（安全技术及工程专业论文）基于群集流动特性的地铁人员疏散模型的研究.pdf

j 塞变通太堂亟堂僮i 金塞量! 基垡! a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h eu r b a nr a i lt r a n s i ts y s t e mi so n eo ft h eb i g g e s ts c a l e so fc a p i t a l c o n s t r u c t i o n ，w h i c hi so fd e c i s w es i g n i f i c a n c et oa c c e l e r a t eo l u s o c i a l i s te c o n o m i c d e v e l o p m e n t n 搪s t u d yo fb u i l d i n gh u m a ne v a c u a t i o nm o d e lh a sb e e nt h ei m p o r t a n t a s p e c tn o wi nt h ec i t yr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o nr 韶e a r c h e s b u i l d i n gas i m u l a t i o nm o d e l w h i c hi sb a s e do nt h ep a s s e n g e r s v o l u m e , d i s t r i b u t i o n , d e n s i t ya n dd i r e c t i o ni s i m p o r t a n tt ot h ei n t e l l i g e n td e c i s i o n , c o n t r o la n ds a f ee v a c u a t i o no ft h er a i l w a y t r a n s p o r t a t i o ns e r v i c es y s t e m a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho nt h ec r o w df l o wr u l e so fh u m a ne v a c u a t i o na n d n e t w o r ke v a c u a t i o nm o d e l ，a l o n gw i t ht h eo b s e r v a t i o na n da n a l y s i so fe r o w df l o wr u l e * o fh u m a ne v a c u a t i o n 髓1 en e t w o r ke v a c u a t i o nm o d e lb a s e do nt h ec r o w dp e d e s t r i a n f l o wi nu n d e r g r o u n de n v i r o n m e n th a sb e e nb u i l t ，w h i c hc a np r o v i d er e l i a b l em o d e l b a s i sf o rs i m u l a t i o nm o d e l s t h em a i np r o d u c t i o n so f t h ep a p e ri n e l u d et h ef o l l o w i n g ： 1 s t u d i e do ht h ec r o w df l o wr u l e so fh u m a ne v a c u a t i o na n da n a l y z et h ed a t a a c q u i r e df r o mt h eo b s e r v a t i o n , g e tt h ev e l o c i t y - d e n s i t yr e l a t i o n s h i pi np a s s a g e ， c o r , d e ro f p a s s a g e ，s t a i r sa n ds oo n c o m p a r e dw i t ht h ef c s e a r c hr e s u l to f o t h e r s s c h o l a r s 2 f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fu n d e r g r o u n ds t r u c t u r e ，t h ea u t h o r b r i n g sf o r w a r dt od i v i d et h ew h o l eb u i l d i n gi n t of o u rk i n d so f e v a c u a t i o nu n i