張學(xué)鋒, 榮禹銘, 儲(chǔ)岳中, 湯亞玲

(安徽工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,馬鞍山 243000)

0 引 言

隨著多層建筑災(zāi)難事件報(bào)道的不斷增多,多層建筑災(zāi)難中的人員疏散問(wèn)題愈發(fā)引起人們的關(guān)注。人員疏散問(wèn)題的研究方法主要分為疏散演習(xí)、問(wèn)卷調(diào)查和計(jì)算機(jī)建模仿真模擬3種,較3種方法而言,疏散演習(xí)是最具真實(shí)性的方法,但耗時(shí)耗力;問(wèn)卷調(diào)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計(jì)算機(jī)進(jìn)行建模仿真模擬。很多專(zhuān)家學(xué)者從不同的方向和角度進(jìn)行大量的研究,例如,任子暉等[1]將疏散人群視作粒子群,賦予例子一定的思維能力,運(yùn)用智能粒子群算法提出一種智能粒子群逃逸模型。黃希發(fā)等[2]基于Agent模型,從微觀的角度研究了疏散過(guò)程中人的決策機(jī)理,較好地再現(xiàn)疏散情景。陳佳俊等[3]將Agent技術(shù)與社會(huì)力模型結(jié)合建立了一種新的能反映疏散人員行為的Agent模型,并提出了一種改進(jìn)的路徑規(guī)劃算法。陸小杰等[4]以某大型批發(fā)市場(chǎng)為研究背景,通過(guò)設(shè)置不同的火源位置,進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)?zāi)M建筑火災(zāi)煙氣流動(dòng)蔓延來(lái)研究對(duì)于人員疏散的影響。

以上述研究?jī)?nèi)容為基礎(chǔ),以多層實(shí)驗(yàn)樓為背景,運(yùn)用多Agent技術(shù),建立效果逼真的災(zāi)難環(huán)境[5],不僅考慮環(huán)境對(duì)于疏散人員的影響, 還考慮疏散個(gè)體之間的影響,以及整個(gè)疏散群體對(duì)于疏散人員的影響,可以較好地模擬出災(zāi)難多層建筑人員疏散的狀況。此外還加入了以電梯疏散為輔助疏散手段的探討與研究。

1 電梯疏散分析與探討

1.1電梯疏散的可能性

由于多層實(shí)驗(yàn)樓的火災(zāi)有著蔓延途徑多、蔓延速度快、救援與疏散困難等特點(diǎn),一旦發(fā)生火災(zāi),疏散人員往往會(huì)首先選擇樓梯進(jìn)行疏散,因?yàn)檫@是公認(rèn)的安全疏散方式,但是也存在著一定的弊端,如疏散距離過(guò)長(zhǎng)、疏散時(shí)間長(zhǎng)以及由于人員擁擠產(chǎn)生的踩踏等,且不利于老弱病殘等特殊人群的疏散。雖然我國(guó)的《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中明確規(guī)定了發(fā)生火災(zāi)時(shí),不得使用電梯進(jìn)行疏散,但是使用電梯成功進(jìn)行人員疏散的例子還是比比皆是的,其中最著名的就是2001年的美國(guó)9.11恐怖襲擊事件中,南樓中的處于高層的人員在北樓遭受襲擊后,通過(guò)普通電梯疏散到快速電梯所在的樓層,然后通過(guò)快速電梯撤離到首層大廳,迅速進(jìn)行撤離。因此在災(zāi)難前期,使用電梯疏散作為輔助手段是可行的,可以大大加快疏散的進(jìn)程,對(duì)于老弱病殘等特殊人群的安全也有一定保障作用,但是對(duì)使用電梯進(jìn)行疏散的危險(xiǎn)不進(jìn)行解決的話(huà),一切都只是空談,接下來(lái)會(huì)對(duì)如何克服火災(zāi)中使用電梯疏散的困難進(jìn)行描述。

