基于Pathfinder緊急情況下地下商場內(nèi)行人疏散的模擬與實驗對比研究

王 艷

(合肥市消防救援支隊，安徽 合肥 230001)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，大量的地下建筑出現(xiàn)，同時地下建筑場所內(nèi)部的人員分布較為密集，一旦發(fā)生災(zāi)害很容易造成人員傷亡事故。地下建筑內(nèi)部人員的安全疏散問題已經(jīng)成為全社會的關(guān)心問題，急需研究解決。本文首先對安徽省池州市的某地下商場內(nèi)人員緊急疏散模擬。其次，采集分析了實際疏散人員的流量、速度、疏散時間等參數(shù)。最后，基于pathfinder所構(gòu)建的部分地下商場的場景模擬與實驗的疏散結(jié)果，比較實驗研究和模擬研究的各項運動參數(shù)，為地下商場內(nèi)人員疏散設(shè)計提供應(yīng)用方面的借鑒。

1 疏散模擬軟件

近年來，計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展為人員疏散的模擬研究提供了快速發(fā)展的機(jī)會和高效的模擬平臺，因此出現(xiàn)了多種用于人員疏散仿真模擬研究的軟件：2001年王志剛[1]開發(fā)了火災(zāi)時期人員疏散計算機(jī)模型FEgress，該火災(zāi)模擬軟件模型可以計算在建筑物內(nèi)不同位置處發(fā)生火災(zāi)時，從火災(zāi)發(fā)生到人員疏散結(jié)束所需的時間，可以評價火災(zāi)時期人員生命的安全性；王春雪[2]以某幼兒園為背景，分析在幼兒園中發(fā)生突發(fā)事件時，分別利用SFPE模式和Steering模式兩種不同的模式進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示，Steering模式能避免產(chǎn)生幼兒的擁擠和踩踏事故，縮短疏散所需時間，有利于安全疏散。

目前應(yīng)用較為廣泛的疏散模擬軟件有：Pathfinder、FDS+EVAC、MULTIGO、STEPS、FIREGO等。本文采用疏散軟件Pathfinder，對緊急情況下地下商場內(nèi)的行人疏散進(jìn)行仿真模擬研究。

張志魁[3]為有效了解建筑火災(zāi)的蔓延和發(fā)展規(guī)律以及人員安全疏散狀況通過建立模型對某高校實驗綜合樓進(jìn)行四個不同火災(zāi)場景下的仿真數(shù)值模擬。表秀峰等[4]通過Pyrosim火災(zāi)模擬軟件與Pathfinder人員疏散模擬軟件進(jìn)行模型建立對某商業(yè)中合體商場部分進(jìn)行了仿真數(shù)值模擬。得到的兩個仿真數(shù)值煙氣高度、能見度、氣體溫度、CO濃度達(dá)到危害人體生命安全的臨界時間與人員疏散必須時間進(jìn)行比較。仝貴來[5]利用疏散軟件Pathfinder對某屋面透空型大型地下商業(yè)建筑的特定場景進(jìn)行人員疏散安全性模擬研究，基于其平面特點，最終給出了該地下商業(yè)建筑的人員疏散安全性分析。

也有研究人員在不同省份進(jìn)行相關(guān)研究：何彩虹[6]對西安某大型地下商場的客流量進(jìn)行了實測，研究了兩種流動狀態(tài)(離散狀態(tài)和連續(xù)狀態(tài))時人員疏散的行為特征，分析了該地下商場客流量的影響因素。顏麗等[7]以重慶某大型地下商場為調(diào)查對象，分別在工作日和雙休日對商場人流量進(jìn)行實測，為大型地下商場人員緊急疏散提供人流量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。黃敏[8]以長沙某地下商場為例,進(jìn)行實地調(diào)查研究,收集相關(guān)數(shù)據(jù)。建立火災(zāi)場景，進(jìn)行火源設(shè)定，通過計算比較兩種時間：ASET和RSET，對其進(jìn)行火災(zāi)情況下人員安全疏散的評價研究。劉丹晨[9]對淮南某地下商業(yè)街調(diào)查研究，建立商業(yè)街的火災(zāi)模型和疏散模擬模型；對模擬結(jié)果進(jìn)行合并，統(tǒng)計，整理和分析，對人員疏散提出建議。袁婧[10]借助Pathfinder安全疏散軟件，對不同群體的個體動作進(jìn)行圖示化虛擬演練。

1.1 Pathfinder軟件介紹

人員疏散仿真模擬軟件Pathfinder是美國的Thunderhead Engineering 公司研究開發(fā)的。用戶能夠在Pathfinder界面中建造人員疏散的仿真場景，也可以將真實建筑物場景的CAD圖導(dǎo)入至Pathfinder軟件中，從而建立仿真場景。

1.2 運動模式設(shè)置

Pathfinder軟件對于行人運動模式分為SPFE模式和Steering模式。SPFE模式是最為基本的人員運動行為。Steering模式采用了合理正確的路徑規(guī)劃，并利用指導(dǎo)機(jī)制，以及考慮人員之間的碰撞處理。假如人員間的距離，人員離最近點的路徑超過了設(shè)定的閾值，可以再次生成新的疏散路徑，從而適應(yīng)新的情況和形勢。

