基于NetLogo平臺(tái)的室內(nèi)學(xué)生疏散過程仿真研究

張 瑩 段凌燕

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710018）

0 引言

學(xué)校教學(xué)樓（教室）的主要功能是滿足學(xué)校的日常教學(xué)工作，除此以外，學(xué)生自習(xí)活動(dòng)和部分校園活動(dòng)也在其中進(jìn)行，教學(xué)樓是學(xué)生所處時(shí)間較長(zhǎng)的地點(diǎn)之一[1-2]。教學(xué)樓內(nèi)人員密集，空間狹窄，若發(fā)生火災(zāi)、地震等突發(fā)事件，易發(fā)生擁堵踩踏等安全事故，甚至在日常狀況下，由于學(xué)生安全意識(shí)參差不齊，學(xué)校安全防范措施不當(dāng)，也會(huì)導(dǎo)致校園安全事故。2017年3月22日河南省濮陽縣第三實(shí)驗(yàn)小學(xué)的學(xué)生上廁所時(shí)發(fā)生擁擠踩踏事故，共造成22名學(xué)生受傷，其中1人死亡。教學(xué)樓內(nèi)學(xué)生的疏散過程主要分為兩個(gè)階段，首先是教室內(nèi)的學(xué)生從室內(nèi)移動(dòng)至走廊，其次學(xué)生通過走廊和樓梯移動(dòng)至教學(xué)樓外部。為了保證學(xué)生在緊急狀況下能夠安全迅速的疏散，本文選取疏散過程的第一階段，即教室內(nèi)的學(xué)生如何安全疏散至走廊，基于NetLogo仿真平臺(tái)，研究了不同出口條件下室內(nèi)學(xué)生的安全疏散過程，計(jì)算結(jié)果可以為指導(dǎo)教學(xué)樓的緊急疏散和安全管理提供參考，同時(shí)也可評(píng)估學(xué)生應(yīng)急疏散水平，為突發(fā)事件的應(yīng)急預(yù)案編制提供理論基礎(chǔ)。

1 計(jì)算原理

1.1 NetLogo平臺(tái)

多智能體的仿真平臺(tái)NetLogo功能強(qiáng)大，在醫(yī)學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)、生物學(xué)和社會(huì)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用[3-5]，適合研究由若干個(gè)體構(gòu)成的較復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制，近些年部分學(xué)者使用該平臺(tái)對(duì)體育場(chǎng)、地鐵站等公共場(chǎng)所人員疏散和移動(dòng)進(jìn)行了仿真研究[6-8]。NetLogo平臺(tái)定義的虛擬世界中存在3類對(duì)象，第一類為海龜（turtles），該對(duì)象可以在虛擬世界中自由移動(dòng)，代替現(xiàn)實(shí)世界的任何一種有活動(dòng)特性的物體，如行人、動(dòng)物、汽車等；第二類為瓦片（patches），瓦片構(gòu)成了海龜所生存的虛擬世界，代替現(xiàn)實(shí)世界中的房間、大地、天空等；第三類為觀察員（observer），可以觀察和控制虛擬世界的運(yùn)行，具有上帝視角。本文基于NetLogo平臺(tái)，通過測(cè)量得到教室的幾何尺寸，用瓦片建立出反應(yīng)真實(shí)情況的虛擬教室模型，通過編程賦予代表學(xué)生個(gè)體的海龜各種屬性和運(yùn)行規(guī)則，并行地控制海龜?shù)囊苿?dòng)，模擬突發(fā)事件發(fā)生時(shí)教室內(nèi)學(xué)生的移動(dòng)行為。

1.2 行人移動(dòng)規(guī)則

本文基于NetLogo平臺(tái)，根據(jù)觀測(cè)到的學(xué)生運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行建模仿真，初始時(shí)刻學(xué)生隨機(jī)分布在教室中，當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件后，學(xué)生起立離開座位移動(dòng)至過道，從過道移動(dòng)至出口，實(shí)現(xiàn)安全疏散。在移動(dòng)過程中，學(xué)生可以通過探測(cè)躲避障礙物（桌椅、講臺(tái)），選擇最優(yōu)路徑，同時(shí)擁擠人群中的每位學(xué)生均有一定的概率向前移動(dòng)，模擬了排隊(duì)等待的情形，在移動(dòng)過程中保證每個(gè)瓦片只能有一名海龜占據(jù)，即學(xué)生與學(xué)生之間不能發(fā)生重疊。

