疏散通道溫度變化與人員流動關(guān)系的實驗研究
——以高校教學(xué)樓為例

戎傳亮，雷文君，齊新葉

(山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101)

0 引言

隨著現(xiàn)代社會城市化進(jìn)程的加快，越來越多的人進(jìn)入城市工作和生活，各種娛樂、展覽等大規(guī)模人群活動頻繁出現(xiàn)；人們出游的頻率也越來越高，尤其是在節(jié)假日期間，相關(guān)景區(qū)的人流量十分密集；火車站、地鐵站等公眾聚集場所的人員數(shù)量急劇地增加，人群密度過大則會因擁擠而產(chǎn)生矛盾，不利于行人流的管理[1－3]，甚至?xí)θ藛T的生命安全產(chǎn)生威脅。因此，對行人流量的精確統(tǒng)計分析成為各場所管理行人流向不可缺少的重要依據(jù)。

隨著建筑物越來越多元化，建筑物內(nèi)的疏散通道和出口也由一個變?yōu)槎鄠€，但是仍存在疏散通道和出口不均衡使用的現(xiàn)象。 LEI 等[4]通過實地觀察發(fā)現(xiàn)建筑物的疏散出口存在不均衡使用的現(xiàn)象，從改變建筑結(jié)構(gòu)的想法入手，提出了建筑物疏散出口與疏散樓梯相對位置的改進(jìn)措施，有助于疏散出口的均衡使用。 但是，如何實現(xiàn)建筑內(nèi)某個區(qū)域人員參數(shù)的精確統(tǒng)計一直是國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者關(guān)注的熱點問題。 近些年來，國內(nèi)外學(xué)者在人流量的統(tǒng)計方法的研究中做了大量地探索與實踐，相關(guān)的技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到生活領(lǐng)域當(dāng)中。 徐健等[5]對教室圖像做了灰度化和二值化處理，進(jìn)行了中值濾波，再對圖像作了二值化形態(tài)學(xué)分析和運算，通過腐蝕和膨脹算法，獲得了可以對人員分布作出有效分析的圖像，從而得到對教室人員密度的分析；馬海軍等[6]和張雅俊等[7]提出一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人數(shù)統(tǒng)計方法，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)回歸圖像中人頭中心點獲得人群密度分布特征圖，然后使用嶺回歸模型分析人群密度分布特征圖得到該幀圖像對應(yīng)的人數(shù)；吳松等[8]和沈澤等[9]最先引入了一種基于移動網(wǎng)絡(luò)信令數(shù)據(jù)的思想來實現(xiàn)對人流量的實時統(tǒng)計；茅飛等[10]以軌道交通車站閘機(jī)通道為研究對象，研究閘機(jī)通道對過往人員流量的智能識別統(tǒng)計；CHEN 等[11]和許勝強(qiáng)等[12]基于傳感器的原理，利用視頻、紅外傳感器、壓力傳感器、柔性力敏傳感器等設(shè)備同時監(jiān)測各疏散通道的人員流量。

上述研究對人員密度及流量的監(jiān)測具有一定的指導(dǎo)作用和應(yīng)用價值。 但是，當(dāng)人員流動相對復(fù)雜，且人員較為密集時，這些方法主要存在以下問題:(1) 人數(shù)統(tǒng)計準(zhǔn)確率下降；(2) 有一定的場景使用限制、效率略低，人們的通行體驗往往受到影響；(3) 在現(xiàn)實場景中應(yīng)用時隱蔽性一般、投資較高且不容易實施等。 而建筑內(nèi)的環(huán)境參數(shù)傳感器具有體積小、反應(yīng)靈敏、成本低等優(yōu)點，能夠?qū)崟r記錄人員釋放的熱量和二氧化碳產(chǎn)物，如果能借助環(huán)境參數(shù)傳感器預(yù)測人群密集程度將會事半功倍。 LEI等[13－14]通過現(xiàn)場測試，發(fā)現(xiàn)疏散通道內(nèi)環(huán)境的溫度與二氧化碳體積分?jǐn)?shù)隨著人員流動的快慢而產(chǎn)生相應(yīng)的變化且在人員流動速度較小時，其變化顯著；二氧化碳體積分?jǐn)?shù)與人員流動速度常存在反比關(guān)系。進(jìn)而說明，建筑內(nèi)的環(huán)境參數(shù)可以用來反饋人員流動狀況，但疏散通道內(nèi)溫度的變化與人員流動狀況存在何種關(guān)系需要進(jìn)一步探討。

