建筑火災場景下的疏散個體動態安全性評價方法

嚴 瑾， 王 莉，2*， 成連華， 周瑞雪， 郭慧敏

(1.西安科技大學安全科學與工程學院， 西安 710054； 2.教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室， 西安 710054)

火災事故是日常生產、生活中最常見且具有毀滅性的事故種類之一。據應急管理部消防救援局公布的2014—2019年火災事故統計，中國共接報火災187.1萬起，造成9 271人死亡，6 206人受傷，火災對人們的生命安全造成了極大的威脅。2015年5月25日，河南省平頂山市一老年公寓發生特別重大火災事故，造成39人死亡、6人受傷，直接經濟損失2 064.5萬元。2018年8月25日，哈爾濱北龍湯泉酒店發生重大火災事故，造成20人死亡，23人受傷，直接經濟損失2 504.8萬元。因此，有必要對建筑火災情境下人員安全疏散問題進行研究。

對于建筑火災的人員疏散問題，中外學者在人員疏散心理行為、人員疏散模型、疏散路徑優化等方面做了大量研究。袁春燕等[1]通過應用模糊集合、模糊規則和隸屬度函數等模糊邏輯方法量化人的行為心理，研究人在火災環境下的行為心理對疏散速度的影響。眾多學者在經典的人員疏散模型(流體動力學模型[2]、社會力模型[3]、元胞自動機模型[4]、場模型[5]等)的基礎上進行改進。魏詩雨等[6]引入惶恐系數和集體關系因素對傳統社會力模型進行改進。李玉霞[7]將格子氣模型和場模型結合，以場模型中的概率確定行人運動的主方向，以格子氣模型中的局部運動規則描述行人的具體運動規則。張明空等[8]基于漣漪擴散算法提出了一種協同進化路徑優化方法，該方法避免了出現繞遠路現象。前人的研究為構建建筑火災人員應急決策疏散提供了一定的理論基礎，但目前的研究比較注重火災過程中人員的特殊心理行為、火災人員疏散規律等理論基礎，疏散路徑優化研究也受限于模擬過程所需的時間較長，難以對建筑火災人員實際疏散過程應急輔助決策提供幫助。疏散個體的應急疏散決策過程是一個連續的評價決策過程，將掌握的火場風險信息、疏散行動能力等因素作為依據評估疏散過程中自身的安全性，最終選擇出一條安全性相對較高的路線進行疏散。影響疏散個體安全性的因素眾多并多具有動態變化的特點，處于火場中的疏散個體接收到的信息是有限的、延遲的，因此，人員僅靠大腦進行信息處理決策的精度不高且主觀性較大。

通過分析在建筑物內發生火災的情境下影響人員安全疏散的因素，構建建筑火災疏散個體風險評價體系并提出通過引入物元分析理論和智能消防系統及其他檢測探測設備等物聯網技術，實現準確、動態的風險數據獲取，將其作為可拓綜合評價法中的待評物元，從而可以實現一種火災疏散個體的安全性動態風險評估。以期減少主觀因素的偏差并適應風險的動態變化，為火災情境下的疏散個體應急疏散輔助決策提供一定的幫助。

1 火災疏散人員安全性影響因素分析

火災是指在時間空間上失去控制而劇烈燃燒的現象，特指燃燒產生的火焰已經跨過防火分區、在不同樓層甚至建筑內部全面蔓延的過程。疏散個體的安全性與其自身的行為息息相關，在突發情況下，行人會表現出復雜的行為，但其運動目的都是唯一的，即不斷調整疏散策略 (路徑) 以最小的代價撤離現場[9]。根據建筑火災應災行為原理，如圖1所示，火災情境下行人疏散策略的規劃和調整很大程度上取決于火災風險、行人自身的因素以及建筑因素。

