出口位置對(duì)疏散效率的影響研究

謝雪剛

(山東省菏澤市公安消防支隊(duì)定陶大隊(duì), 山東荷澤 274000)

?

出口位置對(duì)疏散效率的影響研究

謝雪剛

(山東省菏澤市公安消防支隊(duì)定陶大隊(duì), 山東荷澤 274000)

文章利用動(dòng)態(tài)仿真模型模擬，在出口寬度不變條件下，影院不同出口及走道位置對(duì)人員疏散效率的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)出口設(shè)置在觀眾席前后兩側(cè)時(shí)，不利于人員的疏散，且從眾心理及排隊(duì)擁堵現(xiàn)象表現(xiàn)得較為明顯；若出口位置不變，將其中一走道設(shè)置在觀眾中間，疏散效率提高；當(dāng)出口設(shè)置在觀眾席前方左右兩側(cè)時(shí)，疏散過程中，人流分配較為合理，且能縮短疏散時(shí)間，提高疏散效率；當(dāng)出口對(duì)稱設(shè)置在觀眾前方左右兩側(cè)，走道設(shè)置在觀眾兩側(cè)時(shí)，此時(shí)房間布局為最佳疏散場(chǎng)景，疏散效率最高。

影院； 出口； 疏散效率

踩踏事故是大型活動(dòng)及公共場(chǎng)所的多發(fā)性事故。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大型影劇院、體育賽場(chǎng)等公共場(chǎng)所，國(guó)際化程度不斷提高，規(guī)模不斷擴(kuò)大。然而，人群大密度集中出現(xiàn)，使人員傷亡事故發(fā)生的可能性增大，疏散過程中，由于瓶頸作用，人員更容易在走道和出口處出現(xiàn)擁擠堵塞現(xiàn)象，造成群死群傷事故的發(fā)生。對(duì)于大型影劇院、講堂等場(chǎng)所，場(chǎng)所內(nèi)座椅規(guī)則排列，走道狹小，當(dāng)人員因緊急情況需要立即離開時(shí)，疏散過程會(huì)受到室內(nèi)布局的嚴(yán)重影響。由于擁擠踩踏事故后果嚴(yán)重，如何有效預(yù)防事故的發(fā)生，理解和掌握人員疏散動(dòng)力學(xué)特征，對(duì)疏散具有指導(dǎo)性作用。人員疏散現(xiàn)象及特征亦是行人流理論研究的熱點(diǎn)[1-3]。

隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，對(duì)人員疏散的研究已經(jīng)從初期的火災(zāi)調(diào)查發(fā)展到計(jì)算機(jī)模擬研究階段。Helbing等人指出，從人員朝向行為角度出發(fā)，將教室過道對(duì)稱結(jié)構(gòu)調(diào)整為偏向出口側(cè)及設(shè)計(jì)漏斗型過道(距離出口越近的地方，過道寬度越大)，可以減短人員擁堵時(shí)的排隊(duì)時(shí)間，從而提高疏散效率；Burstedde等人對(duì)有兩個(gè)出口的禮堂進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果表明，左右兩側(cè)開口方案的疏散效率顯著優(yōu)于前后兩側(cè)開口。

本文以影院為研究對(duì)象，通過改變出口位置及室內(nèi)布局，分析研究其對(duì)疏散效率的影響。針對(duì)出口位置和室內(nèi)布局對(duì)行人疏散路徑選擇的影響，利用動(dòng)態(tài)仿真模型，研究不同情況下的疏散行人流，實(shí)現(xiàn)疏散過程的動(dòng)態(tài)平衡。

