人员疏散时间预测与分析.pdf

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 2001 513 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

2、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 ” 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 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

3、 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 ” 模 型Prediction and Analysis of Evacuation TimeKONG Liu2an ZHOU Ai2tao JING Guo2xun , P

4、rof. LIU Dong2hua(School of Safety Science combining with real case , the relation of evacuation time and building structure and occupant density was described. It wasshown that the result obtained from the model complied with the real case. The study of the regularity of occupant movement mightopti

5、mize the interior structure of the building , especially in determination of door width and number of exits so as to speed2up theevacuation when emergency and to reduce casualty. Moreover , it could help to design correct management measures for ensuringthe security of people in public massive gathe

6、ring.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 常 有 发 生 ,再 加 上 高 层建 筑 使 用 人 数 多 、 规 模 大 ,人 员 疏 散

7、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200

8、1. 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 31 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 1 5卷 第 1 1期2 0 0 5 年 1 1 月 中 国 安 全 科 学 学 报China Safety Science Journal Vol . 15No

9、. 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

10、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 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

11、 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 ” 模 型 ,综 合

12、考 虑 建 筑 物 结 构 及 人 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 = T0 nn ! ni = 1uip0 ( n = 1 ,2 , , c ,)其 中 :P - 10 = 1 + ci = 1 T0 ii ! in = 1un式 中 , PN 该 条 通 道 中 有 n 个 人 的 概 率 ; 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

13、 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 = l w ; 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 = (1 - pc)L = cn = 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

14、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 ( 0)0 ( max)v1 (0. 39A + 0. 014B + 0. 24) (其 他 )式 中 , A = 1. 32 - 0. 82ln( ) , B = 3. 0 - 0. 76 , max 通 道 的最 大 承 受 人 员 密 度 ,根 据 经 验 max = 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

15、 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 10 m ,宽 6. 5 m ,高 4 m ,有 两 个 安 全 出 口 ,分 别 在教 室 的 两 端 ,都 是 1. 4 m宽 ,模 拟 人 数 是 120 人 。71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

16、出 口 总 共 花 了 63 s 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

17、 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

18、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 ” 模 型 ,提 出 建 立 了 人 员 疏 散 的 数 学模 型 。2) 结 合 一 个 典 型 算 例 ,按 照 建 筑 物 出 口 宽 度 和 人 员 疏散 的

19、 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 ,

20、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. Developing New Techniques for Modeling Crowd MovementM ,Ph. D. Thesis , University of Edinburgh ,19944 方

21、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 4981中 国 安 全 科 学 学 报China Safety Science Journal 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

22、 教 授 级 高 工 ,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

23、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 ” 。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 生 。 2003 年 毕 业 于中 国 矿 业 大 学 道 路 与 桥 梁 专 业 ,同年

24、 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 ” 、“ 直 线 电 机 的 耦 合 动力 分 析 及 应 用 ” 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

25、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 论 文 天 津 炼 铁 厂 250 m3 高 炉 除尘 系 统 设 计 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 。198

26、2 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 汽 车 工 程 等 国 内 核 心 期 刊 上 发 表 论文 10 多 篇 ,主 编 汽 车 电 子 技 术 与 维 修 、 参 编 微 型计 算 机 原 理 与 接 口 技 术 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

27、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 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 ” 和“ 机 器 人 通 过 奇 异 位 形 的 轨 迹 控 制 方 法 研 究

28、” 。 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 ” 称号 。 在 校 期 间 参 与 “ 平 煤 集 团 六 矿 管 理 信 息 系 统 软件 开 发 ” 项 目 的 研 究 工 作 ,参 加 学 校 举 办 的 “ 步 步 高青 年 创 新 大 赛 ” 。 在 中 国 安 全 科 学 学 报 和 国 际 会议 论 文 集 上 发 表 论 文 多 篇 。