圖1 火災應災行為原理Fig.1 Principle offire disaster response behavior

1.1 火災風險影響分析

火災的本質是燃燒，燃燒的過程中包含了多種物理、化學反應。燃燒的過程總是伴隨著熱能的釋放，熱能的傳導和積聚使室內空間的溫度快速上升，而人體對高溫的忍耐力有限，長時間暴露在高溫下可能會導致受傷甚至死亡[10]。燃燒時各種化學反應會產生有毒氣體，如一氧化碳，氰化氫，二氧化碳等氣體會相應減弱人員的認知能力、辨識能力以及活動能力[11]，嚴重影響了疏散個體的生命安全，其中，一氧化碳是火災中致死主要的燃燒產物之一。能見度是影響火災逃生的重要因素，煙霧中存在未完全燃燒的固相顆粒會刺激眼睛，出現流淚和視力降低的現象[12]。隨著能見度的降低,行人的環境記憶效應會逐漸減弱，會出現摸索、走偏等特殊行為,也會傾向于通過尋找標識物來幫助行走[13],逃生難度將大大增加，存活率降低[14]。由于燃燒要消耗大量的氧氣，室內空間的氧氣含量迅速降低。當供氧不足時，人體將出現各種缺氧反應，尤其是呼吸和循環系統機能受到影響，導致呼吸困難、劇烈的頭痛、神志恍惚等癥狀，嚴重者可能會抽搐、昏迷。

因此，影響火災情境下疏散個體安全性的火災風險主要包括室內溫度、有毒氣體含量、能見度、氧氣消耗程度。

1.2 疏散行動能力影響分析

疏散行動能力是影響人員疏散安全性的主要因素之一[15]，在時空擁擠度較小的情況下，由于身體狀況、年齡、性別等方面的差異性，或當遇到障礙物、上下樓梯、身體狀況改變、擁擠等情況時，疏散個體的步行速度存在較大差異，疏散時間影響疏散效果，疏散時間越長疏散個體的安全性越弱。恐慌心理在一定程度上會影響個體對目標方向的選擇[16]，從而影響疏散個體的安全性，恐慌可以用速度的變化定量表示。在逃生過程中，某些位置會出現人員密度過大的現象，內部擠壓十分明顯[17]，造成疏散通道擁堵現象，使疏散時間延長，甚至無法疏散。陳霞等[18]發現人員疏散行為受消防知識及經驗因子影響非常顯著，人員疏散行為與消防知識及經驗呈正相關的關系。當人們在一個相對陌生并復雜的室內環境中，人們很難在很短的 時間內找到出口,會延長疏散時間，增加疏散個體的風險。

綜上所述，疏散個體自身因素影響其安全性的因素主要包括步行速度、人員密度、消防知識與經驗、對建筑物內部熟悉程度的影響。

1.3 建筑環境影響分析

發生火災時，完善、有效的室內消火栓系統可以在一定程度上對火災的發展蔓延產生抑制，疏散個體通過使用室內消火栓進行滅火，降低室內溫度、減緩火災的擴散蔓延，從而為其延長可用安全疏散時間，減少人員傷亡。疏散個體當前所處的位置的可選擇疏散出口的數量決定了疏散個體可選擇方案，可選擇的方案越多，越有避開危險區域的可能性，但當可選擇方案過多時，由于信息的不充分，決策過程變得更困難而增加決策時間，增加了疏散時間。由于安全意識不足，可能在通道內放置雜物而占用通道或者為了便于管理，管理人員將部分通道關閉，造成通道不能通行的情況。除此之外，防火卷簾門的啟用也會導致相應的通道關閉、不可通行。火災一旦發生，由于通道的可通行率直接影響人員的疏散效率和疏散路徑的選擇。

因此，影響火災情境下疏散個體安全性的建筑環境風險主要為室內消火栓系統、可選擇出口數量、通道可通行率。

綜上所述，構建3個一級指標11個二級指標的建筑火災個體動態安全性評價指標，如圖2所示。

圖2 建筑火災疏散個體安全性評價指標體系Fig.2 Individual safety evaluation index system of building fire evacuation

2 疏散個體動態風險數據獲取

火災是一個不斷發展的過程，火災對疏散個體安全性的影響程度是一個隨著時間的推移而動態變化的過程。除一部分影響因素對疏散個體安全性的影響是穩定的外，另一部分動態變化的影響因素若可以獲取較為精準的動態風險數據，能夠提高疏散個體安全性的定量評價的準確性。快速發展的物聯網技術和智能消防系統，能夠提供一個火災動態風險的實時數據，可以解決火災動態風險數據獲取困難的問題。