1 疏散模型的建立

Pathfinder的運(yùn)行環(huán)境是一個(gè)完整的三維三角網(wǎng)格設(shè)計(jì)，利用計(jì)算機(jī)圖形仿真技術(shù)，其模擬場(chǎng)景可通過3D results viewer動(dòng)畫視覺效果展示，為緊急情況下人員疏散和建筑設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)[4]。人員運(yùn)行模式包括SFPE模式和Steering模式。SFPE行為是最基本的行為，以流量為基礎(chǔ)的選擇意味著人員會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)移到最近的出口，人員不會(huì)相互影響，但是列隊(duì)將符合SFPE假設(shè)。這種模式是基于SFPE消防手冊(cè)保護(hù)工程和SFPE工程指南：人流行為，利用空間、密度以確定運(yùn)動(dòng)速度。Steering模式使用路徑規(guī)劃、指導(dǎo)機(jī)制和碰撞處理相結(jié)合控制人員運(yùn)動(dòng)。如果人員之間的距離和最近點(diǎn)的路徑超過某一閥值，算法可以再生新的路徑，以適應(yīng)新的形式。由于Steering模式更接近現(xiàn)實(shí)，本文將運(yùn)用Steering模式對(duì)所建模型進(jìn)行研究。

2 出口位置變化對(duì)疏散效率的影響

疏散過程中，安全出口或疏散路徑不同，行人將選擇不同的疏散策略進(jìn)行疏散，呈現(xiàn)出不同的疏散流特征。行人在疏散過程中，雖然人員心理和行為存在著個(gè)體差異，但仍存在著一些共性。例如，日常生活中常見的從眾心理現(xiàn)象，在疏散過程中尤為明顯，尤其是在火災(zāi)等緊急情況出現(xiàn)時(shí)，由于心里恐慌，從眾心理會(huì)表現(xiàn)得尤其顯著。因此，合理地設(shè)置出口位置可有效地縮短疏散時(shí)間，提高疏散效率。

疏散過程中，出口位置不同，人員發(fā)生擁擠程度不同，擁擠部位也存在差異。本文以一影院房間為例，研究出口位置對(duì)疏散效率的影響。圖1為相同布置下不同出口位置時(shí)，人員疏散至16 s時(shí)的疏散場(chǎng)景。其中，場(chǎng)景1～3為相同布局情況下不同出口疏散場(chǎng)景示意圖。場(chǎng)景1中，疏散出口處滯留人員較多，場(chǎng)景2和場(chǎng)景3中，人員分別相對(duì)場(chǎng)景1較均衡。這表明，當(dāng)疏散出口設(shè)置在視線前方兩側(cè)時(shí)，更有利于縮短人員疏散時(shí)間，提高疏散效率。

同場(chǎng)景下，疏散出的人員數(shù)目隨時(shí)間變化關(guān)系如圖2所示。由圖知，當(dāng)疏散走道位于觀眾兩側(cè)時(shí)，場(chǎng)景2和場(chǎng)景3的疏散效率較高，場(chǎng)景1的疏散效率較差，疏散場(chǎng)景3的疏散時(shí)間最短，為65 s。對(duì)于場(chǎng)景1，疏散出口設(shè)置在觀眾席前方和后方，從眾心理表現(xiàn)得較為明顯，疏散時(shí)人員需要改變疏散方向，反向行走，與人員行走過程中趨于使用“捷徑”路線的思維相違背，且人員疏散時(shí)趨向于使用視覺范圍內(nèi)的出口進(jìn)行疏散，使得后方出口疏散人數(shù)較少，疏散人數(shù)沒有得到有效分配，延長(zhǎng)了疏散時(shí)間，降低了疏散效率。場(chǎng)景2和場(chǎng)景3，疏散出口分別位于觀眾席前方兩側(cè)，出口方位相同，表1為各疏散場(chǎng)景的兩出口流量。對(duì)于場(chǎng)景1，當(dāng)出口位于前后側(cè)時(shí)，左側(cè)出口疏散人數(shù)明顯多于右側(cè)后方出口，右側(cè)出口疏散人數(shù)較少，從模擬效果可知，疏散過程中走道空缺明顯，左側(cè)出口排隊(duì)等待現(xiàn)象嚴(yán)重。這表明，盡管在疏散時(shí)遇到嚴(yán)重的排隊(duì)和擁堵現(xiàn)象，疏散時(shí)，人員仍傾向于向視覺前側(cè)行走，不愿改變疏散方向，反向疏散，從眾心理較為明顯。場(chǎng)景2相對(duì)于場(chǎng)景1，改變出口位置后，人員得以較均勻分配，排隊(duì)及擁堵現(xiàn)象減弱，右側(cè)出口人數(shù)明顯增多，人員疏散完畢時(shí)間減小，總體疏散效率分別相應(yīng)提高。場(chǎng)景3為兩側(cè)門對(duì)稱設(shè)置。從疏散人數(shù)可以看出，場(chǎng)景3的疏散人數(shù)較其他各場(chǎng)景分配較均勻。通過比較場(chǎng)景1、場(chǎng)景2和場(chǎng)景3，可以看出，適當(dāng)改變出口位置，有利于疏散人數(shù)的合理分配。比較表1數(shù)據(jù)可知，場(chǎng)景3的疏散人數(shù)最為合理，且場(chǎng)景3的疏散時(shí)間最短，疏散效率最高。

