地铁火灾人员疏散的研究.docx

3地铁火灾人员疏散的研究王彦富蒋军成教授(南京工业大学城建学院 ,南京 210009 )学科分类与代码 : 620. 2030中图分类号 : X928. 03, U459. 2文献标识码 : A【摘要 】 利用网络优化计算方法建立地铁火灾人员安全疏散的模型 ,结合南京地铁的具体情况进行了疏散模拟分析 ,并将模拟结果与南京地下铁道有限责任公司组织的站台实地火灾演练进行了 比较 、分析 ,从而验证了疏散模型的有效性 。该模型的建立为地铁性能化防火设计提供了参考 ,也为地铁防火救灾工作提供科学依据 。该模型与地铁火灾数值模拟相结合可以评估地铁火灾疏散设计 的安全性 。【关键词 】 地铁火灾 ;疏散模型 ;安全疏散评估 ;网络优化 ;火灾演练R e sea rch of Safe ty Evacua tion from Subway F ireW A NG Y an 2fuJ IA NG Jun 2chen g, Prof.( Schoo l of U rban Con struc tion Enginee ring, N an jing U n ive rsity of Techno logy, N an jing 210009 , Ch ina)A b stra c t: A mode l of safe evacua tion from unde rground fire is bu ilt by u sing ne two rk2op tim ized m e thod.A cco rd ing to the rea l situa tion of N an jing subway, an evacua tion sim u la tion ba sed on the mode l is conduc2 ted and ana lyzed. Then comp a ring the re su lt w ith tha t of the fire d rilling o rgan ized by N an jing subway lim 2 ited comp any, it is p roved tha t th is evacua tion mode l is effec tive. Th is mode l can no t on ly p rovide sc ien tif2 ic ba sis fo r the fire p reven tion in subway, bu t a lso can eva lua te the safe ty of evacua tion de sign in subway afte r com b in ing fire num e rica l sim u la tion.Key word s:unde rground fire;evacua tion mode l;safe ty evacua tion a sse ssm en t;ne two rk op tim iza tion;fire d rilling城郊 外 的 地 铁 发 生 火 灾 事 故 , 造 成 55 人 死 亡 ;2003年 2月 18 日韩国东部城市大邱市地铁发生人 为纵火 案 , 人 员 伤 亡 巨 大 至 少 造 成 138 人 死 亡 ,99人失踪 ; 2004年莫斯科地铁发生严重的地铁列车 爆炸案造成近 50人死亡 , 100多人受伤 。我国地铁自 1969年相继投入运行以来 ,因变电 所 、地铁车辆内的电气设备和线路出现故障以及违章 电焊和电气设备误操作等 ,共发生火灾 156 起 ,其中 重大火灾 3起 ,特大火灾 1 起 。其中 ,北京地铁几年 来先后几次发生火警和火灾 ,造成 36人死亡 ,遇难者 主要是因为火灾产生的毒烟气和二氧化碳导致窒息0 引言随着城市地铁的迅速发展 ,地铁灾害问题也愈来愈引起人们的重视 。据统计 ,在所调查的地铁灾 害事故中 ,火灾次数最多 ,约占 30 % ,说明在地铁建 设与运营过程中 ,地铁火灾是不容忽视的问题 。