建筑火灾下人员疏散行为的分析与环境的仿真模拟

1、-3-研究与探索200911建筑火灾下人员疏散行为的分析与环境的仿真模拟1.西北工业大学力学与土木建筑学院,陕西西安,7100722.陕西省公安厅消防局技术处,西安,710000【摘要】【关键词】随着建筑走向大型化,综合化和复杂化,在火灾下人员疏散的问题也越来越突出,本文从建筑学专业角度出发,通过运用多主体仿真理论,结合疏散行为的特点提出了建立疏散模型的理论基础。综合分析了环境数据和影响要素,建立了有效的疏散模型。可以科学的评价建筑物设计的合理性,为建筑的设计工作提出指导性建议。同时对防灾减灾管理和疏散训练提供科学而有效的参考。火灾疏散空间环境多主体仿真模拟张良吴农马宏伟陈新1121一、引言建

2、筑学及其相应的领域从古至今都服务于人类社会的方方面面,而正因为人类社会本身,不管是个体还是群体的复杂性致使本学科不仅仅是多学科交叉的领域,而且是一个复杂的系统理论。从建筑设计的初期阶段,设计者就应该对将来形成的建筑设施的运行状况进行必要的预测,如火灾下人员的流线,疏散设施的配置,空间的布局等,需要做到心中有数。但在过去,对于这样一些复杂状况的预测往往凭借设计者的经验积累或前人的观察、统计数据,这已远远不能满足目前建筑物内大量人员紧急疏散的需求。需要有更准确可行的方法来解决这一问题,计算机模拟仿真的出现为这一问题提供了新的工具。在国外,很多发达国家很早就将计算机仿真技术应用于建筑学专业的研究,而

3、多主体仿真技术则在上世纪90年代被引进了建筑学(包括城市或区域规划领域,在我国,对人员疏散的计算机模拟技术的研究始于上世纪90年代中期,而多主体仿真技术的应用研究则是最近两三年。关于火灾的疏散问题,方正、陈大宏做了较为深入的研究,关于国内外疏散模拟的12,3研究情况,已经在之前的工作中做了详尽的叙述,内容可以参见地震灾害下建筑物内人员逃生模拟系统的研究现状和问题的综合分析和地震灾害下建筑物内人员逃生模拟系统的研究,这里不再赘述。疏散行为是指,当危险发生时,在建筑物内的人员按照自身所处的不同位置做出判断,选择逃生的路径,通过门,走廊,楼梯等构成的疏散通道,在最短的时间内离开建筑物内,保证人身安全

4、。在这一过程中,人员的行为特点是重要的决定要素,不但决定了整个疏散过程的进行,还可以用来评价建筑物的疏散水平,优化建筑的安全设计。人的疏散行为具有以下特点:心理特点:在火灾这样的突发情况下,个人的心理会由平静转换为恐慌,将严重的影响个人的心理和认知能力,出现思维混乱,做出非正常的逻辑判断,容易形成失误。观察与判断:观察是个体对所处环境信息的收集,判断是对收集信息的分析处理。疏散过程中观察45二、疏散仿真理论的研究1、疏散行为的分析-4-研究与探索200911主要有视觉和听觉构成,同时判断受到自身认知能力的限定。运动特点:个人试图以大大高于平时的速度前进,对其他人拥挤,喜欢走熟悉的路线等。疏散系

5、统是由建筑,人,突发事件组成的复杂系统,有以下几个特点:系统性:疏散系统和人的行为,周围环境密切相关,由诸多相互联系、相互制约的要素构成一个有机整体,是多目标,多约束,开放性的系统。动态性:人群的分布随时间与空间的变化而不断变化,是运动的系统。随机性:疏散的过程受到很多要素的影响,有很大的随机性,包括路径的选择,人群的拥挤,跑动的摔倒等。整个运动过程具有很大的随机性,预测很困难。由于上述的特性,目前尚无一种成熟的方法来预测一个设计方案中疏散设计是否能够获得成功。计算机辅助建筑设计已经深入建筑设计的各个阶段,但是这里所说的仿真模拟并不是说采用虚拟现实技术对于方案进行三维展现来研究建筑的环境(即建