1.2 解決辦法

克服火災(zāi)中使用電梯疏散的困難主要從兩方面入手,分別是設(shè)備以及疏散分配方案。首先,在設(shè)備方面, 應(yīng)該盡力提高疏散電梯的性能,使其向消防電梯的層次靠攏。消防電梯和普通電梯的區(qū)別主要有以下幾個(gè)方面：

(1) 防火、防煙、防水、耐高溫能力更加出眾。

(2) 電梯供電的可靠性。使用專(zhuān)門(mén)回路,采用耐火材料的電纜以及可靠的備用電源。

(3) 良好的監(jiān)控和通訊功能。 實(shí)時(shí)監(jiān)控電梯的情況并且保證電梯內(nèi)與消防控制室的通訊暢通無(wú)礙,使得外界人員能即時(shí)了解疏散情況。

(4) 電梯井道的加壓送風(fēng)系統(tǒng)。電梯井道的加壓送風(fēng)系統(tǒng)可以很大程度的減少電梯在運(yùn)行過(guò)程中引發(fā)的活塞效應(yīng),從某種程度上可以減緩火勢(shì)的蔓延以及煙氣的擴(kuò)散。

(5) 配備應(yīng)急救生設(shè)施。在不占過(guò)多空間的前提下,存放滅火工具、防毒面罩等設(shè)備。

其次,在疏散分配方案上,應(yīng)秉承優(yōu)先高層,優(yōu)先向下的原則。因?yàn)橹饘右陨系淖罡咛幟媾R的危險(xiǎn)性最大,疏散時(shí)間最長(zhǎng),應(yīng)使用電梯進(jìn)行疏散,為提高疏散效率,可將高層的人員疏散至較低的安全樓層即可,然后使用安全樓梯進(jìn)行疏散。著火層附近以及低層待疏散人員,可使用樓梯進(jìn)行疏散。在電梯運(yùn)行過(guò)程中,不到預(yù)定安全樓層, 將不在其他樓層停止。為了避免在發(fā)生災(zāi)難時(shí),出現(xiàn)慌亂的人群出現(xiàn)不顧一切地爭(zhēng)搶電梯的局面,應(yīng)安排專(zhuān)人進(jìn)行電梯的操作(電梯只受專(zhuān)人操控),指揮疏散人員進(jìn)行電梯疏散,最大限度地發(fā)揮電梯疏散的作用。

2 災(zāi)難模型

2.1 火災(zāi)模型

火災(zāi)模型可分為穩(wěn)態(tài)模型和非穩(wěn)態(tài)模型兩種[6],穩(wěn)態(tài)模型是指熱釋放速率不隨時(shí)間變化,非穩(wěn)態(tài)模型一般用t2火災(zāi)來(lái)近似表示,是指從有效燃燒時(shí)算起,隨時(shí)間按指數(shù)增長(zhǎng)。t2火災(zāi)模型如式(1)所述:

Q=αt2

(1)

其中α為增長(zhǎng)系數(shù),采用的是非穩(wěn)態(tài)的火災(zāi)模型進(jìn)行模擬；Q代表的是火災(zāi)熱釋放率(MW),上海市的《民用建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》給出了一些災(zāi)熱。釋放速率參考值,如表1所示:

表1 不同類(lèi)型建筑的熱釋放量Table 1 Heat release from different types of buildings

在這里使用的建筑類(lèi)型為無(wú)噴淋的辦公室。依據(jù)歐洲規(guī)范EC1等[7]可以將火源模型視作一個(gè)圓錐體,底面直徑D與高度H可以由論文[7]中的式(2)、式(3)得到:

(2)

H=-1.02D+0.235Q2/5

(3)

qe為單位面積熱釋放率(kw/m2),且qe=500 kw/m2。

2.2 煙氣模型

火災(zāi)發(fā)生時(shí)會(huì)產(chǎn)生煙氣,煙氣是一種混合物包括了多種微小的固體顆粒、CO2、CO等有毒或腐蝕性的氣體。眾多的研究數(shù)據(jù)表明,火災(zāi)中大多數(shù)的死亡者都是由煙氣造成的,因其具有遮光性、毒性以及高溫等特點(diǎn),對(duì)于疏散人員的影響不止體現(xiàn)在生理上,例如速度、健康狀況等,心理影響也非常大,其遮光性會(huì)影響疏散人員的視線(xiàn),在一定程度上引起恐慌心理,從而干擾疏散人員的正常思維。煙氣危害主要體現(xiàn)在對(duì)疏散人員速度、選擇路徑的影響,因而模擬煙氣對(duì)疏散人員生理及心理的影響。