2 計(jì)算模型

2.1 模型建立

仿真計(jì)算選擇的教室尺寸為長(zhǎng)13.0m，寬12.0m，共布置有3組座位，如圖1（a），A區(qū)域?yàn)?列×5排=15人，B區(qū)域?yàn)?列×5排=20人，C區(qū)域?yàn)?列×4排=12人，整個(gè)教室總共可容納學(xué)生47人。教室AB區(qū)域之間和BC區(qū)域之間設(shè)有兩條寬1.0m的過道，第一排座位與講臺(tái)之間有一條寬1.0m的過道。教室共有2個(gè)出口，離講臺(tái)較近的記為出口1，另一個(gè)記為出口2，寬度均為1.0m，如圖1（b）。通過Netlogo平臺(tái)建立教室模型，如圖1（c），模型中對(duì)象包括出口、學(xué)生、桌子、椅子和講臺(tái)，初始狀態(tài)下學(xué)生隨機(jī)分布在教室內(nèi)，當(dāng)學(xué)生移動(dòng)至出口，實(shí)現(xiàn)安全疏散。計(jì)算考慮兩種工況，單出口條件和雙出口條件，并根據(jù)教室日常使用情況分別計(jì)算了教室內(nèi)學(xué)生人數(shù)為15人、30人和47人（滿員）的情況下學(xué)生的疏散過程，每1s記錄一次計(jì)算結(jié)果，最終可以重現(xiàn)室內(nèi)學(xué)生的整個(gè)疏散過程。

圖1 教室模型示意圖Fig.1 The schematic diagram of classroom model

2.2 計(jì)算參數(shù)

疏散仿真計(jì)算中最主要的參數(shù)為行人的移動(dòng)速度，選擇不同的移動(dòng)速度會(huì)直接導(dǎo)致不同的疏散結(jié)果。呂雷等[9]對(duì)教學(xué)樓內(nèi)學(xué)生疏散速度進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試，結(jié)果表明當(dāng)人群密度較低時(shí)（＜0.5人/m2），正常步行速度為0.6m/s，隨著人群密度的增加，移動(dòng)速度隨之減小；孫金龍等[10]認(rèn)為突發(fā)事故發(fā)生時(shí)個(gè)體的移動(dòng)速度大小一般不超過1.5m/s；陳娜等[11]在對(duì)高校學(xué)生公寓的應(yīng)急疏散中選擇的移動(dòng)速度為0.8～1.27m/s。本文在綜合其他學(xué)者研究成果的基礎(chǔ)上，通過對(duì)上、下課期間學(xué)生移動(dòng)速度的實(shí)地測(cè)量，最終選擇的學(xué)生最大移動(dòng)速度為1.2m/s。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 單出口條件下計(jì)算結(jié)果分析

考慮單出口條件下室內(nèi)學(xué)生的疏散計(jì)算，如圖2，保持出口1狀態(tài)為常開，出口2狀態(tài)為關(guān)閉。教室內(nèi)共隨機(jī)分布學(xué)生30名，t1為初始時(shí)刻0s，此時(shí)學(xué)生正常位于各自的座位中，而后發(fā)生突發(fā)事件，學(xué)生開始自行疏散；t2時(shí)刻為疏散開始后的5s，此時(shí)部分學(xué)生已經(jīng)離開座位，移動(dòng)至教室過道中，由于過道寬度為1m，僅能容納一人通過，在過道內(nèi)出現(xiàn)了排隊(duì)等待現(xiàn)象；t3時(shí)刻為疏散開始后的30s，此時(shí)已經(jīng)有部分學(xué)生完成安全疏散，由于教室后排學(xué)生離出口1距離較遠(yuǎn)，仍然處于移動(dòng)過程中，隨著學(xué)生人數(shù)的降低，過道內(nèi)排隊(duì)等待程度有所消減；t4時(shí)刻為疏散開始后的45s，此時(shí)大部分學(xué)生已經(jīng)完成疏散，其余學(xué)生也在有序撤離，經(jīng)統(tǒng)計(jì)最終所有學(xué)生安全疏散共用時(shí)54s。由于教室內(nèi)只有一個(gè)出口，位于靠近講臺(tái)的位置，不利于后排學(xué)生的疏散，同時(shí)過道較窄，學(xué)生從座位起身移動(dòng)至過道內(nèi)需要短暫時(shí)間的排隊(duì)，而從過道內(nèi)移動(dòng)至出口1附近仍然需要排隊(duì)，從而增加了疏散所需的時(shí)間。

圖2 單出口條件下30名學(xué)生疏散過程示意圖Fig.2 The schematic diagram of evacuation process for 30 students under single-exit condition

