夏　敏,　舒少龙,　谢文黎,　包顺强

[1.同济大学 电子与信息工程学院, 上海　201804;

2.同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司, 上海　200092]



针对智能建筑突发事件的人员疏散应急策略

夏敏1,舒少龙1,谢文黎2,包顺强2

[1.同济大学 电子与信息工程学院, 上海201804;

2.同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司, 上海200092]

摘要：研究了基于智能建筑仿真软件的应急疏散策略。介绍了主流的仿真软件,可根据需要选取合适的仿真软件。提出了典型场景的概念,通过对典型场景的仿真分析,得出相应场景的应急策略。

关键词：智能建筑; 突发事件; 仿真软件; 典型场景; 应急策略

0引言

现代智能建筑内部结构复杂、封闭性强,加上人员的聚集性,建筑内易发生突发事件,往往会造成巨大的人员伤亡[1],因此,人员疏散是一个非常重要的研究课题。目前,智能建筑管理系统往往通过预先确定的应急预案管理和监控人员疏散,多缺乏实时应急策略。本文提出了基于智能建筑仿真软件的人员疏散实时应急策略。安全疏散成功与否的关键在于疏散行动时间与火灾燃烧、烟气蔓延时间之间的竞争,疏散者若能在允许时间内进入安全区,即为成功[2]。

1智能建筑仿真软件

目前,常用的人员疏散模型的仿真软件各有其优缺点,使用者可按实际情况的需要选取不同软件。大致模型分为优化法、模拟法和风险评估法三类。

优化模型:忽略周围人员和非相关避难的行为,假定人员按最有效的方式进行疏散,将人员视为具有共同特征的整体,如EVACNET4。

模拟模型:表现疏散行为和行动状况,不仅要达到正确的评估效果,也要采取接近真实避难路径情景,该模型被广泛应用,如EXIT89、SIMULEX、STEPS、BUILDING EXODUS。

风险评估模型:识别火灾时与疏散有关的危险或相关事故,并对最后的风险进行量化。通过多次计算,评估改变防火分区设计、消防措施等参数的效果,如CRISP[3]。

(1) EVACNET4。EVACNET4是一个被广泛使用的人员疏散网络模拟软件,将建筑物结构以网络的形式描述[4]。进行人员疏散模拟的关键是建立建筑的网络模型。该模型应能如实地反映建筑物的内部结构布局,主要用来模拟地铁、车站等场所的安全疏散过程。该软件描述疏散过程是针对大量人群的情况,由于将人员在建筑中运动模拟成液体在网络内的流动,没有考虑人员的个体性,忽略周围人员和非相关避难的行为,将人员视为具有共同特征的整体,很难模拟火灾等紧急情况下的各种事件对个体的影响,如烟气毒性对人员的影响。

(2) EXIT89。采用FORTRAN语言编制,用于模拟大型的、有高密度人员的建筑疏散[5],还可以跟踪个体在建筑物内的行动轨迹。从消防安全的视角来评估建筑设计时,该模型可以处理一些疏散场景中最相关的因素:① 考虑各种不同行动能力的人员;② 将人员得知险情到开始疏散的延迟时间考虑进去;③ 提供选择步速功能,可以反映正常移动和紧急状况下移动的差别,前者可能适于演习情况下,后者更适宜于人员在紧急情况下的反应;④ 模拟烟气对疏散的影响,通过用户定义的烟气阻塞或从CFAST输出。

(3) SIMULEX。SIMULEX模拟大量人员在多层建筑内的疏散,兼容CAD生成的单个楼层的文件[6],用户可以看到在疏散过程中每个人在建筑中的任意一点和任意时刻的移动,仿真结束后会生成一个包含疏散过程详细的信息。SIMULEX移动特性基于每一个人穿过建筑空间时的精确模拟,可以表现人的确切移动类型。SIMULEX软件易使用,较为真实反映出疏散过程中可能出现的各种情况,已经越来越多地应用在工程设计中,但至今SIMULEX还没有尝试过模拟能见度和毒性危害可能对人员产生的影响,此外需要改良处理每个人心理影响输入函数的复杂性。

(4) STEPS。STEPS是一个三维疏散软件,具有很大的灵活性,可分配具有不同属性的人员[7],给予他们各自的耐心等级和适应性,也可以指定年龄、尺寸和性别。在任意时刻,可以模拟无限制的人员,每一次都可以具有他们自己的动作。通过与基于建筑法规标准的设计作比较,STEPS有效性已经得到验证。