3 人員感知模型

感知指的是疏散人員獲取周?chē)畔⒌倪^(guò)程,主要是視覺(jué)信息和嗅覺(jué)信息。在現(xiàn)實(shí)世界中,人們所獲得的視覺(jué)信息,是物體上的光折射或反射到人的眼睛,在視網(wǎng)膜中成像所得。嗅覺(jué)信息則是通過(guò)氣味分子與鼻腔內(nèi)的嗅覺(jué)受體相結(jié)合,產(chǎn)生的神經(jīng)沖動(dòng)使人們感受到氣味。而在模擬的3D世界中,疏散人員的視覺(jué)可以通過(guò)發(fā)射一定范圍的物理射線(xiàn)來(lái)進(jìn)行模擬,當(dāng)物理射線(xiàn)觸碰到3D世界中的物體后,反饋給人員信息。疏散人員的嗅覺(jué)模擬,主要體現(xiàn)在對(duì)于疏散人員的速度的影響上,當(dāng)煙氣擴(kuò)散到疏散人員附近后,會(huì)根據(jù)接觸煙氣的時(shí)間以及煙氣的濃度,給出對(duì)于人員疏散速度的影響(暫不考慮不同的有害氣體對(duì)于人員的具體影響)。

疏散人員在3D模擬世界中,獲取周?chē)畔⒌姆椒ㄖ饕休喸?xún)和事件驅(qū)動(dòng)兩種。輪詢(xún)方式是指人員積極地觀察周?chē)澜?從而獲得信息,但是當(dāng)需要查詢(xún)的信息增大時(shí),返回的大量信息可能都是無(wú)用的信息,不利于人員對(duì)于信息的處理。事件驅(qū)動(dòng)方式則是指給予人員一定的感知范圍,當(dāng)發(fā)生能讓人員感興趣的事件時(shí),作為刺激源通知事件管理器,驅(qū)使人員做出相應(yīng)的反應(yīng)。獲取信息所采用的方式是事件驅(qū)動(dòng)方式,因其更方便處理,同時(shí)也比較貼近真實(shí)情況。

4 智能體分析

智能體所采用的模型框架如圖1所示。

圖1 模型框架Fig.1 Model framework

將智能體模型劃分為3個(gè)模塊：信息采集模塊、信息處理模塊以及運(yùn)動(dòng)模塊。由信息采集模塊采集到的信息,交由信息處理模塊進(jìn)行信息處理,其中決策層是針對(duì)單個(gè)智能體的,戰(zhàn)略層則是指多個(gè)智能體或智能體群體的,從而對(duì)運(yùn)動(dòng)模塊的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行指揮。當(dāng)災(zāi)難發(fā)生時(shí),疏散人員的行為不僅受到環(huán)境與自身決策的影響,整個(gè)疏散群體對(duì)其也有影響,結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況,將災(zāi)難中人員的疏散行為劃分成了6種,分別是:

(1) 設(shè)法逃生行為,在得知發(fā)生火災(zāi)后,熟悉周?chē)h(huán)境的疏散人員,將會(huì)設(shè)法進(jìn)行逃生自救,首先選擇距離自己最近或者最熟悉的出口或樓梯口進(jìn)行逃離。當(dāng)發(fā)現(xiàn)選擇的出口或樓梯口出現(xiàn)擁堵情況時(shí),可能會(huì)進(jìn)行其他出口或樓梯口的選擇,影響選擇的重要因素就是預(yù)估疏散時(shí)間[8],這里的預(yù)估疏散時(shí)間,是根據(jù)當(dāng)前的疏散人員的位置到達(dá)選定目標(biāo)的預(yù)估時(shí)間以及在此等待疏散的人員數(shù)量決定的,目標(biāo)i的預(yù)估疏散時(shí)間計(jì)算方法為

ti=di/v+p/w

其中ti是預(yù)估疏散時(shí)間,di是預(yù)估疏散距離,v為預(yù)估疏散人員的速度,p是等待疏散的人數(shù),w為出口寬度。其中預(yù)估疏散人員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為待疏散人數(shù),f為人員水平投影面積(m2),d為人員間距,s為人員的單位垂直厚度,b為有效通道寬度。

