廖慧敏,羅小娟，蘇 紅

(中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

0 引言

大型高層建筑由于人員集中，疏散通道狹長(zhǎng)，一旦發(fā)生火災(zāi)，受困人員疏散易發(fā)生擁擠踩踏，引發(fā)人員傷亡。1982年，Chalmet等[1]首次使用動(dòng)態(tài)模型對(duì)建筑物疏散進(jìn)行仿真研究，此后各種疏散模型和仿真技術(shù)得到了迅速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于不同場(chǎng)所的人員疏散優(yōu)化研究，如海上大型船舶[2-4]、地鐵站[5-7]、商場(chǎng)高層建筑[8-9]等人員的疏散時(shí)間與速度研究。在這些研究中，或側(cè)重于疏散客體場(chǎng)所結(jié)構(gòu)的研究，或側(cè)重于疏散主體人員疏散方法的改進(jìn)，缺乏疏散客體與主體之間認(rèn)知交互作用的考量。1995年，劉久文[10]提出人在疏散中會(huì)表現(xiàn)出恐煙、恐熱性，向光、向闊性等疏散行為特征，是影響安全疏散不可忽視的重要因素，強(qiáng)調(diào)了人員疏散認(rèn)知與環(huán)境的相互影響。在火災(zāi)這一緊急事態(tài)下，人的認(rèn)知意識(shí)處于一種高度緊張和焦慮狀態(tài)，認(rèn)知決策能力會(huì)顯著降低[11]。為探究教學(xué)樓火災(zāi)情境下人員負(fù)性情緒調(diào)整與逃生速率兩者的認(rèn)知應(yīng)對(duì)規(guī)律，論文擬借助Anylogic疏散軟件，對(duì)教學(xué)樓常規(guī)標(biāo)識(shí)與增設(shè)標(biāo)識(shí)2種情境下的人員疏散與疏散時(shí)長(zhǎng)關(guān)系進(jìn)行研究，為研究大型建筑火災(zāi)疏散主客體之間的認(rèn)知應(yīng)對(duì)規(guī)律與提高火災(zāi)疏散效率提供新思路。

1 實(shí)驗(yàn)流程與仿真場(chǎng)地概況

中南大學(xué)新校區(qū)建筑面積82.498 8萬(wàn)m2，有A，B，C，D共4座連體教學(xué)樓，其中A座4層，B座與C座各5層，D座是呈扇形的3層樓。4座教學(xué)通過(guò)彼此間的2條長(zhǎng)廊相互聯(lián)通，B座處于4棟連體教學(xué)樓的中部，樓道與安全出口分布錯(cuò)綜復(fù)雜，人員分布比較集中，是火災(zāi)時(shí)人員疏散的重點(diǎn)與難點(diǎn)。論文將B座教學(xué)樓疏散通道作為研究對(duì)象，設(shè)置常規(guī)標(biāo)識(shí)與增設(shè)標(biāo)識(shí)2種火災(zāi)情境，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與問(wèn)卷調(diào)查的方法，運(yùn)用Anylogic對(duì)人員疏散過(guò)程進(jìn)行模擬研究，實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

根據(jù)煙囪效應(yīng)，火災(zāi)中煙氣一般往上層蔓延，很少往下層擴(kuò)散，且火災(zāi)發(fā)生點(diǎn)位置不同，煙氣和火勢(shì)蔓延的速率和方向也會(huì)有所不同，從而影響人群對(duì)逃生路徑的選擇?？紤]到運(yùn)算速度與模型的復(fù)雜程度，選用B座教學(xué)樓的4樓作為人員疏散仿真場(chǎng)所，模擬時(shí)間點(diǎn)為2017—2018學(xué)年第二學(xué)期某周四上午3～4節(jié)課，當(dāng)時(shí)共有16間教室在上課，其人員分布與仿真示意如圖2所示。圖2中增粗線條為B座4樓10個(gè)疏散出口的具體所在位置，帶“■”的空心箭頭表示可沿箭頭方向通行，距離標(biāo)注為教學(xué)樓通道的實(shí)際距離。

圖1 疏散模擬與標(biāo)識(shí)認(rèn)知分析流程Fig.1 Flow chart of evacuation simulation and cognitive analysis of signs