1986 年 11 月 19 日英国 伦 敦地 铁君 王 十字 车站由于木质自动扶梯轰燃导致 32 人死亡 , 100 多人 受伤 ; 1903年巴黎地铁火灾导致 84 人死亡 ; 1995 年10月 28日阿塞拜疆首都巴库地铁发生火灾 , 最终 造成 558人死亡 , 269 人受伤 ; 1999 年 10 月 ,韩国汉3 文章编号 : 1003 - 3033 ( 2007 ) 07 - 0026 - 06; 收稿日期 : 2007 - 03 - 02; 修稿日期 : 2007 - 06 - 3027第 7期王 彦 富 等 : 地 铁 火 灾人 员 疏 散 的 研 究身亡的 。2005年 8月 26日北京地铁 1号线一列列车在运行中由于车辆老旧 ,导致风扇短路失火 ,着火异 味之后冒起浓烟 ,火苗蹿起半米高 ,列车司机呼吸道 灼伤 ,内环地铁停运近 50分钟 ,导致环线地铁地面交通部分路段出现了较严重的拥堵 。 一组组惊心动魄的数据和惨痛的教训给人们敲响了警钟 :地铁火灾对生命财产以及生态环境都造 成巨大损失 ,是一个不容忽视的潜在危害 ,在当前地 下轨道交通系统飞速发展 、地铁引起高度重视的年代 ,地铁火灾方面的研究成为科技工作者们刻不容 缓的任务 。地铁内部一旦发生火灾 ,后果将十分严重 ,地铁 火灾容易形成浓烟和热气浪 ,同时产生大量的有毒 气体 ,由于地铁处在地面以下 ,火灾时烟气扩散方向 与人员疏散方向一致 ,对火灾场景人员逃生都十分不利 。再加上地铁具有密闭性 、火灾荷载大 、人员密 度高等特点 ,人员安全疏散难度很大 ,所以地铁火灾 人员疏散是一个十分重要的课题 1 2 。笔者针对地铁火灾的特点 ,在前人研究的理论 基础上利用网络优化计算原理建立了地铁火灾人员安全疏散的模型 ,通过计算机软件开发来模拟地铁 火灾人员疏散情况 。该疏散模型与火灾模拟软件相 结合可以为地铁的疏散设计方案提供参考 ,也可作 为地铁性能化防火设计的风险评估工具 ,同时在实 现人员安全疏散目标的基础上 ,大大发挥地铁的效能指标 ,保证人员的生命安全具有重要的意义 。1 地铁火灾疏散模型111 火灾疏散模型简介香港城市大学与武汉大学合作 ,提出了利用计算机虚拟现实的技术收集人员在火灾中行为量化数 据的调查方法 ,并结合火灾后的问卷调查及疏散演 习等手段收集了大量有关火灾中人员行为的数据 ,建 立 了 局 部 细 网 格 和 个 体 描 述 的 疏 散 模 型 ( SGEM ) ,并采用该模型对香港的一些实际工程进 行了较为成功的疏散模拟 。“九五 ”期间 ,公安部天津消防科学研究所也建 立了一个地下商场人员疏散模型 1 。公安部四川消防科学研究所等在“十五 ”期间 ,开 展大空间公共建筑火灾疏散评估技术的相关研究 2 。 研究人员准备建立疏散综合系统动态模型 。模型包括 评估部分及相关的评判标准. 综合模型的简述如图 1 所示 。综合系统动态模型 ,包括 4个子模型 :1 ) 逃生前期人员行为系统动态模型 ;2 ) 逃生中人员行为系统动态模型 ;3 ) 疏散人流系统动态模型 ;4 ) 疏散人员能力系统动态模型 。图 1 综合疏散模型示意框图安全疏散是一个非常复杂的问题 ,有很多的影响因素 ,一直受到国际上众多科研机构的关注 。各 国在该领域的研究取得了一定的成果和进展 ,并建 立与开发了很多模型与程序 。例如 :英国的 CR ISP, EXODU S (基于行为准则的模型 ) , STEPS, S IMUL EX(复杂行为模型 ) ;美国的 ELVAC , EVACN ET4 (无行 为准则模型 ) , EX IT89 (复杂行为模型 ) , HA ZARD I; 澳大利亚的 EGR ESSPRO (基于人工智能的模型 ) , F IR EW IND; 加 拿 大 的 F IERA system 和 日 本 的 EVACS等 。种种模型都各具特色 ,各自适用于特定 的领域 。我国对安全疏散的研究起步较晚 ,大都还停留 在定性分析阶段 。