(a) 場(chǎng)景1

(b) 場(chǎng)景2

(c) 場(chǎng)景3

盡管其中一個(gè)出口位置稍微有些變化，但總疏散時(shí)間和單位時(shí)間內(nèi)疏散總?cè)藬?shù)相差較小。

圖2 室內(nèi)相同布局時(shí)疏散時(shí)間與疏散人數(shù)關(guān)系

表1 各出口人流量對(duì)比

3 結(jié)論

為了更好地研究影院內(nèi)最佳的疏散方式，考慮出口位置布置對(duì)疏散效率的影響，建立人員疏散模型，運(yùn)用Pathfinder軟件，設(shè)計(jì)不同場(chǎng)景，分析不同出口位置和走道布局對(duì)人員消防疏散效率的影響，主要得出以下結(jié)論：

(1)相同走道布局，不同出口位置時(shí)，對(duì)于出口設(shè)置在影院前后兩側(cè)的場(chǎng)景，人員聚集于前側(cè)出口，而后側(cè)出口出現(xiàn)疏散空缺的現(xiàn)象，使得出口人員分配較不合理，總體疏散效率較低；出口位于影院前方兩側(cè)時(shí)，兩個(gè)疏散路線較為明顯，各出口疏散人員數(shù)量能夠得到較為合理的分配，提高了疏散效率；當(dāng)影院走道設(shè)置在觀眾兩側(cè)，且出口對(duì)稱設(shè)置在觀眾席前方兩側(cè)時(shí)，其疏散效率最高。

(2)當(dāng)影院容量和疏散寬度不變時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮出口位置的設(shè)計(jì)，相同走道位置，不同出口設(shè)置對(duì)疏散效率有較大影響。出口對(duì)稱設(shè)置在左右兩側(cè)，且過道設(shè)置在觀眾兩側(cè)為相對(duì)優(yōu)化方案。此外，在實(shí)際的疏散過程中，應(yīng)減少出口擁堵程度及排隊(duì)時(shí)間，選擇最佳疏散路徑，以縮短疏散時(shí)間，提高疏散效率。

[1] 譚惠麗, 邱冰, 劉慕仁, 等.房間內(nèi)人群疏散過程的元胞自動(dòng)機(jī)研究[J]. 廣西師范大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 22 (4): 1-4.

[2] SONG Wei-guo, XU Xuan, WANG Bing-hong, et al. Simulation of evacuation processes using a muti-grid model for pedestrian dynamics [J]. Physica A, 2006, 363(2): 492-500.

[3] VARAS A, CORNEJO M D, MAINEMER M, et al. Cellular automaton model for evacuation process with obstacles[J]. Physica A, 2007,382(2): 631-642.

[4] 王靜, 王偉, 柯琪材, 等. 基于Pathfinder的某高校圖書館人員疏散模擬研究[J].安防科技, 2011(6):3-7.

謝雪剛，男，大學(xué)本科，助理工程師。

X913.4

A

[定稿日期]2017-04-14