[硕士论文精品]应急标识的疏散作用研究

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CAMP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CAMP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CAMP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，CAMP模型ILABSTRACTRESEARCHONCROWDEVACUAL哑ON0FEM哐RGENCYSIGNSEMERGENCYSIGNSAREALLIMPORTANTPARTOFTHEPUBLICSAFETYFACILITIESTHEYHAVEBEENASKEDTOSETINSOMELARGESCALEPLACES，SUCHAS，INTENSIVEPUBLICBUILDINGS，MEDIUMANDLARGERESTAURANT,HIGHRISEPUBLICBUILDINGS，UNDERGROUNDBUILDINGS，ANDOTHERHIGHRISKPLANTW曲THEDEVELOPMENTOFTHESOCIETY，THEREAREMOREANDMORECROWDACTIVITIESANDHUMANGIVESHISATTENTIONTOTHEEFFECTOFEMERGENCYSIGNSICREASINGLYAPPARENTLY，THEURGENTAFFAIRSAREEVACUATINGTHECROWDPEDESTRIANSAFTEREMERGENTTHINGSHOWEVERTHEREISANIMPORTANTEFFECTOFEMERGENCYSIGNSTOCROWDEVACUATIONEMERGENCYSIGNSCANNOTONLYPROVIDEGUIDANCEFORTHEPEDESTRIANS，BUTALSOREDUCELOSSOFLIFEFOREIGNSCHOLARSHAVEDONESOMERESEARCHONEMERGENCYSIGNSBYTECHNOLOGYTHESEAPPROACHESCANBEDIVIDEDINTOTWOCATEGORIESTHEFIRSTISISEXPERIMENTATION,WHICHINVESTIGATESTHEEVACUATIONBYREALPEOPLEINREALSCENETHEOTHERISEMULATIONMODE,WHICHESTABLISHESMATHEMATICALMODELSORCOMPUTERSIMULATIONTOSTUDYTHEEMERGENCYSIGNSCOMPAREDTOTHEFOREIGNSCHOLARSFOCUSINGONTHEORYANDMETHOD，DOMESTICRESEARCHERSAREFAVOURITETOIIITHESTANDARDOFTHEEMERGENCYSIGNSSETTINGINCONCLUSION,ITISALLPILOTSTUDYTOTHEOPTIMIMTIONOFTHEEMERGENCYSIGNEMERGENCYSIGNSAREWIDELYUSEDINARCHITECTURALDESIGNANDREGIONALSECURITYPHNNINGFIRSTLY，ACELLULARAUTOMATABASEDONMARKOVIANPROCESSESCAMPMODELWASPROPOSEDAFTERCOMPARISONANDANALYSISOFTHESIMULATIONRESULTSBYCAMPMODELANDANEXTENDEDLATTICEGASMODELMOTONARIISOBEETA1，ITISARGUEDTHATTHESIMULATIONOFCAMPMODELISCLOSERTOTHEEXPERIMENTSOFPEOPLETHANMOTONARIISOBEETALSMODELTHEN,MANYOTHERSIMULATIONSOFCROWDEVACUATIONOFDIFFERENTNUMBEROFEMERGENCYSIGNSANDDIFFERENTNUMBEROFEVACUATESWEREMADEBASEDONCAMPMODELITISPOINTEDOUTTHATTHEREISAKNEEPO谳OFTHENUMBERSOFEMERGENCYSIGNSFORTHESAMEEVACUATIONENVIRONMENT,ANDTHEP0缸ISNTEFFECTEDBYTHENUMBERSOFEVACUATESTHERESULTSOFOURSTUDYWILLBEHELPFULTORESEARCHTHEHYOUTOFTHEEMERGENCYSIGNSINHIGHDENSITY1ARGEARCHITECTURALSPACEAFTERTHEEMERGENCYEVENT,PEDESTRIANSCANEVACUATEEFFECTIVELYWITHTHEHETPOFEMERGENCYSIGNSKEYWORDSCROWDEVACUATION,CAMODET,MARKOVCHAIN，CAMPMODELIV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LOS考ET期一竺坌节第一章绪论11应急标识的概况111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，2008年12月20日，位于巴基斯坦洛瓦平第的六层高的购物中心GAKKAR中心倒塌，由于事发突然，人们来不及逃生，造成12人死亡65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H1。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11。表11重大事故损失情况TABLE11ANILLUSTRATIVELISTOFSOMEOFTHEMAJORACCIDENTS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20M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300MZ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05LX；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LM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。112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。LACY与BENEDEK7】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。12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HUGLLES【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，HUGHESN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，HUGHESUU提出了“思想流体“的连续统一体模型，即人流能思考。