国内外应急疏散模型的对比研究

来源:用户上传      作者:郭小林

　　摘   要：中国特色社会主义进入新时代，公共安全与应急管理工作有了更新的任务和要求，应急疏散是在应急事件发生时保护人民生命的重要举措。国内外专家在应急疏散领域提出了很多计算机模型和数学模型。本文分析了国内外典型应急疏散模型，从应急疏散的个人行为、心理特征、社会环境等方面进行了对比研究，并基于个体和集群对应急疏散的数学模型进行了分析，提出了社会力模型可以比较准确的模拟应急疏散过程，大力推荐利用社会力模型开展应急疏散的决策和应用研究。
　　关键词：应急疏散  应急管理  数学模型  社会力模型
　　中图分类号：TQ086                                文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）03（b）-0239-03
　　现代社会中，人与人、人与社会的交流更加频繁，构成了如今生机勃勃的世界，人的主观能动性促进人类社会不断发展前进。如今的城市中，火车站、地铁站、商场、学校、体育馆、旅游景区等场所都是大量人员聚集的区域，一旦发生地震、火灾、恐怖袭击等突发事件，需要尽快的安全地疏散人员，保护人民的生命财产安全，保障经济社会的安全发展。国内外学者都有大量的研究。
　　1  应急疏散行为分析及研究方向
　　应急疏散本质上是时间优化模型，在最短的时间内把人群从一个危险场所疏散到安全场所。在疏散的过程中，将受到人员的个体特性、人群的行为特征、建筑空间的布局划分等影响。人员个体在疏散过程的行为：反应——分析——撤离、再反应——再分析——再撤离的反复过程;人群的行为包括理性、恐慌、从众等特征;建筑空间布局包括房间、过道、楼道的容量和通过能力。随着计算机的发展，提高了数学模型的求解能力，越来越多的应急疏散模型应运而生。不完全统计，典型的应急疏散模型超过20种[1]。这些模型大都使用了网络节点，模拟建筑物内部空间之间联系，以此制定建筑物内部的疏散，但是各个应急模型都有自己疏散理论，故此各个模型的疏散效果和适用范围都不尽相同。
　　2  国内外应急疏散模型的发展状况
　　2.1 国外应急疏散模型
　　国外应急疏散研究起步比起国内要早一些，典型的有：BFIRES[2]，针对火灾和个人行为开发的应急疏散模型，主要用于医疗建筑物中，最多同时模拟20个人的疏散，因此只能模拟小型的应急疏散。EXITT[3]，是针对发生火灾时建筑物内人员的疏散，利用建筑物的内部空间联系建立网络结构，定义好人员的位置、安全出口和疏散的路径和节点，当火灾发生时，模型会依据最近的安全出口计算出最佳疏散路径，运行中一旦某条路径阻塞或者变得不安全，模型会选择其他的路径代替疏散。EVACNET[4]，是利用水流原理的计算机网络疏散模型，把建筑物内部结构模拟看成水管之间的连接，把人的流动看成水的流动，没有考虑人的个体行为和群体行为，按照水流疏散的时间选取最优的疏散线路，适用于大型建筑物，但是由于没有考虑到疏散个体差异，实际的疏散时间要比模拟的疏散时间要长。BuildingEXODUS，英国格林威治大学火灾安全工学小组开发出的，模拟的是人与人、人与火灾、人与构造物的相互作用[5]，由人员、移动、行为、毒性和危险5个相互交互的子模块组成，建筑物的空间和时间划分为由节点和弧构成的二维网格，适用于医院、学校、车站等人员密集的大型建筑物应急疏散。SIMULEX[6]，是基于人的行为模型，以人员在人群中的个体特性作为分析目标，个体行为和环境互相影响，建筑物的空间划分为精细网络模型多精细的网格，该模型在于真实地反映人员在疏散中的行为，有直观的界面输出，在模拟的时候可以找到一些潜在的风险点。
　　国外的应急疏散模型较为系统，大部分为应急疏散的基础理论，模型各自都有自己的参数和适用范围，直接应用性不强，但可供大量科研工作者借鉴，并可以以此为基础开展二次研究。
　　2.2 国内应急疏散模型发展现状
　　国内的应急疏散模型的研究开始于20世纪90年代末，目前缺少成熟的模型和软件[7]，但国内科研工作者也研究出了不少的應急疏散模型。如袁理明等提出的计算疏散时间的数学模型[8]，温丽敏等提出的火灾群集疏散模型[9]，刘文利等提出的地下商业街建筑人群疏散模型[10]，王志刚开发了地下大型商场火灾人员疏散计算机模型[11]，陈一州等开发的人群疏散数学模型[12]，李峰等从心理学和社会学出发研究人员聚集疏散问题[13]，郑霞忠等探究楼梯汇流运动规律[14]，邓宇菁等改进社会力模型的人群疏散[15]。
　　国内的应急疏散模型正在逐步发展，但由于人群流动和个体特征的复杂性，以及建筑物本身也具备一些特殊性，应急疏散研究成果的难以应用于各种建筑物。
　　3  基于应急疏散数学模型
　　数学模型是根据事物的真实变化，将所有的变化联系建立对应的数学公式，再通过计算求解得出结果的一种数学方法。如果数学模型得到的结果不理想，我们可以调整模型参数得到比较理想的结果。由于数学模型其独有的前瞻性、预测性、易调整性和易决策性，应急疏散应用数学模型来研究更具优势。可以根据从疏散的特性借鉴对应数学模型。
　　3.1 基于个体特征的疏散数学模型
　　Helbing[16]提出的社会力模型是基于个体的微观疏散模型，应用了流体动力学原理，分析行人运动的受力状态，包括心理初始动力、人与人之间的心理排斥力、人与障碍物之间的物理排斥力，这些力综合作用并影响行人下一步运动行为，最终通过计算得出疏散的时间，还可以反映疏散中出现的拥堵、挤压等状态，数学模型如公示（1）。 　　
