李遠(yuǎn)哲, 安文娟,2, 謝耀華, 江維維
(1.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司, 重慶 400067; 2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 重慶 400074)
公路隧道結(jié)構(gòu)封閉、通風(fēng)照明受限等自帶先天環(huán)境特點(diǎn),使之運(yùn)營安全難度大,對洞內(nèi)通風(fēng)、消防及人員疏散救援要求極高[1]。因此,洞內(nèi)事故工況下的人員疏散逃生問題一直是業(yè)界研究的重點(diǎn),其中疏散行走速度與出口識別[2]是公路隧道內(nèi)決定人員疏散逃生的2個關(guān)鍵因素,個人屬性特征、疏散心理、疏散環(huán)境、社會因素等方面都會影響疏散行走速度。
近年來,針對公路隧道內(nèi)的人員疏散速度,國內(nèi)外開展了很多試驗(yàn)研究。M.Seike、K. Fridolf、Zhang等[3-8]通過在充滿煙霧的實(shí)體隧道內(nèi)開展大規(guī)模單人試驗(yàn),研究了煙霧環(huán)境下人員的正常行走速度與緊急疏散速度,以及能見度因素與疏散速度之間的關(guān)系,并在試驗(yàn)過程中,通過問卷調(diào)查、訪問座談等形式,調(diào)查了試驗(yàn)參與者的年齡、性別、職業(yè)等個人屬性及疏散心理情緒,分析了不同個人屬性及疏散情緒因素對疏散行為的影響。Kinateder等[9]基于虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)試驗(yàn)研究了社會因素、信息因素及經(jīng)驗(yàn)因素對隧道事件環(huán)境下人員疏散路徑與出口選擇的影響。謝寶超等[10]采用大巴車現(xiàn)場試驗(yàn),研究了人員年齡、性別與大巴車內(nèi)疏散時間的關(guān)系。周健等[11-12]通過對976人的問卷調(diào)查統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)人員疏散心理行為與性別、年齡、文化程度、消防教育水平等因素顯著相關(guān)。在疏散行為建模方面,屈云超等[13]基于行人從眾心理和信息傳遞對疏散行為的影響,構(gòu)建了疏散路徑選擇仿真模型。王羽塵等[14]在虛擬現(xiàn)實(shí)的公路隧道火災(zāi)環(huán)境下開展了疏散行為試驗(yàn),研究了環(huán)境因素、社會因素、個人因素與逃生行為的關(guān)系,并以各影響因素為變量,構(gòu)建了疏散行為MNL模型。鄭霞忠等[15]選取地鐵結(jié)構(gòu)、攜帶行李等8個速度影響因子,建立了地鐵站疏散速度影響指標(biāo)體系,然后采用未確知測度理論,確定了速度修正模型。
綜上所述,目前針對個人屬性與公路隧道內(nèi)疏散行為的相關(guān)性研究,主要以問卷調(diào)查為基礎(chǔ)的定性分析為主,缺乏個人屬性與疏散行為之間的定量分析研究。而模型方面,針對疏散路徑?jīng)Q策的仿真模型構(gòu)建研究較多,針對疏散速度參數(shù)的建模研究較少。為此,本文通過在全尺寸試驗(yàn)隧道內(nèi)開展人員疏散試驗(yàn),采用調(diào)查問卷采集試驗(yàn)人員的個人屬性數(shù)據(jù),采用藍(lán)牙AOA(Angle of Arrival 到達(dá)角)定位系統(tǒng)采集試驗(yàn)人員的移動數(shù)據(jù),基于以上數(shù)據(jù)分析疏散速度與個人屬性之間的相關(guān)性,并構(gòu)建兩者之間的數(shù)學(xué)模型,為公路隧道應(yīng)急疏散方案制定提供依據(jù)。
