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1、人员疏散时间预测与分析X孔留安 周爱桃 景国勋 教授 刘冬华(河南理工大学安全科学与工程学院,焦作 454003)学科分类与代码:62012030 中图分类号:X928.03 文献标识码:A基金项目:河南省杰出青年科学基金资助(031200040);河南省创新人才基金资助(教商2001513 号)。=摘 要 由于大量火灾事故的不断发生,火灾防范和安全疏散成为一个重要的研究课题。为了探讨人员疏散规律,笔者应用排队论知识及结合/社会力0模型,并综合考虑到建筑结构特征、人员密度及个体的作用和差异,建立了人员疏散模型。通过计算机模拟确定人员疏散时间,结合实例阐述了出口宽度等建筑结构特征、人员密度与疏散
2、时间的关系,结果表明,该模型得到的结果与实际基本相符。通过对人员疏散规律的研究,可以帮助人们优化建筑物的内部结构,特别是门宽,疏散通道的个数,从而加快紧急情况时的疏散速度,减少人员的伤亡;还可以帮助人们设计出正确的管理措施,保证大规模的群众集会时的人员的安全。=关键词 人员疏散;排队论;/社会力0模型Prediction and Analysis of Evacuation TimeKONG Liu-an ZHOU A-i tao JING Guo-xun,Prof.LIU Dong-hua(School of Safety Science&Engineering,Henan Polytech
3、nic University,Jiaozuo 454003,China)Classification and code of disciplines:620.2030 CLC number:X928.03 Documnet code:AAbstract:Frequent occurrence of fire accidents makes the fire prevention and safe evacuation the important research topics.In order to investigate the rule of evacuation,evacuation m
4、odelwas established by queuing theory and social force model referringto building structure,occupant density and the individual difference.By computer simulation,the evacuation time was deter-mined;combining with real case,the relationof evacuationtime and building structure and occupant density was
5、 described.It wasshown that the result obtained from the model compliedwith the real case.The study of the regularity of occupant movement mightoptimize the interior structure of the building,especially in determination of door width and number of exits so as to speed-up theevacuation when emergency
6、 and to reduce casualty.Moreover,it could help to design correct management measures for ensuringthe security of people in public massive gathering.Key words:evacuation;queuing theory;social force model1 引 言近年来随着我国经济的不断发展,全国各地都兴建了大量的高层建筑,这些建筑提供了包括办公、商业、住宅、旅馆、教学等多种功能。但是由于建筑灾害防治与紧急救助等没有引起人们足够的重视致使火灾事故