6、筑视觉的再现。而指的是通过抽象分析后采用仿真模型对于将来建筑环境中的重要要素对人在该空间中的行为影响进行仿真模拟(即建筑使用过程的再现。一般建筑中安全疏散部分的设计是对人员运动情况的观察和统计,和建成建筑的分析研究,通过大量的经验数据整理,推算,演绎归纳出规律,形成建筑设计的规范文件,以法规的形式保证建筑设计的安全性,缺乏量的度量和较高的准确性。同时人群疏散研究还有难以进行实验的问题和与突发事件相关。这就决定了这一过程研究方式的特殊性。(1在研究过程中,对于大型建筑,涉及的人员,设备等节点数量巨大,超过了一般实验的规模,同时实验有很大的危险性。(2疏散过程通常都是由突发事件引起的,在试验中无法

7、真实体现这些现象。随着计算机技术的迅猛发展,一种全新的研究方法计算机仿真技术被大量地应用在这种复杂系统的研究方面。通过对疏散模型的模拟结果的分析来求2、疏散系统的建立3、疏散系统的模拟解复杂系统,成为一种有效的解决方法(图1。计算机仿真技术之所以能够在建筑学领域得到应用,是因为通过大量的观测数据,可以在计算机里构筑一个人工社会群体,让这样一个虚拟的社会群体在一个未建成的或将要改造的建筑设施中运作,观察其过程和结果,并进行分析,使规划或设计者做到真正的心中有数,尽量避免规划或设计上的是失误,提高规划和设计的科学性,也可应用于对现有建筑设施的评价之中。例如,在北京奥运会国家体育场鸟巢,是可以容纳十

8、万人的体育场,人员密集程度极高,逃生设计是建筑方案的重中之重,开发了大型场馆人员应急疏散计算机模拟及在奥运场馆中的应用系统。鸟巢体育场原来有12条观众通道,供正常情况下观众今出体育场使用,在设计阶段中,人群疏散的模拟仿真,制定了详细的疏散预案,对于人员进场,出场,紧急疏散等情况进行模拟,有效的修正了设计方案,通过对原方案的修改,增加了30个逃生通道,保证整个疏散过程在8分钟内疏散完毕,显然这一过程不能在建筑建造完成后试验。可见疏散仿真对建筑设计有很大的指导修正作用,可以带来巨大的社会、经济效益。紧急疏散包含三个主要要素,人疏散行为,物(如建筑,设施,设备等疏散条件,人与物,人与人的关系疏散状态

9、。这三者构成一个动态的疏散系统。从建筑学专业的角度出发,主要是针对建筑空间环境与紧急疏散行为之间交互作用的研究,同时在这里也必须将人的特征以及人与人之间的状态考虑进去。在以上研究的基础上,要实现火灾下建筑空间环境和疏散行为的仿真模拟,需要详细的分678三、疏散模型的要素分析图1 仿真模型和现实情况的关系-5-研究与探索200911析筑环境要素和影响疏散人员行为的要素。当火灾发生时,个体在建筑中的行为要受很多不同要素的影响,其中最基本的运动依据就是建筑的空间组成结构,它包含两个方面:(1有效的疏散节点,即从人员所处位置到达安全区域所需要的一系列关口(如门。(2有效的疏散通道,它的含义是指人员所处

10、位置到达有效疏散节点的路径。从形式上可分为水平路径(如走廊和垂直路径(如楼梯、坡道。通过对影响紧急疏散的建筑环境要素的了解,获得建筑环境的基础信息。例如墙体对视线的阻挡,出入口的位置,过道的宽度等。通过对有火灾下疏散经历的人员进行走访和问卷调查,以及对火灾下建筑物内人员疏散时的记录影像进行分析和技术处理,同时参考实际演练的观测的数据,研究当时人员的心态、疏散的过程以及周围环境的情况,来获取影响紧急疏散行为的要素。对疏散人群中的个体来说,总是在不断地在感知周围的环境,通过思维判断,进而做出相应的行为。组成疏散人群的每个个体都在不断循环进行着这样的行为。而所有的这些个体行为作用的叠加,就构成了整个

11、人群的“群体行为”。在疏散过程中,有诸多要素都会影响个体进而影响整个群体的行为。前面分析到个人总是在进行着“感知思考行动”这一循环。在这个循环的三个部分中,不同的要素会起不同的作用。下面按照这三个过程对影响个体行为的主要要素进行分析:第一,影响感知的要素。个体对环境的感知以网格为基本单位,包含三个方面的内容:对建筑环境的感知。对自身属性的感知。对其他主体行为的感知。建筑空间环境的基本结构是影响个体感知状况的直接要素。同样的个体,其采取的行动会因为其所处空间环境的不同而相异。在火灾下,建筑物的部分坍塌会影响到逃生路径的选择,使被困人员寻找逃生路线的困难程度增加。影响感知的另一个主要要素是对信息的