試驗(yàn)前,在試驗(yàn)隧道所在地公開招募參與者。招募過程中,基于安全考慮,招募范圍為年齡滿18周歲且身體健康狀況良好的人。最終,共招募180名參與者,其中男性95人,女性75人。
試驗(yàn)隧道為1∶1全比例尺隧道,長150 m、寬14.55 m。隧道內(nèi)部設(shè)有3個緊急出口,相鄰緊急出口的間距為45 m;緊急出口裝有防火門,門寬1.5 m,處于關(guān)閉狀態(tài)。隧道內(nèi)部設(shè)置有照明燈具、通風(fēng)機(jī)、疏散指示標(biāo)志等常規(guī)設(shè)施。
試驗(yàn)設(shè)備包括音響、冷煙機(jī)、能見度檢測器、攝像機(jī)、藍(lán)牙AOA定位系統(tǒng)等。
音響:飛利浦(PHILIPS)SD50戶外藍(lán)牙音響1臺,用于播放模擬突發(fā)事件的聲音。
冷煙機(jī):噴煙量5 600 cuft/min,噴煙距離2 m~4 m,共4臺,全部布設(shè)在隧道盡頭,用于制造白色無刺激性煙霧。
能見度檢測器:檢測距離10 m,共4臺,分別布設(shè)在模擬事件點(diǎn)附近和3個緊急出口附近,用于檢測隧道煙霧環(huán)境下的人員能見度。
高清攝像機(jī):紅外拍攝距離30 m,共6臺,全部安裝在隧道內(nèi)有緊急出口的一側(cè),安裝間距為30 m,用于記錄和觀察整個試驗(yàn)過程。
藍(lán)牙AOA定位系統(tǒng):定位距離最遠(yuǎn)可達(dá)20 m,移動定位精度0.3 m~0.5 m。共8座藍(lán)牙AOA定位基站,全部安裝在隧道頂部中間位置,安裝間距為18.75 m。試驗(yàn)參與者在試驗(yàn)過程中佩戴裝有AOA電子標(biāo)簽的安全帽,AOA電子標(biāo)簽與基站形成一套定位系統(tǒng),實(shí)時采集參與者的XYZ三軸坐標(biāo)數(shù)據(jù),坐標(biāo)采集頻率為1次/100 ms。
試驗(yàn)開始前,隧道內(nèi)即開始釋放人工冷煙和消防煙霧的混合煙霧,以模擬火災(zāi)事件環(huán)境,如圖1所示。其中消防煙霧釋放量極少,會使試驗(yàn)參與者聞到煙火味,但不會刺激眼睛。釋放煙霧過程中,通過能見度檢測器檢測隧道內(nèi)的能見度,以控制煙霧濃度。當(dāng)模擬事件點(diǎn)及3個緊急出口附近2 m高處的能見度檢測值為20 m時,停止釋放煙霧,立即開始試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中,為了使煙霧保持一定的濃度,未開啟通風(fēng)排煙系統(tǒng)。
圖1 隧道內(nèi)試驗(yàn)環(huán)境
由于試驗(yàn)隧道較短,為避免自然光照,更好地控制隧道內(nèi)能見度,試驗(yàn)在傍晚19:00天黑后開始,采用燈光照明。由于試驗(yàn)參與者較多,180名參與者按照年齡組成被分為9組,每組20人,每組的年齡組成與總?cè)后w的年齡組成一致。
試驗(yàn)前,參與者每人均需填寫一份調(diào)查問卷,問卷內(nèi)容包括參與者的編號、年齡、性別、職業(yè)以及公路隧道使用頻率、隧道內(nèi)行走經(jīng)歷、隧道事件經(jīng)歷、逃生培訓(xùn)經(jīng)歷等問題。試驗(yàn)前,參與者僅被告知必要的注意事項和試驗(yàn)程序,未被告知疏散方向和緊急出口位置,且不允許參與者提前進(jìn)入隧道,試驗(yàn)后也不允許互相交流。
試驗(yàn)時,得到現(xiàn)場工作人員的命令后,試驗(yàn)參與者從隧道入口進(jìn)入隧道,以正常的行走狀態(tài)一直往前走,行走過程中需繞開障礙物。待所有參與者走到疏散起點(diǎn)時,現(xiàn)場工作人員遙控播放事故模擬聲,參與者聽到事故聲后立即進(jìn)入緊急逃生狀態(tài),在隧道內(nèi)尋找緊急出口逃生,如圖2所示。由于本次試驗(yàn)的疏散出口設(shè)定為隧道側(cè)壁上的3個緊急出口,因此試驗(yàn)前參與者被告知不能從隧道兩端洞口疏散,僅能在隧道內(nèi)尋找出口,若有參與者從洞口逃生,現(xiàn)場工作人員將及時制止。
