人员疏散动力学模型

建筑防火设计人员疏散动力学模型曹钱江,吕志静(杭州市消防支队,浙江杭州311700摘要:建立人员疏散动力学模型,认为人群的移动速度在收到火警或者浓烟等的信息后发现火灾,这个阶段就取决于位于人群前面和后面的人的移动速度,以及行人本身想是发现过程。当收到预警以后,人们会尝试去探索和收要移动的积极性。于2011年春节期间在杭州火车站进行了集更多的信息证实火灾是否真的发生,然后通知大楼的个关于拥挤人群疏散的研究,研究表明拥挤人群的最大人员密其他人员进行疏散,这是回应过程的开始。最后,大楼里度和每个人最快的移动速度分别是2.75人/m2和1.54m/s的人员从大楼里疏散出去,这就是移动过程。笔者只研在此基础上合理化人員疏散动力学模型,并进行敏感性分析究移动过程的部分。人员疏散的量化在疏散模型中起着关键词:人员疏散;动力学模型;人员密度;流动速率很重要的作用,并且所有的量化模型必须和实际的数据中图分类号:X913.4,TU248.1文献标志码:B进行校对。文章编号:1009-0029(2011)08-0704-04笔者应用基本的动力学原理形成人员疏散动力学的火灾是最有破坏力的灾难之一,在火灾中的人员疏模型。模型中每个个体的移动速度都受到周围人群和本散显得尤为重要。随着建筑防火技术的不断提高,防火身想要移动的积极性的影响。周围人群的影响反映出个设计工程师和政府监管部门在建筑物的防火安全设计中体想要和周围邻近个体保持相同速度的性质;个体本身想要移动的积极性反映出个体想摆脱周围人群的控制并广泛采用了计算机模拟疏散系统。这个模拟疏散过程包超过他们的性质。笔者发现在人群密度、移动速度之间括两个主要阶段:预先移动过程和移动过程。预先移动存在着一种对数关系。笔者对两种预测结果进行了比可以再细分为两个小过程:发现和回应。首先,人们需要较:一是前面所提到的模型的预测;一是已经存在的人群移动数据的预测。比较结果说明,笔者的模型给出了更[9]侯东升,赵金娜张树平.飘窗纵向防火性能数值模拟[门].消防科学与技术,2010,29(2):113-115准确的结果。为了使笔者的人员疏散动力学模型更具合理性,笔者于春节期间在杭州火车站进行了一系列旅客Numerical simulation on billboards fire流动的调查研究。笔者所有的调查数据都是在非紧急情of commercial build况下收集的,所用事例中旅客的期望移动速度也是正常状况的数值YANG Can-iian1人员疏散动力学模型在该模型中,假设每个个体的移动速度受到周围人4、( Chongqing Shapingba Fire Detachment, Chongqing群的移动速度和本身想要移动的积极性影响。这些影响因素由3个部分构成Abstract FDS was used to simulate Chongqing Shapingba"11(1)前面的人和后面的人的影响。用x(t)表示t时刻3 fire, by setting non- combustible clapboard with width of 0.5人群移动方向上第j个人所在的位置,个体j相对于前面m above billboards, vertical and horizontal spread of fire werecompared with and without clapboard. The results showed that个体(人j-1)的距离和速度分别是|x(t)-x-1(t)|和the non-combustible clapboard can effectively retaed the verticaldx,/dt-dxy-1/dt,为防止和其他的人有身体接触,人j必spread of fire, and for a long time the glass of windows outsid须停下或减速。当相对速度dx;/dt-dx,-1/dt增大时或of the building wont break which can prevent fire spreading相对距离|x(D)-x-1(t)|减小时,减速的力量或是阻碍from outdoor to indoor effectually.的力量就要加大。则人j的阻碍力见式(1)所示:Key words: fire; FDS: billboard; smoke temperature(dx, /dt-dx -1/dt)/z, (t)-I;-1(t)(2)在相关方向上人群的影响。为防止其他方向上作者简介:杨灿剑(1979—),女,湖北随州人,重庆的人流的影响要考虑人j的阻尼力∫,∫>0。为了防市沙坪坝区消防支队工程师,硕士,主要从事防火监督止两个人相撞,当两个人距离很近时阻尼力会增大。工作,重庆市沙坪坝区都市花园中路103号2栋13(3)个体j自身想要移动的积极性p的影响。