7、常有发生,再加上高层建筑使用人数多、规模大,人员疏散到安全地带所需时间长,如果疏散道路设计不好,一旦发生火灾,所引起的人员伤亡和经济巨大损失都是触目惊心的。据新华社不完全统计,近几年我国发生的部分重、特大火灾疏散事故的伤亡人数如下表所示。部分重、特大火灾疏散事故统计表1时间地点伤亡人数2000.11.7河南省许昌县丁涧县乡一中5 死2000.3.29河南焦作天堂影视厅74死2001.9.3陕西省华阴市玉泉院16 死6 伤2002.3.1南充市府街小食品批发市场19 死 24 伤2004.2.15浙江海宁40死亡2004.2.15吉林中百商厦54 死 70 伤2005.6.10广东汕头华南宾馆3
8、1人死事实告诉人们,遏制建筑火灾的发生迫在眉睫,加强建第 15卷 第11期2 0 0 5 年 1 1 月 中国安全科学学报ChinaSafetyScienceJournal Vol.15No.11Nov.2 0 0 5X文章编号:1003-3033(2005)11-0016-03;收稿日期:2005-03-01;修稿日期:2005-09-01筑的防火安全工作,特别是人员疏散工作势在必行。为了防止在人群中所潜在的危险,以灾难性的方式释放,需要研究人群运动的规律,了解其动态。在建筑物的疏散中,尤其要考虑疏散人流的运动。由于该领域的研究有重要的应用价值,国内外的研究人员在疏散方面进行了大量的研究与探
9、索,开发了许多各具特色的人员疏散模型。就其使用的方法来说,不外乎是网络流方法与网格计算方法。网络流方法是将建筑物各功能单元当作网络 2中的一个个节点,利用节点之间存在的流量限制原理来计算建筑物总体疏散时间,它是把人员的移动看成一个整体,不考虑人与人之间的相互作用。网格计算 方法将建 筑物划 分成一个 个比较 小的网格3)4,人员可当作一个个移动的质点,质点在移动到相应的网格时会根据环境的变化,调整各自的移动速度和方向,从而得到建筑物的人员疏散时间。通过大量的实验观测可知,由于出口宽度的限制,人员必然出现排队等待的现象,所以可以应用排队论 5的一些理论,结合/社会力0模型,综合考虑建筑物结构及人
10、员个体特性,可以建立人员疏散模型。2 模型的建立应用排队论相关知识,可以建立相应的人员疏散模型:PN=K T0nn!Fni=1uip0 (n=1,2,c,)其中:P-10=1+Eci=1 K T0ii!Fin=1un式中,PN)该条通道中有 n 个人的概率;K)人员到达该通道的人员到达率;T0)单个人通过该通道的时间;un)vn/v1,即该通道的服务率;vn)通道中有 n 个人时人员平均移动速度;v1)单个人在该通道中的移动速度;c)通道的通过能力 c=Q l w;Q)人员在该通道的密度;l)通道的长度;w)通道的宽度,c 的取值为整数。由以上模型,可以得到以下几个重要疏散指标:DC=K(1-
11、pc)L=Ecn=1npnT=L/DC式中,DC)该通道的通过量,人/s;L)通道中平均人数;T)人员在通道中平均等待时间。根据社会动力学模型6可以得到,人员的疏散速度 vn:vn=v1 (Q Q0)0 (QQmax)v1(0.39A+0.014B+0.24)(其他)式中,A=1.32-0.82ln(Q),B=3.0-0.76Q,Qmax)通道的最大承受人员密度,根据经验 Qmax=5人/m2。3 模型的验证疏散模型模拟计算的程序框图如图 1 所示。图 1 疏散模型程序示意图 为了验证模型预测结果的准确性,组织了一次人员疏散试验。实验是在学校一教室进行的,教室的规格如下:教室长 10m,宽 6
12、.5 m,高 4 m,有两个安全出口,分别在教室的两端,都是 1.4m 宽,模拟人数是 120 人。#17#第十一期 孔 留 安 等:人 员 疏 散 时 间预 测 与 分 析试验由人工纪录疏散时间,并用摄像机拍摄了整个实验过程。实验数据表明:从第一个人到达出口到最后一个人离开出口总共花了 63s 时间,应用计算机模拟出的结果是75 s。之所以模拟结果比实际的疏散时间要长,主要是因为试验是在人为组织下进行的,学生的疏散非常有序,而实际火灾中人有恐慌心理,每个人都急于离开事故现场,出现拥挤现象,则将影响人员行走速度。通过实际的疏散试验,说明建立的人员疏散模拟是正确的,能够较为准确地预测人员在出口处
13、的疏散时间。另外该模型还可以模拟出口的宽度变化与疏散时间的关系,经过多次模拟可以得出如图 2 所示曲线。图 2 出口宽度与疏散时间关系曲线 该曲线可以表明,当出口宽度较小时,其取值对疏散时间的影响较大,出口宽度一个小的变化可以引起疏散时间很大的变化,而当出口宽度增加到某一数值以后,再增加出口宽度,疏散时间的变化很小,而且随着出口宽度的增加趋于一个定值。通过该模型还可以模拟出其他建筑结构特征、人员密度等参数与疏散时间的关系。4 结 论1)排队论曾被成功应用于轮船、汽车运输等交通疏散中,但在建筑物人员疏散中还不多见,笔者正是通过排队论知识并结合/社会力0 模型,提出建立了人员疏散的数学模型。2)结