t s a r i t h m e t i cf o rc a l c u l a t i o no fh u m a ne v a c u a t i o nt i m ef o rd i f f e r e n tk i n d so f e v a c u a t i o nu n i t sh a sb e e ns t u d i e d t h en e t w o r ke v a c u a t i o nm o d e lh a sb e e n b u i l t t h i sp a p e ra l s oa n a l y z e st h eh u m a ne v a c u a t i o nd i s t r i b u t i o n r o u t ea n d c h o k ep o i n tp r o b l e m 3 t h en e t w o r ke v a c u a t i o nm o d e li si n t r o d u c e dt oe s t i m a t ee v a c u a t i o nt i m eo f t h e t y p i c a lu n d e r g r o u n ds t a t i o n ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ew i d t ho f e v a c u a t i o ns t a i ra n dt h ep r o p e r t i e so f s a f e t ye v a c u a t i o nh a sb e e ns t u d i e d k e y w o r d s ：u n d e r g r o u n d ；e v a c u a t i o n ；e v a c u a t i o nm o d e l ；c r o w dp e d e s t r i a nf l o w c i 。a s s n o ：i 趁3 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：舌雇友 导师签名： 签字日期：w d 7 年h 月主日 签字日期： 年月 日 j e 塞銮适叁堂亟堂僮途塞独剑挂彦鳗 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：黄启友莒虎友 签字日期：2 0 0 7 年1 2 月1 日 致谢 本论文是在导师肖贵平教授的悉心指导和亲切关怀下完成的。导师治学严谨， 平易近人，从课题的选题、研究进度、研究思路以及论文的撰写等方面给予耐心 细致的指导。导师敏锐的科研洞察力，渊博的知识和亲手实践的作风令我钦佩不 己! 本文取得的点滴进展都是与导师的启发分不开的，值论文完成之际，谨向导 师献上学生最诚挚的谢意! 肖贵平老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向肖贵平老师表示衷心的谢意。 还要特别提到的是蔡国强老师，他经常关心我的论文的进展，提出过许多好 的建议，并提供了大量相关的文献和资料，这些关心和帮助对论文的顺利完成产 生了有力的推动。对此我表示衷心的感谢! 另外，贾利民教授对我的科研工作和 论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 另外要特别感谢张海荣、我的父母和家人，他们始终默默地为我付出无私的 爱，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。感谢他们多年来对我 的关心和支持f 韭塞銮适盘堂亟堂僮监塞i l直 1 引言 1 1 研究背景及意义 从1 8 6 3 年英国伦敦建成世界上第一条地铁开始，世界各国的地铁系统迅速发 展起来。地铁系统是一种大运量、快速、准时、舒适的客运交通系统，能有效缓 解大城市人口密度高、交通流量大、道路拥堵严重、交通事故多等诸多问题，逐 渐成为现代城市交通系统的重要组成部分。 。 目前，我国主要城市正在开展大规模的城市轨道交通的建设和运营，并逐渐 形成轨道交通线网。根据国家轨道交通发展规划，截至2 0 0 8 年8 月，我国将有1 0 座城市的1 8 条轨道交通线路投入运营，总长4 2 5 千米，另外还有7 个城市的轨道 交通项目正在建设，建设项目总长度达4 0 0 多千米【6 】。据国内1 5 个城市的轨道交 通规划，到2 0 1 0 年，全国新规划的轨道交通项目总长度近1 3 0 0 千米，总投资约 5 0 0 0 亿元嘲。其中，北京城市轨道交通正在建设3 条线，即4 号、1 0 号、奥运支 线，另有3 条筹建线路，加上已经建成的1 号、2 号、5 号、1 3 号线、八通线，截 止到2 0 0 8 年，北京市将共建成轨道交通线路1 1 条；截止到2 0 1 5 年，北京市将共 建成轨道交通线路1 6 条。2 0 0 4 年北京城市轨道交通运量惊人，达到了6 4 亿人次 。