12、获取,包括同其他个体交流,向导引导,有用1、建筑环境要素2、疏散行为要素标志,声音的获取等。正确的信息将大大缩短疏散时间,提高疏散效率,错误的导向信息将增加路径长度,加大拥堵,碰撞的可能性,延长了疏散时间。第二,影响思考的要素。个体以感知的数据为基础进行思考判断,做出行动的决定,思考的结果主要包括:确定运动目标。确定运动路径。在思考的过程中,个体首先需要确定运动目标,进行路径规划,即最快的到达出口,最远的离开危险。为了实现这一目标,个体将按照自己的认知程度,感知空间的能力,分析空间的能力,在各种可能的运动中做出最优的判断。这是理想状态下的情况,实际过程中,应当充分考虑环境对于思考状态的影响,突

13、发状态下,人的思考判断能力与平时是有很大的差异的,人群中的每个个体并不是都会做出理性的判断。这里就需要考虑恐慌情况下非理性思考发生的可能。第三,影响行动的要素。思维的结果最终体现为个体的行动,行动受到个体所处的建筑环境和周围个体相互作用的影响。如,疏散门的关闭,运动方向前方的拥挤,都会影响到个体的行动,修正运动速度,运动方向和运动路径。在模型建立的过程中,必须要综合考虑上述的各种要素对个体的影响。但这仅是从微观的角度进行分析,人群行为并不是个体行为的简单叠加。群体行为是由大量个体的非线性行为集合而构成。人群的疏散时一个动态的复杂系统,不能根据局部个体的演绎而得到全部整体的特性,只有将大量个体的

14、交互式行为进行综合,才能在群体中呈现出复杂人群的丰富行为,实现微观行为和宏观行为的统一。人群的疏散行为是面向时间进程的,受群体中个体所处的建筑空间环境,组成群体的个体间的相互作用,群体中个体的自身状态的影响。例如导向信息会在群体的分布与传递也会显著地改变群体的行为。环境的要素也会由于群体的行为而发生变化,从而被个体再一次感知,成为下一步进程产生的依据。疏散模型的建立需要体现建筑空间环境的“空间模型”和代表建筑空间内各种人员的“人群模型”。因此本系统可以分为以下两个部分:建筑环境模型的四、疏散模型的结构设计-6-研究与探索200911表达和疏散行为模型的表达。对与建筑平面采用大小相等的网格方式进

15、行划分,人员将在划分的格子间活动。一般以人的占地面积、步行速度和步幅大小来确定,本文采用0.5×0.5m的网格。建筑环境的平面S形成一个二维网格集合(图2。在个体活动中,自身在平面中占据一个网格。个体在空间中的位置为,它在运动中可以向相邻的八个网格的方向运动,到达下一网格(图3。1、建筑环境模型的结构设计建筑被划分为若干网格后,每个影响要素根据在其在建筑平面的位置和尺寸大小形成若干二维集合。某一时刻,该网格的状态由这些影响要素来综合决定,使这一网格具有各种属性。个体接近或占据这个网格的时候将触发相关的行为。例如家具的离散化,首先确定家具在空间的位置和家具自身的大小,构成位置集合。家具

16、的表述为其占据网格的位置和数量,同时设定家具属性集合,包括对家具的材质,火灾下燃烧的可能等。当个体观察到家具的位置集合后时将运算属性集合,得到计算结果。更多的建筑要素将逐一被分解为属性集合和位置集合,在仿真时进行综合计算得到最终结果。特别指出的是门,出入口等建筑环境中的关键节点将构成环境中的活跃要素集合,在计算路径中将起到重要作用。简单的说,影响要素可以理解为图层的概念,首先建筑平面为背景图层,位于底层,其次,其他要素为属性层,一层层叠放在底层上,综合形成人员疏散的建筑环境。这一方式具有很好的扩展性,可以增加更多的影响要素。也有很好的兼容性,可以和其他绘图软件结合,将图纸数据直接转换为仿真系统