近些年来 ,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火灾中安全 疏散模型的研究 。例如 :近年来 ,人们对元胞自动机模型的兴趣大增 ,原因是该类简单的模型能十分方便的复制出复杂的现 象或动态演化过程中的吸引子 、自组织和混沌现象 。因此 ,目前元胞自动机被广泛应用于模拟各种物理 系统和自然现象 。中国科技大学火灾科学国家重点实验室研究了一种基于精细网格的元胞自动机模型 ,该模型在火 灾安全疏散方面被广泛应用 。元胞自动机是在均匀 一致的网格上由有限状态的变量 (或称元胞 ) 构成的离散的动力系统 。元胞自动机可以看成为无穷维 动力系统中的一类 ,其特点是空间 、时间和状态都离 散 ,同时每一个变量只取有限多个状态 。其运行规则主要有 : 所有元胞 的 状态 是同 时 发生 变化 的 ; 同 时 ,在时刻 t + 1 的第 i个元胞的状态是由时刻 t的 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 中 国Ch ina安 全Safe ty科 学Sc ience学 报Jou rna l第 1 7卷2 0 0 7年28第 i个元胞以及相邻的有限个元胞的状态决定的 。一般可以通过制定不同的规则来满足实际应用的需 要 。另外一类常用 的疏 散模 型 是采 用网 络 模拟 方 法 ,原理是将建筑物的房间 、走廊作为网络中的节点来考虑 ,把众多的人群作为一个整体来考虑 。该群 体具有相同的移动特性 ,通过考察建筑物每个单元 内的群体人员的移动进而确定建筑物的疏散时间 。 例如 :东北大学提出了一种火灾中群集疏散的模型 , 并采用了计算机仿真的方法计算疏散行动时间 ; 中国建筑科学院建筑防火研究所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 2 。员安全疏散的模型 ,该模型将地铁各功能单元当作网络中的一个个节点 ,利用节点之间存在一定的流 量限制 原 理 来 计 算 地 铁 火 灾 整 体 疏 散 所 需 时 间 Trse t ,可以与火灾模拟软件相结合确定疏散可用时间Ta se t ,从而 评 估 地 铁 设 计 及 其 火 灾 疏 散 的 安 全 性 。 具体网络优化计算原理如图 2 所示 。1 12 11 地铁火灾疏散流动模式化1) 空间模式化 :采用网络 ( ne two rk)型控制方法 ,将各个车厢 、站台 、站台至站厅的疏散楼梯 、通道出入 口和地面安全地点作为网络的节点 ( node) ,它们之间的联系为连接 ( link) ,该连接为各个空间节点互相联系的假象空间 ,该处既无面积 ,也无距离 ,亦不存在用 于移动的时间 2 。如图 2所示为空间模式化图 。112 地铁火灾疏散模型的建立笔者利用网络优化计算原理建立了地铁火灾人图 2 空间模式化图2 ) 人的处理 : 采用集团型处理 ,即将地铁中的乘客按照其行为能力不同化分为正常人 、活动不便 的人以及由儿童及其家长组成的家庭等 3 个集团 。按照其构成比例 ,综合确定人员疏散特性及整体疏 散能力 2 。3 ) 流动的处理 : 在疏散过程中 , 人的流动以单 向型人流对待 , 在地 铁 车门 口 、站台 至站 厅 的楼 梯 口 、出入口等处由于瓶颈因素人流可能出现滞留 ,在此情况按照排队理论处理 。1 12 12 地铁火灾中人员移动速度计算 地铁火灾人员移动速度主要受地铁结构布置以及人员特征的影响 。地铁结构布置决定了疏散通道类型 ,人员疏散时经过不同的通道具有不同的移动 速度 。根据地铁特征 ,可以把通道分为水平通道 、楼 梯通道和门等 3 类 。各种情况下移动速度的计算如 下所示 4 6 :1 ) 人员在水平通道的移动速度 。通常每个人 在不同的位置 、时刻所移动的速度是不同的 ,但在人 口密度较大的公共场所 ,人们的群聚效应是明显的 ,个体比较难以独立采取行动 ,因此 ,可以忽略个体心理反应等次要因素 ,而假定人们的移动速度只与他 所处的几何位置以及该位置一定范围内的人员密度两个因素有关 ,根据人们在前进时受前后和左右两 个方向阻力 ,以及考虑其他因素 3部分的影响 ,人们 的逃生的速度表示为下列函数 3 :uj () = um (A +B +) A = 1. 