基于Pathfinder的醫(yī)院人群疏散仿真研究

陳巖

摘 要：本文以某醫(yī)院住院樓為研究對象，利用Pathfinder人群疏散軟件對其進行數(shù)值模擬，根據(jù)人數(shù)的不同分別設(shè)定了5種疏散場景，分別計算出疏散時間，隨后在5個場景中加入使用電梯這一疏散方式。結(jié)果表明，疏散時間隨著人數(shù)的增加而延長;一部分疏散人群利用電梯疏散可提高人群疏散效率。本文得出的結(jié)果可為醫(yī)院人群疏散設(shè)計提供參考依據(jù)，因此具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：醫(yī)院;人群疏散;Pathfinder;數(shù)值模擬

中圖分類號：TU998.12文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2018）29-0107-03

Abstract： This paper took a hospital inpatient building as the research object， and used Pathfinder crowd evacuation software to numerically simulate it. According to the number of people， five evacuation scenarios were set， and the evacuation time was calculated separately. Then the elevator was added to the five scenarios. The results showed that the evacuation time was prolonged with the increase of the number of people， so that some evacuation people could use elevator evacuation to improve the evacuation efficiency of the crowd. The results can provide a reference for hospital evacuation design， so it has important significance.

Keywords： hospital;crowd evacuation;Pathfinder;numerical simulation

隨著我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，醫(yī)院的功能不斷趨于多元化，高層建筑成為大型醫(yī)院建筑的主要形式。醫(yī)院作為病患的集中場所，一旦管理不善，發(fā)生火災(zāi)，就會導(dǎo)致大量人員傷亡與財產(chǎn)損失。因此，對醫(yī)院人群疏散進行研究有利于保障人民的生命安全和減少財產(chǎn)損失。

國外對人群疏散的研究比國內(nèi)起步早。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，多數(shù)學(xué)者將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和最優(yōu)化技術(shù)運用于人群疏散的研究中[1]。這些技術(shù)彌補了以往利用數(shù)學(xué)模型計算量大且復(fù)雜的缺點，因而得到廣泛應(yīng)用。例如，ZY Li等利用Pathfinder軟件對地鐵車站進行了人群應(yīng)急疏散模擬，并對模擬結(jié)果進行分析。研究表明，人群在疏散樓梯與出口處出現(xiàn)瓶頸現(xiàn)象[2]。黨會森和趙寧宇利用人群疏散軟件Pathfinder對不同出口條件的房間進行數(shù)值模擬，分析了出口寬度對人群疏散時間的影響。研究得出了最適宜的出口寬度，為建筑設(shè)計提供了理論依據(jù)[3]。

1 Pathfinder人群疏散軟件簡介

Pathfinder是由美國Thunderhead Engineering公司開發(fā)的一款人員進出與運動的模擬器，運用游戲角色領(lǐng)域技術(shù)，通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)，能使疏散人群中每個個體的移動進行圖形化的虛擬演練，從而準確計算出每個個體的疏散時間，且能觀察每個個體的疏散過程。Pathfinder軟件中包括兩種模式，分別為SFPE與Steering。在SFPE模擬場景中的人會以流量為依據(jù)來選擇最近的出口，且人與人之間維持合理的距離，此模式更適合于隊列情景。而在Steering模式中，則會運用路徑規(guī)劃、碰撞處理和指導(dǎo)機制處理疏散人員的移動，充分考慮人與人之間的作用，若是人與人之間的距離與最近的路徑超過一定的閾值，那么人員就會改變其原有的路徑。因而，Steering模式更加貼近疏散時的真實場景。

2 模型的建立

2.1 建筑物概況

本文的模擬對象為某醫(yī)院住院樓，該建筑共有15層，首層為藥房、庫房及各類化驗室，二層至十五層為各科室病房。其中，首層共有四個疏散出口，兩個疏散樓梯，除此以外該建筑共配有六個電梯，其中兩部為消防電梯。圖1為該醫(yī)院Pathfinder模型結(jié)構(gòu)。

2.2 模擬參數(shù)設(shè)置

醫(yī)院中的病患較多。通過調(diào)查，筆者將人群類別、所占總?cè)藬?shù)的比例及行走速度設(shè)定為如表1所示的值。

3 疏散場景設(shè)置

本文主要研究不同人群數(shù)量狀況下的疏散過程，因而分別設(shè)置了5個疏散場景。其中，一層的人流量大，因此，將一層的人數(shù)設(shè)置為1 000人，人群密度為0.57人/m2。除此之外，五個場景中其余各個樓層的人數(shù)設(shè)置均不同。其中，場景一的疏散人數(shù)設(shè)置為6 298人，場景二疏散人數(shù)設(shè)置為5 199人，場景三的疏散人數(shù)設(shè)置為3 799人，場景四疏散人數(shù)為2 396人，場景五的疏散人數(shù)設(shè)置為1 697人。

