（地图学与地理信息系统专业论文）基于智能主体模型和arcgis的紧急疏散模拟.pdf

摘要 火灾事故当中人员伤亡几乎都与人员行为和疏散时间密切相关，因此，如何有效预 防和减少火灾事故人员伤亡己成为当日i 国内外公共安全工作的重中之重。本研究基于 a b m ( a g e n t b a s e dm o d e l ) 和a r c g i s 技术，测试不同状况下的疏散时间，为火灾时人 员的应急疏散计划和建筑的防火性能优化设计提供依据。 本研究主要针对人口密集的室内火灾疏散，以人口密集、难以疏散的地下超市为研 究实例，通过查阅该超市的火灾疏散预案、现场访问调研和问卷调查，得到该超市的平 均客流量和人员的疏散行为等基础数据。根据人员行为规律，首先设计模拟环境，包括 三种不同的流动栅格，奔向最近的出口，奔向可见的出口和奔向正门的出口：其次设计 a g e n t 的移动规律，共设计出三组人员，离开者、跟随者、消防员；最后，给出个体之 间动态的相互作用。在模型设计的基础上，将该模型在a g e n t 专用的模拟软件n e t l o g o 中实现，并运用外业调研所获得的数据进行模型测试。 测试结果表明，人员的增多会导致疏散时间的延长，人员数量从1 0 0 0 人增加到3 9 0 0 人，疏散时间则从5 4 9 r a i n s 上升为8 2 0 m i n s 。人员数量为2 0 0 0 人不变时，跟随者由5 增多至2 0 ，疏散时间从6 4 9 m i n s 增加到8 2 0 m i n s ；以奔向最近出口为例，当人员移动 速度为5 m s 时，疏散时间为6 7 5 m i n s ，当移动速度高达1 0 m s 时，疏散时间则为3 3 8m i n s ； 基于不同的流动栅格，疏散时间有很大的不同，奔向最近出口是最快的疏散方法 ( 6 7 5 r a i n s ) ，而奔向f 门是时间最长的方法( 1 0 5 8 m i n s ) 。 本研究关于疏散时问的测试结果比较合理，计算结果令人满意。但是，由于无法对 疏散做到完全详细地描述与测试，与现实疏散时间相比，疏散时间的计算准确性有待进 一步提高。 关键词：紧急疏散，人员行为，流动栅格，基于智能主体的模型，疏散时间 a b s t r a c t f i r ea c c i d e n t sa r ec l o s e l yc o n n e c t e dw i t hh u m a nb e h a v i o u ra n de v a c u a t i o nt i m e s o ，h o w t oe f f e c t i v e l yp r e v e n ta n dr e d u c ef i r ec a s u a l t i e sh a sb e c o m et h em o s ti m p o r t a n ti s s u ei nt h e w o r ko fu r b a n p u b l i cs e c u r i t y w o r l d w i d ea t p r e s e n t 。t h i s r e s e a r c hi sb a s e do n a b m ( a g e n t - b a s e dm o d e l l i n g ) a n da r c g i st e c h n o l o g y ，t e s t i n ge v a c u a t i o nt i m ew h i c hu n d e r t h ed i f f e r e n ts i t u a t i o na n dp r o v i d e sb a s i sf o rf i r ee m e r g e n c ye v a c u a t i o np l a nf o rp e r s o n n e la n d b u i l d i n gp e r f o r m a n c e b a s e df i r es a f e t yd e s i g n i n t h i sr e s e a r c h ，w e i n v e s t i g a t ei n d o o r f i r ee v a c u a t i o no fal a r g e p o p u l a t i o ni n s u p e r m a r k e t t a k ea ne x a m p l ea b o u ta nu n d e r g r o u n ds u p e r m a r k e tw i t hc r o w d e dp e o p l ea n d f a c t o r so fd i f f e r e n te v a c u a t i o n t h ea c t u a lo nt