逃生路径越短，逃 生时间也相应缩短【2 4 1 。a v a r a s 等人【1 3 】应用一个二维元胞自动机模型来仿真房间有或 者无障碍物的疏散过程。仿真结果显示：当步行者行走冲突时，他们通过随机选择来 解决。当房间没有障碍物的时候，在出口处出现类似拱形的特征。 3 、可视情况：没有影响人们可视程度的突发事件，比较可视距离缩短或者可见 度降低的群体疏散要简单的多。火灾引起的烟气会减少可见度，降低逃生速度。被烟 气填满的区域，可见距离少于l o m ，温度也会超出安全水平【2 5 1 。 y u a n 等人【2 6 】提出扩展的元胞自动机模型来模拟烟气弥漫的大型车间的逃生问题， 结果显示可视距离和领导者数量对逃生有很大影响。逃生者的可视距离受到烟气的影 响，从而影响逃生时间。总之，可见度越好逃生越快。 6 第一章绪论 关于应急标识设置的作用研究已有国外学者做了理论和方法上的探讨。目前关于 应急疏散标识的研究，大多从技术层面研究应急疏散标识可见距离的拓展问题和应急 疏散系统智能化问题。具体可以分为模拟方法和数字仿真两类：模拟是指在实际场景 中通过真人疏散实验来考察应急标识的作用；数字仿真是指建立数学模型以及计算机 模拟实验来研究应急标识的作用。 1 2 1 应急标识的模拟研究 s h i e l d s 等人【2 7 】进行了真人疏散实验，证明应急标识在群体疏散过程中起着重要作 用。 n i l s s o n 等人【2 8 】为了调查遇到紧急火灾时乘汽车者怎样行动、情绪上如何反应， 信息和道路发现系统如何感知，绿色闪光灯是否会影响出口选择，在一条公路隧道中 进行了逃生试验。参与者只知道自己在参加一项关于驾驶行为的研究，并没有告之在 隧道里面1 千米左右会遇到意外，比如车祸或者烟气等。由事先录制的警报和信息标 志组成的火警丌始启动，紧急出口处的绿色闪光灯开始亮起来。结果说明参与者很难 了解事先录制的警报内容，但是警报能使乘汽车者开始警惕，听觉信号是活跃的，并 促使其寻找其他补充信息。此时，应急标识对参与者是否离开交通工具的决定发挥出 重要的作用。结果显示，简洁和准确的应急标识有助于疏散者判断是否弃车逃离。 k o b e s 等人【2 9 】在晚上进行了8 3 次旅馆疏散实验，主要关注在火灾疏散中发现逃 生路径的问题。在疏散实验中，调查了烟气、低位置的出口标识等对人们在火灾疏散 中反应的影响。实验是用传统的方法进行的，即登记和评估意外火灾时人们的反应， 显然这种方法有严重的人文伦理后果。结果显示烟气影响路径选择；放置在低处的出 口标识对于选择最近的火灾出口有积极的引导作用；对于周边环境的知识熟悉也对选 择最近的疏散出口有积极作用。最终认为，出口标识对近距离出口的疏散有明显引导 作用。 对于磷光类的指示标识应用越来越多，为了评估人们对安装在地板上的磷光类标 识的反应，j e o n 等人【3 0 】在韩国地铁站对1 0 3 个疏散者进行了弱视环境下的真人疏散实 验，主要探讨了疏散时间、疏散速度和疏散路径。结果显示，磷光类的指示标识可以 减少行人对路径选择的判断时间，有效缩短疏散路线，使疏散更加便利；当磷光类标 识安装间隔小于一个人的步长时，疏散速率将会增大。 t a n g 等人【3 i 】通过虚拟现实构造了一个疏散实验空间，设计了没有应急标识、旧版 本应急标识和新版本应急标识的三种情景，进行应急疏散模拟，通过比较得出应急标 识对于紧急疏散是否有影响以及如何影响。实验结果表明应急标识大大提高了群体疏 散效果；新版的应急标识对于疏散的作用并没有旧版疏散标识作用明显；男性在选择 路径方面要比女性好；相比对疏散环境陌生的人群，建筑工人和火灾安全职员并没有 7 北京化t 大学硕十学位论文 更好的表现；当面对方向标识和出口标识时，有近一半的人选择依照出口标识的方向 行走，而不是参照方向标识的方向行走；对于t 型交叉口，大部分人选择向左走。结 果认为，熟悉的应急标识更容易帮助疏散者在紧急疏散中进行路径选择。 