圖2 教學(xué)樓B座4樓平面示意Fig.2 Floor plan of fourth floor of teaching building B

2 疏散仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 問(wèn)卷調(diào)查與疏散步速測(cè)定

選擇工作日上課的休息時(shí)段，隨機(jī)對(duì)B座教學(xué)樓上課的學(xué)生進(jìn)行火災(zāi)逃生路徑傾向問(wèn)卷調(diào)查，調(diào)查共發(fā)放200份無(wú)記名問(wèn)卷，回收問(wèn)卷184份，其中有效問(wèn)卷數(shù)168份。根據(jù)問(wèn)卷統(tǒng)計(jì)結(jié)果，85人選擇教室前門(mén)逃生，83人選擇教室后門(mén)逃生，選擇前后門(mén)的比例接近1∶1；134人選擇最近的疏散出口，34人選擇疏散標(biāo)識(shí)指示出口逃生，就近逃生與疏散標(biāo)識(shí)指示逃生的比例約為8∶2。從200名學(xué)生中抽取20人測(cè)試疏散速度，男女各10人，平均年齡為19±0.92歲，所有被試者無(wú)身心健康問(wèn)題史。測(cè)量時(shí)，告知被試者在火災(zāi)情境下以最快速度逃離，重復(fù)3次，用計(jì)時(shí)器記錄疏散時(shí)長(zhǎng)，得到人員平均疏散步速為0.95 m/s。

2.2 常規(guī)標(biāo)識(shí)疏散情境參數(shù)設(shè)置

運(yùn)用Anylogic對(duì)教學(xué)樓進(jìn)行模擬空間布局設(shè)計(jì)，將上課教室作為疏散起點(diǎn)，教室內(nèi)人員數(shù)作為疏散人數(shù)。教室前后門(mén)按1∶1的疏散比例進(jìn)行逃離疏散，出教室后依據(jù)就近原則選擇逃生路徑，即選擇1條距自己教室最近的疏散通道進(jìn)行逃離，根據(jù)教學(xué)樓的疏散通道分布，每個(gè)教室有5個(gè)疏散通道可供選擇，將每個(gè)教室離教室最近的2個(gè)逃離出口概率設(shè)定為0.5，其余3個(gè)通道均為0，從而設(shè)立不同的逃離路線。根據(jù)人員疏散速度測(cè)試結(jié)果，將人員的火災(zāi)疏散速度設(shè)置為(0.8，1.0)，進(jìn)入下1層逃生通道的人員計(jì)為成功疏散，作為疏散結(jié)束點(diǎn)。用Anylogic對(duì)該疏散過(guò)程重復(fù)模擬5次，記錄每次模擬疏散時(shí)間。

2.3 增設(shè)標(biāo)識(shí)情境參數(shù)設(shè)置

2.3.1 疏散標(biāo)識(shí)認(rèn)知反應(yīng)時(shí)間

注意的是選擇需要調(diào)動(dòng)執(zhí)行控制，在完成顏色-字詞stroop任務(wù)中，被試者觀看有顏色的字詞，報(bào)告該字詞的顏色，而忽視字詞的含義或其所引起的反應(yīng)。安全標(biāo)識(shí)牌一般以紅綠2種顏色表示，通常情況下，綠色標(biāo)識(shí)牌為“安全通道”，紅色標(biāo)識(shí)牌為“禁止通行”，符合顏色-字詞stroop任務(wù)的認(rèn)知反應(yīng)特征。在顏色認(rèn)知反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)圖片中文字為8個(gè)，顏色-字詞認(rèn)知反應(yīng)時(shí)間在顏色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中男女同學(xué)平均反應(yīng)時(shí)間為2 731.7 ms[12]。在教學(xué)樓火災(zāi)疏散模擬實(shí)驗(yàn)中，有部分疏散同學(xué)可能會(huì)遇到綠色的“安全通道”與紅色的“禁止通行”疏散標(biāo)識(shí)各1次，部分疏散同學(xué)也可能僅見(jiàn)到“安全通道”疏散標(biāo)識(shí)1次，因此在疏散模擬實(shí)驗(yàn)處理過(guò)程時(shí)，均按人員遇見(jiàn)2個(gè)疏散標(biāo)識(shí)各1次處理，即人均每字的反應(yīng)時(shí)間為341.5 ms，以此作為疏散模擬時(shí)標(biāo)識(shí)認(rèn)知與疏散路徑重評(píng)的延滯時(shí)間設(shè)置依據(jù)。