据估计，2 0 0 8 年奥运会期间，北京市将接待海外旅游者4 6 0 万人次，接待国 内来京游客将达9 6 0 0 万人次，总接待游客数突破1 亿人嘲。因此，地铁的安全运 营工作将面临巨大的挑战。 但是，地铁自产生之日起，就存在着各种安全隐患。地铁系统整体位于地下， 是一个相对封闭的场所。其内部空间( 包括隧道、站台和站厅等) 较大，与外界 连通的开口相对较少，只有少量的通风井和车站的出入口与外界直接连通。因此， 地铁一旦发生事故尤其是火灾事故，损失往往十分严重。 1 9 8 7 年，伦敦克罗斯地铁车站大火，死3 1 人；1 9 0 3 年，历史上著名的巴黎 地铁大火，死1 0 0 余人；1 9 9 5 年，东京地铁沙林毒气事件，死1 2 人；1 9 9 5 年， 阿塞拜疆乌尔杜斯地铁大火，死5 5 8 入，伤2 6 9 入；1 9 9 5 年，韩国大邱地铁大火， 死1 0 3 人【2 5 1 。这些地铁灾难，无不因灾难发生时疏散困难而给世人留下惨痛的教 训。 因此，地铁事故时的人员安全疏散问题已经引起国际社会的关注。随着世界 各国地铁网络的不断扩大，更多的专家和学者更为广泛和深入地研究这一公共安 全问题。 j e塞銮适太堂亟堂僮 j 金 塞 l壹 1 2 国内外研究现状 目前对人员疏散的研究内容主要集中在两个方面：一是对逃生时间的研究， 如通过比较建筑物达到危险时间与人员有效逃生时间来评估建筑物的安全性，对 建筑物达到危险时间的判断依据主要有考虑烟气沉降到某位置的时间，如a s e t 、 s i m u l e x 、e v a c n e t 4 等【”1 ：二是对人员在逃生中行为的研究，如研究人员对 事故发生的早期反应，时间压力对人员逃生的影响等。 国内外对于建筑物内人员疏散问题的研究方法一般可归纳为两大类：一类是 利用人员流动观测或实验模拟等手段，进行基础研究；另一类是借助计算机模拟 等手段进行理论分析。基础研究的主要目的是试图从实验或观测数据中总结出入 员疏散流动的基本规律，以英国j j f r u i n l 2 1 1 、前苏联的p r e , d t e c h e n s l d 和m i l i n s k i l 瑚、 k n o t i g 捌以及日本的t 0 9 a w a 【2 0 l ：等为代表。他们利用实际观测等手段，得到了大量 有关人员步行行动能力，以及建筑物出口的流动系数等的观测数据。根据人员密 度分布确定人员流动速度和建筑物疏散通道的数量和宽度的方法，广泛地为各国 引用，并用以指导建筑物防火设计规范的制定。 近年来，随着计算机数值模拟技术的迅速发展，国内外研究人员运用网络技 术、最优化技术、虚拟现实等技术手段，在二维或三维建筑空间开发了多个关于 人员应急疏散行为的计算机模型【2 0 】。英国格林威治大学的g a l e s 、爱丁堡大学的 t h o m p s o n 等人成功地开发了一些计算机模型，如e x o d u s 、s i m u l e x 等1 2 l 】，利用各 种网络模型实现对人员疏散行为或疏散行动过程的模拟。总之，根据其中对人员 疏散行为的研究方法，可将现行的疏散模型概括为以下两种类型：网络疏散模型 和网格疏散模型。 典型的网络疏散模型如：e v a c n e t + = 2 3 1 、e x i t 8 9 1 2 0 l 、m a g n e t m o d e l 13 1 、 t a i c a h a s h i sm o d e l 1 3 增。其中e x i t 8 9 借用p r e d t e c h e n k i 关于人员步行速度 和人员密度的关系式描述疏散人员在紧急状态下的疏散流动速度，忽略不同人员 行为特征和初始状态下疏散人员在疏散行动开始时间上的延迟，以及疏散流动速 度和出口群集流动能力随时间的动态变化。典型的网格疏散模型有：e x o d u s 1 3 1 采用o 5 m o 5 m 的方格，s i m u l e x t 2 0 采用o 2 r e x 0 2 m 的方格，e g r e s s ”1 采用六 边形网格法。 网络疏散模型在计算时节省内存，运行速度较快，适用于人员密度较大，疏 散人员无法根据自己的行为特点自由进行决策和疏散行动的场合。网格疏散模型 较多考虑到疏散中人的行为特性，以及相互之间的影响，因此需要考虑的因素比 较多，计算量比较大。 我国对安全疏散的研究起步比较晚，大都还停留在定性分析阶段。近几年来， 2 韭塞銮迤盔堂亟堂焦 j 金塞i i直 随着我国对消防安全的逐渐重视，才出现了一些关于建筑物安全疏散的研究。如 蒋久琨1 2 4 1 关于超高层建筑避难层设计论述，李章盛【2 3 烽关于烟气控制与疏散通道 设计的探讨等。近年来，陈宝智教授对紧急状态下的人员疏散问题一直比较重视， 在他的指导下，温丽敏博士就发生化学品泄漏等重大事故时社区范围紧急疏散的 原则和应急方案进行了研究，利用遗传算法对街区疏散方案进行了优化决策【2 ”。 武汉大学的方正博士和香港城市大学的卢兆明博士也就建筑物火灾过程中的人员 疏散问题进行了研究，并建立了人员疏散网格模型s g e m 2 4 。 1 9 9 8 年，东北大学的温丽敏、陈全等提出了一种火灾中群集疏散的模型，并 且采用了计算机仿真的方法计算人员疏散行动时间【3 ”。