地鐵出口條件對人員疏散的影響分析摘 要:采用計算機仿真技術,綜合考慮建筑物結構和人員行為對疏散的影響,建立了地鐵車站的疏散模型,并利用該模型詳細模擬了各種不同出口條件下的人員疏散過程.通過模擬,獲得了每個時刻的人員分布狀態,找到了不利于人員疏散的“瓶頸”位置,分析了地鐵出口條件對于人員疏散的影響.關鍵詞:地鐵;人員疏散;疏散時間;疏散模型0 引 言 地鐵,被稱為世界上最安全的交通工具,現代城市不可或缺的交通工具.統計資料表明,它與路面交通工具發生事故的比例是1∶100[1].但是大量的地鐵火災、爆炸及恐怖襲擊事故的發生,已經給人們帶來了巨大的財產損失和人員傷亡.2005年7月8日剛剛發生的倫敦地鐵爆炸事件再次讓世人震驚,造成56人死亡.因此,對一旦發生緊急事故,如何快速安全地將危險區域內的人員撤離到安全區域研究具有非常重要的意義. 人員疏散問題是一個涉及建筑物的結構、火災的發展過程和建筑物內人員的行為三種基本因素的復雜問題.目前在計算疏散時間時,大部分情況下都是只考慮了疏散通道總寬度的影響,采用簡單的公式法來計算[2～4].這種方法無法考慮建筑物結構和人員行為對于人員疏散的影響,從而也就沒有考慮出口條件的影響.近年來,隨著計算機數值模擬技術的迅速發展,國內外研究人員開始了人員疏散模型的研究.根據Gwynne等人的統計,當前國際上已經建立和正在開發的人員疏散模型大約有22種,其中EV ACNET[5]、EXODUS[6]、EXIT89[7]、Simulex[8]、HAZARD1中的EXITT模型[9]、FiRECAM程序中的人員逃生子模型[10]等受到了人們較多的注意. 探討地鐵出口條件對人員疏散的影響,本文采用計算機仿真技術,建立了地鐵站臺的疏散模型,對地鐵站臺的人員疏散情況進行了詳細的模擬.1 型的建立 采用精細網格法,建立了某地鐵側式站臺的計算機仿真模型.精細網格法是把建筑平面空間劃分為許多小的網格節點.網格中的每一個位置稱為一個節點.在不同的模型中,節點的網格大小和形狀也有所不同,該地鐵模型中選用0.5m×0.5m的正方形網格,與真實情況下一個人員所占的空間相符[11].每個節點可以用弧線與相鄰的八個節點相連接,如圖1所示.人員可以沿著弧線從一個節點到另外一個節點移動.但是在同一時間內,一個節點只能由一個人員所占據.用這種方法可以比較準確地表示建筑平面空間的幾何形狀及其內部障礙物的位置,并可在人員疏散的任意時刻確定每個人的準確位置[12]. 對象為一單層側式站臺,車站有效長度為146.7m,寬度為96.8m,高度為4.76m,車站斷面示意圖如圖2所示.由于側式站臺兩邊是對稱的,所以選用站臺的一側建立疏散模型,該側站臺一共有兩個疏散通道和一個正常出入口. 疏散的初始人員分布狀況:有一列載著乘客(1200人)的列車停靠在站內,而站臺上也隨機分布有300人(其中包括工作人員和候車人員),因此該站內共有1500人.由此,建立該站臺的人員疏散模型如圖3所示.圖中小黑點表示地鐵中的人員.人員的步行速度將依據其性別、年齡、身體健康狀況的不同在0.8m·s-1～1.5m·s-1的范圍內隨機給定. 利用該模型,可以清楚地看到每個時刻人員的分布情況,如40s后人員的分布如圖4所示.從圖中可以發現,在疏散通道附近出現了明顯的不利于人員疏散的“瓶頸”現象.
2 模擬結果及其分析 實驗表明[13],人們對于出口的選擇,主要與人員對于出口的熟悉程度(包括正常出口和緊急出口)、離出口的距離和緊急出口的狀態(是打開還是關閉)三個因素有關.為了有效地利用每個出口,提高人員疏散的效率,下面將利用地鐵的疏散模型,分析比較各種不同出口條件下人員的疏散情況.2.1疏散通道是否打開 如果人員完全按照最近路線原則選擇出口,在其它條件都相同的情況下,分別對兩個疏散通道均關閉、打開一個疏散通道和兩個疏散通道全部打開三種不同出口條件下的人員疏散情況進行了模擬,模擬結果如圖5所示. 從圖5中顯示的最終疏散結果來看,圖線1與圖線2所顯示的總的疏散時間相差不遠,而圖線3的疏散時間卻要明顯的大于前兩種情況.這就表明,當人員完全按照最近路線原則來選擇出口時,打開兩個疏散通道與打開一個所用的總的疏散時間相差不遠.但是,在同一時間內,圖線1所表示的疏散出去的人數明顯大于圖線2.這說明,當兩個疏散通道都打開時,在同一時間內比僅打開一個疏散通道疏散出去的人要多,尤其是在前160s更是明顯.在160s之后,差別逐漸減小,這是因為在兩個疏散通道附近出現了疏散的“瓶頸”現象,大量的人員聚集在疏散通道附近進行排隊等候,導致疏散速度有所降低.同時,在圖中也可以看出,如果兩個疏散通道均關閉的話,人員全部疏散出去的時間卻要延長75s左右. 