17、所需的数据结构。整个人群被离散为不同属性的个体构成的一个集合。每个个体就是一个仿真的主体。由自身属性,感知模型,思考模型和行动模型组成。自身属性由自身当前的位置,运动速度,运动方向,认知程度,反应时间,分析能力等组成一个集合。不同的个体具有不同的属性集合,其中最重要的要素为个体的运动速度和步幅大小。如:步行速度:一般成年健康者=1.2m/s,老人及儿童=0.7m/s,残疾人=0.4m/s。人体尺寸:直径0.45m。人员位置:采用三维坐标x,y,z来表示。方向角度:人员正面所面向的方向。人员视角:行进方向110度。感知领域:直径0.45m。感知模型参数有感知半径,感知角度和方向等。表达为,感知的

18、目标有感知范围内的网格的状况,其他主体的数量等(图4。2、人员模型的结构设计图2建筑平面的离散,模型化图3个体在网格中的运动方向-7-研究与探索对数据进行综合分析,得到运算结果。人员的任意时刻的行动为两个要素速度运动速度,运动方向。总之,个体的疏散行为是一个综合的行为,个体处于动态变化的环境中,以时间步长为单位不断循环进行感知,思维,行动。直至疏散结束。通过上述,绘制出了整个疏散模型的关系示意图,疏散模型的建立和运行过程及与实际环境的关系作用都详细的表示如下:通过基于多主体技术的疏散行为和建筑环境的疏散模型的分析和建立,可以看出通过模拟的方式研究疏散过程有很大的优势。其成果如下:第一,本文给出

19、了一个影响疏散要素的框架,可以方便的扩展新的影响要素。第二,建立了疏散仿真模型的结构。将复杂的疏五、结论散系统转变为新的,扩展性和灵活性良好的结构。方便的处理不同的建筑环境,很好的模拟不同情况下的疏散过程。此项研究的重大意义在于以下三个方面:(1为我国建筑设计规范中疏散部分提供科学依据,并对现有规范检验,补充和完善。(2为建筑物内的人员紧急疏散提供一项科学的评价工具。一方面对新建方案进行考核评价,促进其修改,满足疏散要求,另一方面可以对既有建筑内的环境进行模拟,对不符合安全要求的部分进行改造,从而满足安全需要。(3为防灾教育及人员疏散训练提供一种科学的指导工具,减少疏散中的人员伤亡。本研究进一

20、步的工作为扩充模拟仿真模型,使过程更加趋近现实环境。研究的问题主要有两个部分组成:第一,调查整理疏散的相关数据。在国内,基础数据还十分欠缺,需要我们对现实的过程进行不断的观察和测量,检验和修正仿真模型。第二,通过对仿真模型的改进,优化仿真算法。考虑更多的要素和可能,将疏散的复杂过程真实的模拟出来。随着中国城市化的不断发展,人民生活的不断提高,与我们息息相关的建筑安全问题显得尤为重要。对建筑环境和疏散行为的研究,成为建筑安全和设计优化的创新点。但是这项研究是一门综合性极强的跨学科研究,目前才刚刚开始,还有许多亟待解决的关键问题,对于研究者是一个很大的挑战,距离全面普及还有一段距离,但这是一个非常

21、值得关注的领域,具有很大的社会和经济价值。【参考文献】1Kostreva,M.M.,Lancaster,L.C.Comparison of TwoMethodologies in HAZARD I Fire Egress AnalysisJ.Fire Technology,1998,34(3:227-246.2方正,陈大宏,卢兆明.用计算机仿真方法研究影剧院人员疏散J.消防科学与技术,2002,3(2:18-20.3方正,陈大宏,张铮等.建筑物火灾人员疏散的计算机仿真J.计算机仿真.2001,18(2:49-52.4吴农,张良,王军.地震灾害下建筑物内人员逃生图4个体Agent的感知模型200

22、9 11研究与探索 模拟系统的研究现状和问题的综合分析建筑学 报，： 吴农，张良，王军地震灾害下建筑物内人员逃生 模拟系统的研究年全国建筑院系建筑数字技术 教学研讨会论文集，： 张鹏，朱昌明，杨广全高层建筑垂直应急疏散系 统的仿真研究系统仿真学报，（）： ： 宜慧玉，张发复杂系统仿真及应用北京：清 华大学出版社， ， ，á ê ，（）： （上接第页） 采用软件编解码方案，开发难度较小，开发成 本较低。同时，提供支持的操作系统和开发 包，进一步降低系统的开发周期和成本，具有 相当的经济效益。随着网络视频监控的迅速发展， 本文提出的网络视频监控系统具有广泛的应用前景。 【参考文献】 梁修如，严国萍嵌入式视频监控服务器系统 典型方案及其性能分析电视技术