该模型的前提是“疏散人 员井井有条地按照设计人员设计的疏散通道疏散”，假设全部疏散人员都有能力自 己疏散出去。由于疏散人员的性别、年龄、身体条件等不同，疏散能力也各不同， 在解决具有不利于疏散的人员特征时，采用降低整个疏散能力的平均值的方法。 1 9 9 9 年，中国建筑科学院建筑防火研究所的刘文利、熊洪等提出利用网络控 制原理对地下商业街建筑人员疏散行为进行模拟，建立了相应的疏散预测模型f 3 ”。 以上的人员疏散研究主要集中在对高层建筑的研究方面，对其他典型建筑( 如 体育场馆、地铁、地下商场) 的研究也在开展，但是相对较少。但是，随着世界 各国地铁网络的不断发展扩大，地铁应急疏散问题已引起更为广泛和深入的研究。 目前，对于地铁的人员疏散，国际上正在进行的研究主要包括以下几种思路和方 向： ( 1 ) 基于地铁火灾中烟气运动规律的人员疏散研究 地铁火灾中对人员最直接的威胁往往不是火本身而是烟气，烟气中包含的热 空气和有毒气体，以及在地下环境的特殊运动规律影响了人员的逃生能力和逃生 路线的选择，并且使得原本能见度就不高的地下环境的能见度大大降低，这些必 然对疏散造成危害。 因此将地铁火灾中烟气运动规律的研究与人员疏散研究相结合是一个重要的 研究内容，其中计算流体动力学方法是一个重要的研究课题。如：针对地铁运输 系统，可以运用计算流体动力学方法设计地铁的机械通风系统，使得在发生火灾 紧急情况时，能高效排热和排烟，以提供安全疏散路线。 中国安全生产科学研究院的钟茂华【”】等利用数值模拟方法，研究浅埋岛式站 点内烟气横向流动和不同站层间的烟气纵向蔓延规律，探讨了火灾时浅埋岛式站 点内有效的气流组织形式，隧道排烟系统的运行模式，主要针对深埋车站设计中 深埋地铁站点及区间隧道消防安全的科学难题。史聪灵【2 6 】等通过数值模拟方法， 研究了深埋岛式地铁车站站台火灾时车站内的烟气横向流动和不同站层间的烟气 纵向蔓延规律。 j 塞銮适太堂亟堂 僮j 金塞i i直 ( 2 ) 有效的报警系统和疏散设施的研究 地铁是恐怖分子实施化学攻击目标之一，因此如何在发生这类事件后及时触 发疏散警报和缓解焦虑对于降低伤亡非常重要。而在2 0 0 3 年韩国大邱地铁火灾之 后，针对这一特殊事件中人员疏散也开展了广泛的研究，这些研究主要集中在幸 存者调查和疏散系统发挥的功效方面。 ( 3 ) 基于信息技术的安全性研究，特别是其在疏散引导方面的作用 现在国际上已经开展了应用超媒体技术提高地铁运营的安全性。研究如何在 最短的时间内，通过大量的信息传输做出正确的决定，提高疏散成功率和疏散效 率。超媒体技术中的超媒体文件综合了处理紧急事件所需要的所有信息。使用包 含了文本、图片、声音、视频以及三维模型的友好交互界面，以减少反应时间， 帮助人员做出正确抉择。由此我们得到的启发是：地铁事故中信息传递对于疏散 的影响是一个重要的研究课题。 ( 4 ) 基于建筑性能化设计和疏散方案的研究 如何在地铁线路和车站设计过程中确保其在突发事件来临时的安全性和可靠 性，也是当前国际上地铁疏散研究的重要方面。这些研究和其他类型建筑性能化 设计一样，关心的是人员疏散通道、疏散标志以及火灾预警和干预系统的设计。 ( 5 ) 基于人的心理对应急疏散影响的研究 人的心理严重影响预动作时间和疏散效率，这对于她铁事故时的人员疏散尤 其重要，在地铁这一封闭系统中，不仅车厢是典型的封闭空问，而且整个地铁系 统相对于地面交通设施而言也是一个庞大的封闭体系，紧急状况造成的恐慌更容 易非理性夸大。这方面的研究应包括两方面，一方面是人员心理学的研究，另一 方面是基于信息技术的疏散指导。 1 3本文的主要研究内容 通过第一、二章对人员疏散的一些主要研究内容和方法的综述，以及对网络 疏散模型以及群集流动理论的分析，确定了本文的主要研究内容和方法。本文的 主要研究目的是建立基于地铁环境约束和人群流动规律特性的网络疏散模型，为 实现计算机模拟提供理论的支持。主要研究内容有： ( 1 ) 本文第三章，通过实验观测研究地铁疏散中人群的流动特性，分析地铁 典型场景中的人员疏散特点及其特殊性。通过录像观测、现场测量等手段，获得 人群在平直通道、9 0 拐角通道、疏散楼梯中人员流动状态的相关数据，将采集的 数据利用统计软件s p s s l 3 0 和m a t l a b 6 5 进行拟合，并与其他研究学者的研究结 果进行对比分析。 4 韭丞窑煎盔堂亟堂焦途銮呈i壹 ( 2 ) 本文第四章，根据地铁特殊的结构特点，将地铁空问划分为四种不同的 结构单元，在对不同单元的人群流动特点进行分析的基础上，设计出了各个单元 的疏散算法，并分析了多出口条件下的人流分配和路径选择问题，以及地铁疏散 过程中的瓶颈目题，建立了网络优化疏散模型。 ( 3 ) 结合北京地铁的实例进行研究，根据网络疏散模型的流程图用m a t l a b 6 5 软件计算疏散时间，并对计算结果进行分析。 ， ( 4 ) 最后，对紧急情况下地铁人员疏散存在的问题给出建议，并在对目前工 作进展进行小结的基础上，对以后的研究工作做了一些展望。 