1.3 使用步驟

(1)CAD圖導(dǎo)入和內(nèi)部建模相結(jié)合：將平面CAD圖導(dǎo)入Pathfinder軟件中，根據(jù)實際測量的參數(shù)進(jìn)行內(nèi)部建模，完善樓梯、通道、出口等。

(2)疏散人員的建模：在地下商場仿真場景的5個實驗起始位置處，添加與實驗相同人數(shù)的疏散人員，根據(jù)實際情況，設(shè)定好人員的屬性，包括身體尺寸參數(shù)、運動參數(shù)等。

(3)運動模式選擇：本模擬采用更接近于真實情況的Steering疏散模式。

2 模擬場景設(shè)置

2.1 模擬場景構(gòu)建

首先在pathfinder軟件中，選取準(zhǔn)備實驗的區(qū)域，構(gòu)建出該地下商場的仿真模擬場景，疏散人員初始分布在5個位置如圖1所示。5個不同位置的疏散通道寬度分別為2.79 m、2.84 m、2.79 m、2.27 m和2.25 m，交匯處的通道寬度為2.21 m。疏散出口樓梯的寬度為1.0 m，共30個臺階，每個臺階深0.4 m，高0.2 m，樓梯總高度為6.0 m。

圖1 疏散人群分布和疏散路徑

2.2 模擬參數(shù)設(shè)置

場景包括5條疏散初始位置所在的街區(qū)，疏散主干道以及一條疏散樓梯。依照《中國成年人人體尺寸》(GB 10000-1988)的規(guī)定，設(shè)置人員運動速度、人員尺寸等模型參數(shù)后，開始模擬。

疏散人群的分布和疏散路徑也如圖1所示。根據(jù)實際情況，各小組人群在起始疏散位置處是隨機(jī)均勻分布的，因此模擬中也采用隨機(jī)均勻分布。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 疏散人數(shù)和流量

在出口樓梯中的不同階段人群的上樓速度作為模擬的樓梯速度輸入?yún)?shù)，以及采用各個小組人群起始位置處的速度作為人群初始運動速度。

3.2 不同疏散策略

通過設(shè)置Pathfinder軟件中的人員疏散延遲時間，讓不同位置的人先后開始疏散。設(shè)計的疏散策略為：位置1和位置2的人員首先開始疏散，位置3延遲15 s疏散，位置4延遲5 s疏散，位置5延遲10 s疏散。模擬延時疏散策略與模擬各小組同時疏散過程的對比如圖2所示。

圖2 模擬同時疏散和延時疏散策略對比

根據(jù)Pathfinder軟件模擬結(jié)果，采用延時疏散策略進(jìn)行模擬疏散時，所需疏散時間為149 s，而采用各小組同時疏散進(jìn)行模擬時，所需疏散時間為151 s，可見采用部分人員延時疏散的策略，能一定程度上加快人員的整體疏散，減少疏散時間。

4 模擬實驗與實際疏散實驗數(shù)據(jù)對比

4.1 疏散實驗數(shù)值

實驗人員身體條件及實驗場景的限制，該疏散實驗只做了一次。根據(jù)在商場內(nèi)多處關(guān)鍵地點錄制的實驗視頻，統(tǒng)計了人群快速疏散的疏散時間、流量以及速度等運動參數(shù)。

4.2 實驗結(jié)果和模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)對比

實驗結(jié)果與模擬結(jié)果如圖3所示。從圖3a中可以看出，模擬的疏散時間與實驗的總疏散時間基本相同，疏散過程也大致相似，尤其對于疏散過程的后半段，模擬疏散的前半段斜率較疏散實驗該段的斜率略低，但模擬的整體斜率變化略小。根據(jù)圖3b的結(jié)果，流量隨時間變化趨勢整體相似，但模擬過程的流量變化較小，整體在0.75～1.5人/s浮動，疏散實驗的平均流量為1.178人/s，軟件進(jìn)行疏散模擬的平均流量為1.102人/s。

圖3 實驗結(jié)果與模擬結(jié)果的對比

5 結(jié) 論

本文對部分區(qū)域地下商場疏散實驗場景構(gòu)建了軟件中地下商場部分區(qū)域的人員疏散模擬場景，對基于Pathfinder所構(gòu)建的部分地下商場的場景模擬疏散與實驗的疏散結(jié)果各項運動參數(shù)進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明：

(1)模擬與實驗的疏散時間基本相同，本文建立的疏散模型可以較好的對地下商場的人員疏散進(jìn)行模擬。

(2)對比前人研究，增設(shè)了部分人群延時疏散的疏散策略，與所有人員同時疏散進(jìn)行對比，結(jié)果表明延時疏散策略能在一定程度上加快人群疏散，緩解疏散通道交匯處的擁擠程度。

(3)對整體地下商場開展不同人數(shù)的人員疏散設(shè)計應(yīng)用有一定實踐意義。

(4)基于模擬與實驗疏散的吻合度，可以探索不同使用功能的場所更優(yōu)疏散設(shè)計研究。