这部6,401331分因素反映出个体想中国煤化工且超过周收稿日期:2011-03-29围人走到前面的愿望CNMHG心理和704Fire Science and Technology, august 2011, Vol 30, No. 8身体等等状况决定。这个积极性可以理解为一种向前移将视频输入电脑进行分析。为表示在某一时刻某动的力量,因此依据牛顿的运动定律,有式(2):个体的位置,将出口走廊等分为0.4m×0.4m的小格出一t)每一个小格都编上号码。分析数据时,网格线就被叠加到视频图像上。当有行人的头部落在某个网格里时,这f,-pi(2)个人的位置就被记录在该网格里。尽管人的头部运动不式中:M为被评估个体(第j个人)的质量;C为常量。公式的具体推导过程见文献[4]。假设人群中个体定和脚部的运动保持一致,这个人的具体位置也不不能改变方向,推导得个体j运动的速度见式(3):定正好落在网格里,但是这种不一致所带来的误差与一个人在2s内移动的距离相比是可忽略的。这里,2s的n(p)=n(ameB+p288+y)(3)时间距离用于计算旅客的移动速度人的移动速度可以式中:4为个体j的移动速度;p为人群密度;wa为最大用该个体在2s中移动距离除以2s这个时间得到。人人群移动速度;a、By为正向、侧向、自身积极性的权重因群密度就是每个25时间段开始时的密度和结束时的密素;pm、p分别为人群在移动方向上最大和最小的线性度的平均值密度;a2分别为人群在其他方向上最大和最小的线22调查结果性密度;p',分别为人群在移动方向和其他方向的相图1为人群密度和移动速度之间关系的调查结果对线性密度,=(m+pn)/2、p=(m+Pm)/2。可将式(3)简化为式(4)u,(p)=um(aA+BB+y)A=pimp pzIn(pm/ee)B=-p p考虑到测量线性密度的困难,根据人群中个体之间学曲线的最大和最小距离从理论上推导出他们的数值。用来测量单位面积上人员疏散密度的具有代表性的参数p可以1.52025密度/人m2用人/m2来表示。笔者选用2m长走廊的面积为标准图1人群密度和移动速度关系曲线式(4)表示人群中个体的移动速度由3个相关的停止力由图1可知,最大的人群密度约为2.75人/m2,移动组成:(1)移动方向上人群的影响,这个影响和人群密度最快的个体速度为1.54m/s,这符合相关资料的调查研存在着一个反对数的关系,人群密度越大意味着移动速究结果,即成年人在平地上的移动速度是0.98~1.6m/度越小;(2)其他方向上人的影响这个影响和人群密度。同时也可看出,个体之间相互作用导致的很高的人群存在着一个相反的线性关系,人群密度越大,移动速度越密度将会降低个体的移动速度。小;(3)个体自身想要移动的积极性。系数a、B、y分别表根据图1中用人群动力学模型计算出来的流动率曲示上面所提到的3个影响因素能够改变个体移动速度的线,可得到最大的流动率0.81人/(m·s),相对应的密度程度的大小。是1.48人/m2。这个数值低于 Nelson和 MacLennan所2对火车站旅客的研究给出的1.9人/m2的数值,这里有两个原因:一是春节期2.1研究方法间,每个旅客都会携带各种大小不同的行李;二是人群在为使前述模型更具有效性,笔者在2011年春运的高移动过程中都不是很着急,人之间的距离较远。峰时段,和铁路公安系统的工作人员合作,对杭州火车站2.3最大流动速率的旅客进行了一系列的研究。通常春节是一年中所有交流动速率测量表示单位宽度单位时间上能通过的旅通枢纽最繁忙的时期,在近几年的春节前夕,杭州火车站客的数量,见式(5):每天的客流量都接近10万人。当春节假期结束后,火车F=u×p(5)站又会迎来运送高潮。春节的前期和后期是一年中人群式中:F为流动速率,人/(m·s)。密度最大的时期。在调查过程中,工作人员在通往出口铁路部门可以利用调查研究得到的信息优化和控制的地下通道安装了2个摄像头来观测旅客。地下通道的旅客过分拥挤的状况。如要在繁忙时期使旅客最快疏宽度是4m,调查的范围是4m×5m。调查时间为2011散,人群的密度必须这估更多的旅年1月27日至2月1日以及2月5日至10日。中国煤化工客比平时走得快CNMHG份科学与故术2011年8月第30卷第8期7053讨论人员疏散动力学模型并使其合理化果见图3所示。3.1人员疏散动力学模型的合理化由图3可见,这些曲线都落在了一个相对较窄的范为印证式(4),要先得到在流动方向和其他方向上旅围里,说明该动力学模型对4个线性密度的变化不敏感。客的最大和最小线性密度,这些因素都受到旅客的身材和他们行李大小的限制。最大的线性密度是在旅客和他们的行李之间没有任何空间的假设基础上得到的。假设每个旅客在其他方向上和流动方向上的最小的距离分别是75cm和50cm。则在这两个方向上的理论最大线性密度是:m=2人/m,Pm=1.33人/m。为了计算向前方向上的最小线性密度,假设空间由两部分组成:图2中所显示的手臂自由挥舞所需要的长度和行李自由滑动所需要的距离。密度人m2图3敏惑性分析结果图3.3讨论上文提到了a、B和y表示移动方向的内在作用、其他方向的内在作用和个体自身想要移动的积极性对移动速度的影响程度。