p r o u l x 等人【3 2 】通过实验对比，验证了以蓄光型自发光材料造成的标识系统的有效 性以及其代替应急指示灯的可行性。 w o n g 等人【3 3 】通过对出口标识的图形、颜色、光照条件和观测者的年龄四个方面 的考察，研究出口标识的可见度问题。发现绿色标识的有非常高的可见度，光照条件 差的情况下反而标识的辨识度高。 此类成果基本为2 0 0 9 年开始出现，研究方法也基本是结合具体场景进行真人疏 散试验。这些成果表明了应急疏散标识对疏散者有着指示效应和对疏散效率有着明显 影响。 1 2 2 应急标识的仿真研究 l o 等人【3 4 】建立了博弈疏散模型，证明了应急标识对于疏散的重要性。 虽然应急标识公认为在保证公共安全方面有着重要的作用，但是实践中，没有确 定的标准告诉大家应该如何准确清晰地放置应急标识。c h e r t 等人【3 5 】在考虑灯光闭塞 影响的前提下，在拉格朗日松弛算法的基础上提出用启发式算法优化应急标识的位 置。随后介绍了元胞自动机模型，通过该模型验证了由上述算法得到的应急标识的最 优化位置的逃生效率；同时，比较了同一个超市中有无应急出口标识的逃生效率。结 果显示上述算法扩大了应急标识的覆盖范围，提高了逃生效率。 用数学仿真方法研究应急标识的成果比较少，总的来说，关于应急疏散标识的作 用和优化设置研究都还处于初步探索阶段。以群体紧急疏散过程的数值模式和真人试 验为研究手段，基于群体紧急疏散过程惯性和应急疏散标识可见距离，探索应急疏散 标识作用距离的数值模式，进而研究应急疏散标识的优化设置，才能解决应急疏散标 识设置的科学性问题。 1 2 3 国内研究现状 国内对应急标识的研究，主要关注应急标识本身，包括包含应急标识的材料、设 置的系统性正确性及其规范性、图形、能见度因素如亮度大小、颜色等。而关于应急 标识数量的设置，只是根据相关建筑规定而自行选取( 如g b5 0 0 1 6 2 2 0 0 6 建筑设计 防火规范和g b5 0 0 4 5 2 1 9 9 5 高层民用建筑设计防火规范) 。 1 、应急疏散标识 陈玮霞【3 6 】介绍了新力自主创新的超长余辉蓄光自发光材料，制成安全指示标识并 8 第一章绪论 形成整体紧急疏散系统。北京地铁5 号线的安全紧急疏散系统成功利用该技术，在地 面、楼梯、墙面、天花板等各部分设置了安全指示标识，最终形成全方位的疏散逃生 系统。突发地铁事故灾害时，行人有效利用应急疏散指示标识系统及时逃生，是顺利 完成应急救援的重要措施。宋波等【3 7 3 8 】比较了中国与国外应急疏散体系的标识的不 同，从应急标识设置的规范性、正确性、色彩影响和辅助设施等方面分析了国内应急 标识体系存在的问题，并提出优化设置的建议。 张培红等【3 9 1 构建了三维空间模型，仿真突发火灾烟气弥漫地铁站台时的疏散情 境，统计仿真数据得知性别、成长环境和专业背景等不同的行人疏散行为与其看到疏 散标识的决策反应有某种相关性，其中，紧急情形下行人会优先选择以图形为主要设 计元素的指示标识。根据疏散指示标识在烟气中的特性，国内学者把研究集中在应急 标识的对比度、亮度以及应急标识的能见度等方面【4 0 4 。赵华亮【4 2 1 通过分析应急标识 的疏散距离、疏散宽度等设计指标和参数，探讨了应急疏散系统中应急照明与指示标 识存有的问题，指出低处的指示标识比高处的指示标识更容易被辨别和识别。 完善疏散指示标识和应急照明设施是解决高层建筑突发火灾时群体疏散的有效 对策【4 3 1 。刘卿【6 】在安全疏散设施的防火设计研究中，指出应急设施设计的缺陷和管理 不善是火灾事故不善疏散的主要原因，提出应急照明和疏散指示标识的具体设置要 求。 2 、智能应急疏散系统 新型应急疏散指示标识系统应该结合现代通讯技术，更完美地解决大空间建筑物 疏散逃生的难题【4 4 4 5 1 。 范平安【蛔介绍了一种集信息技术、计算机技术和自动控制技术为一体的智能型、 网络化火警显示和安全疏散指示系统。