32 - 0. 82 ln ()B = 3. 0 - 0. 76式中 , um 自由移动时的速度 (m / s) ;, 人员几何位置 、人 员密 度 、其他 方 面 3 个因素的权重系数 ;研究 对 象 所 处 位 置 的 人 员 密 度 (人数 /m2 ) , 即单位面积内承载的人数 。2 ) 人 员 通 过 楼 梯 和 门 的 移 动 速 度 。根 据 Dongkon L ee的论文中所做的大量研究表明 ,人员流 量 F、移动速度 V 与通道类型 、人员密度 D 有关 ,如 下表所示 9 : 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 29第 7期王 彦 富 等 :地铁 火灾人 员 疏 散 的 研 究人员行走速度与密度的关系表1 12 13 地铁火灾疏散模型的程序框图新建立的地铁火灾疏散模型如图 3 所示 。2 地铁火灾疏散模型的验证与分析211 站台火灾实地演练南京地铁一号线的三山街站为地下二层岛式车2站 , 总 建 筑 面 积 为226. 60 m , 主 体 宽 度12 880 m 。车 站 总 长 度62. 49 m。标 准 段 宽 度 为21. 60 m ,车站顶板覆土平均厚度 3 m , 车站底板平均埋深约 14. 91 m。三山街站是双层岛式车站 ,每层 有 效 空 间 长 142 m , 宽 1 2m , 高 3m 。其 中 地 下 一 层图 3 疏散模型程序框图 68 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 通道类型人流条件人流密度 D(人 /m2 )人行速度 V(m / s)人员流量 F人 / (m s) 楼梯(下行 )低 3. 20. 130. 42楼梯(上行 )低 3. 20. 100. 32走廊 、门低 3. 20. 180. 55中 国Ch ina安 全Safe ty科 学Sc ience学 报Jou rna l第 1 7卷2 0 0 7年30为站厅层 ,共有 4个人行出入口与外界相连 ,每个出入口宽 4 m ,高 2. 5 m。地下二层为站台层 ,站台左右 两端分别 有 通 往 隧 道 的 两 个 隧 道 口 , 每 个 开 口 宽5 m ,高 5 m。站厅与站台之间靠 3个宽分别为 4 m的楼梯连接 ,楼梯水平开口长度 7. 3 m ,每个楼梯之间 间距为 17. 2 m。2005年 5月 5日上午 ,南京地下铁道有限责任 公司在三山街站组织了一次站台火灾演练 。放烟人 员于 9时 26 分 28 秒在三山街站台 B 端扶梯与电梯中部开始点烟 ,车控室行车值班员在 FA S屏上发现 火灾报警信号并向值班站长报告 , 9 时 28 分站务人 员停止电梯运行 , 通知旅客 疏 散到 2 #出 入口 , 9 时29分车站广播启动紧急疏散预案 , 9 时 29 分 42 秒 ,车站排烟系统开启 , 9 时 30 分站台站厅共计 150 名 乘客全部疏散至 2 #出入口 。 9 时 32 分 15 秒上行线 由中华门 站 开 到 三 山 街 站 的 列 车 跳 站 运 行 。 9 时34分 30秒车站工作人员疏散到 2 #出入口待命 , 将 灭火工作交 给 消 防 人 员 。 9 时 36 分 06 秒 停 止 排 烟 ,各系统恢复正常功能 。 9 时 36 分 26 秒广播通 知火已扑灭 。演练时三山街站有 100名乘客在站台 候车和上下车 ,站厅层有 50 名乘客 ,三山街站实地演练的实地结构框架及人员疏散方向分布图如图 4所示 。图 4 地铁站结构框架图演练由人工记录疏散时间 ,并用摄像机拍摄了整个演练过程 。