14、合一个典型算例,按照建筑物出口宽度和人员疏散的时间线,对火灾中影响人员疏散时间的各个特征时间进行了讨论,得到不同的建筑物出口宽度与人员疏散时间的关系。该模型还可以得到其他的建筑物特征参数、不同的疏散人员密度与疏散时间的关系。3)火灾中的人员疏散不仅与建筑物结构、人员密度有关,还与人员行为等其他因素有关,在此仅按一般的情况考虑发生火灾时人员疏散的时间,因此,很有必要更加深入研究更完善的人员疏散模型。参 考 文 献1 徐高.人员疏散的仿真研究 D.成都:西南交通大学 硕士论文,20032 陈全.人在火灾中的行为规律及计算机仿真D.沈阳:东北大学 博士后报告,20013 P,A.Thompson.D
15、eveloping New Techniques for Modeling CrowdMovementM,Ph.D.Thesis,University of Edinburgh,19944 方正,卢兆明.建筑物避难疏散的网格模型J.中国安全科学学报,2001,11(4):10 135 肖天元.系统仿真导论M.北京:清华大学出版社,2000.76 方正.公共娱乐场所的人员疏散安全分析J.武汉大学学报,2004,37(4):45 49#18#中国安全科学学报ChinaSafetyScienceJournal 第15卷2005年安全科学技术人才交流园地本 期 论 文 作 者 简 介雷小牛 教授级高工
16、,水利水电建设工程蓄水安全鉴定专家,水利工程建设监理工程师,水利工程造价工程师,新疆水利水电咨询审查专家,新疆水利水电工程招标评标专家。1961 年6 月生,1982年8 月大学本科毕业,1997 年前在新疆水利水电勘测设计研究院工作,后调入新疆水利厅工作至今。长期从事水利水电规划设计管理和经济管理工作,在数百项各类重点工程设计、咨询审查和招标评标中起到了决策参谋和积极作用。在国内各类刊物上发表学术论文数十篇(数十万字),其中10 余篇被评为优秀学术论文,专家评语/有较高的实用价值、一定的学术水平,属自治区先进水平0。刘彦普 北京交通大学土木建筑工程学院硕士研究生。河北辛集人,1980 年4月
17、生。2003 年毕业于中国矿业大学道路与桥梁专业,同年进入北方交通大学道路与铁道工程专业学习,主要从事城市轨道交通领域的研究。学习期间主要参与了/青藏线轨道接头设置0、/直线电机的耦合动力分析及应用0等项目以及校基金资助项目的研究与开发,并取得了一定的科技成果。金岩辉 北京科技大学土木与环境工程学院安全技术及工程专业硕士研究生。满族,1982 年2 月生于 北 京。2000年 9 月)2004 年6 月,就读于北京科技大学土木与环境工程学院环境工程专业,后被保送攻读硕士研究生。本科期间先后获得浦项特种奖学金、招商银行二等奖学金、人民三等奖学金共 4 次,并获得北京市优秀毕业生荣誉称号。本科毕业
18、论文5天津炼铁厂 250 m3高炉除尘系统设计6被评为院级优秀论文。陆文昌 江苏大学汽车与交通工程学 院 副 教 授、博 士 研 究 生。1982 年毕业于江苏大学(原镇江农机学院),获工学学士学位。目前主要从事汽车电子技术的教学和科研工作。主持设计并完成多项计算机控制工程,参加、主持多项科研项目。在5汽车工程6等国内核心期刊上发表论文10 多篇,主编5汽车电子技术与维修6、参编5微型计算机原理与接口技术6等书籍。韩书葵 北京交通大学博士研究生,主要研究方向为少自由度并联机构 的 合 成 和 性 能 的 分 析。1976 年3 月生,天津武清人。从事对称的并联机构和非对称并联机器人机构合成,以
19、及过约束和非过约束机构的合成研究,并对机构之间的性能进行对比分析,寻找内在联系,合成一些具有实际应用价值的并联机构。博士期间参加的国家自然基金项目有/并联机器人的装配误差分析0和/机器人通过奇异位形的轨迹控制方法研究0。已发表论文2 篇。周爱桃 河南理工大学安全科学与工程学院2003级硕士研究生,主要研究方向为安全系统工程、安全人机工程、建筑物火灾人员安全疏散。安徽省枞阳县人,1980 年7月生。1999年9月)2003年6 月就读于焦作工学院(现河南理工大学)资源与材料工程系,后继续在该校攻读安全技术及工程专业硕士学位。曾获得河南省/优秀毕业生0称号。在校期间参与/平煤集团六矿管理信息系统软件开发0项目的研究工作,参加学校举办的/步步高青年创新大赛0。在5中国安全科学学报6和国际会议论文集上发表论文多篇。