3.2 雙出口條件下計(jì)算結(jié)果分析

考慮雙出口條件下室內(nèi)學(xué)生的疏散計(jì)算，如圖3，保持兩個(gè)出口的狀態(tài)均為常開。通過編寫程序，賦予學(xué)生智能估算自身位置距離出口的長(zhǎng)度并作出選擇的能力，即距離出口1較近的前排學(xué)生選擇出口1為移動(dòng)目標(biāo)，距離出口2較近的后排學(xué)生則選擇出口2為移動(dòng)對(duì)象，當(dāng)個(gè)別學(xué)生距離出口1、2的長(zhǎng)度相同時(shí)，則各有50%的幾率隨機(jī)選擇移動(dòng)方向。

圖3 雙出口條件下30名學(xué)生疏散過程示意圖Fig.3 The schematic diagram of evacuation process for 30 students under double-exit condition

教室內(nèi)共隨機(jī)分布學(xué)生30名，t1為初始時(shí)刻0s，此時(shí)學(xué)生正常位于教室中，而后發(fā)生突發(fā)事件，學(xué)生開始自行疏散；t2時(shí)刻為疏散開始后的5s，后排離出口2距離較近的學(xué)生已經(jīng)完成安全疏散，其余大部分學(xué)生也已經(jīng)離開座位，移動(dòng)至教室過道中，由于前后排學(xué)生進(jìn)入過道后會(huì)沿著上下兩個(gè)方向分別移動(dòng)，所以過道內(nèi)雖然出現(xiàn)了排隊(duì)等待現(xiàn)象，但是程度較低；t3時(shí)刻為疏散開始后的15s，此時(shí)大部分學(xué)生已經(jīng)完成安全疏散，其余學(xué)生繼續(xù)移動(dòng)；t4時(shí)刻為疏散開始后的20s，此時(shí)后排學(xué)生全部疏散完畢，前排剩余少數(shù)學(xué)生也已經(jīng)移動(dòng)至出口附近，即將完成疏散。經(jīng)統(tǒng)計(jì)最終所有學(xué)生安全疏散共用時(shí)24s。雙出口條件可以分流教室內(nèi)的學(xué)生，從而降低在過道內(nèi)排隊(duì)等待的時(shí)間，同時(shí)有利于后排學(xué)生，尤其是靠近出口2的學(xué)生，其疏散距離短，疏散用時(shí)少，從而降低了整體疏散用時(shí)，對(duì)比單出口條件下的計(jì)算結(jié)果，雙出口條件共節(jié)約時(shí)間30s，效果非常顯著。

3.3 出口條件優(yōu)化分析

圖4 單出口條件下疏散率隨時(shí)間的變化曲線Fig.4 Evacuation rate with time under single-exit condition

為了進(jìn)一步研究不同出口條件下，室內(nèi)學(xué)生數(shù)量對(duì)最終疏散結(jié)果的影響，針對(duì)上述兩種情況，分別計(jì)算了學(xué)生人數(shù)為15人、30人和47人（滿員）的情況。定義“疏散率”這一變量，為已經(jīng)安全疏散的學(xué)生人數(shù)與教室內(nèi)總?cè)藬?shù)的比值，當(dāng)學(xué)生全部安全移動(dòng)至室外，此時(shí)疏散率為100%。計(jì)算繪制兩種出口條件下，不同學(xué)生人數(shù)的疏散率隨時(shí)間的變化曲線，如圖4、5。在單出口條件下，教室內(nèi)15名學(xué)生疏散用時(shí)共計(jì)34s，30名學(xué)生疏散用時(shí)共計(jì)54s，47名學(xué)生疏散用時(shí)共計(jì)86s，隨著學(xué)生數(shù)量的增加，疏散用時(shí)也隨之增長(zhǎng)。在雙出口條件下，教室內(nèi)15名學(xué)生疏散用時(shí)共計(jì)17s，30名學(xué)生疏散用時(shí)共計(jì)24s，47名學(xué)生疏散用時(shí)共計(jì)38s。二者對(duì)比來看，雙出口條件分別可以節(jié)約疏散時(shí)間17s、30s和48s，平均可節(jié)約53.8%左右。由此可見，雙出口條件可以縮減學(xué)生的安全疏散用時(shí)，為學(xué)生從走廊逃生至教學(xué)樓外提供寶貴的時(shí)間，增大逃生概率。

圖5 雙出口條件下疏散率隨時(shí)間的變化曲線Fig.5 Evacuation rate with time under double-exit condition