試驗(yàn)后,將藍(lán)牙AOA系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)以及問卷調(diào)查數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)進(jìn)行處理。根據(jù)藍(lán)牙AOA系統(tǒng)采集到的個人移動坐標(biāo)數(shù)據(jù)計算其移動速度,系統(tǒng)中的坐標(biāo)設(shè)置如圖3所示。試驗(yàn)參與者的X坐標(biāo)距離范圍為0 m~150 m,Y坐標(biāo)上的范圍為0 m~14.5 m。同時,參與者從x=150 m的位置進(jìn)入隧道,當(dāng)其X坐標(biāo)開始減小時,表明其開始移動;當(dāng)其移動到x=20 m左右時,表明其到達(dá)事件點(diǎn);由于疏散方向?yàn)椤盎仡^”方向,因此當(dāng)其X坐標(biāo)開始增大時,表明其進(jìn)入疏散狀態(tài)。當(dāng)參與者的坐標(biāo)為(30,0)或(75,0)或(120,0)時,表明參與者已從隧道緊急出口疏散出去,即完成疏散試驗(yàn)。
圖2 隧道內(nèi)試驗(yàn)流程示意
圖3 藍(lán)牙AOA系統(tǒng)坐標(biāo)設(shè)置示意
根據(jù)參與者的移動坐標(biāo)數(shù)據(jù)及其時間間隔,可計算個人移動速度。個人移動速度等于其累計移動距離與移動消耗時間的比值,計算公式如下:
(1)
式中:xi為參與者第i次移動的X坐標(biāo);yi為參與者第i次移動的Y坐標(biāo);ti為參與者第i次移動的時間。當(dāng)計算參與者的正常行走速度時,i的取值根據(jù)參與者從初始位置移動至事件點(diǎn)位置的坐標(biāo)移動次數(shù)取值;當(dāng)計算疏散速度時,i的取值根據(jù)參與者從事件點(diǎn)位置移動至隧道緊急出口位置的坐標(biāo)移動次數(shù)取值。
根據(jù)個人移動速度數(shù)據(jù)和調(diào)查問卷數(shù)據(jù)的初步處理結(jié)果,進(jìn)行數(shù)據(jù)篩除。將數(shù)據(jù)項中有漏填、錯填或缺失的個人數(shù)據(jù)作為無效數(shù)據(jù)篩除掉,保留具有完整數(shù)據(jù)項的個人數(shù)據(jù)。最終,得到123人的有效疏散數(shù)據(jù),包括人員屬性及疏散速度數(shù)據(jù)。
本次試驗(yàn)分9組開展,各組試驗(yàn)的試驗(yàn)環(huán)境、流程、人數(shù)等均保持一致。試驗(yàn)獲得各組的有效樣本數(shù)及疏散速度分布如表1及圖4所示。由表1和圖4可知,在試驗(yàn)條件一致的情況下,各組人員的疏散速度分布形態(tài)無顯著差異,表明分組試驗(yàn)對結(jié)果的影響較小,因此將各小組的試驗(yàn)結(jié)果合并進(jìn)行分析。
表1 各試驗(yàn)組疏散速度統(tǒng)計結(jié)果
1) 性別。有效數(shù)據(jù)中,男性為70人,占57%;女性為53人,占43%。其中,男性平均疏散速度為1.88 m/s,女性為1.66 m/s,男性疏散速度普遍高于女性的疏散速度。
圖4 各組人員的疏散速度分布
2) 年齡。有效數(shù)據(jù)中,試驗(yàn)參與者年齡為18歲~65歲,為便于分析,將年齡劃分為18歲~25歲、26歲~30歲、31歲~40歲、41歲~50歲、51歲~60歲、>60歲等6個年齡段,各年齡段的人數(shù)占比分別為4%、12%、37%、33%、12%、2%,他們的平均疏散速度分別為2.16 m/s、2.20 m/s、1.95 m/s、1.55 m/s、1.45 m/s、1.17 m/s??傮w上看,隨著年齡的增長,平均疏散速度逐漸降低。