COLOMBO与ROSINI21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AGENT的模拟。VARAS等人31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。RYOICHINAGAI等人【14】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。DIRKHELBING等人【15】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。MARCELOCTOYAMA等XTL6】在元胞自动机的基础上提出一个基于AGENT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。CAESARSALOMA等人【17】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。EALTSHULER等人【18】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。KATSUHIRONISHINARI等人【19】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。YU等人【20】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。NAGAI等人【2L】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【22】。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1221。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【241。AVARAS等人【13】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LOM，温度也会超出安全水平【251。YUAN等人【26】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。121应急标识的模拟研究SHIELDS等人【27】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。NILSSON等人【28】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。KOBES等人【29】在晚上进行了83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，JEON等人【30】在韩国地铁站对103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。TANG等人【3I】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。PROULX等人【32】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。WONG等人【33】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2009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。122应急标识的仿真研究LO等人【34】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。CHERT等人【35】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。123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GB5001622006建筑设计防火规范和GB5004521995高层民用建筑设计防火规范。1、应急疏散标识陈玮霞【36】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【3738】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【391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【404。赵华亮【421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【431。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【44451。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【471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【49】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【5I】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【52】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【53】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【54】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【55】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【56】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。13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。14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LO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CAMP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CAMP模型的建立21元胞自动机模型第二章CAMP模型的建立元胞自动机模型CELLULARAUTOMATAMODEL，CA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。20世纪40年代晚期，YONNEUMANN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。GAYJANEPEREZ等人【571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。