演练数据表明 : 乘客疏散行动开始2 分钟后 ,站台大部分乘客已经疏散到站厅层 ; 3 分 钟后 ,站台上的所有乘客已疏散至站厅 ;所有乘客疏3 结论1) 笔者针对地铁火灾的特点 ,将网络优化计算方法应用于地铁这种特殊的地下建筑 ,建立了针对 地铁火灾特点的疏散模型 。2) 根据南京地下铁道有限责任公司提供的多组 实地演练数据对该模型进行了完善和有效性验证 ,在地铁火灾安全疏散研究方面进行了创新性探索 。3) 该模型可以结合地铁火灾数值模拟软件 ,评 估地铁火灾中人员疏散安全性问题 ,从理论上保证 了发生火灾时人员能够安全疏散 ,同时也可以为地 铁防火救灾工作提供科学依据 。由于地铁火灾的随机性和人员行为的不确定 性 ,基础数据资源的 不 足 , 公共 安全 实 验条 件的 限 制 ,现有模型还存在一些不足之处 ,有待在以下方面 进行深入研究 :首先 ,考虑不同人员对火灾的心理反应 ,个体间的相互作用 ,地铁环境的影响 ,以求真实具体地反应 人们在疏散逃生过程中的运动状态 。其次 ,地铁实地火灾疏散演练与实际发生突发 火灾的真实情况尚有差距 ,以后应在尽可能接近实 际火灾条件下进行新的地铁实地火灾疏散演练 ,获散到 地 面 安 全 场 所 的 疏 散 所 需 时 间Trse t 为3 分32秒 ;包括工作人员撤离在内的整个疏散过程用了8 分 2秒 。212 火灾疏散模拟与实地演练的比较与分析运用所建立的模型模拟上述条件下的乘客疏散 ,分别为人员几何位置 、人员密度 、其他方 面 3 个因素对速度影响的权重系数 ,根据南京地铁 三山街站 演 练 时 的 实 际 情 况 分 别 取 0. 3 , 0. 02 和0. 18;T = 0. 01 秒 ,软件循环计算得到乘客疏散所需时间 Trse t是 278秒 。模拟结果比实际演练的疏散 时间长 ,主要原因是 :参与演练的人是从各大学高校 请来的大学生 ,身体素质好 ,反应敏捷 ,而且事先知 道是演练 ,再加上演练是在人为组织的情况下进行 , 所以整个疏散过程非常有秩序 、反应比较迅速 。演 练与实际发生突发事件的真实情况尚有差距 ,以后 要加强在尽可能接近实际火灾条件下进行新的地铁 火灾疏散演练 。 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 31第 7期王 彦 富 等 : 地 铁 火 灾 人 员 疏 散 的 研 究得尽可能多的数据 ,不断修正 、完善所建模型 。参 考 文 献 1 罗一新 . 关于地下铁道火灾防治措施的思考 J . 中国安全科学学报 , 2004 , 14 ( 7 ) : 7073 2 胡忠日 . 安全疏散研究的国内外动态和发展趋势 J . 消防科学与技术 , 2001 , 20 ( 6 ) : 710 3 朱春梅 . 建筑火灾安全疏散的探析 J . 消防技术与产品信息 , 2002 ( 12 ) : 4348 4 卢兆明 ,马莉莉 ,方正. 人员安全疏散模型及其在性能化消防设计中的应用 J . 消防科学与技术 , 2002, 21 ( 6) : 36 5 谢灼利 . 地铁车站站台火灾中人员的安全疏散 J ,中国安全科学学报 , 2004 , 14 ( 7 ) : 2125 6 刘文利等 . 地下商业街建筑人员疏散预测 J . 火灾科学 , 1999, 14 ( 3) : 7279 7 王彦富 . 地铁火灾数值模拟的研究进展 A . 第二届城市与工业安全国际会议论文集 C , 2005: 183189 8 Gwynne S, Ga lea E R , A review of the m e thodo logie s and c ritica l app ra isa l of comp u te r mode ls u sed in the sim u la tion of e2vacua tion from the bu ilt environm en t J . B u ild ing and Environm en t, 1999 , 34 ( 6) : 741 - 74 9 E lia s, Steven R , R aw. N um e rica l sim u la