显然,移动方向上的内在作用相对于其他方向上的内在作用对移动速度有着更大的影响。实65 cm85 cm际上,横向的内在影响可以忽略不计,这和实际情况是相图2向前方向空间距离符合的,在流动中的行人只是跟着前面的行人前进,很少通常一个成人迈出一步的距离是70cm,手臂挥舞的会注意到他们旁边的人。另外,由于Y的数值是0.2,比长度是15cm,行李所占用的距离约65cm,故前进方向0高出很多,所以行人自身想要移动的积极性在人群疏上一个人自由移动的距离为1.5m。为计算在其他方向散中起着很大的作用。上的最小线性密度, Rotman给出了在某一自由移动情在式(4)中,如果人群的密度达到254人/m2的最况下人流的宽度是0.67m。如果加上行李的尺寸,则在大值,那么前进方向的内在作用对移动速度的影响就会旅客移动的情况下使用1m作为横向上的宽度是合理接近于0(把数值代人式(4)中计算),横向的影响会被忽的。因此,在前进方向上和横向上的理论最小线性密度略。但是还是存在着很高的移动速度,主要是行人自身分别是0.67人/m和1.0人/m。把上面的线性密度值带想要移动的积极性在起作用,即当遇到过分拥挤的情况,入式(4),得到A=0.78-0.91ln(p),B=4.0-2.27P。把行人可以通过移动自己的身体和行李改变位置调查的数据带入式(4)可得a=1.2m/s,a=0.576,B=4结论0.02,y=0.205。笔者论述了人员疏散动力学模型,这个模型建立在3.2模型敏感性分析移动速度受到前进方向和其他方向的内在影响以及个体人员疏散动力学模型使用了前述利用普通人的身材内在移动积极性这3方面限制的假设上。为使这个模型和人群内在个体的尺寸计算出来的4个线性密度。因为能应用到实际情况中,在春节期间对杭州火车站的旅客实际的尺寸和名义上的尺寸可能不同,所以保证该动力流量进行了一个调査。调査结果表明该模型和实际情况学模型对4个线性密度的变化不敏感是很重要的。笔者有很高的吻合性。通过对调查数据的分析和对模型的预进行了敏感性测试,在测试中不同的名义尺寸在表1中测,得出以下结论:给定的范围内变化(1)有3个部分影响人群的移动速度:前进方向上的表1敏感性分析参数取值人群的影响,其他方向上的人群的影响和个体的自我移流动方向/cm其他方向/cm动积极性。在前进方向上人群的影响远大于其他方向上最大值最小值最大值最小值人群的影响。150±25100±2075±10(2)对于在交通枢纽中携带行李的旅客,可以用式将表1中的参数取值带入式(4)计算出线性密度,并(4)来描述人群的移动速度和人群密度。其中,A=0.78让式(4)中其他参数在以下范围内取值:n=1.1~1.250.91n(p),B=4.0中国煤化工0.576,8m/sa=0.51~0.62;B=0~0.025;y=0.19~0.25。结=0.02,y=0.205CNMHG顶测火车706Fire Science and Technology, August 2011, vol 30, No, 8站人群的移动速度和流动率。为使模型更加贴近实际情(上接第700页)况,还需要在公共交通枢纽进行更深入细致的研究。在二层展厅环廊内侧设置一定宽度的防火分隔带,(3)笔者所采用的最大人群密度是2.75人/m2将整个展厅共划分为3个防火单元。其中,一层展厅单(4)在通常情况下,当达到某一人群蜜度的时候存在独为1个防火单元(防火单元1),面积为26722m2;二层着一个最大流动率。通过试验得出,在人群密度是1.48展厅平均划分为2个防火单元(防火单元2、3),单个面人/m2时,达到最大流动率0.81人/(m·s)。因此,为了积约为4385m2达到有效疏散人群的目的,必须降低人群密度,使其接近2严把消防质量关1.48人/m2这个数值,从而达到最高的流动率该工程为曲阜标志性建筑之一,也是政府重点投资项目,各级领导对工程质量要求严格,消防施工质量更是参考文献重中之重。施工期间,消防监督人员多次深人工地现场,1] D Helbing, P Molna'r, Social force model for pedestrian dynamics进行施工检查,对防火门、防火卷帘、防火涂料、消防应急].Phys.Rev.E.,1995,51:4282-4286.灯、标志灯,灭火器消火栓等消防产品在安装前均进行[2] D Helbing, I Farkas, T Vicsek. Simulating dynamical features[J.随机抽检,合格后方进行安装,确保了消防施工质量Lett. Nat,407:487-490.3消防监管到位[3]M Schreckenberg, S SHarma. Pedestrian and evacuation dynamics该工程在自动消防设施、电气设施检测合格后通过IM. Berlin: Springer, 2001.消防验收。