张学锋, 荣禹铭, 储岳中, 汤亚玲

(安徽工业大学 计算机科学与技术学院,马鞍山 243000)

0 引 言

随着多层建筑灾难事件报道的不断增多,多层建筑灾难中的人员疏散问题愈发引起人们的关注。人员疏散问题的研究方法主要分为疏散演习、问卷调查和计算机建模仿真模拟3种,较3种方法而言,疏散演习是最具真实性的方法,但耗时耗力;问卷调查可以得到大量的信息,但得到的信息存在一定的局限性,所以主流方法是使用计算机进行建模仿真模拟。很多专家学者从不同的方向和角度进行大量的研究,例如,任子晖等[1]将疏散人群视作粒子群,赋予例子一定的思维能力,运用智能粒子群算法提出一种智能粒子群逃逸模型。黄希发等[2]基于Agent模型,从微观的角度研究了疏散过程中人的决策机理,较好地再现疏散情景。陈佳俊等[3]将Agent技术与社会力模型结合建立了一种新的能反映疏散人员行为的Agent模型,并提出了一种改进的路径规划算法。陆小杰等[4]以某大型批发市场为研究背景,通过设置不同的火源位置,进行数值实验模拟建筑火灾烟气流动蔓延来研究对于人员疏散的影响。

以上述研究内容为基础,以多层实验楼为背景,运用多Agent技术,建立效果逼真的灾难环境[5],不仅考虑环境对于疏散人员的影响, 还考虑疏散个体之间的影响,以及整个疏散群体对于疏散人员的影响,可以较好地模拟出灾难多层建筑人员疏散的状况。此外还加入了以电梯疏散为辅助疏散手段的探讨与研究。

1 电梯疏散分析与探讨

1.1电梯疏散的可能性

由于多层实验楼的火灾有着蔓延途径多、蔓延速度快、救援与疏散困难等特点,一旦发生火灾,疏散人员往往会首先选择楼梯进行疏散,因为这是公认的安全疏散方式,但是也存在着一定的弊端,如疏散距离过长、疏散时间长以及由于人员拥挤产生的踩踏等,且不利于老弱病残等特殊人群的疏散。虽然我国的《建筑设计防火规范》中明确规定了发生火灾时,不得使用电梯进行疏散,但是使用电梯成功进行人员疏散的例子还是比比皆是的,其中最著名的就是2001年的美国9.11恐怖袭击事件中,南楼中的处于高层的人员在北楼遭受袭击后,通过普通电梯疏散到快速电梯所在的楼层,然后通过快速电梯撤离到首层大厅,迅速进行撤离。因此在灾难前期,使用电梯疏散作为辅助手段是可行的,可以大大加快疏散的进程,对于老弱病残等特殊人群的安全也有一定保障作用,但是对使用电梯进行疏散的危险不进行解决的话,一切都只是空谈,接下来会对如何克服火灾中使用电梯疏散的困难进行描述。

1.2 解决办法

克服火灾中使用电梯疏散的困难主要从两方面入手,分别是设备以及疏散分配方案。首先,在设备方面, 应该尽力提高疏散电梯的性能,使其向消防电梯的层次靠拢。消防电梯和普通电梯的区别主要有以下几个方面：

(1) 防火、防烟、防水、耐高温能力更加出众。

(2) 电梯供电的可靠性。使用专门回路,采用耐火材料的电缆以及可靠的备用电源。

(3) 良好的监控和通讯功能。 实时监控电梯的情况并且保证电梯内与消防控制室的通讯畅通无碍,使得外界人员能即时了解疏散情况。

(4) 电梯井道的加压送风系统。电梯井道的加压送风系统可以很大程度的减少电梯在运行过程中引发的活塞效应,从某种程度上可以减缓火势的蔓延以及烟气的扩散。

(5) 配备应急救生设施。在不占过多空间的前提下,存放灭火工具、防毒面罩等设备。

其次,在疏散分配方案上,应秉承优先高层,优先向下的原则。因为着火层以上的最高处面临的危险性最大,疏散时间最长,应使用电梯进行疏散,为提高疏散效率,可将高层的人员疏散至较低的安全楼层即可,然后使用安全楼梯进行疏散。着火层附近以及低层待疏散人员,可使用楼梯进行疏散。在电梯运行过程中,不到预定安全楼层, 将不在其他楼层停止。为了避免在发生灾难时,出现慌乱的人群出现不顾一切地争抢电梯的局面,应安排专人进行电梯的操作(电梯只受专人操控),指挥疏散人员进行电梯疏散,最大限度地发挥电梯疏散的作用。

2 灾难模型

2.1 火灾模型

火灾模型可分为稳态模型和非稳态模型两种[6],稳态模型是指热释放速率不随时间变化,非稳态模型一般用t2火灾来近似表示,是指从有效燃烧时算起,随时间按指数增长。t2火灾模型如式(1)所述:

Q=αt2

(1)

其中α为增长系数,采用的是非稳态的火灾模型进行模拟；Q代表的是火灾热释放率(MW),上海市的《民用建筑防排烟技术规程》给出了一些灾热。释放速率参考值,如表1所示:

表1 不同类型建筑的热释放量Table 1 Heat release from different types of buildings

在这里使用的建筑类型为无喷淋的办公室。依据欧洲规范EC1等[7]可以将火源模型视作一个圆锥体,底面直径D与高度H可以由论文[7]中的式(2)、式(3)得到:

(2)

H=-1.02D+0.235Q2/5

(3)

qe为单位面积热释放率(kw/m2),且qe=500 kw/m2。

2.2 烟气模型

火灾发生时会产生烟气,烟气是一种混合物包括了多种微小的固体颗粒、CO2、CO等有毒或腐蚀性的气体。众多的研究数据表明,火灾中大多数的死亡者都是由烟气造成的,因其具有遮光性、毒性以及高温等特点,对于疏散人员的影响不止体现在生理上,例如速度、健康状况等,心理影响也非常大,其遮光性会影响疏散人员的视线,在一定程度上引起恐慌心理,从而干扰疏散人员的正常思维。烟气危害主要体现在对疏散人员速度、选择路径的影响,因而模拟烟气对疏散人员生理及心理的影响。

3 人员感知模型

感知指的是疏散人员获取周围信息的过程,主要是视觉信息和嗅觉信息。在现实世界中,人们所获得的视觉信息,是物体上的光折射或反射到人的眼睛,在视网膜中成像所得。嗅觉信息则是通过气味分子与鼻腔内的嗅觉受体相结合,产生的神经冲动使人们感受到气味。而在模拟的3D世界中,疏散人员的视觉可以通过发射一定范围的物理射线来进行模拟,当物理射线触碰到3D世界中的物体后,反馈给人员信息。疏散人员的嗅觉模拟,主要体现在对于疏散人员的速度的影响上,当烟气扩散到疏散人员附近后,会根据接触烟气的时间以及烟气的浓度,给出对于人员疏散速度的影响(暂不考虑不同的有害气体对于人员的具体影响)。

疏散人员在3D模拟世界中,获取周围信息的方法主要有轮询和事件驱动两种。轮询方式是指人员积极地观察周围世界,从而获得信息,但是当需要查询的信息增大时,返回的大量信息可能都是无用的信息,不利于人员对于信息的处理。事件驱动方式则是指给予人员一定的感知范围,当发生能让人员感兴趣的事件时,作为刺激源通知事件管理器,驱使人员做出相应的反应。获取信息所采用的方式是事件驱动方式,因其更方便处理,同时也比较贴近真实情况。

4 智能体分析

智能体所采用的模型框架如图1所示。

图1 模型框架Fig.1 Model framework

将智能体模型划分为3个模块：信息采集模块、信息处理模块以及运动模块。由信息采集模块采集到的信息,交由信息处理模块进行信息处理,其中决策层是针对单个智能体的,战略层则是指多个智能体或智能体群体的,从而对运动模块的运动进行指挥。当灾难发生时,疏散人员的行为不仅受到环境与自身决策的影响,整个疏散群体对其也有影响,结合现实情况,将灾难中人员的疏散行为划分成了6种,分别是:

(1) 设法逃生行为,在得知发生火灾后,熟悉周围环境的疏散人员,将会设法进行逃生自救,首先选择距离自己最近或者最熟悉的出口或楼梯口进行逃离。当发现选择的出口或楼梯口出现拥堵情况时,可能会进行其他出口或楼梯口的选择,影响选择的重要因素就是预估疏散时间[8],这里的预估疏散时间,是根据当前的疏散人员的位置到达选定目标的预估时间以及在此等待疏散的人员数量决定的,目标i的预估疏散时间计算方法为

ti=di/v+p/w

其中ti是预估疏散时间,di是预估疏散距离,v为预估疏散人员的速度,p是等待疏散的人数,w为出口宽度。其中预估疏散人员的速度可以由人流密度得出,人流密度可以由公式(4)[9]可得：

p=nf/((n-1)d+ns)b/2

(4)

其中n为待疏散人数,f为人员水平投影面积(m2),d为人员间距,s为人员的单位垂直厚度,b为有效通道宽度。

(2) 惊慌行为,当火灾发生时,每个人面对突发事件时,或多或少都会产生一定的恐慌心理,不仅对人员的决策有影响,对其运动的速度也有一定的影响。当人员做出正确的决策时,可以安全逃生；一旦做出错误的决策,发现不能安全逃生时,往往会有一些非理性的行为,如不顾危险试图挽救财物,放弃自救,惊慌地四处游走等,甚至极端的行为如跳楼等。对于速度的影响可以用式(5)表示[8]:

v=p*v0

(5)