tion of subway sta tion fire and ven tila tion J . Am e rican Soc ie ty of M echan ica lEnginee rs. FED , 1996 , 238 ( 3) : 557 - 562 10 Dongkon L ee, Hongtae Kim. The Cu rren t Sta tu s and Fu tu re Issue s in H um an Evacua tion fo rm Sh ip s J . Safe ty Sc ience,2003 , 41 ( 10) : 861 - 876中国安全科学学报 评价指标再次提升根据 2007年 6 月中国科学技术技术信息研究所 、万方数据股份有限公司统计 ,科学技术文献 出版社出版的 2007 年版中国期刊引证报告 (扩刊版 ) 的最新数据表明 ,中国安全科学学报 2006 年各项统计指标再次提升 ,具体数据如下 :总被引频次在“环境与安全科学 ”类 70种期刊中排名第 10位 ,影响因子在 70 种期刊中排名第14 位 。同时出版的 2007年版中国期刊高被引指数 里中国安全科学学报 的高被引指数为 :五年总被引频次在“环境与安全科学 ”类 69 种期刊中排名第 8 位 ,五年影响因子在 69 种期刊中排名第 13位 。 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 学科分类五年载文数五年被引频次五年影响因子被引率环境与安全科学1 0821 1181. 0330. 514被引 50 %文章 累积指数被引 50 %作者 累积指数被引 50 %机构 累积指数单篇文章最高 被引次数学科高被引 文章分布数145. 75103. 007. 34152总被引频次影响因子即年指标他引率引用刊数扩散因子1 4901. 0850. 3020. 5538926. 11学科影响指标学科扩散指标被引半衰期来源文献量文献选出率平均引文数0. 314. 802. 923180. 929. 50平均作者数地区分布数机构分布数海外论文比基金论文比引用半衰期2. 85241340. 0130. 4623. 92姚安林施国洪江苏大学工商管理学院教授 , 博 士 生 导 师 。江 苏 金 坛 人 ,1955年生 。 1990 年毕业 于 江苏 大 学机械 工 程 系 , 获 工 学 硕 士 学 位 。 长期从事设备管理 、可靠性工程的 教学与研究工作 ,主要研究方向为 生产运作管理 ,系统质量与可靠性分析 。主持 完 成省 部级 纵 向课 题及 企业 合 作项 目7项 ,获省部 、市厅 级奖 励 5 项 。出版 专 著 2 部 , 在中国安全科学学报 、中国管理科学 和系统工程 理论与实践 等学术刊物上发表论文 40余篇 。教 授 , 西 南 石 油 大 学 建筑工程学院院长 ,硕士生导师 。兼任国际石油工程师协会会员 、中国 石油学会会员 、中国复合材料学会 会员 、中国石油储运专业委员会管 道完整性管理工作部副主任 、管 道 技 术 与 设 备 杂 志 编 委 。1959年 9月生 , 1982年 7 月本科毕业于西南石油学 院油气储运工程专业 ,获工学学士学位 。曾完成国 家“十五 ”攻关课题“城市埋地燃气管道重大危险源 评价与风险评估研究 ”、中油股份公司课题“在役输 气管道风险分析技术应用及规范研究 ”等科研课题20多项 ,获省部级科技成果一等奖 1 项 、教学成果 一 、二等奖各 1项 ,局级科技进步奖 4项 。在国内外 刊物上发表 学术 论 文 80 余 篇 , 合作 出版 学 术著 作模糊分析设计在石油工业中的应用 。韩建平 兰州理工大学土木工程学院副教授 ,博士研究生 。 1970年12 月 生 , 甘 肃 省 宕 昌 县 人 。1993 年 6 月本 科毕 业 于 甘 肃 工 业 大学工民建专业 , 2002 年 5月硕士 毕业于该校结构工程专业 , 2005年9 月 起 在 同 济 大 学 攻 读 结