韭夏銮望盔竺亟堂焦途塞厶璺蕉趑班塞丝担羞墨筻基碴 2 人员疏散研究的相关理论基础 国内外学者从不同方面对人员疏散进行研究，主要集中在以下几个方面：人 员琉散在性能化设计中的应用；疏散中入的行为特点及疏散行为；疏散时间；疏 散中的群集流动理论及疏散模型。 2 1人员疏散在性能化设计中的应用 众多消防安全工程师把建筑物居住者视为“参数”而非入。其结果是消防安 全工程师通常不考虑人们实际开始疏散之前和疏散过程中所受到的影响因素，而 忽略了事故危害评估中许多重要的因素，如人的反应、生理上和行动上的因素。 这样往往导致如下假设：报警器一旦动作，所有的居住者都听到报警；一旦昕到 报警，所有的居住者都将开始疏散；而且所有的居住者在计算时间内都需要到达 安全的地方。 很明显，上述假设有不足之处，在进行研究时，我们需要充分考虑人的反应 因素，这是恰当选择生命安全标准的关键。因此需要在性能化设计中综合考虑几 项对生命安全影响的重要因素；人对报警信号的反应、在火灾和紧急情形下人的 行为、对火的疏散行为和生理反应等。 对众多消防安全工程师而言，在性能化设计中综合考虑人的因素是由火灾探 测器动作、行走时间、计算机模拟和计算的可能安全疏散时间等安全因素组成。 然而，人们对火灾反应造成的延迟是必然的，因此，工程设计必须考虑以下几点： 居住者延迟开始疏散时间、疏散过程的延迟和部分人由于自身原因可能没有疏散。 作为生命安全评估，要考虑人的因素，在这个问题上要使用随机法确定包括 概率分布和风险与生命安全比值在内的可变量。另一种方法是利用主观性和客观 性来推导不确定的和可变的因子，改进各种判断依据。 总之，评价疏散安全性的指标应该包括建筑空间出口及楼梯等处群集滞留人 数、滞留持续的时间、疏散全部结束所需的时间及可用的安全疏散时间等。这些 指标与建筑空间形式、空间内人员分布、人员状态、火灾状况等因素有关。 2 2紧急情况下人员运动特点 人员疏散可定量地表示为三个基本特征，它们均表述为比值，分别为密度p 、 速度v 和流i f 。密度是指单位走道面积中的人数，如2 0 & m 2 ，密度通常也以 人均占用面积来表示，如0 5 m2 人。速度是指人在单位时间内的步行速度，如 6 l m s 。流量是特指在单位时间内经过某一特定点的人数，如2 0 ) k s ，通常用在 运动和速度已经确定的场合。这三个基本特征值与通道的宽度w 在通用公式中是 相互关联的，可表述为【 1 ： f = p v w ( 2 1 ) 显而易见，疏散中的速度在一定程度上取决于密度。如果人与人之间空隙较 大，则人可以按照正常的步伐快速行进，如果人与人间隔很小，则行走速度会减 慢，直至最后由于人员密度过大而无法移动。将其定量可表述为：当行人密度小 于o 5 人m 2 时，人能以1 2 5 m s 的平均行走速度行进在走道上。当密度增加时， 行走速度随之降低。当达到4 或5 人m 2 时，人简直无法移动。这正好解释了一大 群人争先恐后地拥向出口时往往导致疏散效率显著下降的现象。 因此，流量和密度之间存在着较为复杂的关系。这里给出高层办公楼疏散中 通常采用的一种“人员流量一密度”关系式【1 2 】： f = 1 2 6 p 一0 3 3 v 2 ( 2 - 2 ) 引入人员水平投影面积p 的概念，则可以得到人流面积投影密度d 的表达式 为： d ：二翌兰：p p( m 2 珑2 ) ( 2 3 ) w p l p 式中，w 。和三。分别为人流的宽度和长度。人员投影面积可以根据人员体检 时的统计数据获得，如p r e d t e e h e n s k i i 和m i l i n s k i i 直接采用由前苏联研究项目测算 出的春秋季节成年人的平均尺寸为0 1 1 3 m 2 ，奥地利年龄在1 5 3 0 岁未穿外套的 人员水平投影面积为0 1 4 5 8 m 2 ，身着外套的则为o 1 8 6 2 m 2 ，而德国的人员水平 投影面积一般为o 1 2 , - - 0 1 9m 2 ，美国1 8 - - - 4 5 岁人员的人均水平投影面积为 0 0 9 0 6 m 2 【1 3 】。 p r e d t e c h e n s k i i 和m i l i n s k i i 给出了水平方向上人员行走速度与人流面积投影密 度之间的经验公式【1 3 1 ： y = 1 1 2 d 4 3 8 0 d 3 + 4 3 4 d 2 2 1 7 d + 5 7( 2 4 ) 根据p & m 设定的d 值将公式转变为“人员速度一密度”关系式： v = o 0 0 0 3 p 4 0 0 0 9 13 8 p 3 + 0 0 9 2 4 0 2 0 4 0 7 8 p + 0 9 5 ( 2 5 ) p & m 经过大量研究得出：在紧急情况下，人员速度会增大为： = _ o 0 0 0 0 1 p 5 + o 0 0 0 8 p 4 0 0 1 7 4 p 3 + o 1 5 4 2 p 2 - 0 6 4 7 6 p + 1 4 1 5 ( 2 - 6 ) 7 表2 1 是文献【2 5 】和文献【2 8 】给出的一些设施和情况下的人群运动参数。 