在模擬過程中發現,當疏散通道關閉時,對人員疏散造成的影響不僅僅是減少了出口的數量,更為嚴重的是會導致大量的人員聚集在出口附近,大大增強了疏散的“瓶頸”現象,從而降低了疏散的效率.另外,由于乘客并不知道疏散通道是否是打開的,如果人們到達疏散通道附近發現其關閉再返回來尋找其它出口的話,就會造成“反向流”的現象,導致疏散效率降低.2.2疏散通道打開是否及時 在其它條件都相同的情況下,對在發生火災等緊急情況時,兩個疏散通道及時打開、其中一個延遲60s打開以及兩個都延遲60s打開三種不同的出口條件下的人員疏散狀況進行了模擬,模擬結果如圖6所示. 從圖中可以看出,在同一時間內,3條圖線所顯示的從所有出口疏散出去的總人數的關系:圖線1>圖線2>圖線3.也就是說,當延遲打開疏散通道時,由于沒有及時有效地利用每個出口,所以導致在同一時間內,疏散出去的總人數減少,疏散的總時間明顯增加. 值得注意的是,如果疏散通道沒有及時打開,會導致大量的人員滯留在疏散通道附近造成擁擠現象.由于擁擠造成人員傷亡慘案的教訓是非常慘痛的.例如,1971年發生在蘇格蘭的格拉斯哥體育場的66名足球球迷在樓梯上被踩死的慘劇;1980年發生在辛辛那提市的搖滾音樂會會場入會過程中11名人員被擠踩死的慘案[14]等.2.3正常出口與疏散通道的有效利用 前面的模擬都是假設人員完全按照最近路線的疏散原則來選擇出口的.然而,實驗結果表明[13]:即使人們離熟悉的正常出口的距離比最近的緊急疏散出口遠一些,人們仍然傾向于選擇比較熟悉的正常出口.但是,如果緊急疏散出口的門是開著的并且人們可以看到外面的話,緊急疏散出口就變得更加受歡迎,大部分人將會選擇緊急疏散出口.另外,一般在發生緊急事件之后,地鐵中的工作人員或者消防人員也會指導人員進行疏散.為了便于分析這些因素對于人員疏散的影響,筆者用出口吸引力來表示出口受歡迎的程度,某出口的吸引力越大,則表示該出口越受歡迎,人員選擇該出口的可能性也就越大,反之亦然.筆者對各個出口在不同吸引力情況下的人員疏散狀況進行了模擬,模擬結果如圖7所示. 在圖7中,圖線1為正常出口與疏散通道具有相同吸引力,人員完全按照最近路線的疏散原則選擇出口時的模擬結果.在模擬過程中發現,在這種情況下,在疏散通道附近出現“瓶頸”現象,疏散時間較長.圖線2為降低疏散通道吸引力時的模擬結果.可以發現,當降低疏散通道的吸引力,即更多的人員選擇正常出口進行疏散時,疏散的總時間減少,尤其是在160s之后更是明顯.但是如果進一步降低疏散通道的吸引力(如圖線3)時,則會發現疏散的總時間反而會有所延長.反過來,當增大疏散通道的吸引力時,由于加重了疏散通道附近的“瓶頸”現象,增加了人員排隊等待的時間,從而會導致疏散時間更長.而且,疏散通道的吸引力越大,則所用的疏散時間就越長,如圖線4和5所示.這就說明,疏散通道的吸引力存在一個最佳值.3結 論 本文在分析某地鐵側式站臺疏散模型的基礎上,采用計算機仿真技術,綜合考慮了建筑物結構和人員行為對疏散的影響,對不同地鐵出口條件下的人員疏散過程進行了模擬,得出了如下結論. (1)疏散通道關閉時所用的人員疏散時間要比打開時延長75s左右.這不僅是因為減少了出口的數量,更為嚴重的是會導致大量的人員聚集在出口附近,大大增強了疏散的“瓶頸”現象,從而降低了疏散的效率.另外,還可能造成不利于人員疏散的“反向流”現象. (2)及時打開疏散通道比其中一個延遲打開60s要少用20s左右的時間,而比兩個都延遲60秒打開節省約60s的時間.而且發現,延遲打開疏散通道,不僅延長了疏散時間,而且在出口附近造成了嚴重的擁擠現象,很容易造成人員傷亡.因而,在地鐵發生火災等緊急事故時應及時打開疏散通道. (3)出口的吸引力不同,則人員疏散所用的時間也有所不同.正常出口與疏散通道的吸引力存在一個最佳值,如果通過指導人員有序的進行疏散,使每個出口的人員分配取得最佳值,將會有效地避免出口的“瓶頸”現象,減少人員疏散的時間. (4)采用計算機仿真技術,可以直觀地觀察到人員的整個疏散過程,得到每個時刻的人員分布狀況,從而可以找出地鐵站臺中不利于人員疏散的“瓶頸”位置,進一步優化地鐵站臺的布局.因而,地鐵站臺人員疏散的計算機仿真模擬具有廣闊的應用前景.參考文獻:[1] 劉繼純.人類災難全紀錄[M].北京:兵器工業出版社,2000.5.LIUJi chun.Humantragedyentirenewsreel[M].Beijing:WeaponIndustryPress,2000.5.[2] 汪曉蓉.關于地鐵車站緊急疏散計算的體會「J].