该工程目前由一个中介服务企业进行管理,[4]Z Fang, SMLo, J A Lu. On the relationship between crowd density and movement velocity]. Fire Safety J., 2003, 38 271-283制定了严格的规章制度,配齐了消防控制室值班人员、消[5] H E Nelson, H A MacLennan. Emergency movement. The SFPE防巡防人员,并对这些人员进行了消防专业培训,重点岗Handbook of fire protection engineering[ M. Quincy MA:NPA,位持证上岗,其他部位两小时一巡查,并建立了巡查档案,对消防设施器材定期维护保养,确保完整好用。[6]M Y Roytman. Principles of fire safety standards for building con-参考文献:struction[M]. New Delhi: Amerind Publishing Co, 1975.[]GB50261-2005,自动喷水灭火系统施工及验收规范[S]Evacuation dynamics model[2]GB50116-98,火灾自动报警系统设计规范[S][3]GB50045-95,高层民用建筑设计防火规范[S]CAo Qian-jiang, L V Zhi-jingFire protection measures of confuciusHangzhou Fire Detachment, Zhejiang Hangzhou 311700culture exhibition center in QufuChina)Abstract: The evacuation dynamics model was built, and it wasYANG Zhou-xing, WANG Gui-xiabelieved that the crowd speed depends on the speed of peoplefront of and behind the crowd, as well as peoples enthusiasm to(ining Fire Detachment, Shandong Jining 272100, China)move. A study of crowd evacuation was carried out during theAbstract: Confucius exhibition center is landmark building ofSpring Festival 2011 at Hangzhou train station, and the re-Qufu, and it includes 3 petals(east exhibition hall, west exhibisearch showed that the maximum density was 2. 75 person/m2,tion hall, north exhibition hall)and a circle pistil exhibitionand the fastest speed was 1. 54 m/s. Based on the study the e-center). The total building area of it is 120 000 m, for meetng, working, receiving and repast. It's big and complicated.vacuation dynamics model was rationalized, and the sensitivity From the aspects of fire protection facility, construction man-analysis was performedKey words: evacuation; dynamics model; person density; flowagement, using management, etc, fie prevention measures, firefighting measures, electric protection measures and smoke exhaunting were introduced.Key words: exhibition center: fire protection design; evacua作者简介:曹钱江(1978-),男,杭州市消防支队tion; smoke control淳安县消防大队副大队长,工程师,学士,主要从事消防监督、防火设计审核工作,浙江省杭州市淳安县新安作者简介:杨周兴,男,济宁市消防支队支队长,学大街123号,311700。士,主要从事建筑工程消防监督检查、消防产品监督管收稿日期:2011-03-28理工作,山东省济宁市金宇路34号,272100。收稿日期:2011中国煤化工CNMHG防科季与披术2011年8月第30卷第8期707