(5) BUILDING EXODUS。BUILDING EXODUS由人员、运动、行为、毒性、建筑和危险性6个相互联系的子模块组成[8],适用于人流量大的商业街、超级卖场、火车站、汽车站、电影院、高层建筑等,也可用于论证符合建筑行业规范,评估各种建筑的逃离能力,以及调查建筑内部的人群移动效率。该软件考虑了人与人、人与火、人与建筑物之间的交互影响。当个体逃离困境或克服火灾造成的高温、烟雾及有毒气体时,模式将追踪其行动轨迹。通过该软件可以产生大量相关数据,能够检查大量不同因素对特定场景的影响,再修改具体参数检查影响产生的结果。另外,还可通过配套软件virEXODUS得到整个疏散的动态视频,生动地表现疏散的结果,在火灾中人员行为模式考虑和仿真结果的三维表现方面具有很大优势。

(6) CRISP。CRISP是一种面向对象的模型,在进行火灾场景模拟时[9],采用了蒙特卡洛方法,把整个系统看作某种对象的集合。CRISP模型可以对建筑物内物品、房间、墙体、人员逃生等对象进行模拟,运行过程中对建筑物的环境、内部财务状况及人员特征会随机进行选择,并给出该场景的发生概率。针对给定的场景,CRISP能够模拟出火灾发生过程或人员准备疏散时的情况,但主要应用于一般的民用建筑。

2确定应急策略的方法

基于智能建筑仿真软件的应急策略开发可分为五个步骤:

(1) 根据实际需求选择合适的智能建筑仿真软件。

(2) 确定需要仿真的典型场景。

(3) 针对选取的典型场景进行仿真,获取仿真结果。

(4) 对仿真结果进行分析、评价。

(5) 制定相应的具体应急策略。

实际上,上述步骤(2)~(5)可能需要重复多次,以求得一个较为优化的应急策略。本文以火灾发生时人员疏散为例,讨论基于仿真软件的突发事件应急策略的制定方法。

大密度人群场所在发生火灾等突发事件时,如果疏散不利,会造成巨大的人员伤亡。在大密度人群疏散中,首要考虑的是人群疏散时间的指标,因为实际疏散时间的缩短可以有效减少人员的伤亡。针对该指标,选取BUILDING EXODUS作为仿真软件,另外在BUILDING EXODUS中充分考虑个体的独立性,研究突发事件中个体的心理行为和生理状态,根据遭遇突发事件现场的人员心理和具体行动信息,得到人群疏散基本规律,这样可通过任意设置每个人的详细特征,包括年龄、性别、健康程度、容忍度等来模拟人员构成,得到较为准确的结果,还能较真实地反映疏散时所选择的逃生路线。

若智能建筑中发生火灾突发事件,要及时给出具体的动态策略。由于火灾发生的时间、空间不确定性,带来了具体动态策略的不确定性,事实上事先对每个可能出现的具体情况确定相应的动态策略并不现实。针对该问题,考虑基于系统的基本特征选取若干特定的典型场景E1(t),E2(t),…,Ek(t),原则上这些典型场景能够包含整个系统的动态信息,即假定系统动态为y(t),则其应为这些典型场景的线性组合,有

y(t)=m1E1(t)+m2E2(t)+…+mkEk(t)

将场景的各种参数输入智能建筑仿真软件,要熟悉仿真软件运行的规律,以确保仿真结果的可信度。比如在选取的仿真软件BUILDING EXODUS中,可以具体设置室内人员的各种参数以及智能建筑中的火源位置等参数。

对每个具体场景进行仿真,得到相应的数据,可确定参数m1,m2,…,mk。再进一步对这些数据进行分析,找出影响人群疏散的不利因素和有利因素,使疏散更加有序化,在此基础上制定和改进相应的系统动态疏散策略。

确定疏散策略后,需要在仿真软件中进行验证和调整,可以通过对参数的设置来达到所需的系统策略来进行仿真。如在智能建筑仿真软件中可通过设置动态指示牌或关闭开启特定出口等方式,达到更好的人群疏散结果。在应用相应的应急策略后,在相同的场景下比较前后疏散结果,分析基于该场景的应急策略是否可行,性能是否达到预期的目标。若未达到指定目标,再次分析仿真结果,给出更加可行的基于建筑仿真软件的应急策略,再进行仿真。制定策略的步骤可能需要多次,直到得到较为满意的应急策略。

3实例分析

智能建筑中有很多方式通知和提示建筑内人员相关突发事件信息,比如可以向楼内人员的手持终端发送疏散指示、广播播报及设置多样性的动态指示灯等。在本例中主要是控制相关位置的动态指示灯来疏散人群。上海某中心大厦办公区域单层平面示意图如图1所示。图1中,共有3个向下层楼梯出口,且有安置的三个双向指示牌a、b、c。指示牌为双向显示,可以根据实际情况改变指向方向。