h en u m b e ro fs h o p p e r sa n dt h e i rb e h a v i o u r u n d e re v a c u a t i o nw e r ec o l l e c t e dd u r i n gf i e l d w o r kt h r o u g hc o n s u l tf i r ee v a c u a t i o np r e - a c to f t i f fss u p e r m a r k e t ，i n t e r v i e wa n dq u e s t i o n n a i r e b a s e do nh u m a nb e h a v i o u rr u l e s ，f i r s t l y ， d e s i g nt h es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t ，i n c l u d i n gt h r e ed i f f e r e n tf l o wr a s t e r ，t ot h en e a r e s te x i t ，t o t h ev i s i b l ee x i ta n dt ot h em a i ne n t r a n c e ；t h e n ，d e s i g nt h em o v e m e n tr u l e so fa g e n tw i t ht h r e e d i f f e r e n tg r o u p s ，l e a v e r s ，f o l l o w e r sa n do f f i c e r s ；a tl a s t ，g i v ed y n a m i ci n t e r a c t i o nw i t he a c h o b j e c t i v e s b a s e do ns i m u l a t i o nd e s i g n ，i m p l e m e n t e dt h em o d e li na g e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r e ， n e t l o g oa n dt e s tt h em o d e lw i t hf i e l dw o r kd a t a t e s lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h en u m b e ro fp e o p l ew i l ll e a dm o r ee v a c u a t i o nt i m e t h e n u m b e ri n c r e a s e s tf r o m10 0 0t o3 9 0 0 ，t h ee v a c u a t i o nl i m ew i l le n h a n c ef r o m5 4 9 m i n st o 8 2 0 r a i n s w h e nt h en u m b e ro fp e o p l ei sa l w a y s2 0 0 0 t h ep e r c e n t a g eo ff o l l o w e ra d d sf r o m 5 t o2 0 t h ce v a c u a t i o nt i m ew i l li n c r e a s e6 4 9 m i n st o8 2 0 m i n s a st h ee x a m p l eo f “t ot h e n c a r e s te x i t ”，w h e nm o v e m e n tv e l o c i t yi s5 m s ，t h ee v a c u a t i o nt i m ei s6 7 5 m i n s ；w h e n m o v e m e n tv e l o c i t yi s10 m s ，t h ee v a c u a t i o nt i m ei s3 3 8 r a i n s b a s e do nd i f f e r e n tf l o wr a s t e r ， t h ee v a c u a t i o nt i m eh a sm u c hd i f f e r e n c e t ot h en e a r e s te x i ti st h eq u i c k e s tm e t h o df o r e v a c u a t i o n ( 6 。7 5 m i n s ) 。