3) 職業(yè)。試驗(yàn)過程中,將職業(yè)劃分為消防職業(yè)、運(yùn)輸職業(yè)與其他職業(yè)3類。消防職業(yè)指從事消防行業(yè)的人員,運(yùn)輸職業(yè)指從事客運(yùn)或貨運(yùn)的駕駛?cè)藛T,其他職業(yè)指非消防與交通行業(yè)的人員。有效數(shù)據(jù)中,消防職業(yè)、交通職業(yè)與其他職業(yè)的參與者人數(shù)占比分別為15%、13%、72%。其中,消防職業(yè)人員的平均疏散速度最高,為1.92 m/s;運(yùn)輸職業(yè)與其他職業(yè)人員的平均疏散速度基本一致,分別為1.77 m/s和1.75 m/s。
4) 隧道出行頻率。指駕駛或乘坐車輛在公路隧道內(nèi)出行的頻率。該頻率劃分為每天、每周幾次、每周一次、很少、從未等5種類型,各種出行頻率的參與者人數(shù)占比分別為20%、16%、19%、37%、7%,他們的平均疏散速度分別為2.04 m/s、1.73 m/s、1.78 m/s、1.70 m/s、1.53 m/s。不同隧道出行頻率人員的平均疏散速度沒有明顯規(guī)律性。
5) 隧道逃生知識掌握程度。指在公路隧道突發(fā)事件下,對疏散逃生知識的掌握程度,分為不熟悉、有所了解、熟悉等3種程度,各類型參與者人數(shù)占比分別為37%、67%、7%,他們的平均疏散速度分別為1.58 m/s、1.89 m/s、1.89 m/s。對隧道逃生知識有所了解和熟悉的人員其疏散速度一致,且明顯大于對隧道逃生知識不熟悉人員的平均疏散速度。
6) 逃生培訓(xùn)經(jīng)歷。逃生培訓(xùn)經(jīng)歷是指是否接受過建筑物或隧道內(nèi)消防演練,或是否接觸過隧道虛擬逃生游戲。123個有效數(shù)據(jù)中,74%的參與者未接觸過任何逃生培訓(xùn),接受過消防演練的參與者占20%,接觸過虛擬逃生游戲的參與者占9%,他們的平均疏散速度分別為1.68 m/s、1.97 m/s、2.33 m/s。其中,經(jīng)歷過逃生培訓(xùn)的人員其疏散速度明顯大于未經(jīng)歷過的,且接觸過虛擬逃生游戲人員的疏散速度最大。
以疏散速度為檢驗(yàn)因變量,以人員屬性為檢驗(yàn)因子,執(zhí)行單因素ANOVN檢驗(yàn),對人員屬性與疏散速度進(jìn)行相關(guān)性分析。檢驗(yàn)時,對數(shù)據(jù)方差齊性進(jìn)行分析,對于方差不齊的數(shù)據(jù),采用非參數(shù)檢驗(yàn)。設(shè)置顯著水平為0.05,若P<0.05,則檢測變量與檢測因子顯著相關(guān);若P>0.05,則檢測變量與檢測因子之間不相關(guān)。經(jīng)檢驗(yàn),疏散速度與6種個人屬性之間的顯著水平如表2所示。
表2 疏散速度顯著性檢驗(yàn)結(jié)果
1) 疏散速度與性別。由于女性和男性生理及心理結(jié)構(gòu)的不同,女性在遇到突發(fā)事件時通常比男性更容易產(chǎn)生焦慮、恐慌、緊張等心理反應(yīng),更容易表現(xiàn)出從眾、跟隨、退怯等行為反應(yīng)。性別組間顯著性檢驗(yàn)結(jié)果P=0.001<0.05,表明男性與女性的疏散速度有顯著性差異,即性別對疏散速度有一定的影響。