2.3.2 增設(shè)標(biāo)識(shí)情境邏輯關(guān)系處理

根據(jù)B座教學(xué)樓4樓疏散模擬時(shí)間段的人數(shù)與疏散通道狀態(tài)，預(yù)計(jì)出現(xiàn)擁堵位置主要集中在418～420教室，以及411～413教室前的走廊部分。因此增設(shè)標(biāo)識(shí)是在常規(guī)疏散標(biāo)識(shí)基礎(chǔ)上，在通向E3，E8，E9出口的通道上增設(shè)了紅色“禁止通行”標(biāo)識(shí)，并在通向出口E2和E10的南北方向通道入口處增設(shè)綠色“安全通道”標(biāo)識(shí)，將教室418,419和教室412,413的人員進(jìn)行重新分流。標(biāo)識(shí)增設(shè)位置如圖3所示，圖3中帶有“×”的空心箭頭代表增設(shè)標(biāo)識(shí)“禁止通行”，表示沿箭頭方向無(wú)法疏散；帶有“■”的空心箭頭代表增設(shè)標(biāo)識(shí)“安全通道”，表示人員可沿箭頭方向疏散。但這種疏散方式增加了疏散者在疏散過(guò)程中對(duì)標(biāo)識(shí)的認(rèn)知反應(yīng)過(guò)程，需要逃生者根據(jù)疏散標(biāo)識(shí)對(duì)自身疏散策略進(jìn)行疏散路徑的認(rèn)知重評(píng)與決策，存在認(rèn)知反應(yīng)時(shí)間的延滯。因此增加了pedGoTo路徑與pedWait模塊，延滯時(shí)間設(shè)定為2.5，3.0 s，即人員見(jiàn)到疏散標(biāo)識(shí)的認(rèn)知反應(yīng)時(shí)間。對(duì)擁堵教室的人流重新分配，并將對(duì)應(yīng)疏散出口的比例設(shè)置為0.2，其他疏散模擬參數(shù)與要求同常規(guī)標(biāo)識(shí)疏散。

圖3 優(yōu)化后的疏散平面示意Fig.3 Schematic diagram of optimized evacuation plan

3 疏散仿真結(jié)果

3.1 常規(guī)標(biāo)識(shí)疏散結(jié)果

常規(guī)標(biāo)識(shí)疏散仿真時(shí)，疏散過(guò)程中人流變化如圖4所示。在疏散初期20 s時(shí)，人員主要集中在教室內(nèi)，較多人員聚集在教室前后門(mén)，教室門(mén)口擁堵嚴(yán)重。在疏散中期70 s時(shí)，疏散人員通過(guò)走廊向出口疏散，人員一般依據(jù)自己的本能與經(jīng)驗(yàn)，或同伴效應(yīng)，從最近的疏散出口逃離，因此E3，E8，E9出口的人員較為密集，人員密度顏色呈紅色，E2,E5,E7和E10出口人員較少，人流密度顏色呈現(xiàn)藍(lán)色或綠色。在疏散后期120 s時(shí)，E2,E5,E7出口附近教室的人員疏散完成，出口處于閑置狀態(tài)，而出口E4和E9以及附近教室門(mén)口還有較多人員擁堵，仍需一定時(shí)間才能疏散完全。疏散模擬重復(fù)5次的平均疏散時(shí)間為193 s.由圖4可知，教學(xué)樓按常規(guī)標(biāo)識(shí)進(jìn)行人員疏散時(shí)，由于人員自身的本能反應(yīng)與情緒慌亂，一般按就近原則或鄰近疏散出口進(jìn)行了疏散，造成了部分疏散出口利用不充分或閑置的現(xiàn)象。

圖4 常規(guī)標(biāo)識(shí)疏散行人密度流Fig.4 Pedestrian density flow of evacuation with conventional signs