徐建【4 7 1 以“浦东市民中心 工程为例，通过智 能疏散逃生系统和消防报警系统的联动，探测火灾信息，借助通讯手段，实现行人安 全逃生。智能疏散逃生系统的“安全指引疏散 原则，引导行人避烟逃生，实现安全、 有效、快速的群体疏散。 3 、应急照明疏散系统 陈秀庭等阻町介绍了应急照明系统中应急疏散照明灯的注意事项。为了行人疏散时 有足够照明而设置的应急疏散照明灯，一般设置于公共通道以及竖向楼梯间；然而， 为行人引导方向和正确路径的低位应急疏散照明和指示标识，一般安装于大型商场、 影剧院等人员密集的公共场所的公共通道以及竖向楼梯中。宋谊君【4 9 】按照应急照明的 功能划分了三类，正常照明失效时继续工作的备用照明，突发火灾时帮助行人从室内 安全逃生到室外的疏散照明，正常照明中断时确保潜在危险人员安全的安全照明。林 晨等结合城市应急避难场所的规划，指出应急标识的设置优先选择有可能改变通行 方向的位置，应急标识应具有可识别性，其指示方向应该明确。武深秋【5 i 】结合火灾应 急照明，阐述了疏散指示标识在建筑空间的安装部位。王飞东【5 2 】结合火灾事故照明分 q 北京化工人学硕上学位论文 别阐述了疏散指示标识在低层和高层建筑中的设置和控制问题，提出应急照明灯和疏 散指示标识分回路供电，应急照明灯设置双控面板开关控制。 薛华培【5 3 】分析了地下空间的特点及其在防火和安全疏散方面的不利因素，着重从 概念性方面论述了标识与应急照明灯的设计要点和设计方法。项华【5 4 】提出在安装应急 照明灯和疏散指示标识时，应注意供电与配电方式、照度、亮度、设置位置等方面的 问题。刘皓等【5 5 】阐述了应急照明的种类、光源类型以及电源要求，介绍了应急照明的 控制方法和线路敷设要求，提出应急照明的设计涉及到供电电源类别、区域布置、楼 宇管理、照度分配的智能化系统方法等。王秀娟【5 6 】对备用照明、疏散诱导标识照明等 应急照明系统的设计进行归纳总结，提出应急照明系统的设计应根据其规模大小、复 杂程度、建筑内停滞和流动人员数量、火灾危险程度、建筑物的重要程度以及其他应 急电源的设置情况等，综合考虑并进行技术经济分析比较后，合理设置应急照明系统， 优先选择智能集中控制消防应急系统。 1 3 本文研究目标与思路 突发事件发生后，快速有效的进行群体疏散是关键。然而群体疏散是一个极其复 杂的过程，其动态要受到很多因素的直接或间接的影响，例如疏散的空间环境因素， 群体中个体间的相互作用，个体的心理状态和行为特征等。目前对群体疏散的研究着 重在疏散的行为分析，然而对于空间环境的研究还不够深入，尤其，应急标识对群体 疏散的影响认识不够深刻，因此有必要对上述内容进行深入研究。 通过对研究现状分析，可知对于应急标识的优化研究还处于初步阶段。实现应急 疏散标识的优化设置，推动应急疏散标识设置的科学化进程，是本文研究的总体目标。 应急疏散标识的科学设置，是基于应急疏散标识的作用距离确定问题及其设置优化问 题的解决来实现的。本文的研究思路如下： 首先，建立导入马尔可夫过程的元胞自动机逃生模型，通过将模拟结果与真人试 验进行比较，验证模型的可行性与精确性。 其次，深入应急标识的影响效果，基于导入马尔可夫过程的元胞自动机模型，通 过有无应急标识的对比、不同位置应急标识的对比和不同数量的应急标识对比，分析 应急标识在紧急疏散中的作用，探索理论上的最优值和在实践中最应该安装的应急标 识数量。 1 4 本文创新之处 ( 1 ) 研究对象选择建筑空间内的应急标识，围绕应急疏散标识的科学设置问题 l o 第一章绪论 展开研究。应急疏散标识作用研究是新兴的交叉前沿学科领域的研究问题，实现应急 疏散标识的优化设置，推动应急疏散标识设置的科学化进程，具有广泛民生、经济、 社会等国家层面的需求。 ( 2 ) 创新性地建立导入马尔可夫过程的元胞自动机逃生模型。通过将模拟结果 与真入试验进行比较，首先确认模型的高精确性；然后基于c a m p 模型，来研究不同 数量应急疏散标识在相同疏散环境中的作用，探索理论上的最优值和在实践中最应该 安装的应急标识数量。 