利用這一思路，文章針對某高校教學(xué)樓各疏散通道開展了實驗測試，分析疏散通道內(nèi)同一時間溫度與人員密度變化的關(guān)系，以期用溫度的變化實現(xiàn)對行人流的預(yù)測，獲取各疏散通道的使用情況，有助于各疏散通道的均衡使用。

1 疏散通道溫度變化與人員流動關(guān)系的實驗方案設(shè)計

1.1 研究對象

監(jiān)測的區(qū)域為教學(xué)樓一樓疏散通道，是絕大多數(shù)學(xué)生上、下課通行的主要通道，短時間內(nèi)人員密度較大。 監(jiān)測區(qū)域的人員分布在時間上具有一定的規(guī)律性，在某些特定的時間段(如上、下課時間段)較為擁擠。 文章將一樓的疏散通道分為了4 個區(qū)域(A、B、C、D)，并布設(shè)了溫度測點 P1、P2、P3、P4，如圖1 所示。 通過對同一時間的實測溫度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，4個區(qū)域的溫度隨時間的變化規(guī)律具有一致性，如圖2 所示。 區(qū)域B 的溫度變化相比其他3 個區(qū)域的溫度變化較大，因此為避免溫度的變化不靈敏以及減小誤差，文章僅針對區(qū)域B 進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，分析溫度變化與人員密度的關(guān)系。

1.2 實驗方案

區(qū)域B 的結(jié)構(gòu)及測點布置如圖3 所示。 為了減少測量數(shù)據(jù)的誤差和隨機(jī)性，在區(qū)域B 內(nèi)的縱向中軸線上布置2 個溫度測點M 和N ，測點高度均為1.9 m、水平間距為1.0 m。 利用2 臺空氣質(zhì)量檢測儀(TSI 7545)進(jìn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測，其溫度的測量精度為±0.6 ℃、溫度分辨率為0.1 ℃。 通過2 個測點的溫度平均值進(jìn)行結(jié)果分析。 同時，在人員不知情的情況下，采取多角度數(shù)碼攝像的方式實時錄像疏散通道區(qū)域B 的人群流動。 測試時間為2019 年4 月8日教學(xué)日的上、下課時間段(人員流動相對集中的時間段)，每個教學(xué)日上、下課時間見表 1。 選擇 7:30 ～8:00、9:20～9:50、12:00 ～12:30、13:20 ～13:50、15:10 ～15:40、16:50～17:20 等 6 個時間段進(jìn)行實地監(jiān)測，分別為上課進(jìn)教室的單向流(7:30～8:00、13:20～13:50)、下課出教室的單向流(12:00～12:30、16:50～17:20)以及上、下課交替的雙向流(9:20～9:50、15:10～15:40)。

圖1 一樓疏散通道建筑結(jié)構(gòu)及區(qū)域劃分圖

圖3 區(qū)域B 測點布置圖/m

表1 教學(xué)日每節(jié)課上、下課的時刻表

1.3 實驗數(shù)據(jù)分析方法

1.3.1 人員數(shù)量測量的誤差分析

用數(shù)碼相機(jī)錄制的視頻來記錄人員數(shù)量。 為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對每個視頻中的行人計數(shù)5 次。行人流量特征通常用行人密度和行人流量表示。 行人密度是指給定時間單位面積的人數(shù)，人/m2；行人密度的時間分辨率為5 s；行人流量是指單位時間內(nèi)通過某一區(qū)域截面的人數(shù)，人/s。 利用變異系數(shù)Cv來反映數(shù)據(jù)的離散程度。 當(dāng)需要比較兩組數(shù)據(jù)離散程度大小的時候，如果兩組數(shù)據(jù)的測量尺度相差太大，或者數(shù)據(jù)量綱的不同，直接使用標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行比較不精準(zhǔn)，而變異系數(shù)能夠消除測量尺度和量綱的影響，它是原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差與原始數(shù)據(jù)平均數(shù)的比。依據(jù)《實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理》[15]可知:測試結(jié)果的優(yōu)劣按變異系數(shù)值來劃分等級，變異系數(shù)Cv＜5%為“優(yōu)等”；5%＜Cv＜10%為“一般”；Cv＞10%為“不良”。變異系數(shù)越小，代表其數(shù)據(jù)的離散程度越小，其平均數(shù)的代表性就越好，反之亦然。 人員數(shù)量的變異系數(shù)計算由式(1)表示為

式中σxi為測量人數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)誤差，人；為測量平均值，人。

測量人數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)誤差由式(2)表示為

式中xi為直接測量值，人；N為測試數(shù)，次。

根據(jù)式(1)和(2)計算得到人員數(shù)量的變異系數(shù)Cv為4.65%，可知數(shù)值處在“優(yōu)等”范圍內(nèi)，故可以忽略此誤差對測試結(jié)果的影響。