其中v0表示正常行走速度,p为影响程度,取值范围为(0,1],p越大表示影响程度越小,反之影响越大。

(3) 跟随行为,当疏散人员对于环境不熟悉,且没有发现逃生出口或楼梯口的情况下,会选择跟随发现的其他疏散人员,虽然存在不一定能够顺利逃生的风险,但是人在危机情况下产生的依赖心理不会使疏散人员考虑太多。

(4) 穿越烟气行为,当发现可能安全的疏散口时,尽管周围存在着烟气,但求生欲会促使人员冒着能见度低以及逃生出口并不安全的危险,穿越烟气进行逃生。

(5) 群聚行为,灾难发生时,疏散人员本身具有的从众心理,再加上危险带来的心理压力,会使得人们觉得人越多越安全,但是这种现象往往会产生反作用,人数过多使人员之间产生的叠加效应,可能会引发新的灾难,例如踩踏,过度拥挤等行为。

(6) 排队行为,当大量的疏散人员在通过一个宽度有限的逃生出口时,可通过的人员数有限,会产生排队的现象,由于疏散人员的素质以及性别存在的差异,会出现超越、排挤、避让等现象。

5 模拟仿真

仿真实验,以某6层实验楼为实验背景,并对其进行场景建模。图2为整体场景的正视图,图3为1层场景的俯视图,图4为6层场景的俯视图,2至5层分布与6层大致相同,这里不再一一给出。图3中的红色框线部分,代表的是1层场景的出口。在建模之前进行实地考察时,发现1号出口和2号出口是畅通的,3号出口和4号出口处堆满杂物,无法正常通行。图4中的红色线框部分代表的是楼梯通道,1至6层的楼梯分布都是如此。

图3 1楼场景俯视图Fig.3 Overhead view on the first floor

图4 6楼场景俯视图Fig.4 Overhead view on the sixth floor

此实例中的人员分布情况为：1、2层场景人数为每层40人,3至6层的人数为每层30人,总计200人,男女人数各半。火灾模拟发生在一层场景的1号出口,火灾功率设置为6 MW。

为了说明人员模型的合理性以及探讨建筑构建的合理性,进行了4种情况的模拟。第1种情况,火灾发生在1层场景的1号出口,2号出口可以通行,且3号、4号出口均封闭,也是属于真实情况；第2种情况,火灾发生位置不变,2号、3号出口可以通行,4号出口封闭；第3种情况,火灾发生位置不变,2号、4号出口可以通行,3号出口封闭；第4种情况,火灾发生位置不变,2号、3号、4号出口均可通行。

第1种情况中,由于火灾发生在1号出口,且3号、4号出口封闭,所以场景中的疏散人员只能通过2号出口进行逃生。第2种情况,由于1号出口不能通行,4号出口封闭,所以从场景中2号楼梯进行疏散的人员,只能向2号、3号出口进行逃生。第3种情况下,从楼上疏散至1楼的人员,可就近通过2号、4号出口进行逃生,3号出口附近的人员,可以通过2号出口进行逃生。第4种情况,场景中疏散至1楼的人员以及1楼的疏散人员,均可就近选择逃生出口。

将以上4种情况的实验数据进行绘图,如图5所示。

图5 模拟疏散数据图Fig.5 Simulated evacuation data diagram

图5中4条曲线分别代表着4次模拟得到的数据,可以看出第1和第2次模拟的总疏散时间基本一致,略微不同的是前期的疏散速率,第2次模拟中位于3号出口附近的人员可以快速逃离;第3和第4次模拟的总疏散时间大致相同,比第1和第2次模拟的总疏散时间减少了近40 s,这是由于从2号楼梯口疏散至1楼的人员可以迅速从4号出口逃离,大大提高4号出口的利用率,且总疏散时间是取决于最后一个疏散人员逃离危险场景的时间。从4次模拟的情况可以看出,第4次模拟的疏散效率最高。总体来看,模型较好地模拟了火灾情况下人员疏散的过程,对于建筑在灾难情况下的疏散能力有一定的评价能力。

6 结 论

为研究火灾情况下多层实验楼人员疏散的问题,提出电梯疏散作为辅助疏散手段,并对其进行探讨和研究,下一步的工作将以电梯疏散参与疏散模拟为主。采用多智能体技术建立了可向外界感知的人员疏散模型,通过对逃生出口开闭情况的模拟实验,验证模型的有效性。此外,实验结果显示:在多层建筑中,若楼梯口附近设有畅通无阻的逃生出口,可以很大程度上提高建筑的疏散能力,所以现实情况中,应保证逃生出口处无杂物堆放,以防紧急事件的发生。实验结果较为贴近现实,对于人员疏散的研究工作有一定的帮助。