物聯網技術是指通過傳感器、移動終端或給各種事物貼上RFID(radio frequency identification)、個人與車輛攜帶無線終端等采集到的數據，通過各種通信網絡與云端的數據處理與儲存終端連接起來進行智能處理與控制反饋。構建如圖3所示的火災疏散個體動態風險數據獲取模型，由疏散個體攜帶的手機移動終端接收射頻信號，通過手機終端的數據交互利用三點定位法確定疏散個體位置信息并將其上傳至云端，云端加載位置坐標數據、各類傳感及探測設備分布圖、地圖數據。服務器內部存儲了射頻信息、地圖信息、各類傳感器位置信息等數據庫。通過數據處理確定建筑物內分布在疏散個體所在位置周圍的各數據采集設備設施，如：感溫探測器、感煙探測器等，將采集到的風險信息數據通過網絡傳輸至存儲組，以供疏散個體安全性評價模塊調用并對其進行評價，從而實現疏散個體在火災情境下風險數據的動態采集，定量評價疏散個體的安全性。

圖3 火災疏散個體動態風險數據獲取模型Fig.3 Individual dynamic risk data acquisition model of fire evacuation

3 火災疏散個體安全性可拓評價模型

3.1 確定各影響因素的經典域和節域

根據可拓綜合評價模型[19]，經典域可表示為

(1)

式(1)中：Vij=(aij,bij)為第j個物元；Nj為所劃分的第j個安全等級；Ci為第i個評價指標；Vij為安全等級Nj對應于其評價指標Ci的取值范圍，即經典域為Vij=(aij，bij)，(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m。)

節域可表示為

(2)

式(2)中：Np為安全等級的全體；Vpj為等級Np關于Ci所取的量值范圍，即節域為Vpj=(apj,bpj)，且有(aij,bij)?(apj,bpj)。

根據中外相關研究和國家標準，建立如表1所示的影響疏散個體安全性各因素的經典域和節域，將評價指標體系中各項風險因素的安全性分為低(Ⅰ級)、較低(Ⅱ級)、中等(Ⅲ)、較高(Ⅳ)、高(Ⅴ)。

表1 疏散個體動態風險經典域與節域

其中，N1(j=1)表示安全等級為Ⅰ，安全性很低，即因素嚴重影響到人員正常逃生或短時間就能造成生理狀態失衡；N2(j=2)表示安全等級為Ⅱ，安全性較低，即因素對人員正常逃生有很大程度的影響或較短時間內會對人員生理狀態造成損傷；N3(j=3)表示安全等級為Ⅲ，安全性中等，即因素對人員正常逃生有一定程度的影響或較長時間內會對人員生理狀態造成損傷；N4(j=4)表示安全等級為Ⅳ，安全性較高，即因素對人員正常逃生影響較小或長時間才會對人員生理狀態造成輕微損傷；N5(j=5)表示安全等級為Ⅴ，安全性高，即因素對人員正常逃生幾乎無影響或人員生理狀態不會因其改變。

3.2 基于AHP計算動態風險評價指標權重

AHP的評估尺度是比較每一層級各評價指標相

互的重要程度，并根據重要度比較結果的重要程度不同進行取值。再利用線性代數中的特征向量與特征值相關算法得到每個指標在這一層級所占的權重系數，最后計算出最低一層的評價指標對總評價事件分別所占的指標權重，結果如表2所示。根據AHP法計算得到指標權重如表3所示。

表2 判斷矩陣的1～9標度表示法

表3 動態風險評價指標權重

從AHP法得到的權重可知，火災風險因素對疏散個體的安全性影響最大，最重要的因素為有毒氣體濃度和溫度。由經驗可知，處在火場的人多因中毒窒息或高溫灼燙而亡，與實際情況相符。除此之外，人員的消防知識經驗、對建筑物內部的熟悉程度、通道的可通行率的權重也比較大，這些都是屬于可控制的因素，通過對人員進行安全教育培訓和管理等相關措施可以在一定程度上提高疏散個體的安全性。

3.3 動態風險數據獲取與預處理

把通過物聯網、智能消防系統及其他檢測探測設備等途徑得到的風險數據信息用物元Rx表示。根據可拓綜合評價模型，則待評物元Rx為

“留白”是中國水墨畫中的一種藝術表現形式，也是中國傳統文化的一種理念。所謂“不著一字，盡得風流”“言有盡而意無窮”，都是“留白”所帶來的魅力。語文教材中的不少文本也存在著“留白”的地方，即在文本中不直白地表達作者的意思，而是留有空白，讓讀者自己去思考與探究。“留白”教學也包含兩層含義：一方面，教師要培養學生的深層閱讀能力，讓學生以自主閱讀來挖掘文本的深層內涵；另一方面，“留白”教學也是教師教學的一種方式，要求教師在閱讀教學中以“留白”的方式來教學，以激發學生對文本閱讀的興趣，讓學生去思考與探究，以取得較好的教學效果。

(3)