t ot h em a i ne n t r a n c ei st h el o w e s tm e t h o df o re v a c u a t i o n ( 1 0 5 8 m i n s ) i n t h i sr e s e a r c h ，t h et e s tr e s u l t so fe v a c u a t i o na r em o r er e a s o n a b l ea n dr e l i a b l e a n d c a l c u l a t i o nr e s u l t ss a t i s f y i n g b u t ，o na t c o u n to ft h ed e s c r i p t i o na n dt e s tw i t he v a c u a t i o ni sn o t c o m p l e t e da n dp a r t i c u l a r c o m p a r ew i t ht h er e a lt i m e ，t h ev e r a c i t yo fe v a c u a t i o nt i m e c a l c u l a t i o na w a i lst oe v a l u a t e k e yw o r d s ：e m e r g e n c ye v a c u a t i o n ，h u m a nb e h a v i o r , f l o wr a s t e r , a g e n t b a s e dm o d e l ， e v a c u a t i o ns i m u l a t i o n 5 2 模型测试的实施4 6 5 2 1 模型测试1 一4 6 5 2 2 模型测试2 4 7 5 。2 3 模型测试3 4 8 第六章结论与展望5 1 6 1主要创新点5 1 6 2 主要结论5 1 6 3 主要问题5 2 6 4 未柬工作展望5 3 参考文献5 5 附录6 1 附录l外业调查时间安排6 】 附录2 紧急疏散调查问卷6 三 附录3人员行为调查问卷( 专为顾客设计) 6 3 附录4 模型测试结果6 4 攻读学位期间取得的研究成果。7 1 致谢7 2 插图目录 图1 1我国火灾遇难人数统计图( 1 9 9 6 2 0 0 5 ) 2 图1 2 我国火灾发生起数统计图( 1 9 9 6 - 2 0 0 5 ) 3 图1 3 我国火灾直接经济损失统计图( 1 9 9 6 - 2 0 0 5 ) 3 图1 4 研究框架。8 图2 1综合应急管理系统和每个不同阶段中g i s 作用的示例l l 图2 2发现火灾到采取疏散行动的时间与人数分稚图1 6 图3 1外业工作框架2 1 图3 2 研究区域和超市的正门2 3 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 倒4 8 图4 9 图5 1 图5 2 图5 3 超市的内部状况( 上，左下) 和狭窄的楼梯( 右下) 2 3 一天中不同时段的顾客数量( 2 0 0 8 年1 月2 5 日) ：一2 6 超市中的滞留人数( 2 0 0 8 年1 月2 5 日) 2 6 超市中的人员密度分布图2 7 在收银台前的长队2 7 超市平面图3 3 不同类型的障碍和紧急出口图3 6 最近出口的栅格图3 7 可见出口的栅格图3 7 奔向f 门的栅格图3 8 a g e n t 移动的过程框图3 9 跟随者、消防员和出口之间的序列图4 1 离丌者与环境之间的序列图4 2 模拟的框图4 2 模拟模型的实现4 3 人员数量与疏散时| 白j 图4 6 群组的不同百分比与疏散时问图( 2 0 0 0 人) 4 8 不同的流动栅格与疏散时间图( 2 0 0 0 人) 4 9 表格目录 表1 1 我国火灾统计( 1 9 9 6 2 0 0 5 ) 2 表1 22 0 0 5 年国内十大火灾情况表4 表3 1西安概况( 2 0 0 6 年) 2 2 表3 2不同时间段的客流量( 2 0 0 8 年1 月2 5 日) 2 5 表3 3 年龄分布表2 8 表3 。4 性别分布表2 8 表3 5 教育程度分布表2 8 表3 6 火灾安全教育分布表2 9 表3 7 第一反应的分布表2 9 表3 8 逃生路线的分布表3 0 表3 9 对烟气反应的分布表3 0 表3 1 0 环境熟悉程度的分布表3 0 表3 1 1基于第一反应的群组分类3 1 表3 1 2 第一反应环境熟悉程度的交叉表3 1 表4 1三个群组不同的行为3 8 表4 2 模拟环境中的相互作用4 0 表5 1不同人数的测试结果表4 6 表5 2 增加的人数与不同的速度表4 7 表5 3各群组不同百分比的测试结果表4 7 表5 4不同的流动栅格与疏散时间表4 8 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：却尚落跏8年，二月芍1 3 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：廊商茴 刎g 年，工月，彳日 导师签名： 嘞藏叛 矽哲年，月箩日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1研究背景 1 1 1 城市公共安全 城市是人类社会物质和精神财富生产、积聚和传播的中心，社会、经济和科 学技术的飞速进步极大促进了城市化的快速发展。