4 疏散過程分析

從實際來看，無論哪種疏散情景，人群均在疏散樓梯中大量堵塞。其中，情景一中所需疏散人數(shù)最多。同時，單一的疏散方式使得眾多人群只得利用疏散樓梯進行疏散，因此所用的疏散時間最長，并且大量的人群在兩個疏散樓梯上擁堵，最終在3 321s疏散完畢。情景一300s時的疏散狀態(tài)如圖2所示。在情景二中，疏散樓梯中同樣存在嚴重的擁堵問題，整棟建筑完全疏散所用的時間為2 793s。情景三中設(shè)置的疏散人員總數(shù)為3 799人，樓梯擁堵現(xiàn)象較前兩種情景稍有改善，人群在樓梯停滯的時間較短，在1 920s疏散完畢。而情景四和情景五中，疏散人數(shù)較少，因而所用的疏散時間也較為短暫，分別用了1 006s與540s。由此可得出，在此建筑中，疏散人數(shù)越少，所用的疏散時間就越短，反之所用疏散時間就越長。情景一至情景五疏散人數(shù)隨時間變化如圖3所示。

5 使用電梯情境下的人群疏散模擬

以往在發(fā)生火災(zāi)的緊急情況下，電梯要在第一時間降至首層，同時要切斷電梯電源，疏散人員不得使用非消防電梯進行人員疏散，因而處于高層的人員全部都要通過疏散樓梯進行逃生。20世紀90年代，建筑的防火設(shè)計技術(shù)逐漸成熟，大多數(shù)電梯都配備有防煙前室，防火防煙功能較好，因而安全性高，因此利用電梯疏散也不是不可行的。目前，國外已經(jīng)有不少利用電梯成功疏散的案例，比如：1974年，巴西圣保羅市一棟25層的大樓起火，在火災(zāi)發(fā)生初期，超過300名疏散人員通過4部電梯成功逃生 。電梯疏散具有縮短疏散距離、減少疏散時間等優(yōu)點，吸引了大量研究人員加入電梯疏散的探討與研究中。因而，在此疏散場景中，加入了電梯疏散這一疏散方式，重新設(shè)置疏散模型中的人群疏散行為，以探究使用電梯疏散的情況下人員疏散狀況。其中，第二層、第四層、第六層、第八層、第十層、十二層與十四層的人員共使用6部電梯疏散，其余樓層人員使用疏散樓梯疏散。6部電梯的參數(shù)設(shè)置如下：額定負載人數(shù)21人，電梯的運行方向由一層至十五層，加速度為1.2m/s2，最大速度為2.5m/s2，電梯門打開與關(guān)閉之和為7s。情景一至情景五使用電梯疏散人數(shù)隨時間變化如圖4所示。

從圖4可知，使用電梯這一疏散方式后，五種情景的疏散時間大大縮短。這是因為一部分人通過電梯逃生，減少了人群疏散樓梯中的擁堵，提高了疏散效率。各個情景下是否使用電梯進行疏散的時間對比如表2所示。

從表2可以看出，疏散人數(shù)越多，使用電梯疏散取得的效果就越顯著，尤其在情景一人數(shù)最多的情況下，總共節(jié)省了1 236s，大大縮短了疏散時間。而在疏散場景五中，由于每個樓層疏散人數(shù)較少，因而疏散樓梯中人群擁堵的狀況不太嚴重，是否使用電梯疏散對疏散時間的影響并不大。

6 結(jié)論

本文以某醫(yī)院住院樓為研究對象，運用人群疏散軟件Pathfinder對其在不同的疏散場景下進行數(shù)值模擬，通過模擬得出以下結(jié)論。

①在此建筑中，疏散人數(shù)會影響疏散時間，疏散人數(shù)越多，疏散時間就越長。同時，在所設(shè)定的5個疏散場景中，單一疏散方式使得疏散人員均在疏散樓梯上大量停滯、擁堵，人數(shù)越多，擁堵情況就越明顯。

②電梯疏散具有疏散距離短、疏散速度快等優(yōu)點。因而，本文加入了電梯疏散這一疏散方式，對不同疏散人員數(shù)量下的人員疏散進行數(shù)值模擬。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加入電梯疏散這一方式可減少疏散樓梯中的人數(shù)，減輕擁堵，使疏散時間大大縮短，疏散效率提高，并且疏散人數(shù)越多，縮短的時間就越長。

為了提高疏散效率，應(yīng)有效控制該住院樓的入住人數(shù)，同時應(yīng)對醫(yī)院醫(yī)護人員進行消防演習，進而使疏散有序進行。此外，還應(yīng)增加人群疏散方式，如在火災(zāi)中使用消防電梯疏散等。

參考文獻：

[1]方星，黃培清，霍良安，等.大型活動中人群的應(yīng)急行為研究綜述[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2011（11）：22-28.

[2]ZY Li，M Tang，D Liang， Z Zhao，et al. Numerical Simulation of Evacuation in a Subway Station[J].Procedia Engineer-ing，2016（135）：615-620.

[3]黨會森，趙寧宇.基于pathfinder的人員疏散仿真[J].中國公共安全（學(xué)術(shù)版），2011（25）：46-49.