科學技術通訊,2001(3):26 27.WANGXiao rui.Theexperienceofcalculationevacuationtimeonsubwaystation[J].ScienceandTechnologyCommunica tion,2001(3):26 27.[3] 芮立群.地鐵的火災疏散和防排煙「J].城市公用事業,1997,11(l):11 12.RUILi qun.Fireevacuationandventingsmoke[J].CityPublicEquipmentProject,1997,11(l):11 12.[4] 徐 高,地鐵車站人員疏散的計算機仿真研究[J].現代隧道技術,2003,40(2):32 34,45.XUGao.Computersimulationstudyonpersonnelevacuatinginmetrostation[J].ModernTunnelTechnology,2003,40(2):32 34,45.[5] KiskoTM,FrancisRL,NobelCR.EVECNET4user sguide[M].UniversityofFlorida,1998.[6]GaleaER,Galparsoro.Acomputer basedsimulation modelforthepredictionofevacuationfrommass transportvehicles[J].FireSafetyJ,1994,22:341 366.[7]FahyRF.Apracticalexampleofanevacuationmodelforcomplexspaces[C]//HumanBehaviourinFire FirstInternationalSymposium.1999:743 751.[8]ThompsonPA,MarchantEW.Acomputermodelfortheevacuationoflargebuildingpopulations[J].FireSafeJ,1995(24):131 148.[9] KostrevaMM,LancasterLC.AcomparisonoftwomethodologiesinHAZARDIfireegressanalysis[J].FireTechnology,1998,34(3):227 246.[10] YungD,HadjisophocleousGV,ProulxG.AdescriptionoftheprobabilisticanddeterministicmodellingusedinFIRE CAM[J].InternationalJournalonEngineeringPerformancebasedFireCode,Vol.1,No.1,1999.[11] ElliottD,SmithD.FootballstadiadisastersintheUnitedKingdom:learningfromtragedy?[J].Ind.Environ.CrisisQ.,1993,7(3):205 229.[12] 霍 然,袁宏永.性能化防火分析與設計[M].合肥:安徽科學技術出版社,2003.HUORan,YUANHong yong.Performance basedfireprotectiondesigncode[M].Hefei:AnhuiScienceandTechnologyPress,2003.[13] LarsBenthorn,H akanFrantzich.Firealarminapublicbuilding:Howdopeopleevaluateinformationandchooseevacuationexit?[J].LundsuniversitetLund,1996.[14] Reportofthetaskforceoncrowdcontrolandsafety[R].CityofCincinnati,Cincinnati,1980.