同时，由于城市化进程的加快， 因人为和自然因素造成的灾害事故频度和程度迅速增加，城市事故、灾害、突发 重大事件多发和危害增加对城市乃至整个国家所造成的损失越来越大，各种灾害 危机对国民经济发展的影响日益引起人们的关注，尤其是城市公共安全。城市公 共场所和公共服务设施包括各种各样的公共活动场所【l 】，这些类型的空间有城市的 大型办公社区、车站和机场、购物中心等，也包括娱乐中心如剧院、足球场以及 人员密度很高的住宅区【2 】。随着现代科学技术的迅速发展和城市规模的不断扩大， 在小型空间内容易产生一些安全问题，即在人员拥挤或密集的场所发生自然或人 为的灾害【3 】，例如，火灾、交通事故、毒气泄漏等事故。在城市范围内，与其他灾 害相比，火灾是最为多发、严重的一种【4 1 。而在引发火灾等重大事故的各种因素中， 疏散已经成为有效降低灾害、人员伤亡和财产损失的重要因素。 1 1 2 我国火灾安全现状 与传统建筑物相比，现代建筑物的火灾有如下特点： 第一，高层建筑、地下建筑、大空间建筑、结构复杂与综合功能的建筑大量 涌现，使火灾危害加剧。随着经济发展，城市入口集中，土地价格飞涨，建筑物 向高层、超高层、地下及大型空间发展。这些建筑火灾特性与旧式建筑有着很大 差别，控制难度极大。如：高层建筑和地下建筑提高了土地利用率，但是高层建 筑受风速、风向等气象条件的影响很大，而地下建筑有一定的空间密闭性，受空 间等环境条件的影响很大，这类建筑不仅起火因素增多，而且人员疏散困难，特 别是在疏散过程中人的行为因素影响力大增。因此高层建筑和地下建筑的火灾危 害极大，而传统的火灾预防技术并不适应。 第二，建筑物的火灾荷载发生了重大变化。人民生活水平和工作环境的改善， 使许多家庭和工作环境的火灾荷载大大增加。例如室内的主要可燃物不再是木材、 棉花、纸张等天然植物材料及其制品，而是在传统可燃物的基础上大量增加了人 工合成的高分子聚合物材料， 如塑料、合成纤维、橡胶以及生活用的能源，如 第一章绪论 天然气、液化石油气等。这些可燃物容易燃烧、热值高、火灾危险性大，一旦成 灾，将对人的生命和财产造成严重危害，也大大加剧了火灾发生时人的心理压力， 使发生火灾时人的行为更趋极端化和非理智化。 第三，引发火灾的因素增多。随着建筑使用功能的提高，广泛使用电气设施 和燃气、燃油设施，这些是极易引发火灾的点火源。 表1 1 为1 9 9 6 到2 0 0 5 年我国的火灾统计数据【5 】图1 1 、图1 2 和图1 3 分别 为火灾起数，直接经济损失和遇难人数的统计图。从图中可以看出，近1 0 年来， 我国的火灾次数快速上升，直接经济损失居高不下，火灾造成的死亡人数每年都 在2 0 0 0 到3 0 0 0 之l 白j 。可见，当的我国的火灾形势相当严峻。 表1 1 我国火灾统计( 1 9 9 6 2 0 0 5 ) 6 0 0 0 5 0 0 0 4 0 0 0 次要目标1 ：设计部分，明确疏散行为的特点，为疏散模拟设计基于不同 群组的a b m 。 次要目标2 ：测试部分，测试模型并找出人员，环境和疏散时间之间的关 系。 1 3 需要解决的问题 为了完成论文研究目标，需要解决以下问题： 次要目标l ：模型设计部分 问题1 ：在疏散情况下，有多少种不同的人员行为? 问题2 ：哪种模型将被用于紧急疏散模拟7 问题3 ：将有几个群组用于模拟? 问题4 ：什么是a g e n t s ，以及它们的特点是什么? 它们之前的相互作 用，以及它们和环境的相互作用是怎样的? 次要目标2 ：模型测试部分 问题5 ：不同人员的数量与疏散时间的关系是什么? 问题6 ：各类人员的比例组成是怎样的? 闳题7 ：疏散时间和不同环境之间的关系是怎样的? 7 第一章绪论 1 4 研究方法 五开究分为5 个主要阶段：开题分析、文献研究、外业工作( 包括数据收集、 采访政府工作人员以及发放调查问卷) 和数据分析、模型设计以及模型测试，图1 4 描述了整个研究工作的路线。 厂一一_ 一e 一o g o 中鬲赢螽五i i 一1 ， 一一一 i 一一， 。 图1 4 研究框架 阶段1 ：开题夯析 在任务的第一阶段，明确研究的目的，定义所要解决的问题。在参阅各种相 关文献的基础上，将问题在研究过程中解决，寻找可以用束完成研究的各种科学 研究方法。这一阶段的目的是要给出一个研究的主要方向及范围。 8 长安大学硕? 