表2 1 一些设施和情况下的人群运动参数 t a b l e 2 1c r o w df l o wc o e f f i c i e n to f b u i l d i n gi nd i f f e r e n ts i t u a t i o n s 设施人群拥挤情况 密度( 人m 2 )速度( m 砧流量系数( 人胧5 ) 最小 3 2 0 o 2 00 4 2 最小 3 1 2 0o 1 00 4 2 最小 o 5 41 2 7 0 6 6 走廊中等 1 1 01 0 11 1 0 最佳 2 1 7o 6 11 3 2 拥挤 3 - 3 0 0 3 0 1 0 0 门中等 1 1 0o 8 60 9 3 最佳 2 4 00 6 11 4 3 拥挤 3 3 0 o 2 5 o 8 2 在三个基本运动特征的基础上，火灾中的人员可以表现出不同的运动特点或 者说是不同的行为。行为是为了满足一定的目的和欲望而采取的活动状态，简单 地说就是人们的日常活动。通常这些活动具有某些固有特性，用科学的手段加以 量化和分析，则可找到其共同的规律性( 行为特性) 。发生事故时人员的运动特点 与正常时有很大的区别，主要表现为：非适应性、恐慌行为、穿过烟气行为等。 2 3疏散时间的量化计算方法 疏散时间的量化方法是计算建筑物内人员安全疏散的重要依据。在建筑物的 设计规范中，疏散时间的量化算法是在些经验公式的基础上得到的，目前，很 多国家包括我国的建筑规范主要是控制建筑物的出口、走道、楼梯、门等的容量 来进行疏散设计。一般是按单位宽度的人流通行能力及建筑物容许的疏散时间来 控制建筑物的走道和出口等的宽度。 计算建筑物的疏散时间时，常用的经验公式： j e 夏銮通太堂亟堂僮缝毫厶虽蕴邀班塞的担羞垄盈基趟 o ) t o g a w a 推导的疏散时间近似计算公式 1 3 1 乃2 击眦一蕃f o m o ) 零删司+ t o ( 2 - 7 ) 式中：玑是建筑物疏散总人数；m o ) ，n 分别是第f 个出口和最终出口处的人 员流量；月是出口总数：置是第i 个出口的宽度；t o 是出现定常流时人员流动的时 间；谚( f ) 为第i 个出口处人员滞留系数，即聚集在该出口人数所占的百分比。 等式右边第一项描述了在出现定常流之后的疏散所用的时间，此时疏散时间 只和最终出口的疏散能力有关；积分项是指从疏散开始到出现定常流时从各出口 离开的人数。 其简化公式为： 正= 惫+ 等 ( 2 8 ) 式中，1 ，是人流移动速度；墨是从人流起端到最终出i = 1 的距离，可简单认为 是第一个人员移动到最终出口的距离，这里假设队列的第一个人员到达该出口后 队列的疏散是连贯的。显然，这样简化给出的疏散时间应该是最短的总体疏散时 间，因为在实际疏散中后面的人员不可能都紧跟在第一个人员之后。 怛j 英国的m e l i n k 和b o o t h 方程 式2 - 9 主要偏重计算多层建筑的总体疏散时间【”】： 上 霉= ( q ) ( 锋一z ) + r t , ( 2 9 ) i = r 式e f ：z 是第r ( ，从第1 到第n ) 层以上人员疏散下来的最小时间；q 为第i 层 的人数；是单位宽度楼梯通过的流量；6 ，。是从驴一1 ) 到，层的楼梯宽度；f 。是 在不受拥挤情况下的人员下降一层所需的时间，一般取1 6 s 。 式2 - 9 给出了t ( ，= 1 至栉) 的n 个值，就整栋建筑物而言，最短疏散时间t 等 于这些z 中的最大值。 j 加拿大p a u l s 的经验方法 p a u l s 根据大量的演习观测总结了一系列关于多层建筑疏散时间的计算方法， 提出有效楼梯宽度的概念，即认为实际人们可以利用的楼梯面积应该扣除楼梯两 侧不可利用部分各1 5 0 m m ，并得到人流流量在楼梯处的经验拟合公式【1 6 1 ； f = 0 2 0 6 p 0 2 7 ( 2 。1 0 ) 式中，厂是单位有效宽度楼梯所能通过的人流流量，p 是单位有效宽度楼梯 要疏散的人数。 对于多层建筑疏散时间，p a u l 给出了如下公式： 9 韭塞奎通盔堂亟堂焦j 金塞厶虽蕴敦班塞的担差垄监基碹 l t = o 6 8 + 0 0 8 1 , 0 0 ”当单位宽度楼梯通过的人数少于8 0 0 时，。 i t = 2 0 0 + 0 0 1 1 p当单位宽度楼梯通过的人数多于8 0 0 时 r 为经楼梯完成未加控制的疏散所用的最短时间，以分钟计：p 为在紧邻出口 层上面的楼层测得的单位有效宽度楼梯所容纳的实际人数。 近些年来，些专家学者发展出来了一些网络疏散模型和网格疏散模型。其 中网络疏散模型的算法原理就是以上一些算法中演变过来的，一般都是采用的流 量限制原理来计算建筑物总体疏散时间。而有些网格疏散模型也是根据相似原理 来找出适合自身模型发展的疏散算法，而这些疏散算法就是网格疏散模型的时间 计算量化方法。 2 4人员疏散模型述评 对于人员疏散模型基本上可以分为两类模型，即只考虑人的运动的模型和综 合考虑人的运动和行为相互关系的模型们。