第二章c a m p 模型的建立 2 1 元胞自动机模型 第二章c a m p 模型的建立 元胞自动机模型( c e l l u l a r a u t o m a t a m o d e l ，c a ) 是定义在一个由离散、有限状态 的元胞组成的离散空间网格上，遵守一定的局部规则，在离散时问维度上更新、演化 的动力学系统。2 0 世纪4 0 年代晚期，y o nn e u m a n n 提出元胞自动机理论。如今，元 胞自动机模型已经应用于各种各样复杂系统的科学研究，涉及到生物、经济、环境、 交通等领域，它是时空都离散的物理系统的理想化。现阶段，元胞自动机理论已经逐 步应用到突发事件的群体疏散研究中。 g a yj a n ep e r e z 等人【5 7 1 应用有效率的元胞自动机模型研究房间内步行者的出口动 力学，该模型重现了拥挤的经典特征在出口处拱形形成，显示拥挤状态相当地限 制步行者逃离房间的能力。在单出口房间的仿真中，当步行者面对更多的途径到达出 口的时候，仿真显示恐慌状态的群体行为，个体本能地走向他记忆中的出口位置，而 不管其他更有效的逃生可能。模型中使用一个与社会力模型类似的恐慌参数，可以观 察到“欲速则不达效应。z h a o 等人【2 2 】应用二维元胞自动机随机模型研究群体疏散 的出口动力学，验证了如下现象：( 1 ) 存在出口宽度与隔墙门的最佳值；( 2 ) 在疏 散过程中，显示拥挤状态的拱形在每个出口门处形成，它的形状随着隔墙门的值而改 变。同时，得到结论： ( 1 ) 对单出口门而言，随着出口宽度的增加，每单位宽度的 平均流量在减少，平均总流量是出口宽度的三阶多项式函数，与出口宽度呈现正相关； ( 2 ) 建筑物的出口宽度应该高于某特定值；( 3 ) 隔墙门存在临界值，此临界值不受 出口宽度的影响，该值太小或太大都无助于疏散；( 4 ) 多个出口时，出口位置应对 称，否则，不同出口的使用效率出现差别，疏散时间被延长，疏散秩序被打乱； ( 5 ) 以上现象不因系统大小和人流密度的不同而改变。 w e n g 等人【5 8 】应用一个不后退的元胞自动机模型研究行人动力学，模拟行人面临 复杂情形时进行判断，并做出相应疏散行为。通过更新不同的步长间隔，模型可以用 束仿真行人不同的移动步速。模型仿真了两种情境的逆流现象：周期边界条件和开放 边界条件。对周期边界条件的仿真，重现了拥挤、形成小道等典型的现象。周期边界 条件的仿真显示了三种步行状态，自由移动状态、小道形成状态和在一定密度范围内 完全停止状态。开放边界条件的仿真显示了两种稳定的步行状态，亚稳定状态和完全 停止状态。v a r a s 等人【1 3 】应用二维元胞自动机模型仿真房间有无障碍物的疏散过程。 结果显示，当房间没有障碍物的时候，在出口处出现类似拱形的特征，出口的宽度存 在一个临界值。w e i f e n g y u a n 等人【5 】加入了空问距离和人群密度两个因素，仿真空间 1 3 北京化t 大学硕十学位论文 内多个出口的疏散，在扩展模型中还考虑了群体效应、惯性效应、不冒险效应等的人 群行为。 2 1 1 元胞自动机模型简介 元胞自动机最基本的组成单位包括元胞、元胞空间、邻居和规则四个部分，另 外还包括元胞的状态。元胞自动机模型将有限的建筑空间划分为一定形式的规则网 格，这些规则网格中的每个格子为一个基本单元，称为元胞，元胞只能在有限的离散 状态集中取值。元胞遵循定的作用规则，并且按照确定的局部规则进行更新。大量 的元胞通过简单的相互作用构成动态系统的演化。元胞自动机模型在群体疏散中的应 用主要体现在个体之间的相互影响方面。 元胞又称单元、基元，是元胞自动机的最基本的组成部分。元胞分布在离散的一 维、二维甚至多维的欧几里得空间的晶格点上。元胞的形状会随元胞空间划分的不同 而不同。某一时刻，每一个元胞都具有自己的状态。 元胞所分布在空间上的网格点的集合就是元胞空间。目前的研究工作多集中在一 维和二维元胞自动机上。对于一维元胞自动机，元胞空间的划分只有一种