卜学位论文 阶段2 ：文献研究 参阅各类文献( 杂志、书籍、报告) ，研究以下问题：为什么需要疏散模拟； 如何进行模拟；有哪些因素影响疏散；有哪些与模拟相关的理论；之前的研究者 为疏散模拟都做过什么；在疏散过程中，人员的行为规则是什么；各群组之间的 l l 歹, j 是怎样的：疏散中，人员的速度是多少；不同的行为是怎样的。 在这个任务中，问题1 、2 应该得到解决。 阶段3 ：外业调查和数据分析 收集数据：外业工作中，收集些相关数据。例如研究区域的数字化图像、 人流量的数据、以及不同群组的行为规律。这一工作将为后来的数据分析服务。 采访及分发调查问卷：与相关人员进行- 丌放式的讨论，更加明确火灾疏散的 过程。在调查过程中使用调查问卷收集人员行为的相关数据与信息。 数据分析工作：分析调查问卷和其他采集的数据，计算人流量，对群组进行 分类。 当这项任务完成之后，问题3 得到解决。 阶段4 ：模型设计 这一阶段，主要的任务是运用a g e n t 技术设计模型，并在n e t l o g o 里实现模拟。 在这一任务中，问题4 得到解决。 阶段5 ：模型测试 用外业获取的数据来测试模型。解释并比较其测试结果，回答测试阶段的所 有问题，问题5 、6 、7 得到答案。 1 5 论文结构 第一章，绪论：介绍研究阃题的背景，并且阐述了研究目的，以及完成此目 的所需要回答的问题、使用的研究方法。 第二章，理论背景：论述与本研究有关的理论框架与背景，介绍研究中所涉 及到的概念、建模、模拟、a g e n t 和其他相关的概念，并总结了在疏散建模以及模 拟中一些相关研究的基本原理。这些概念对后续研究有很大的帮助。 第三章，疏放行为研究：重点阐述我国疏散行为研究的现状，列出数据采集 和数掘处理的研究方法。同时，运用大型统计软件( s t a t i s t i c a lp r o g r a mf o rs o c i a l 9 第一章绪论 s c i e n c e s ，s p s s ) 分析人员行为的数据，研究区域的数字化底图在a u t o c a d 中完 成。最后，经过数据分析，对群组进行分类。 第四章，设计模型：在不同群组的基础上，用a b m 技术给出火灾疏散模拟的 基本思想。设计a g e n t s ，描述其之间的以及a g e n t 和环境的相互作用，最后在 n e t l o g o 中实现模拟的可视化。 第血章，测试模型和结果：在已经完成模拟的基础上，运用已得数据的不同 变量进行测试。并在得到结果后，回答测试阶段的问题。 第六章，结论和展望：概述整篇论文的研究总结。着重提出了影响紧急疏散 过程的重要因素。在此基础上，对本文研究的相关问题进行展望。 1o 长安大学硕士学位论文 第二章理论背景 2 1城市应急管理系统与gi s 功能的应用 2 ，1 1 应急管理 根据灾难的时间顺序，应急管理过程通常可以分成四个循环阶段：缓解、准备、响 应和恢复，如图2 1 所示。缓解包括采取行动消除或减少危害对人类生命和财产所具有 的长期风险的程度。准备是指对紧急事件预先采取行动来增加操作的能力，并更容易对 紧急事件做出有效的响应。响应阶段包括在紧急时间发生之前、之中以及之后立即采取 行动来挽救生命，将财产损失降到最低，并增强恢复的效力。恢复阶段包括将生活恢复 到正常或者更高水平的行为【1 2 】。 灾难援助 损坏评估 现场清理 重建 风险计划 危险管理 研发 建立规范条例 缓解 恢复 全面紧急管理 准备 响应 应急预案激活 资源配置 隔离疏散( 撤退) 寻找利营救 庶急预案 培训人员 预警系统 图2 1 综合应急管理系统和每个不同阶段中g i s 作用的示例 2 1 2 城市应急管理系统的类型与功能 应急管邪系统按应用领域大体可以分为这样几类【1 3 】： 共信息 箱二章理论背景 ( 1 ) 自然灾害应急管理系统：破坏性地震、突发性地质灾害、洪涝与干旱灾害、 森林火灾、有害生物疫情等灾害的发生都会给人类社会带来深重灾难。应急管理系统可 以帮助政府和受灾者提高应急反应能力，高效调度和运用救灾力量去行之有效的防灾救 灾。 ( 2 ) 事故灾难应急管理系统：包括危险化学品事故、矿山事故、道路交通事故、 火灾事故、建筑施工突发事故、重大和特大电力突发事件、环境污染与生态破坏突发事 件、核事件与放射性污染、地下管线事故、信息安全事件与高技术犯罪、旅游场所突发 事件等事件的突发。都会造成严重社会危害和重大人员伤亡，应急管理系统将为及时控 制危险源、抢救受害人员、指导防护和撤离等系统性应急活动提供具体指导和帮助。 ( 3 ) 突发公共卫生事件应急管理系统：对发生诸如食物中毒事件，职业中毒事件、 雨特大传染病疫情、重大动物疫病等重大突发公共卫生事件，系统可以通过收集和提供 瘦情信息，实现疫情监督、疫情分析、疫情控制、疫情发布、首长查询等功能，提出标 准化的疾病监察报告制度，并实行电子化，以便有关方面共享。 ( 4 ) 突发社会安全事件应急决策支持系统：突发恐怖袭击事件和重大刑事案件、 公共场所滋事事件、涉外突发事件等。特别是在美国纽约“9 1 l 事件、西班牙马德里 “儿”列车爆炸事件、英困伦敦“7 7 ”公交地铁爆炸事件等恐怖袭击活动和近年来 r t 国、法国、韩国等地因企业改制、劳资纠纷、涉外问题而崾屡发生的群体性事件和大 规模游行活动等，世界各国都把维护社会公共安全提到了新的议事同程。如何高效利用 有5 e t y , j 资源，有计划地进行一系列预防和应急救援，提高政府对紧急事件快速响应和抗 。 风险的能力，并为市民提供更加快捷的紧急救助服务，成为摆在城市管理者面前的个 亟待解决的重大问题。 如上节所述，应急管理系统是一个以计算机为中心的组合系统，它运用应急理论、。 方法，将各种技术和工具有机组合，构成一个具有某种应急功能的自动化系统。 预防是在灾害危机发生之前，对其进行分析性模拟，预测与评估，包括采取必要的 预防措施消除或减少灾害危机对城市居民生命和财产所具有的长期风险程度；准备是指 对应急事件预先采取行动以提高和增强应急操作能力，如提供应急技术协助和训练支持 等，这有助于对应急事件做出有效响应；响应主要是确保快速有效地进行应急救援，它 包括灾害危机事件发生之前、之中和之后采取行动来挽救受难者生命，最大限度地降低 财产损失，以增强恢复阶段的恢复效力：恢复阶段主要包括对城市生命线系统的修复， 以及将人们生活恢复到f 常或更高水平。 】2 长安大学硕士学位论文 2 1 3 应急管理中g ls 的应用 城市中复杂的灾害空间需要强有力的信息分析工具的支持。基于地理信息系统( g i s ) 对海量数据的管理、处理和查询功能，强大的空间分析和辅助决策功能，具有在城市应 急管理动态过程中发挥作用和潜能的独特优势，近几年来被广泛应用于城市应急管理工 程中，g i s 已成为当前应急管理系统开发过程中较成熟和最常使用的技术，g i s 在应急 管理中的新应用也变得愈发活跃，甚至在一些国家还得到了立法的支持。城市应急管理 系统建设的宗旨是用于处理城市特殊、突发、紧急事件，向公众提供社会紧急救助服务 的联合行动系统，其核，山仍是应急救援。在突发事件发生后尤其在最初阶段，采取迅速 而有效的应急行动，合理调配各种资源，组织应急救援，会大大减少灾害的影响范副1 3 】。 空间分析是g i s 独特的功能，g i s 空间分析模型是g i s 与各专业领域相联系的纽 带。在城市应急管理系统中，其空间分析模型要根据灾害事故的变化实时做出相应调整， 即其空间分析模型需要动态生成，并主要应用以下几类： 事故蔓延分析模型。该模型主要用于模拟预测事故的发展趋势，对事故救援所需的 救援力量进行定性和定量的综合估计，进而形成作战需求。为部署指挥救援工作提供可 靠的决策依掘。 空间定位分析模型。主要用于灾害事故发生地的空间定位，如寻找最近合适救援机 构和人员，查找受灾人员疏散地点，统计灾害影响范围和破坏程度，为灾后重建提供决 策依据。 路径分析模型。路径分析以网络图为基础，用于搜寻最短路径，形成应急救援最佳 路径方案。 应急救援疏散最优化模型。科学的疏散计划与管理必须依赖适当的疏散模型。用数 学分析的方法，建立起基于时变的动态网络流模型用于疏散系统的优化，能如实地反映 出疏散路网随时间而变的状况并给出整个系统优化的疏散策略。 当灾害事故发生时，通过事故蔓延分析模型科学模拟预测事故的发展趋势：应用空 间定位分析模型确定事故发生地点，找出适：直救援机构：应用路径分析模型寻找最快到 达事故发生地的路径，以及从受灾区到疏散地的最快路径：依据系统优化的疏散策略， 根据事故区域人员疏散的模拟模型快速生成应急救援决策方案的专题图( 交通管制图、 各种救援力量的救援路线图、人员疏散模拟图等) 。紧张有序地进行灾害事故的应急救 援，最大限度地减少灾害事故所造成的损失。 第- 二辛躞论背景 2 2 紧急疏散的概念 紧急疏散【1 4 】是一个将人员从危险的地方转移的过程，这些危险可能是恐吓或其他灾 难事件。例如从一座建筑的疏散可能是由于炸弹恐吓或火灾，一个区域的疏散可能是因 为洪水或其他自然灾害，一个城市的疏散还可能是由于飓风。这些情况下包含很多危险 因素，例如污染事故后，被疏散者在离开污染区域后也应进行消毒。 疏散预备工作 在区域威胁中，为了有效地疏散和避免惊慌，已经建立好灾难疏散计划。疏散模拟， 培训和应急预案都是为未来的工作做准备。 疏散中的持续时间被称为“疏散时| 自j ”。有很多方法来预测疏散时间，如特定范 围内的试验，基于人群的动力模型，或疏散模拟。 疏散的程序 疏散的过程可以被分成以下几个阶段： 察觉一决策一预警一反应一转移到避难所或集会场所一交通运输 6 ，j 四项中的持续时间通常被称作“行动前时问【1 6 】”。 疏散模拟的必要性 模拟是估计危险的主要工具，运用计算机技术再现危险情况，产生一系列对疏散过 利的建f 义或者环境的选抒1 1 6 l 。