第一类模型仅考虑建筑物各部分的疏 散能力，疏散方向和疏散速度仅由建筑物的物理因素决定，比如人群密度、出口 疏散能力等，而忽略了人群中的相互作用，将所有疏散人群当作一个共同特性的 整体来考虑，如e v a c n e t 4 、t a k a h a s h i sm o d e l 等模型【2 3 j ；第二类模型不 仅考虑了建筑物的物理特征，而且将每个人当作一个主动因素，考虑其个体行为 特征，比如反应时间、如何选择出口、紧急状态下的心里因素等，如s i m u l e x 、 e x o d u s 等模型 2 3 1 。 相应地，研究人的行为的疏散模型一般都采用精细网格法对疏散空间进行划 分，用这种方法可以准确地得到疏散空问的几何形状及内部障碍物的位置，并在 疏散的任何时刻都能将每个人员置于准确的位置。例如e x o d u s 采用的是 0 5 m x 0 5 m 的正方形网格，s i m u l e x 采用0 2 m x 0 , 2 m 的正方形网格。而网络疏 散模型则按照实际建筑物结构的划分确定其几何形状，每个网络节点都可以表示 个房间或走廊。但是这种方法很难计算人员的详细运动情况，也很难表示各人 员之问的相互影响。 2 4 1网络疏散模型分析 ( 1 ) 网络疏散模型介绍 网络疏散模型在设置疏散路径时，将每个结构单元设置成为一个节点，然后， 将所有的单元都用线段相连，就这个建筑物的疏散路径来说，疏散路径形似网状 1 0 韭塞窑适盔堂亟堂焦：l 金塞厶虽蕴邀受塞麴担羞垄监基璎 的结构，故称作网络疏散模型。在此类型的疏散模型中，人员的移动是从一个结 构单元移动到另外一个结构单元，较少考虑人员在移动过程中的相互作用。 该方法的研究者包括美国的c h a l m e t 、f r a n c i s 、g u n n a r 、m a c g r e g o 等人1 1 9 】。 美国f l o r i d a 大学的t m k i s k o 建立的e v a c n e t 4 模型就属于该类型的模型。 e v a c n e t 4 在定义模型的疏散路径时，用一系列的节点和线段来描述建筑物的结 构，节点代表建筑物内的不同单元，线段表示各个单元之间的通道，所有的节点 和路径相连，就形成了它的疏散路径。对于每个节点都定义了发生事故时该单元 的实际人数和该单元所能够容纳的最大人数。对于每条线段，用户必须设定通过 该线段所用的时问和单位时间内人员的流率。 清华大学谢旭阳博士和中国矿业大学周心权教授等在高层建筑火灾网络疏散 模型h r b f s 的基础上建立的疏散模型就是一种网络模型【3 。该模型给出的疏散路 线是通过图论的方式得到的，并提出了通道当量路径长度的概念，用来量化疏散 路径的长度。他们认为：最短的疏散路线并不意味着疏散时间最短，同时也并不 一定是最安全的路线。当量路径长度的确定方法为：设定一个速度值，在此基础 上来设置其他因素对疏散速度的影响系数，然后在实际的疏散路线单元上乘以该 单元的影响系数，得到的数值即为当量路径长度。 ( 2 ) 网络疏散模型的算法 在模拟人员疏散时，网络疏散模型只考虑人员离开相邻的两个节点所用时间。 而在计算人员离开某结构单元( 在网络模型中称之为节点) 时，则是通过出口的宽度 和结构单元到出口的当量距离l 来决定疏散类型。如图2 1 所示： 图2 1 结构单元示意图 f i g 2 1c o n s t r u c t i o nu n i ti l l u s t r a t i o n 网络疏散模型的疏散算法原理是流量限制原理。当出口宽度w 足够大时，在 结构单元的出口处不会出现瓶颈现象，并称此时的疏散状况为距离控制疏散。在 距离控制疏散过程中，从结构单元内疏散出来所用的时间就由当量距离与人员行 走的速度v 来决定。并且，当v 一定时，越大，通过该结构单元所用的时间越长， 称这种现象为距离控制疏散。当在出口处出现人员聚集时，称这种现象为疏散瓶 韭塞蛮适盔堂亟堂焦i 金塞厶虽蕴筮班塞丝担差垄i 盒基地 颈现象，出现这种现象的原因是出口的宽度较小，从结构单元出口单位时间内流 出的人数要比从结构单元内流向出口的流量要小。 2 4 2网格疏散模型分析 ( 1 ) 网格疏散模型介绍 网格疏散模型是根据人员疏散路径的选择而言的。它是指将要疏散的单元( 通 常是该结构单元的二维空问) ，根据模型和计算需要，分为很多网格，每个网格 设置为有人和没人这两种状态，再根据一定的规则模拟人员的行走。不同的疏散 模型，其网格的大小和形状不同。 在运用网格疏散模型模拟人员疏散时，一个大的结构单元将被划分为很多小 的结构单元进行考虑，这些小的结构单元既可以是网格疏散模型中的最小单元， 也可以是这些最小单元的组合。通过这种方式来定义疏散路径，就有可能精确地 模拟出建筑的结构特征、建筑物中障碍物的大小与位置、以及疏散过程中不同时 刻建筑物内人员所处的位置。 ( 2 ) 网格疏散模型的算法 人员疏散路线的选择是网格疏散模型研究的重点。而疏散路线的选择受到多 方面的影响，如：人员对建筑物的熟悉程度、对火灾发生地点和发展情况的了解 程度、周围人员行为的影响以及人员自身的一些判断和性格特点等。因此在网格 疏散算法中确定人员对疏散路线的选择时要充分考虑这些因素的作用。 该模型的基本思想是：将所研究的二维空间进行均匀的网格划分，每个格点 ( 元胞) 为空或被一个人占据，人员的移动方向根据建筑物内总危险度来选择。 该模型中人员疏散路线的确定按照式2 1 2 进行选择。 