　　3.2 基于群集特征的疏散数学模型
　　李钊[17]等针对现代高层电梯建筑，基于Evacnet利用水流原理，所有的人的特征都一样，是一种群集疏散，建立的数学模型如公示（2）。
　　3.3 综合个体及群集的疏散数学模型
　　陈一州[12]等开发人群疏散数学模型，是基于的流体动力学原理，分析了个体特征，结合了人员疏散的移动速度、疏散时间、人群密度等建立数学模型，并经过大量的模拟耦合，建立了人群疏散数学模型，如公式（3）。
　　以上各个数学模型中参数的具体含义在对应的参考文献中有详尽描述，科研工作者可以根据对应应急疏散的特征选取对应数学模型进行定量研究。其中Helbing等提出的社会力模型分析应急疏散行为比较全面，适用面广，可以很大程度的模拟的真实情况，同时数学模型参数的调整和修改比较容易，二次开放相对容易。李钊的数学模型能很好反应群集疏散，但不能反映个体行为差异。陈一州的数学模型研究得比较透测，但参数太多且结构复杂，系数在今后的变化中可能需要重新调整，再次开发不太容易。
　　4  结语
　　应急疏散方案尽可能的模拟被疏散对象的个体特征、群体特征和社会环境因素，要经得住科学和社会的考验。国内外应急模型都各有特点，在各自的特定适用范围都有很好的应用型，但随着经济社会的变化发展，会对应着社会参数和系数的变化，这些模型都需要继续修正和发展。社会力模型考虑到了心理因素和物理因素，可以比较真实的模拟应急疏散过程，大力推荐利用社会力模型开展应急疏散的决策和应用研究。
　　参考文献
　　[1] Gwynne S，Galea E R，Owen M， et al. A Review fo the Methodologies Used in the Comper Simulation of Evacuation from the Built Environment[J].Building and Environment，1999（34）：741-749.
　　[2] Stahl F. BFIRES II：A Behavior Based computer Simulation of Emergency Egress during fires[J].Fire Technology，1982，18（1）：49-65.
　　[3] Levin B M.EXITT-A Simulation Model of Occupant Decisions and Actions in Residential Fires[C]//Proceedings of 2nd International Symposium on Fire Safety Science. London： The International Symposium on Fire Safety Science，1988：561-570.
　　[4] T. Kisoko，R. Francis，and C.Noble. EVANCET4 User’s Guide[R]，University of Florida，1998.
　　[5] 郝树青. 基于风险及Exodus的地下空间火灾疏散[J].地下空间与工程学报，2010（6）：1495-1498.
　　[6] Thompson P， Marchant E. A Computer Model for the Evacuation of Large Building Populations[J]. Fire safety Journal，1995（24）：131-148.
　　[7] 姜传胜，杨铸.公共安全之人员应急疏散[J].安全，2004，25（1）：7-9.
　　[8] 袁理明，范维澄.建筑火灾中人员安全疏散时间预测[J].自然灾害学报，1997，6（2）：30-35.
　　[9] 温丽敏，陈全，陈宝智，等.火灾中群集疏散的设计方法及计算机仿真[J].东北大学学报，1998，19（6）：1-4.
　　[10]文利，熊洪.地下商業街建筑人员疏散预测[J].火灾科学，1999，8（3）：72-79.
　　[11] 王志刚.地下大型商场火灾时期人员疏散计算机模型[J].火灾科学，2001，10（1）：57-62.
　　[12]陈一州，陈文涛，等.复杂建筑人员密集区域疏散模型[J].中国安全科学学报，2019，29（5）：13-18.
　　[13]李锋，刘晓强.基于Agent和元胞的火灾逃生仿真模型应用研究[J].系统仿真学报，2008， 20（15）：163-167.
　　[14]郑霞忠，田丹，谢雪凌，等.考虑被疏散者汇流的楼梯疏散模型[J].中国安全科学学报，2018， 28（8）： 168-173.
　　[15]邓宇菁，陈鹤天.基于改进社会力模型对人群疏散过程的模拟[J].现代计算机，2019（27）：27-31.
　　[16]Helbing D. Simulating dynamical features of escape panic[J]. Nature，2000，407 （ 6803 ） ： 487-490.
　　[17]李钊，梁栋，等.基于Evacnet模型的高层建筑电梯疏散特性研究[J].安全与环境工程，2016，23（6）：160-165.
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