因此需要运f f j 建筑或城镇的预定计划或底图，模拟就成为 i l _ 1 6 人的t 其来估计灾害和进行后期规划。建筑师和城市规划师可以用模拟在现实建筑 工程丌始之i ，j 更新他们的计划，从而增加其安全性，还可以节约重新建模的开支。 2 3 人的行为 2 3 1 通常行为 有时在个体人员行为中，或多或少会有“混乱 i t , 1 8 1 ，以下是通常情况下人的行为 总结眇22 i 。 通常人们厌烦不愿或向与目标路线相反的方向移动，即使这些道路是非常通畅 的。然而，仍有一些证据说明行人通常会选择最快的路线到达目的地，而非最 短的路线2 3 1 。总的来说，人们也同样会考虑舒适的行走路线，那样也能最快的 到达他们的目的地| 2 4 】。他们的路线与多边形非常相似。 只要不是为了快速赶去目的地，人们喜欢用自己的步速来行走，也就是相对来 说最舒适的行走速度。在拥挤的人群中大概的平均步行速度是1 3 4 m s ，并有 1 4 长安大学硕士学位论文 0 2 6 m s 的偏离【2 5 】。然而平均速度在一定情况下，也取决于性别、年龄、时间、 步行的目的、环境等因素。 人们会与其他人员和边缘( 墙，架子和障碍物) 保持? 定的距离【2 6 1 。这个距离 会因为人员匆忙而变小，也会由于人员密度的增加而减小。 2 3 2 惊慌行为 惊慌拥挤是一种极度恐慌境况下的群聚行为2 7 铂】，而且经常会有一少部分人由于他 人的拥挤或者踩踏而死亡。不过，对于惊慌的系统研究 2 9 3 7 1 是很少彭- j 3 0 , 3 8 - 3 9 ，而且预测 人群动态的量化理论也很缺乏【4 0 45 1 。虽然这样，以下的典型特征仍是存在的 1 8 , 4 6 1 。 在惊慌逃离的情况下，人员个体会感觉到紧张，如他们会盲从。 人们会尝试用比平时快很多的速度移动。 人员个体开始推挤，并且在人群中有肢体的相互作用。 在移动过程中，尤其是人员经过阻塞的地方，将会产生不协调。 在出口处，阻塞将会产生。观测到其阻塞有时呈拱形，并阻碍行动。 在拥挤的人群中，身体之间的作用会随之增大，而且会引起高达4 , 5 0 0 n m 的压 j j 4 7 , 4 8 】，这个力量很可能压弯钢制栏末t 或推倒砖墙，从而造成更加严重的后果。 在逃离中，有的人员会因为某些因素，如行动不便或被他人推挤而跌倒或受伤， 这样会妨碍其他人的逃生速度，使得整体的疏散时间减慢。 慌乱中，人们常常会表现出聚集的行为，例如，做其他人所作的事情【3 3 , 3 8 】。 由于人们的精神过于紧张，所以一些出口经常被忽视，从而不能有效的用于逃 商【3 8 ，4 7 】 i - z 0 o 2 3 3 时间延迟和人的行为 在实际火灾疏散过程中，在人们察觉到起火到他们离开有一个时间段，这段时间包 括他们对疏散的准备工作，称为“时间延迟【4 9 】”，如图2 2 所示。该图表示在警报响了 之后人们的第一反应和每个阶段所用的时间。图中( ) 为决策所用的时间( 秒) ，为 采取行动的人员占总数的百分数【5 0 5 1 1 。 第二章理论背景 j i mi ) u 得到事故发生的信息 l j 7 b) u j 11 2 8 ( 4 0 ) 2 8 ( 3 0 ) 上土 1，1r 通知其他人确认事故情况 疏散 对事故信息不理睬 f 1 u u ( 1 ，j 士 疏散 1r。t ”、上 疏散通知其他人 图2 2 发现火灾到采取疏散行动的时间与人数分布图 从图2 2 中的统计结果可以看出，建筑物内的人员得到事故警报后，只有3 1 的人 会立即采取疏散的行动，这也就表明：事故发生后，疏散行动不是在发出警报后立即开 始，而是有一段时间h 的延迟。根据图2 2 ，延迟的时间最少为5 0 秒，有的要超过3 2 5 秒， 对灾情信号不予理睬的人员将会需要更长的时间彳能采取疏散行动。本文中，“对事故 信息不理睬”将被忽略，不做研究。综上所述，时例延迟应该在模型测试完成后加入疏 散时| 日j 旱。 2 4 模拟 2 4 1 模拟的概念 模拟【5 2 】是通过一系列的数学程式对真实现象进行模仿的过程。先进的计算机程序能 够模拟天气状况麓j 化学反应、原子反应、甚至生态过程。从理论上来讲，任何现象都能 够用数学数据和程式在计算机上进行模拟。 进一步讲，模拟也能用于测试新理论，需要重视模拟过程中的不同条件。在建立 条新因果关系的理论后，。理沦学家将此关系编写为计算机程序，如果程序呈现出与现实 过程同样的行为，则证明这个关系是f 确的。 k 女人学硕l j 学位论文 换句话说，模拟【5 3 】就是对一些现实事物，事件状态或过程的模仿。模拟总的来说需 要表现所选物质或抽象系统中一定的重要特点或行为。模拟能够基于a b m 更好的反映现 实。计算过程通常用计算机来实现，模型则有一定的理论说明。 2 4 2 模拟的一般过程 由于建模和模拟有特殊的目的和特点，每个模拟的研究会按照它自己特定的工作流 程。