图1　上海某中心大厦办公区域单层平面示意图

为研究疏散设计是否合理,对该楼层的疏散进行模拟计算,具体步骤如下:

(1) 建立虚拟楼层图。简化CAD图,去除标注和不必要的线条,导入BUILDING EXODUS智能软件。

(2) 根据模拟空间进行计算。首先进行疏散路线测试,随机选择位置,显示人员疏散的路线,加入疏散人员并进行模拟。根据该高层办公楼的人员特点,设定BUILDING EXODUS智能软件中的仿真人群。依据实际现场调查的人员数量,根据规范进行模拟。

(3) 选取典型场景。

① 场景A。出口A附近发生火灾,很明显出口A会很快出现拥堵,可以将出口A附近的人往出口B、C疏散,此时动态策略是将双向指示牌a指向出口B的方向点亮,同时关闭指向出口A的方向,将双向指示牌c指向出口C的方向点亮,同时关闭指向出口A的方向。

② 场景B。出口B附近发生火灾,很明显出口B很快会出现拥堵,可以将B出口附近的人往出口A、C疏散,此时动态策略是将双向指示牌a指向出口A的方向点亮,同时关闭指向出口B的方向,将双向指示牌b指向出口C的方向点亮,同时关闭指向出口B的方向。

③ 场景C。出口A、B附近发生突发事件, 可以将出口A、B附近的人向出口C疏散,此时动态策略是将把双向指示牌b指向出口C的方向点亮,将双向指示牌c指向出口C的方向点亮,将双向指示牌a指向都关闭。

为了说明一般性,楼层的人数取不同数值,采用BUILDING EXODUS得到人群疏散的动态结果及相关数据。200人、500人、1 000人疏散情况分别如表1~表3所示。

表1　200人疏散情况

表2　500人疏散情况

表3　1 000人疏散情况

综合以上不同人群疏散的结果,可知在每一个场景内没有采取相应的动态策略时,发生突发事件的出口附近会发生大量拥堵;采取相应的动态策略后,人流较为合理通过各个出口,基本上各出口疏散时间相差不大,极大地提高了疏散效率,证明了针对各个场景设计的动态策略的正确性。需要注意的是,对于复杂的智能建筑内部,选择典型场景是一个关键问题。

4结语

提出了基于场景和仿真软件的突发事件动态应急策略制定方法,讨论了典型场景的选取和人员疏散软件验证等问题。仿真结果说明了该方法的有效性。对于非常复杂的智能建筑系统,通过场景和仿真软件制定实时应急策略是非常有效的方法,尚且存在的问题是典型场景的选取原则和方法。

参考文献

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[3]何大治.建筑火灾疏散三维仿真研究[D].上海:同济大学,2007.

[4]李庆,王志刚,田野.浅谈用EVACNET4软件建立建筑网络模型[J].消防科学与技术,2004(5):21-23.

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[7]韩东,张蕊.行人微观仿真中的运动模型与行为模型——STEPS与NOMAD模型对比[J].中国安全科学学报,2005(6):36-40.

[8]王桂芬,张宪立,阎卫东.建筑物火灾中人员行为EXODUS模拟的研究[J].中国安全生产科学技术,2011(8):13-15.

[9]黄莺.公共建筑火灾风险评估及安全管理方法研究[D].西安:西安建筑科技大学,2009.

平　增(1984—),男,硕士研究生,从事建筑电气设计工作。

张娟(1986—),女,硕士研究生,从事建筑电气设计工作。

黄晓明(1978—),男,工程师,从事建筑电气设计。

王立光(1972—),男,副教授,研究方向为建筑智能化。

魏立明(1974—),男,教授,研究方向为智能建筑系统集成与节能控制。

*基金项目: 吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目(吉教科合字[2014]第224号)

Evacuation Strategy for Emergency Events in Intelligent BuildingsXIAMin1,SHUShaolong1,XIEWenli2,BAOShunqiang2

(1.School of Electronics and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China;

2.Architectural Design and Research Institute,Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract：This paper studied the emergency evacuation strategy based building simulation softwares.The several simulation softwares which can be used as tools were introduced.The concept of typical scenario was proposed.By simulating some typical scenarios with the proper simulation software,the corresponding emergency strategy is derived.

Key words:intelligent buildings; emergency events; simulation software; typical scenario; emergency strategy

收稿日期：2015-04-07

中图分类号：TU 892

文献标志码：A

文章编号：1674-8417(2015)06-0035-04