基于仿真技術(shù)的人口密集地下空間消防應(yīng)急疏散建模及優(yōu)化研究

朱苓榛 張道康 潘薈全 彭宏志 杜沐

摘要：隨著城市建設(shè)的發(fā)展，地下空間也逐漸被開(kāi)發(fā)利用。以地鐵為代表的城市地下空間具有人口高密度、封閉性等特征，相關(guān)的安全問(wèn)題亦十分突出，公共安全隱患亟待解決。本文系統(tǒng)性的闡述了我們結(jié)合仿真建模、社會(huì)力模型等新技術(shù)和行為心理學(xué)、城市安全學(xué)等多學(xué)科交叉的全新解決方案，旨在為城市地下空間公共安全問(wèn)題的解決提供新的思路。

關(guān)鍵詞：城市安全;地下空間;仿真技術(shù);行為心理學(xué);消防疏散

1 引言

隨著我國(guó)城市人口急速膨脹，開(kāi)發(fā)利用地下空間已成為未來(lái)城市發(fā)展的重任。地下空間具有封閉性，尤其在人口密度較高的功能型地下空間，安全事故時(shí)有發(fā)生，公共安全存在巨大風(fēng)險(xiǎn)。

本研究著眼于人口高密度地下空間應(yīng)急疏散需求，以成都春熙路地鐵站為例，利用仿真模擬技術(shù)，構(gòu)建智慧疏散模型和人流數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合行為心理學(xué)等多學(xué)科交叉知識(shí)，建立具有實(shí)證性的疏散效能評(píng)估體系并提出面向該地區(qū)的普適改進(jìn)解決方案，提升緊急情況疏散效率和處置專(zhuān)業(yè)化水平。

2 研究背景

2.1城市地下空間概述

2.1.1發(fā)展現(xiàn)狀

城市地下空間是一個(gè)巨大而豐富的空間資源，可量化為可供開(kāi)發(fā)的面積、合理開(kāi)發(fā)深度與適當(dāng)?shù)目衫孟禂?shù)之積。2012年我國(guó)城市建設(shè)用地總面積為32.28萬(wàn)公頃，按照40%的可開(kāi)發(fā)系數(shù)和30米的開(kāi)發(fā)深度計(jì)算，可供合理開(kāi)發(fā)的地下空間資源量就達(dá)到3873.60億立方米。

目前中國(guó)城市地下空間開(kāi)發(fā)利用的目標(biāo)是：加快開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃編制、制定政策法規(guī)、理順管理體系、推進(jìn)地下空間建造技術(shù)創(chuàng)新與進(jìn)步，初步形成與地面建筑相結(jié)合的地下人流、物流的公共空間體系以及構(gòu)筑城市綜合防災(zāi)綜合體系，這與我們的研究息息相關(guān)。

2.1.2現(xiàn)有地鐵站的安全隱患

地鐵建設(shè)的快速推進(jìn)促進(jìn)了城市交通便利，但也為公共場(chǎng)所應(yīng)急管理埋下了新的安全隱患。地鐵安全事故頻繁發(fā)生，幾乎每次都引起了大量傷亡。

2.1.3公眾安全意識(shí)淡薄

前期走訪和問(wèn)卷調(diào)研顯示，地鐵運(yùn)營(yíng)者和乘客雙方均存在安全意識(shí)淡薄的問(wèn)題。地鐵運(yùn)營(yíng)方很少進(jìn)行安全知識(shí)和注意事項(xiàng)普及，本身也缺乏科學(xué)有效的應(yīng)急基礎(chǔ)設(shè)施和疏散預(yù)案。從乘客角度來(lái)看，絕大多數(shù)人并不了解安全注意事項(xiàng)，對(duì)地鐵相關(guān)應(yīng)急疏散設(shè)施和逃生路線感到陌生。

2.2春熙路地鐵站概述

春熙路位于成都市錦江區(qū)春熙路街道，是成都乃至中西部地區(qū)最為繁華的商業(yè)街。它坐落在商圈核心位置，毗鄰大型商業(yè)廣場(chǎng)，是成都地鐵2、3號(hào)線的換乘站，站內(nèi)建有美食街，連接多個(gè)商業(yè)區(qū)。

目前春熙路站發(fā)生的安全事故并不多，但安全隱患依然存在。地鐵區(qū)域突發(fā)事件極易導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)人員高度聚集或產(chǎn)生恐慌，擾亂正常秩序，增加公共安全事故風(fēng)險(xiǎn)。

3 文獻(xiàn)綜述

3.1國(guó)內(nèi)外已有研究成果

20世紀(jì)初，英美等國(guó)就在關(guān)于應(yīng)急疏散的研究報(bào)告中規(guī)定了樓梯單元的寬度、疏散的有效時(shí)長(zhǎng)等具體標(biāo)準(zhǔn)。上世紀(jì)70年代，英國(guó)John J，F(xiàn)ruin提出了人群的平均行走速度與人群的密度之間的關(guān)系曲線，并且引入“服務(wù)水準(zhǔn)”的概念。其后Sanddberg、Helbing等人分別借助類(lèi)比、數(shù)學(xué)分析等技術(shù)手段對(duì)疏散時(shí)間、人員移動(dòng)速率和疏散影響因素進(jìn)行研究。

國(guó)內(nèi)的應(yīng)急疏散研究始于上世紀(jì)90年代，起步較晚。因相關(guān)研究數(shù)據(jù)較少，對(duì)于火災(zāi)、地震等突發(fā)性安全事故的疏散研究仍處于定性階段，以吳鵬志、盧兆明等人的研究為代表。

3.2已有成果的優(yōu)缺點(diǎn)