結(jié)合《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[12]和消防火災(zāi)中的黃金逃生時(shí)間，一般認(rèn)為高層建筑的安全疏散允許時(shí)間為5～7min；一、二級(jí)耐火等級(jí)民用建筑的安全疏散允許時(shí)間為6min；一、二級(jí)耐火等級(jí)人員密集的公共建筑的安全疏散允許時(shí)間為5min。教學(xué)樓應(yīng)屬于第三類型，表明學(xué)生必須在5min內(nèi)從教室移動(dòng)至教學(xué)樓外。本文中教學(xué)樓為9層建筑，共設(shè)有3組樓梯，經(jīng)測(cè)量每一層平均臺(tái)階數(shù)目為20階，臺(tái)階踏面寬度為0.30m，長(zhǎng)2.5m，踢面高0.15m，計(jì)算得到七層樓梯的等效長(zhǎng)度為48m，從走廊移動(dòng)至樓梯的最長(zhǎng)距離為30m，從一樓大廳移動(dòng)至教學(xué)樓外的距離為10m，由此可以通過以下公式估算得到學(xué)生從走廊移動(dòng)至教學(xué)樓外的時(shí)間。

式中：

t—學(xué)生從走廊移動(dòng)至教學(xué)樓外的時(shí)間，s；

L1—樓梯等效長(zhǎng)度，m。L1=48m；

v1—學(xué)生下樓速度，一般為0.25～1.45m/s，經(jīng)測(cè)量下樓速度和人流密度成反比，下課期間人流密度最大，此時(shí)學(xué)生在樓梯內(nèi)移動(dòng)緩慢，在計(jì)算中v1取最小值；

L2—從走廊移動(dòng)至樓梯的最長(zhǎng)距離，m。L2=30m；

v2—學(xué)生平地移動(dòng)速度，和上文計(jì)算保持一致v2=1.2m/s；

L3—從一樓大廳移動(dòng)至教學(xué)樓外的距離，m。L3=10m，v2=v3=1.2m/s。

最終計(jì)算得到學(xué)生從走廊移動(dòng)至教學(xué)樓外所需的時(shí)間t為225s，為了保證學(xué)生在5min內(nèi)完成安全疏散，這意味著學(xué)生必須在75s內(nèi)從教室內(nèi)移動(dòng)至走廊。可以根據(jù)這一計(jì)算結(jié)果對(duì)目前的出口條件進(jìn)行優(yōu)化，如圖6，雙出口條件下，均可滿足學(xué)生在75s內(nèi)完成安全疏散，單出口條件下，當(dāng)學(xué)生人數(shù)大于臨界學(xué)生人數(shù)（40名）時(shí)，疏散用時(shí)大于75s，學(xué)生的安全無法得到保障，由此得出優(yōu)化結(jié)論：當(dāng)教室內(nèi)學(xué)生小于40名時(shí)，前后出口至少有一個(gè)保持常開狀態(tài)；當(dāng)教室內(nèi)學(xué)生大于40名，前后兩個(gè)出口必須同時(shí)保持常開狀態(tài)。應(yīng)用本文的計(jì)算模型還可以對(duì)現(xiàn)有教學(xué)樓應(yīng)急通道、逃生門等的安全設(shè)置進(jìn)行評(píng)估，判斷是否滿足安全疏散的需求，后續(xù)應(yīng)結(jié)合應(yīng)急演練試驗(yàn)，對(duì)個(gè)體行為準(zhǔn)則進(jìn)一步完善和優(yōu)化，更好的與實(shí)際結(jié)合，提高仿真計(jì)算的準(zhǔn)確度。

圖6 出口條件優(yōu)化模型示意圖Fig.6 The diagram of optimization model for export condition

4 結(jié)論

本文基于NetLogo平臺(tái)，通過編寫程序，對(duì)不同出口條件、不同學(xué)生人數(shù)的教室內(nèi)學(xué)生疏散過程進(jìn)行了仿真計(jì)算，得出以下結(jié)論：

（1）基于NetLogo平臺(tái)，建立教室模型，賦予海龜自主移動(dòng)能力，可以重現(xiàn)不同條件下室內(nèi)學(xué)生的疏散過程，為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)。

（2）隨著學(xué)生人數(shù)的增加，疏散用時(shí)隨之增大，雙出口條件學(xué)生疏散用時(shí)較單出口條件可平均節(jié)約53.8%，可提高學(xué)生的安全逃生概率。

（3）為了保證學(xué)生的安全疏散，當(dāng)教室內(nèi)學(xué)生人數(shù)大于40名時(shí)，必須保持前后兩個(gè)出口為常開狀態(tài)，應(yīng)用該方法，可對(duì)教學(xué)樓內(nèi)其他安全設(shè)施的合理性進(jìn)行評(píng)估，指導(dǎo)疏散通道、逃生門的科學(xué)布設(shè)。