2) 疏散速度與年齡。人員年齡對疏散行為的影響主要體現(xiàn)在危險感知能力、反應(yīng)能力和行動能力上。一般情況下,年齡與行為能力呈反向曲線關(guān)系,在一定年齡范圍內(nèi),行為能力與年齡正相關(guān);當(dāng)年齡超過中青年階段后,行為能力與年齡負(fù)相關(guān)。年齡組間顯著性檢驗(yàn)結(jié)果P=0.001<0.05,表明不同年齡段的疏散速度有顯著性差異。同時,18歲~25歲與26歲~30歲、31歲~40歲與41歲~50歲、51歲~60歲與>60歲等3個年齡組的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果P值分別為0.766、0.395、0.828,均大于0.05,表明這3組疏散速度之間的差異性無統(tǒng)計學(xué)意義。可見,年齡對疏散速度有直接影響,但在一定范圍內(nèi),并無顯著性影響。
3) 疏散速度與職業(yè)。從事消防職業(yè)的人員由于具備應(yīng)對火災(zāi)的專業(yè)能力,面對突發(fā)事件時心理素質(zhì)和反應(yīng)能力均更好;從事運(yùn)輸職業(yè)的人員更熟悉道路環(huán)境,可能具備更好的道路突發(fā)事件應(yīng)對能力。但這2種職業(yè)人員并不一定熟悉隧道內(nèi)的疏散逃生方法。職業(yè)組間顯著性檢驗(yàn)結(jié)果P=0.113>0.05,表明不同職業(yè)的疏散速度并無顯著性差異,即職業(yè)對疏散速度沒有明顯影響。
4) 疏散速度與隧道出行頻率。在隧道內(nèi)行車頻率較高的人員,由于行車速度較快,在行車過程中并不一定能觀察到隧道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。隧道出行頻率非參數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果P=0.083>0.05,表明不同隧道出行頻率的人員其疏散速度沒有顯著差異,即隧道出行頻率對疏散速度無明顯影響。
5) 疏散速度與隧道逃生知識掌握程度。目前,國內(nèi)在隧道逃生方面的宣傳教育工作仍比較缺乏,大部分人對公路隧道內(nèi)的逃生知識并不熟悉,而隧道內(nèi)疏散是一種“進(jìn)入式”疏散,即需要進(jìn)入隧道內(nèi)的緊急出口進(jìn)行疏散,這與大多數(shù)人“出口即入口”的認(rèn)知有差異。對隧道逃生知識的熟悉與否,將直接影響到人員的疏散路徑和疏散效率。隧道逃生知識掌握程度檢驗(yàn)結(jié)果P=0.001<0.05,表明對隧道逃生知識掌握程度不同,人員的疏散速度有顯著性差異。同時,對隧道逃生知識有所了解的與熟悉的2類人員,數(shù)據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果P>0.05,表明這2類人員的疏散速度無顯著差異。可見,隧道逃生知識掌握程度對疏散逃生有一定影響。
6) 疏散速度與逃生培訓(xùn)經(jīng)歷。有過逃生培訓(xùn)經(jīng)歷的人,與沒有任何逃生培訓(xùn)經(jīng)歷的人相比,在面對逃生情境時,心理可能更冷靜,行為反應(yīng)更敏捷。近年來,隨著虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)越來越多基于VR的演練或培訓(xùn),但主要還是面向管理者。接觸過隧道VR逃生游戲的人,對整個隧道內(nèi)逃生的過程較為熟悉,因此疏散反應(yīng)最快。在開展的一項基于VR技術(shù)的疏散試驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)凡是接觸過VR游戲的人,在試驗(yàn)中都能表現(xiàn)得更從容、更敏捷。而逃生培訓(xùn)經(jīng)歷檢驗(yàn)結(jié)果P=0.001<0.05,表明逃生培訓(xùn)經(jīng)歷不同,人員的疏散速度具有顯著性差異,即逃生培訓(xùn)經(jīng)歷對疏散速度有直接影響。