方法層面，我國(guó)處于技術(shù)落后階段。而國(guó)外利用仿真技術(shù)的研究缺乏針對(duì)疏散影響因素中關(guān)于人員心理作用及周?chē)h(huán)境影響的分析研究與詳細(xì)數(shù)據(jù)支撐，多局限于描述性表述研究，缺乏定量分析。

另外，目前缺乏解決實(shí)際問(wèn)題方案的深度研究。優(yōu)化方案多采用服務(wù)設(shè)施優(yōu)化配置以控制人員疏散效率，并以疏散路徑的最短幾何長(zhǎng)度作為最優(yōu)疏散路徑，缺乏對(duì)疏散影響因子的整體把握，忽略了應(yīng)急情況下人員心理行為。因此，需要進(jìn)一步研究地鐵站應(yīng)急疏散模型的適用規(guī)則。

4 方法設(shè)計(jì)

4.1技術(shù)路線

4.2研究框架

4.2.1收集數(shù)據(jù)

一手資料主要來(lái)源于文獻(xiàn)閱讀和已完成的實(shí)地調(diào)研。本研究具有獨(dú)占性，需要我們對(duì)春熙路地鐵站開(kāi)展實(shí)地調(diào)研，探究社會(huì)應(yīng)急疏散意識(shí)現(xiàn)狀以獲取一手資料。問(wèn)卷調(diào)查主要研究?jī)煞矫鎯?nèi)容：社會(huì)應(yīng)急疏散意識(shí)現(xiàn)狀、實(shí)際影響因子數(shù)據(jù)。

二手資料主要指春熙路地鐵站平面圖以及春熙路地鐵站人流量數(shù)據(jù)等，我們與相關(guān)部門(mén)合作，獲取了準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

4.2.2個(gè)體行為特征與影響因子

個(gè)體疏散行為遵循“感知-心理-決策-行為”模式，突發(fā)情況時(shí)，恐慌心理影響個(gè)體決策導(dǎo)致其行為表現(xiàn)為應(yīng)急狀態(tài)，使群體行為處于無(wú)序的狀態(tài)，導(dǎo)致群體移動(dòng)速率、疏散行為不一致。

疏散時(shí)各種因素導(dǎo)致個(gè)體移動(dòng)速率變化率不同，本研究歸納為以下幾種。

4.2.3建立模型

我們將社會(huì)力模型作為對(duì)象，使用仿真軟件Anylogic進(jìn)行建模。

社會(huì)力模型認(rèn)為行人運(yùn)動(dòng)同時(shí)受自身和外界的影響，兩者共同作用于產(chǎn)生行人的運(yùn)動(dòng)力，可以視為是系統(tǒng)合力作用的結(jié)果，符合真實(shí)應(yīng)急疏散狀況。我們可以利用軟件的行人庫(kù)創(chuàng)建行人設(shè)施，通過(guò)參數(shù)控制行人的行為和設(shè)施通過(guò)能力，也可用JAVA編程定義數(shù)據(jù)。

從模型匹配、仿真效果等多方面考慮，社會(huì)力模型與Anylogic仿真軟件符合研究需求。

4.2.4疏散效能評(píng)估

疏散時(shí)間是指將乘客從站臺(tái)層疏散至站廳公共區(qū)域或其他安全區(qū)域的時(shí)間。我國(guó)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》《鐵路旅客車(chē)站建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》《建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范》均對(duì)評(píng)估提出了具體標(biāo)準(zhǔn)。

研究顯示，此站設(shè)計(jì)導(dǎo)致區(qū)域群體運(yùn)動(dòng)速率不同。研究提供了人員密度分布圖，可直觀體現(xiàn)每個(gè)時(shí)刻各個(gè)地方的人流密度，用于評(píng)估春熙路地鐵站疏散效能。

4.2.5制定優(yōu)化策略

優(yōu)化策略主要分為三個(gè)部分：1.通過(guò)改造不合理建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行空間優(yōu)化設(shè)計(jì);2.增加工作人員疏導(dǎo)能力達(dá)到應(yīng)急管理優(yōu)化;3.通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)疏散路徑優(yōu)化。

4.3研究難點(diǎn)

本項(xiàng)目難點(diǎn)在于春熙路地鐵站物理層、邏輯層的構(gòu)建。該站出口、閘機(jī)、樓梯等眾多，在CAD平面圖、物理層構(gòu)造方面需盡量符合真實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。而人流眾多又要求我們?cè)谶壿媽用姹M量考慮更多情況，模型搭建難度高。

5 結(jié)論與改進(jìn)

研究發(fā)現(xiàn)，地下空間的安全隱患切實(shí)存在，印證了研究的必要性。在總結(jié)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和已有研究成果的基礎(chǔ)上，我們認(rèn)為可利用仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)低成本的模擬演練。而結(jié)合行為心理學(xué)、問(wèn)卷調(diào)查等實(shí)證數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，不僅可行，模型也更具真實(shí)性，是解決封閉空間優(yōu)化設(shè)計(jì)的最佳解決方案。

目前研究局限于春熙路地鐵站，所有的模型和參數(shù)來(lái)源的樣本也僅限于此，存在樣本較小的問(wèn)題，后續(xù)將擴(kuò)大研究范圍。另一方面，我們做得還不夠。未來(lái)應(yīng)是致力于建立一個(gè)基于人流大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行疏散云決策的系統(tǒng)，精準(zhǔn)保證公共安全，實(shí)現(xiàn)智慧化調(diào)節(jié)。這依賴(lài)更多算法和技術(shù)的配合，后續(xù)我們會(huì)加大相關(guān)的功能性研究。

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