3.2 增設(shè)標(biāo)識(shí)疏散結(jié)果

增設(shè)標(biāo)識(shí)后疏散過(guò)程中的人流變化情況為圖5所示。在疏散前期，人員僅聚集在教室門(mén)口還未向走廊疏散，此時(shí)主要制約因素是教室門(mén)的寬度，疏散情況與標(biāo)識(shí)增加前相同。到了疏散中期，在增設(shè)標(biāo)識(shí)的引導(dǎo)下，教室418和419的部分人員開(kāi)始沿著通向出口E2的南北通道進(jìn)行疏散，教室412和413的部分人員開(kāi)始沿著通向出口E10的南北通道進(jìn)行疏散，人員分布不再局限于教室門(mén)口和出口處，部分人員分散在通道中，出口E3和E4擁擠程度有所緩減。疏散后期，模擬區(qū)域中未疏散人數(shù)較少，每出口均無(wú)明顯擁堵現(xiàn)象，整體疏散情況良好。增設(shè)標(biāo)識(shí)后的平均疏散時(shí)間為174.8 s，較常規(guī)標(biāo)識(shí)疏散時(shí)間節(jié)省了10%。由此可知，增設(shè)疏散標(biāo)識(shí)提高了出口利用率，加快了教學(xué)樓整體的疏散速度，并且改善了疏散過(guò)程中出口處的擁擠情況，一定程度上降低了疏散引發(fā)的踩踏等潛在風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 增設(shè)標(biāo)識(shí)疏散行人密度流Fig.5 Pedestrian density flow of evacuation with adding signs

4 火災(zāi)疏散與標(biāo)識(shí)認(rèn)知應(yīng)對(duì)模型

建筑物發(fā)生火災(zāi)后，人員疏散主要取決于可用和所需的安全疏散時(shí)間[13]，受困人員須在短時(shí)間內(nèi)及時(shí)逃生，這時(shí)，每個(gè)逃生者都是決策者，他們需要根據(jù)自己的判斷選擇逃生的路徑。為了更加直觀反映建筑物火災(zāi)疏散中疏散標(biāo)識(shí)與人的認(rèn)知反應(yīng)決策之間存在的規(guī)律，基于上述教學(xué)樓火災(zāi)疏散模擬過(guò)程，將疏散過(guò)程中的外界刺激-情緒-標(biāo)識(shí)增置-認(rèn)知反應(yīng)對(duì)逃生路徑選擇的作用關(guān)系進(jìn)行分析，得到其相互作用模型如圖6所示。

由圖6可知，在常規(guī)標(biāo)識(shí)情境中，逃生者大腦器官與神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的生理反射弧，受災(zāi)人員首先傾向于無(wú)意識(shí)的認(rèn)知。在火災(zāi)警報(bào)、煙霧等外界刺激作用下，人體的視聽(tīng)神經(jīng)等接收刺激并將信號(hào)傳入腦區(qū)，前腦島、前扣帶回皮質(zhì)和鏡像神經(jīng)系統(tǒng)被激活[14]，喚醒逃生者已有的相關(guān)火災(zāi)經(jīng)驗(yàn)及逃生場(chǎng)地通道的記憶。他們會(huì)基于經(jīng)驗(yàn)和記憶而非實(shí)時(shí)火災(zāi)情境對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果往往高于真實(shí)風(fēng)險(xiǎn)。教學(xué)樓是視線受限空間，逃生人員無(wú)法得知火勢(shì)的整體態(tài)勢(shì)及蔓延速度、可用逃生時(shí)間及潛在危機(jī)，恐懼、悲傷等負(fù)面情緒極易出現(xiàn)并相互感染，處于這種情境中的人員，易出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避行為[15]。因此，在常規(guī)標(biāo)識(shí)疏散時(shí)，大多數(shù)人在負(fù)面情緒作用下，無(wú)法判斷哪條逃生路線最有效，并高估常規(guī)認(rèn)知以外路線的風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)以往認(rèn)知向最近的疏散出口疏散。隨著疏散的進(jìn)行，人員擁堵又成為新的刺激，加深個(gè)體負(fù)性情緒，人員認(rèn)知決策能力進(jìn)一步降低，因而造成人數(shù)多的教室附近的疏散出口過(guò)度擁擠、疏散緩慢，而人數(shù)少的教室鄰近疏散出口疏散密度偏低，過(guò)早處于閑置狀態(tài)，降低了疏散出口的平均疏散能力，影響了整體疏散效率。