式(3)中：Tx為待評物元；Mi為Tx關于指標Ci的所有數據。

為消除各指標量綱的差異，方便計算，根據式(4)對各數據進行歸一化處理。

(4)

為該指標評價標準的最小值和最大值。

3.4 評價指標關于各安全等級的單指標關聯度的確定

為消除各指標量綱的差異，方便計算，對評價指標和風險數據進行歸一化處理。根據可拓評價模型，評價指標關于各安全等級的單指標關聯度為

(5)

(6)

(7)

式中：Vij為安全等級Nj對應于其評價指標Ci的取值范圍。

3.5 綜合關聯度的確定

待評物元Rx關于安全等級Nj的綜合關聯度為

(8)

3.6 動態安全性等級評定

根據最大關聯度原則，若有Kj0(Tx)=max[Kj(Tx)]，則待評物元Rx的安全等級屬于類別j0。若

(9)

(10)

則稱j*為事物Tx的級別變量特征值，其數值反映出待評事物的安全等級偏向另一等級的程度。

4 假設論證與分析

根據火災發展規律、相關事故經驗，假設場景：在α時刻，某人A所處的建筑物正在發生火災，其是一個只掌握了基本消防知識但沒有相關經驗的人員，對該建筑物的內部熟悉程度很低，其風險數據值分別為0.3和0.1，并在手機移動終端輸入數據信息。通過探測設備上傳至數據存儲服務器的數據顯示，A某目前所在位置的室內溫度為60 ℃，當前的有毒氣體濃度為700×10-6，能見度為10 m，氧氣含量為16%，此位置人員密度為1.3人/m2，A的步行速度為0.65 m/s，此時室內消火栓系統壓力正常為0.3 MPa，當前行進通道基本無物體堆積，可通行率為0.98，且有3個可選擇的出口。

根據表1節域和式(4)將待評價物元數據進行歸一化處理，得到：C1=0.949 7，C2=0.734 7，C3=0.333 3，C4=0.761 9，C5=0.098 8，C6=0.675，C7=0.3，C8=0.1，C9=0.428 6，C10=0.428 6，C11=0.98。

根據式(5)～式(7)，計算得到單指標關聯度如表4所示。

表4 評價指標關于各安全等級的單指標關聯度

根據式(8)～式(10)以及表3、表4計算得到：

(1)綜合關聯度。

K(α)=(-3.600,-1.756,0.482,-2.747,-3.297

(11)

(2)安全等級。

j*(α)=2.985

(12)

安全等級結果表明：A在α時刻的安全等級為2.985，即較低(Ⅱ)偏向中等(Ⅲ)。

根據假設的風險數據和經驗可知，α時刻A的呼吸系統開始受到影響，2～3 h持續在此環境中會死亡，氧氣含量充足，視野清晰，目前不會威脅到生命安全，但由于A的步行速度較慢、沒有相應的消防經驗、對建筑物內部的熟悉程度不夠，疏散時間必然延長，在一定程度上會降低A的安全性。建筑環境因素目前來看對其安全性不會產生影響。因此，該評價結果與實際的人員安全性匹配，該評價模型的正確性得以驗證。

同上述疏散個體安全性評價方法，通過對探測設備實時傳遞的風險數據進行安全性評價，便能得到疏散個體實時動態的安全狀態。通過移動終端顯示疏散個體目前的風險數據和安全狀態，從而在一定程度上減少人員疏散過程中的恐慌等心理應激反應，并為人員的應急疏散決策提供一定的指導意義。

5 結論

(1)提出了一種基于建筑火災疏散個體動態風險的安全評價模型，包括影響建筑火災情景的疏散個體安全的動態風險的評價指標體系以及相應的評估計算模型。

(2)在安全評價過程中引入了“可拓評價模型”，該模型不僅減少了主觀因素的影響，且能明確其等級偏向高一級別或低一級別的程度，為疏散個體提供更加精確的安全等級狀態評估。

(3)提出了一種結合物聯網技術的風險數據動態獲取方法，在評價過程中在待評價物元中加入了“動態”，相較于其他評價方法，該方法能夠根據實時的風險數據的變化分析疏散個體的安全狀態，得出實時的安全等級。

(4)在往后的研究中，通過該評價方法和大數據、物聯網、互聯網等技術結合，確定建筑物內所有點的實時風險信息，以及疏散個體可能通過的路徑安全性，結合路徑優化算法，能為疏散個體選擇最安全的疏散路徑。