2 模擬結果及其分析 實驗表明[13],人們對于出口的選擇,主要與人員對于出口的熟悉程度(包括正常出口和緊急出口)、離出口的距離和緊急出口的狀態(是打開還是關閉)三個因素有關.為了有效地利用每個出口,提高人員疏散的效率,下面將利用地鐵的疏散模型,分析比較各種不同出口條件下人員的疏散情況.2.1疏散通道是否打開 如果人員完全按照最近路線原則選擇出口,在其它條件都相同的情況下,分別對兩個疏散通道均關閉、打開一個疏散通道和兩個疏散通道全部打開三種不同出口條件下的人員疏散情況進行了模擬,模擬結果如圖5所示. 從圖5中顯示的最終疏散結果來看,圖線1與圖線2所顯示的總的疏散時間相差不遠,而圖線3的疏散時間卻要明顯的大于前兩種情況.這就表明,當人員完全按照最近路線原則來選擇出口時,打開兩個疏散通道與打開一個所用的總的疏散時間相差不遠.但是,在同一時間內,圖線1所表示的疏散出去的人數明顯大于圖線2.這說明,當兩個疏散通道都打開時,在同一時間內比僅打開一個疏散通道疏散出去的人要多,尤其是在前160s更是明顯.在160s之后,差別逐漸減小,這是因為在兩個疏散通道附近出現了疏散的“瓶頸”現象,大量的人員聚集在疏散通道附近進行排隊等候,導致疏散速度有所降低.同時,在圖中也可以看出,如果兩個疏散通道均關閉的話,人員全部疏散出去的時間卻要延長75s左右. 在模擬過程中發現,當疏散通道關閉時,對人員疏散造成的影響不僅僅是減少了出口的數量,更為嚴重的是會導致大量的人員聚集在出口附近,大大增強了疏散的“瓶頸”現象,從而降低了疏散的效率.另外,由于乘客并不知道疏散通道是否是打開的,如果人們到達疏散通道附近發現其關閉再返回來尋找其它出口的話,就會造成“反向流”的現象,導致疏散效率降低.2.2疏散通道打開是否及時 在其它條件都相同的情況下,對在發生火災等緊急情況時,兩個疏散通道及時打開、其中一個延遲60s打開以及兩個都延遲60s打開三種不同的出口條件下的人員疏散狀況進行了模擬,模擬結果如圖6所示. 從圖中可以看出,在同一時間內,3條圖線所顯示的從所有出口疏散出去的總人數的關系:圖線1>圖線2>圖線3.也就是說,當延遲打開疏散通道時,由于沒有及時有效地利用每個出口,所以導致在同一時間內,疏散出去的總人數減少,疏散的總時間明顯增加. 值得注意的是,如果疏散通道沒有及時打開,會導致大量的人員滯留在疏散通道附近造成擁擠現象.由于擁擠造成人員傷亡慘案的教訓是非常慘痛的.例如,1971年發生在蘇格蘭的格拉斯哥體育場的66名足球球迷在樓梯上被踩死的慘劇;1980年發生在辛辛那提市的搖滾音樂會會場入會過程中11名人員被擠踩死的慘案[14]等.2.3正常出口與疏散通道的有效利用 前面的模擬都是假設人員完全按照最近路線的疏散原則來選擇出口的.然而,實驗結果表明[13]:即使人們離熟悉的正常出口的距離比最近的緊急疏散出口遠一些,人們仍然傾向于選擇比較熟悉的正常出口.但是,如果緊急疏散出口的門是開著的并且人們可以看到外面的話,緊急疏散出口就變得更加受歡迎,大部分人將會選擇緊急疏散出口.另外,一般在發生緊急事件之后,地鐵中的工作人員或者消防人員也會指導人員進行疏散.為了便于分析這些因素對于人員疏散的影響,筆者用出口吸引力來表示出口受歡迎的程度,某出口的吸引力越大,則表示該出口越受歡迎,人員選擇該出口的可能性也就越大,反之亦然.筆者對各個出口在不同吸引力情況下的人員疏散狀況進行了模擬,模擬結果如圖7所示. 在圖7中,圖線1為正常出口與疏散通道具有相同吸引力,人員完全按照最近路線的疏散原則選擇出口時的模擬結果.在模擬過程中發現,在這種情況下,在疏散通道附近出現“瓶頸”現象,疏散時間較長.圖線2為降低疏散通道吸引力時的模擬結果.可以發現,當降低疏散通道的吸引力,即更多的人員選擇正常出口進行疏散時,疏散的總時間減少,尤其是在160s之后更是明顯.但是如果進一步降低疏散通道的吸引力(如圖線3)時,則會發現疏散的總時間反而會有所延長.反過來,當增大疏散通道的吸引力時,由于加重了疏散通道附近的“瓶頸”現象,增加了人員排隊等待的時間,從而會導致疏散時間更長.而且,疏散通道的吸引力越大,則所用的疏散時間就越長,如圖線4和5所示.這就說明,疏散通道的吸引力存在一個最佳值.3結 論 本文在分析某地鐵側式站臺疏散模型的基礎上,采用計算機仿真技術,綜合考慮了建筑物結構和人員行為對疏散的影響,對不同地鐵出口條件下的人員疏散過程進行了模擬,得出了如下結論. (1)疏散通道關閉時所用的人員疏散時間要比打開時延長75s左右.這不僅是因為減少了出口的數量,更為嚴重的是會導致大量的人員聚集在出口附近,大大增強了疏散的“瓶頸”現象,從而降低了疏散的效率.另外,還可能造成不利于人員疏散的“反向流”現象. (2)及時打開疏散通道比其中一個延遲打開60s要少用20s左右的時間,而比兩個都延遲60秒打開節省約60s的時間.而且發現,延遲打開疏散通道,不僅延長了疏散時間,而且在出口附近造成了嚴重的擁擠現象,很容易造成人員傷亡.因而,在地鐵發生火災等緊急事故時應及時打開疏散通道. (3)出口的吸引力不同,則人員疏散所用的時間也有所不同.正常出口與疏散通道的吸引力存在一個最佳值,如果通過指導人員有序的進行疏散,使每個出口的人員分配取得最佳值,將會有效地避免出口的“瓶頸”現象,減少人員疏散的時間. (4)采用計算機仿真技術,可以直觀地觀察到人員的整個疏散過程,得到每個時刻的人員分布狀況,從而可以找出地鐵站臺中不利于人員疏散的“瓶頸”位置,進一步優化地鐵站臺的布局.