(2) 驚慌行為,當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí),每個(gè)人面對(duì)突發(fā)事件時(shí),或多或少都會(huì)產(chǎn)生一定的恐慌心理,不僅對(duì)人員的決策有影響,對(duì)其運(yùn)動(dòng)的速度也有一定的影響。當(dāng)人員做出正確的決策時(shí),可以安全逃生；一旦做出錯(cuò)誤的決策,發(fā)現(xiàn)不能安全逃生時(shí),往往會(huì)有一些非理性的行為,如不顧危險(xiǎn)試圖挽救財(cái)物,放棄自救,驚慌地四處游走等,甚至極端的行為如跳樓等。對(duì)于速度的影響可以用式(5)表示[8]:

v=p*v0

(5)

其中v0表示正常行走速度,p為影響程度,取值范圍為(0,1],p越大表示影響程度越小,反之影響越大。

(3) 跟隨行為,當(dāng)疏散人員對(duì)于環(huán)境不熟悉,且沒(méi)有發(fā)現(xiàn)逃生出口或樓梯口的情況下,會(huì)選擇跟隨發(fā)現(xiàn)的其他疏散人員,雖然存在不一定能夠順利逃生的風(fēng)險(xiǎn),但是人在危機(jī)情況下產(chǎn)生的依賴(lài)心理不會(huì)使疏散人員考慮太多。

(4) 穿越煙氣行為,當(dāng)發(fā)現(xiàn)可能安全的疏散口時(shí),盡管周?chē)嬖谥鵁煔?但求生欲會(huì)促使人員冒著能見(jiàn)度低以及逃生出口并不安全的危險(xiǎn),穿越煙氣進(jìn)行逃生。

(5) 群聚行為,災(zāi)難發(fā)生時(shí),疏散人員本身具有的從眾心理,再加上危險(xiǎn)帶來(lái)的心理壓力,會(huì)使得人們覺(jué)得人越多越安全,但是這種現(xiàn)象往往會(huì)產(chǎn)生反作用,人數(shù)過(guò)多使人員之間產(chǎn)生的疊加效應(yīng),可能會(huì)引發(fā)新的災(zāi)難,例如踩踏,過(guò)度擁擠等行為。

(6) 排隊(duì)行為,當(dāng)大量的疏散人員在通過(guò)一個(gè)寬度有限的逃生出口時(shí),可通過(guò)的人員數(shù)有限,會(huì)產(chǎn)生排隊(duì)的現(xiàn)象,由于疏散人員的素質(zhì)以及性別存在的差異,會(huì)出現(xiàn)超越、排擠、避讓等現(xiàn)象。

5 模擬仿真

仿真實(shí)驗(yàn),以某6層實(shí)驗(yàn)樓為實(shí)驗(yàn)背景,并對(duì)其進(jìn)行場(chǎng)景建模。圖2為整體場(chǎng)景的正視圖,圖3為1層場(chǎng)景的俯視圖,圖4為6層場(chǎng)景的俯視圖,2至5層分布與6層大致相同,這里不再一一給出。圖3中的紅色框線(xiàn)部分,代表的是1層場(chǎng)景的出口。在建模之前進(jìn)行實(shí)地考察時(shí),發(fā)現(xiàn)1號(hào)出口和2號(hào)出口是暢通的,3號(hào)出口和4號(hào)出口處堆滿(mǎn)雜物,無(wú)法正常通行。圖4中的紅色線(xiàn)框部分代表的是樓梯通道,1至6層的樓梯分布都是如此。