1.3.2 疏散通道內(nèi)空氣溫度分析方法

室內(nèi)疏散通道內(nèi)的空氣熱平衡方程文字表達(dá)式為:墻體內(nèi)壁與空氣的對流換熱量＋通風(fēng)得熱量＋人體顯熱散熱量＝單位時間內(nèi)室內(nèi)空氣中顯熱量的增值，可由式(3)表示為

式中F為墻體總面積(不包括門窗面積)，m2；α為室內(nèi)空氣與墻壁的對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；T為墻體內(nèi)表面空氣溫度，K；Ti為室內(nèi)測試點空氣溫度，K；T0為室外空氣溫度，K；ρ為室內(nèi)空氣密度，kg/m3；ρi為室內(nèi)測試點空氣密度，kg/m3；C為室內(nèi)空氣比熱容，J/(kg·K)；Ci為室內(nèi)測試點空氣比熱容，J/(kg·K)；Q為通風(fēng)率，m3/s；q為人體顯熱散熱量，W/人；N為行人數(shù)量，人；t為通風(fēng)時間，s；V為室內(nèi)疏散通道內(nèi)的體積，m3。

由式(3)可知，室內(nèi)空氣中的溫度不僅與行人數(shù)量有關(guān)，還與圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱、通風(fēng)率(機(jī)械風(fēng)量、自然風(fēng)量)、送風(fēng)溫度等變量有關(guān)。 為了便于數(shù)據(jù)分析，文章對式(3)進(jìn)行了如下簡化:

(1) 疏散通道的墻體均為建筑內(nèi)墻，墻體溫度穩(wěn)定，且與室內(nèi)空氣溫差較小，不考慮墻體傳熱的影響；

(2) 測試過程中未開啟機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，故不考慮機(jī)械通風(fēng)的影響；

(3) 每個測試時間段前5 min 內(nèi)室內(nèi)疏散通道的空氣溫度與室外空氣溫度的變化情況如圖4 所示，這段時間內(nèi)沒有大規(guī)模的人員進(jìn)出測試區(qū)域，測試區(qū)域的行人密度約為0。

由圖4 可知，在行人大規(guī)模地進(jìn)出測試區(qū)域之前，室內(nèi)疏散通道中空氣的溫度波動較小或接近穩(wěn)定。 這可能是由于測試區(qū)域沒有與外部直接相通的門窗，室內(nèi)環(huán)境參數(shù)溫度受室外環(huán)境參數(shù)變化的影響較小。 因此，忽略自然通風(fēng)對室內(nèi)疏散通道內(nèi)空氣溫度的影響。 但是，如果建筑疏散通道內(nèi)有與外部直接相通的門窗，則需要考慮自然通風(fēng)率的影響。自然通風(fēng)對室內(nèi)空氣溫度的影響需要通過有限條件(可控)實驗進(jìn)一步研究和探討。

圖4 室內(nèi)溫度與室外溫度隨時間的變化圖

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 7：30～8：00 和 13：20 ～ 13：50 時間段溫度與人員流動關(guān)系分析

7:30 ～ 8:00 和 13:20 ～ 13:50 是學(xué)生單純上課前的時間段，人員流動為進(jìn)入教學(xué)樓的單向流，人員密度較小，如圖5 所示。 通過對測試數(shù)據(jù)的分析，得到了兩個時間段溫度和人員密度隨時間的變化曲線，如圖6 所示。 由圖6 可知，這兩個時間段人員密度隨時間的波動幅度較大、規(guī)律性較差。 這可能跟學(xué)生上課前出行的時間較為分散有關(guān)，人員密度的最大值約為0.3 人/m2。 溫度波動的幅度較小，整體的規(guī)律性較強(qiáng)，兩者的變化規(guī)律是先增大到峰值后再下降到接近初始狀態(tài)。 由于人員密度較小、波動太大，在這兩個人員流動較為隨機(jī)的時間段，很難得到溫度變化與人員密度之間的定性關(guān)系。