因而,地鐵站臺人員疏散的計算機仿真模擬具有廣闊的應用前景.參考文獻:[1] 劉繼純.人類災難全紀錄[M].北京:兵器工業出版社,2000.5.LIUJi chun.Humantragedyentirenewsreel[M].Beijing:WeaponIndustryPress,2000.5.[2] 汪曉蓉.關于地鐵車站緊急疏散計算的體會「J].科學技術通訊,2001(3):26 27.WANGXiao rui.Theexperienceofcalculationevacuationtimeonsubwaystation[J].ScienceandTechnologyCommunica tion,2001(3):26 27.[3] 芮立群.地鐵的火災疏散和防排煙「J].城市公用事業,1997,11(l):11 12.RUILi qun.Fireevacuationandventingsmoke[J].CityPublicEquipmentProject,1997,11(l):11 12.[4] 徐 高,地鐵車站人員疏散的計算機仿真研究[J].現代隧道技術,2003,40(2):32 34,45.XUGao.Computersimulationstudyonpersonnelevacuatinginmetrostation[J].ModernTunnelTechnology,2003,40(2):32 34,45.[5] KiskoTM,FrancisRL,NobelCR.EVECNET4user sguide[M].UniversityofFlorida,1998.[6]GaleaER,Galparsoro.Acomputer basedsimulation modelforthepredictionofevacuationfrommass transportvehicles[J].FireSafetyJ,1994,22:341 366.[7]FahyRF.Apracticalexampleofanevacuationmodelforcomplexspaces[C]//HumanBehaviourinFire FirstInternationalSymposium.1999:743 751.[8]ThompsonPA,MarchantEW.Acomputermodelfortheevacuationoflargebuildingpopulations[J].FireSafeJ,1995(24):131 148.[9] KostrevaMM,LancasterLC.AcomparisonoftwomethodologiesinHAZARDIfireegressanalysis[J].FireTechnology,1998,34(3):227 246.[10] YungD,HadjisophocleousGV,ProulxG.AdescriptionoftheprobabilisticanddeterministicmodellingusedinFIRE CAM[J].InternationalJournalonEngineeringPerformancebasedFireCode,Vol.1,No.1,1999.[11] ElliottD,SmithD.FootballstadiadisastersintheUnitedKingdom:learningfromtragedy?[J].Ind.Environ.CrisisQ.,1993,7(3):205 229.[12] 霍 然,袁宏永.性能化防火分析與設計[M].合肥:安徽科學技術出版社,2003.HUORan,YUANHong yong.Performance basedfireprotectiondesigncode[M].Hefei:AnhuiScienceandTechnologyPress,2003.[13] LarsBenthorn,H akanFrantzich.Firealarminapublicbuilding:Howdopeopleevaluateinformationandchooseevacuationexit?[J].LundsuniversitetLund,1996.[14] Reportofthetaskforceoncrowdcontrolandsafety[R].CityofCincinnati,Cincinnati,1980.