目前,線性回歸和logistic回歸是統(tǒng)計分析中研究較多、使用普遍且容易理解的研究方法。以疏散速度為因變量,以個人屬性為自變量,根據(jù)上述研究,影響疏散速度的個人屬性包括性別、年齡、隧道逃生知識掌握程度、逃生培訓(xùn)經(jīng)歷等4個自變量。由于因變量為連續(xù)的定量數(shù)據(jù),且自變量有多個,因此采用多元線性回析進(jìn)行疏散速度建模,并對模型假設(shè)條件進(jìn)行驗(yàn)證。疏散速度與個人屬性之間的線性函數(shù)可表示為:
y=a+b1x1+b2x2+b3x3+b4x4
(2)
式中:y為疏散速度取值;x1,x2,x3,x4分別為各影響因素取值,如表3所示;a為常數(shù)項;b1,b2,b3,b4均為影響疏散速度的參數(shù)。
表3 影響因素
采用多元線性回歸,根據(jù)性別、年齡、逃生知識掌握程度和逃生培訓(xùn)經(jīng)歷等因素,預(yù)測疏散速度。通過繪制部分回歸散點(diǎn)圖及殘差與預(yù)測值的散點(diǎn)圖,判斷自變量和因變量之間存在線性關(guān)系。
本研究中,觀測值之間相互獨(dú)立。通過繪制學(xué)生化殘差與未標(biāo)化的預(yù)測值之間的散點(diǎn)圖,證實(shí)數(shù)據(jù)具有等方差齊性;回歸容忍度均大于0.1,不存在多重共線性;滿足正態(tài)假設(shè)。
回歸擬合模型具有統(tǒng)計學(xué)意義,F(xiàn)(4,214)=247.737(P<0.001),調(diào)整R2=0.819;納入模型的3個自變量對疏散速度的影響有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),分別是年齡、逃生知識掌握程度、逃生培訓(xùn)經(jīng)歷;自變量性別對疏散速度的影響沒有統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05),具體系數(shù)標(biāo)定如表4所示。最終疏散速度模型可表示為:
y=3.070-0.038x2+0.158x3+0.335x4
(3)
從表3模型標(biāo)定結(jié)果可知,年齡因素對疏散速度是負(fù)影響,逃生知識掌握程度與逃生培訓(xùn)經(jīng)歷對疏散速度是正影響,其中,逃生培訓(xùn)經(jīng)歷的影響程度最大。
表4 線性回歸模型系數(shù)標(biāo)定結(jié)果
在長150 m、寬14.55 m且充滿煙霧的全比例尺隧道內(nèi)開展了180人規(guī)模的疏散試驗(yàn),通過篩選,獲取了123人的有效試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù),包括個人屬性數(shù)據(jù)和移動速度數(shù)據(jù);以此為基礎(chǔ),對疏散速度與6種個人屬性因素進(jìn)行了相關(guān)性分析與檢驗(yàn),并構(gòu)建了疏散速度與相關(guān)個人屬性之間的數(shù)學(xué)模型。相關(guān)性檢驗(yàn)與模型標(biāo)定結(jié)果表明:
1) 在公路隧道煙霧環(huán)境中,人員性別、年齡、隧道逃生知識掌握程度、逃生培訓(xùn)經(jīng)歷等4個因素與疏散速度之間存在顯著相關(guān)性,職業(yè)和隧道出行頻率因素與疏散速度之間相互獨(dú)立。
2) 基于回歸分析,構(gòu)建了性別、年齡、隧道逃生知識掌握程度、逃生培訓(xùn)經(jīng)歷與疏散速度之間的線性關(guān)系模型。模型標(biāo)定顯示,性別變量對疏散速度的影響無統(tǒng)計學(xué)意義,年齡變量對疏散速度是負(fù)影響,逃生知識掌握程度變量與逃生培訓(xùn)經(jīng)歷變量對疏散速度是正影響。此外,逃生培訓(xùn)經(jīng)歷變量的影響程度最大,年齡變量的影響程度最小。
可見,加強(qiáng)面向出行者和管理者的隧道疏散逃生教育宣傳工作,可提高人員在隧道突發(fā)火災(zāi)事件下的逃生能力,對提升隧道運(yùn)營安全性具有重要意義。