圖5 教學(xué)樓B 區(qū)域的人員流動情況圖

圖6 溫度和人員密度隨時間的變化圖

2.2 12：00～12：30 和 16：50 ～17：20 時間段溫度與人員流動關(guān)系分析

12:00～12:30 和 16:50 ～17:20 這兩個時間段的人員流動為下課出教室的單向流，如圖7 所示。由于下課時間的一致性，大量的人員幾乎是同步走出教室，人員活動時間較為集中、隨機(jī)性小，溫度和人員密度隨時間的變化曲線符合高斯分布。 疏散通道的人員密度在下課后1 ～3 min 內(nèi)達(dá)到了峰值，其峰值人員密度分別為3.5、4.0 人/m2，如圖8 所示。隨后溫度也達(dá)到了峰值，12:00～12:30 時間段，溫度升高了 4.2 ℃；16:50 ～17:20 時間段，溫度升高了1.4 ℃。 溫度達(dá)到峰值的時間要滯后，溫度曲線斜率最大的時刻是人員密度剛好達(dá)到最大值的時刻；溫度達(dá)到峰值的時刻為人員密度降到最低值的時刻；溫度升高的過程為人員由聚集狀態(tài)轉(zhuǎn)為分散狀態(tài)的過程。 這兩個時間段，人員密度和溫度隨時間的變化規(guī)律具有一致性。 人員的流動引起了溫度的變化，溫度的變化也可以體現(xiàn)人員流動的狀態(tài)，以此可以根據(jù)溫度的變化判定出疏散通道的人員密集程度。

圖7 教學(xué)樓B 區(qū)域的人員流動情況圖

圖8 溫度和人員密度隨時間的變化圖

2.3 9：20～9：50 和 15：10 ～ 15：40 時間段溫度與人員流動關(guān)系分析

9:20 ～ 9:50 和 15:10 ～ 15:40 這兩個時間段是上下課交替的時間，特點是人員數(shù)量較多，上、下課人員在同一時間開始流動，上課的人員進(jìn)入教學(xué)樓的時間隨機(jī)性較大，人群存在雙向逆流動，如圖9 所示。 由于下課時間的一致性，人員幾乎是在同一時間開始走出教室，人員活動時間較為集中，隨機(jī)性小，溫度和人員密度隨時間的變化曲線同樣也符合高斯分布。 疏散通道的人員密度在下課后1～2 min 內(nèi)達(dá)到了峰值，其峰值人員密度分別為3.5、2.7 人/m2，如圖10 所示。 隨后溫度也達(dá)到了峰值，9:20 ～9:50時間段，溫度升高了5.9 ℃；15:10～15:40 時間段，溫度升高了2.1 ℃。 溫度達(dá)到峰值的時間要滯后，與2.2 所得出的結(jié)論具有一致性。 同時也說明，對于人員活動時間集中、隨機(jī)性小的人員密集性建筑，利用溫度的變化來判定人員的密集程度是合理的。 在實際應(yīng)用中可以通過設(shè)定溫升界限ΔTmax來判定疏散通道的人員密集程度。 如果溫升超過ΔTmax還未達(dá)到峰值溫度，說明人員還在持續(xù)疏散，同時也暗示了疏散通道初始狀態(tài)的人員較為密集，不易疏散；反之，疏散通道的人員較為分散，較容易疏散。

圖9 教學(xué)樓B 區(qū)域的人員流動情況圖

圖10 溫度和人員密度隨時間的變化圖

3 結(jié)論

通過現(xiàn)場實測教學(xué)樓一樓大廳B 區(qū)域6 個時間段的溫度和人員密度、數(shù)據(jù)分析，得到如下結(jié)論:

(1) 疏散通道內(nèi)的環(huán)境溫度會隨著人員密度的變化而產(chǎn)生相應(yīng)變化。 當(dāng)行人進(jìn)入建筑物疏散通道的時間隨機(jī)性較大時(7:30 ～8:00 和 13:20 ～13:50時間段)，人員密度較小(＜0.3 人/m2)，溫度的變化不靈敏，人員密度和溫度隨時間的變化規(guī)律性較差，難以得到溫度變化與人員密度之間的定性關(guān)系。

(2) 當(dāng)絕大多數(shù)行人同一時間進(jìn)入建筑物的疏散通道時(12:00～12:30、16:50 ～17:20、9:20 ～9:50和15:10～15:40 時間段)，人員密度較大(最大時達(dá)到4 人/m2)，溫度的變化較為靈敏，人員密度和溫度隨時間的變化趨勢有著較強(qiáng)的相似性，兩者隨時間的變化規(guī)律基本符合高斯分布，且溫度的變化總是滯后于人員密度的變化，滯后時間約為4 min，即溫度曲線斜率最大的時刻是人員密度剛好達(dá)到最大值的時刻，溫度達(dá)到峰值的時刻為人員密度降到趨向0 的時刻。 溫度升高的過程為人員由聚集狀態(tài)轉(zhuǎn)為分散狀態(tài)的過程，疏散通道內(nèi)的溫度變化可以判定人員的密集程度。