在一些文章中，以下1 2 个步骤可以用于任何模拟【5 4 1 。 ( 1 ) 问题的定义。明确定义目标以便得知所研究的目的，如为什么我们要研究这 个问题和什么问题我们希望得到回答。 ( 2 ) 项目规划。确信我们有充足的适当的人力来管理支持计算机硬件和软件资源 柬完成我们的工作。 ( 3 ) 系统的定义。确定界限和约束用来定义系统( 或过程) ，而且调查该系统如 何运作。 ( 4 ) 概念模型的构想。用图表( 例如结构图或流程图) 或伪编码来开发一个初步 的模型，定义其组成，描述变量和构成系统各要素之前的相互影响。 ( 5 ) 初期的实验设计。选择有效地方法，而且因素是变化的，这些因素的登记也 需调查。如什么数据需要聚集进入模型，以哪种形式进入，如何扩张等。 ( 6 ) 输入数据的准备工作。明确和收集模型所需要的输入数据。 ( 7 ) 模型编译。将模型用适当的模拟语言进行程式编写。 ( 8 ) 核对和确认。确定模型运作方式是通过分析员的意图来调试的，而且模型的 结果是可信的，可以代表真正系统的输入结果。 ( 9 ) 最终的实验设计。在预设结果的基础上设计实验并进行实验的确定，进而用 期望的信息进行实验，实现如何运行指定的测试设计。 ( 1 0 ) 试验。产生模拟的期望数据和执行敏感度分析。 ( 11 ) 分析和说明。通过模拟运行所得的数据得到推断结果。 ( 1 2 ) 执行和记录。编写结果报告j 将发现的结果记录下来，编写成文件供模型使 用。 2 4 3 不同疏散模拟方法 一般来讲，紧急疏散最重要的部分就是疏散模拟模型【5 5 】。例如基于流的模型； 元胞自动机：基于智能主体的模型。 1 7 第二二章理论背景 基于流的模型( f l o w b a s e dm o d e l ，f b m ) ：这些模型被用于建立高密度节点的 连续性流，其中一个例子就是e v a c n e t4 。e v a c n e t4 1 5 5 , 5 6 1 是一个被广泛使用的人员 疏散网络模拟软件，由美国佛罗罩达大学丌发。该软件将建筑结构以网络的形式描述， 模拟人员在这一网络内的流动，直至所有人员最终到达规定的安全点为止。e v a c n e t4 将人群在建筑内的走动模拟为水在管网内的流动，它对人员的个体特征没有考虑，而是 将人群的疏散作为一个整体运动处理。 元胞自动机( c e l l u l a ra u t o m a t a ，c a ) ：疏散中，元胞自动机与其他方法最大的 不同就是包含了离散的空间。用来表示离散空l 自j 和建模的节点的个体单元称为“元胞 ( c e l l ) ”。在e g r e s s 中，被疏散者看作是格子中的单独个体【5 5 】。 基于智能主体的模型( a g e n t b a s e dm o d e l ，a b m ) ：a b m l 5 7 1 是一个模拟在网络内 物体作用和个体自动相互作用的计算机模型，整体来看，是为了估计它们对系统的影响。 例如，s i m u l e x t 5 5 5 8 书1 是由苏格兰集成环境解决有限公司( i n t e g r a t e de n v i r o n m e n t a l s o l u t i o n sl t d ) 丌发的，用来模拟大量人员在多层建筑物中的疏散。该软件可以模拟大 型、复杂几何形状、带有多个楼层和楼梯的建筑物，可以接受c a d 生成的定义单个楼 层的文件。用户可以自定义疏散出口位置、宽度，并在楼层平面图上单个或成组的放置 人员，而由软件来进行整栎建筑的疏散距离计算，生成“等距图”。疏散7 i ：始后，人员将 根掘自身“等距图“按照距离最短的原则向疏散批口移动。但是，至今s i m u l e x 还没有 尝试模拟能见度和毒性可能对人员产生的影响。此外，需要改良并处理每个人心理影响 输入函数的复杂性。 e x i t 8 9 1 6 0 6 t 】是由国际防火协会r i t af f a h y 丌发的疏散模型，用以模拟大型的、有 岛件”交人员的建筑的疏散，例如高层建筑，它可以跟踪个体在建筑物内的行动轨迹。也 可以模拟烟气对疏散的影响，通过用户定义的烟气阻塞或者从c f a s t 输出。但是该模 型没有考虑到人的个体行为。这个模型仅仅将所有人的特性模拟成同样的，设计人们走 直线。但是在现实世界旱，由于有障碍，人们通常走的是折线。 2 5 a g e n t s 和a b s 2 ，5 。1 a g e n t s 的起源与定义 到目前为止还没有对a g e n t 全面的确切的定义，尽管如此这些定义的趋向还是有很 多共同之处的。大致来讲，a g e n t 6 2 】是一个计算机编码的可辨认单元，它具有自律性和有 目标性。a g e n t 的概念是分析一个系统的工具，并不是绝对的分类，用来定义实体是否 长安大学硕士学位论文 是a g e n t 。例如，些建模者认为任何独立的部件( 如软件，