ZHAO等人【22】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。WENG等人【58】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。VARAS等人【13】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。WEIFENGYUAN等人【5】加入了空问距离和人群密度两个因素，仿真空间13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。211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；对于高维的元胞自动机，元胞空间的划分规则可能有多种形式。最常见的二维元胞自动机空间的划分可以按照三角形、四方形和六边形等网格排列，应用最广泛的是四方形排列。四方网格简单直观，特别适合计算机环境下的表达显示。由于元胞自动机演化规则是局部的，对指定元胞状态进行更新时只需要知道其近邻元胞的状态即可。某一元胞状态更新时所要搜索的空间域叫做该元胞的邻居。二维元胞自动机中，邻居的定义有不同的形式，例如，有的规定一个元胞上下左右相邻的四个元胞为邻居，有的规定一个元胞上下左右四个相邻元胞加上对角线方向上的四个相邻元胞为该元胞的邻居。元胞的演化规则是指根据元胞当前状态和邻居状况确定下一时刻该元胞状态的动力学函数。也就是说，一个元胞在某时刻的状态取决于而且仅仅取决于上一时刻该元胞的状态以及该元胞的所有邻居元胞的状态。演化规则设定的是否合理，是否能够真实反映出客观事物内在的本质特征，是元胞自动机模型是否成功的关键。群体疏散的仿真关键就是对行人疏散的仿真，在特定的环境下，实现大量人群的活动仿真。元胞自动机模型中时间和状态变量的离散化，正好适合计算机的模拟仿真，通过简单的规则进行计算更新，借此模拟出疏散者的行为。21。2演化规则群体疏散模型的建立往往要考虑众多的因素，像是逃生轨迹的选择、行人的群体14第二章CAMP模型的建市行为以及模拟空间的虚拟化等。元胞自动机在交通流和行人流模型的应用，很好的解决了建筑空间的虚拟问题。群体疏散的元胞自动机模型，首先将疏散的建筑空间设定为一个二维的空间，对二维空间进行格子化处理，将空间划分为四方网格。每个网格为一个单元，即元胞，元胞的大小为O4米车O4米，正好是密集情况下一个疏散者占用空间的大小【13】。元胞空间内，每个格子仅限于三种状态，要么被障碍物占据，要么被行人占据，要么空闲。而且每个格子能且仅能被一个行人占据，容不下两个或两个以上的行人。空间内所有元胞的状态随着离散化时步的变化而不断更新，当前的元胞状态与上一时刻该元胞的状态和其周围邻居元胞的状态相关。本文中，元胞邻居采用地是MOORE邻居如图21所示。图21疏散者移动方向的八种选择FIG218POSSIBLEMOVEMENTSFORPEDESTRIANS假定疏散者的初始位置是随机产生的，行人随机选定元胞自动机空间中的某个格子。行人更新状态时，最多能选择8个相邻单元格进行移动。空间中的每个疏散者可以在一个时步内进入未被占据的邻居格子内，如果邻居被障碍物或者其他行人占据的话，则不能进入。疏散者周围的邻居单元格全部被占据时，疏散者处于不可行的状态，保持静止。同一个时步内，多个疏散者都选择同一个单元格时，发生冲突现象，这时随机选择一个疏散者进入该单元格，其他元胞停滞。所有元胞在当前时刻根据局部规则更新自己的位置，之后，基于新的情况，在下一步选择新的单元。非可视环境下，行人不愿意冒险，当他到达边界墙时，会沿着边界行走直到找到出口【591。元胞自动机模型中，行人如何确定下一步的方向，选择其要移动的单元格，这种演化规则主要体现在元胞的方向选择上。一般情况下，方向选择概率PDII1,2,8计算方程为PDFD31D8IFLBIAS一引0PD，D61一D8IFLBIASII1ORIBIASII7PDFD91一D8IFIBIAS一42ORIBIASIL615北京化丁大学硕I学位论文PDFD271一D8ELSE其中，BIAS指偏好方向，D为偏好程度。元胞自动机模型中，经常会出现元胞的一个邻居或者多个邻居被障碍物或者其他行人占据的情况图22，可以按照下式分配方向选择概率。PDFPD；1PD。1一PD。】其中，以为元胞移向被障碍物或者其他行人占据的不可行位置的概率。图22邻居被占据FI922THEEIGHTADJACENTCELLS行人到达墙壁等边界时，会随机选择一个方向，沿着边界行走直到找到出口。元胞自动机模型中方向选择的概率是既定的，但是，行人处于紧急状态或者在出现烟雾或者电力供应中断导致能见度显着降低的情况下，行人将失去方向记忆，逃生行为转变为随机行为。元胞自动机模型演化规则中的概率选择有一定局限，基于这种考虑，导入马尔可夫过程。22导入马尔可夫过程马尔可夫过程是一类特殊的随机过程，系统内部状态转移仅仅与当IIF状态相关，与以前的状态无关。马尔可夫链的这种离散性、随机性和无后效性，推动了马尔可夫链在动态预测方面的发展，广泛应用于生物、医学、教育、经济等各个领域。PARASKEVI等【60】研究了危险工业场所紧急逃生时人口的时空分布，提出用非齐次马尔可夫模型模拟撤离者的行为，其中涉及到蒙特卡罗法描绘撤离者的实际轨迹。经过分析人口密度和初始位置、道路连接和容量情况、道路挤塞、用来疏散的车辆类型，模型提出相关区域疏散时的人口空间分布，并基于疏散者对区域的一般知识、潜在筹措和指导、逃生过程中的发生的实际情况，来模拟其动态响应。模型所涉及的主要参数包括人口密度、道路最大容量和车辆平均时速，其对疏散时间和人口健康结果有所影响。一旦涉及了人口健康后果，根据因撤离者行为而产生的时间间隔和交通挤塞水平，最大限度减少预计死亡人数的应急响应政策，并不能使疏散区域最大化。于是提出了解决该问题的蒙特卡罗方法，它给出了撤离者行为的实际路径，根据个人可能的16第二章CAMP模型的建立逃离路线接收区域人口分布的评估。结果表明，某些情况下平均区域健康后果的评估较分配区域的分布可能相对保守或者非保守。WAKIM等【6L】提出一个基于步行者行为的马尔可夫链模型，通过汽车行人事故中行人的移动轨迹来预测事故的发生。该模型的方法是基于四个离散状态的马尔科夫链静立、走动、慢跑、奔跑，这四个状态与步行者的步态有关系。该模型假定步行者的轨迹可以通过他她的重心位置及方向来描述；步行者总是处于前述的四个状态之一；按离散时间理解，步行者的行为可以被认为是一序列“状态”；一旦处于某状态，步行者将保持此状态一个最小的持续时间；步行者的速度的绝对值依赖于此状态值；步行者方向的改变也依赖于此状态值；速度及方向的改变遵循两个独立的规律，就是简化的高斯函数。仿真结果表明，该模型可以方便模拟在意外情形过程中步行者的行为。郑小平等呦1用马尔可夫链模型研究非可视环境下的行人逃生路径。假定特定场景，运用马尔可夫链转移概率矩阵和附带随机数的运算法则，结合空间网格的应用，研究疏散者的逃生轨迹。结合基于应急疏散标识的疏散者路径选择分析模型，以逃生时间最小为优化目标，通过修J下路径选择系数，提取和凝练群体紧急疏散过程惯性的规律性认识，建立群体紧急疏散过程惯性的数值模式。用停滞、爬行、步行、跳跃、慢跑、奔跑6个步法状态来描述行人的行进特性，并用8个方向的选择来描述行人状态转移过程，同时从步态和方向两个视角来分析行人逃生路径的特点。研究表明，对行人逃生路径的研究手段而言，马尔可夫链