圖6 火災(zāi)疏散與標(biāo)識(shí)認(rèn)知應(yīng)對(duì)模型Fig.6 Model of fire evacuation and cognitive coping of signs

增設(shè)標(biāo)識(shí)情境中，教學(xué)樓走廊中增設(shè)的標(biāo)識(shí)在逃生者視網(wǎng)膜輸入文字信息刺激，這種刺激在視網(wǎng)膜的輸入不會(huì)發(fā)生變化，但意識(shí)到的視覺(jué)內(nèi)容需要進(jìn)行意識(shí)加工，是一種高級(jí)的神經(jīng)機(jī)制。其對(duì)逃生人員是一種二次視覺(jué)刺激，“禁止通行”排除了該通道的逃生可能性，同時(shí)“安全通道”提供了“可逃生方向”及“通道可靠性高”等線索，使疏散人員確切了解自身環(huán)境。原來(lái)常規(guī)標(biāo)識(shí)時(shí)由于負(fù)面情緒較高，盲目跟隨人群疏散的人員，在增設(shè)“禁止通行”的“黑暗”與“安全通道”的“光亮”刺激下，對(duì)火災(zāi)情境有了新的認(rèn)知，對(duì)逃生風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行重新評(píng)估，激活了腦區(qū)中恐懼情緒反應(yīng)中樞杏仁核[16]，對(duì)負(fù)性情緒進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此常規(guī)認(rèn)知以外的路線風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估有所降低，更接近實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)大小。在伏核、殼核、前島葉等[17]以及運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的作用下人員更容易積極主動(dòng)地選擇沿著“安全通道”指向的疏散距離較遠(yuǎn)的出口疏散。因此，由火災(zāi)疏散不確定性引起的負(fù)面情緒會(huì)有所降低，所做的疏散決策會(huì)更準(zhǔn)確，疏散出口擁擠可得到明顯改善，常規(guī)標(biāo)識(shí)引導(dǎo)下過(guò)早閑置的出口被得到有效利用。

5 結(jié)論

1)2種火災(zāi)標(biāo)識(shí)疏散情境的疏散過(guò)程中，前期兩者疏散情況差異不明顯。疏散中后期，常規(guī)標(biāo)識(shí)情境下臨近人數(shù)多的教室疏散出口人員密度大，出現(xiàn)了部分出口擁堵，部分出口閑置的現(xiàn)象，而在增設(shè)標(biāo)識(shí)情境下，各疏散出口擁擠程度有所降低，各疏散出口疏散情況持平，出口利用率提高。在整個(gè)疏散過(guò)程中，增設(shè)標(biāo)識(shí)情境疏散出口的利用效率均優(yōu)于常規(guī)標(biāo)識(shí)情境。

2)在教學(xué)樓火災(zāi)疏散模擬中，以人數(shù)最多的教室作為疏散位點(diǎn)，常規(guī)標(biāo)識(shí)與增設(shè)標(biāo)識(shí)2種情境的平均疏散時(shí)長(zhǎng)分別為193和174.8 s，增設(shè)標(biāo)識(shí)后疏散平均時(shí)長(zhǎng)節(jié)約了10%，若采用同樓層其他教室作為疏散位點(diǎn)，增設(shè)標(biāo)識(shí)的位置將不會(huì)發(fā)生變化，其1層樓節(jié)約的疏散時(shí)間應(yīng)≥10%，因此在教學(xué)樓疏散通道中合理增設(shè)疏散標(biāo)識(shí)，可顯著縮短整棟教學(xué)樓的火災(zāi)疏散時(shí)間。

3)在常規(guī)標(biāo)識(shí)與增設(shè)標(biāo)識(shí)情境中，逃生者根據(jù)外界線索刺激引發(fā)了大腦生理反射作用，常規(guī)標(biāo)識(shí)與增設(shè)標(biāo)識(shí)對(duì)逃生者情緒刺激有所差異，從而引發(fā)逃生者逃生方向與逃生路徑的認(rèn)知反應(yīng)決策差異，提出了建筑物火災(zāi)外界刺激-情緒-標(biāo)識(shí)-認(rèn)知-決策間的火災(zāi)疏散與標(biāo)識(shí)認(rèn)知應(yīng)對(duì)模型。