圖3 1樓場(chǎng)景俯視圖Fig.3 Overhead view on the first floor

圖4 6樓場(chǎng)景俯視圖Fig.4 Overhead view on the sixth floor

此實(shí)例中的人員分布情況為：1、2層場(chǎng)景人數(shù)為每層40人,3至6層的人數(shù)為每層30人,總計(jì)200人,男女人數(shù)各半?；馂?zāi)模擬發(fā)生在一層場(chǎng)景的1號(hào)出口,火災(zāi)功率設(shè)置為6 MW。

為了說(shuō)明人員模型的合理性以及探討建筑構(gòu)建的合理性,進(jìn)行了4種情況的模擬。第1種情況,火災(zāi)發(fā)生在1層場(chǎng)景的1號(hào)出口,2號(hào)出口可以通行,且3號(hào)、4號(hào)出口均封閉,也是屬于真實(shí)情況；第2種情況,火災(zāi)發(fā)生位置不變,2號(hào)、3號(hào)出口可以通行,4號(hào)出口封閉；第3種情況,火災(zāi)發(fā)生位置不變,2號(hào)、4號(hào)出口可以通行,3號(hào)出口封閉；第4種情況,火災(zāi)發(fā)生位置不變,2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)出口均可通行。

第1種情況中,由于火災(zāi)發(fā)生在1號(hào)出口,且3號(hào)、4號(hào)出口封閉,所以場(chǎng)景中的疏散人員只能通過(guò)2號(hào)出口進(jìn)行逃生。第2種情況,由于1號(hào)出口不能通行,4號(hào)出口封閉,所以從場(chǎng)景中2號(hào)樓梯進(jìn)行疏散的人員,只能向2號(hào)、3號(hào)出口進(jìn)行逃生。第3種情況下,從樓上疏散至1樓的人員,可就近通過(guò)2號(hào)、4號(hào)出口進(jìn)行逃生,3號(hào)出口附近的人員,可以通過(guò)2號(hào)出口進(jìn)行逃生。第4種情況,場(chǎng)景中疏散至1樓的人員以及1樓的疏散人員,均可就近選擇逃生出口。

將以上4種情況的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖,如圖5所示。

圖5 模擬疏散數(shù)據(jù)圖Fig.5 Simulated evacuation data diagram

圖5中4條曲線(xiàn)分別代表著4次模擬得到的數(shù)據(jù),可以看出第1和第2次模擬的總疏散時(shí)間基本一致,略微不同的是前期的疏散速率,第2次模擬中位于3號(hào)出口附近的人員可以快速逃離;第3和第4次模擬的總疏散時(shí)間大致相同,比第1和第2次模擬的總疏散時(shí)間減少了近40 s,這是由于從2號(hào)樓梯口疏散至1樓的人員可以迅速?gòu)?號(hào)出口逃離,大大提高4號(hào)出口的利用率,且總疏散時(shí)間是取決于最后一個(gè)疏散人員逃離危險(xiǎn)場(chǎng)景的時(shí)間。從4次模擬的情況可以看出,第4次模擬的疏散效率最高?？傮w來(lái)看,模型較好地模擬了火災(zāi)情況下人員疏散的過(guò)程,對(duì)于建筑在災(zāi)難情況下的疏散能力有一定的評(píng)價(jià)能力。

6 結(jié) 論

為研究火災(zāi)情況下多層實(shí)驗(yàn)樓人員疏散的問(wèn)題,提出電梯疏散作為輔助疏散手段,并對(duì)其進(jìn)行探討和研究,下一步的工作將以電梯疏散參與疏散模擬為主。采用多智能體技術(shù)建立了可向外界感知的人員疏散模型,通過(guò)對(duì)逃生出口開(kāi)閉情況的模擬實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證模型的有效性。此外,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:在多層建筑中,若樓梯口附近設(shè)有暢通無(wú)阻的逃生出口,可以很大程度上提高建筑的疏散能力,所以現(xiàn)實(shí)情況中,應(yīng)保證逃生出口處無(wú)雜物堆放,以防緊急事件的發(fā)生。實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為貼近現(xiàn)實(shí),對(duì)于人員疏散的研究工作有一定的幫助。