助= e x p ( k , 岛) 懿p 晦弓) e 印( 岛) e x p ( k a 呜) e x p ( k o d f ) ( 1 一嘞) ( 2 1 2 ) 式中，所表示人员向格点( f ，力运动的概率；表示格点( f ，力在t 时刻的人数；参 数满足式2 1 3 ： = 【e x p ( 也) 唧( k 弓) e x p ( k ) e x p ( 鸣) 唧( b 岛) ( 1 一) 】- l ( 2 - 1 3 ) ( f ，) 式中，岛和屯表示格点( f ，) 位置吸引力及其影响系数； 乃和k 表示格点( f ，) 上由事故场景引起的排斥力及其影响系数； 乜和k 表示格点( f ，) 处周围人员产生的排斥力及其影响系数； 鸣和吒表示格点( f ，- ，) 处周围人员产生的吸引力及其影响系数； 和表示格点( f ，_ ，) 处周围人员运动方向产生的排斥力及其影响系数。 1 2 j e 夏至适盔堂亟堂焦迨塞厶虽蕴敬班荭凶担羞垄监基地 综上，比较网格疏散模型和网络疏散模型，不难看出，这两种模型的核心疏 散算法是不相同的，它们分别选择了不同手段来模拟人员行走的关系式。另外， 网格疏散模型还考虑了某疏散个体在疏散过程中受到其他疏散个体的影响，如： 元胞自动机模型就考虑到某疏散个体受到疏散个体之间的力作用，同时它还考虑 到疏散个体所处的位置以及与危险区域的相互作用等。因此，可以看出，网格疏 散模型能够比较好地模拟疏散过程中人员的个体特征、疏散个体与疏散个体之间 的相互作用等。 2 5 群集流动理论 人们在生活或生产中，往往聚集成群而形成群集，因群集中个体之间相互影 响，群集行为和个体行为有很大不同。重大突发事件发生时的应急疏散属于群集 行为，因此有必要研究群集行为的规律。 特别是，重大突发事件发生时情况紧急很容易引起人们惊慌失措，在避难或 疏散的过程中，群集中的人们可能互相拥挤而跌倒、相互践踏，引发群集伤害事 故。将群集流动理论应用于重大事故应急疏散研究中，对实现用最短的时间安全 地疏散具有十分重要的意义。 2 5 1群集行进的步速 日本、英国、加拿大和美国在群集行为规律方面做了大量研究，研究群集行 为一般从研究人们步行的速度，即步速开始。 单个人在自由空间里行进，步速为1 2 m s 左右。在人数众多，即群集的情况 下，由于受场所的限制，群集的步速取决于人群的密度。通常，用群集流动系数 来描述人群通过某一空间断面的流动情况。群集流动系数等于单位时间内单位空 间宽度通过的人数，其单位是：人m j 。在本文第三章的内容中，将针对地铁环 境中群集流动特性进行观测和分析，并得到人群流动速度与人群密度的关系。 2 5 2群集伤害事故 在某些情况下，例如重大突发事件发生后人们生命安全受到威胁的应急疏散 的情况，群集中的人们可能互相拥挤而跌倒、相互践踏，发生伤害事故。由于人 们相互拥挤、践踏造成的伤害事故称作群集伤害事故。为防止突发事件发生时人 员疏散过程中发生群集伤害事故，下面就与群集伤害事故相关的几个主要问题加 以讨论。 ( 1 ) 成拱现象 人群从宽敞的空间涌向较狭窄的出入口、楼梯时，除了正面的人流外，往往 有许多人从两侧挤入，阻碍正面的流动，使群集密度增加，形成拱形的人群，谁 也不能通过。根据经验f 3 4 】，当拱形群集密度达到1 3 人珊2 以上时，由于某一侧力 量较强而使拱崩溃，一部分人突入到出入口中。同时，出入口之外的群集密度暂 时降低。当拱突然崩溃时，人员突然移动，很容易失去平衡跌倒或被绊倒，特别 是在台阶或楼梯时更加危险。 ( 2 ) 异向群集流 异向群集流是指来自不同方向的群集流。如十字路口、交叉路口来自不同方 向的群集相互冲突、相互阻塞，前进的群集受到折返回来的群集的阻塞，以及部 分群集停止前进造成的阻塞、拥挤和混乱，也有相对前进的两股群集狭路相逢的 情况。 ( 3 ) 异质群集流 当群集中的每个人都以相同的步速朝相同的方向前进时，群集的流动是稳定 的流动。通常的情况是，组成群集的人们有不同的体质，每个人都按自己认为是 最短的路线前进，走得快的人总想绕到走得慢的人前面去，以为追上、挤靠对方 则对方就会给自己让路，许多人都这样做，将会发生相互拥挤、碰撞或流动的停 滞。 ( 4 ) 群集中的恐慌 当发生重大事故时，群集中可能出现恐慌。从而引起骚动和混乱，甚至发生 伤害事故。对于群集中恐慌行为的研究也是疏散研究的热点之一，而且恐慌行为 往往也是造成群集伤害的一个重要原因。 2 5 3群集流动的计算 在一个方向连续步行的群集流动过程中，在群集流中取一个基准点p ，则向p 点前进的群集为集结群集；超过p 点向前的群集为流出群集，如图2 2 所示。如果 由于某种原因，例如通路变窄、遇到门、楼梯、台阶等，易引起p 点的滞留与混乱。 在p 点处滞留的人员为滞留群集，它等于集结群集与流出群集人数之差。 1 4 滞留群集 图2 2 群集流动 f i g 2 2c r o w d e v a c u a t i o n ( 1 ) 集结群集人数 自疏散开始t = 0 时刻起，到t 时刻止，到达p 点的集结群集人数为： y 1 2 喜r f ( f m 4 ( 2 ) 流出群集人数 自t -