呂 偉 ，穆治國，劉 丹

(1.武漢理工大學 中國應(yīng)急管理研究中心，湖北 武漢 430070;2.安全預(yù)警與應(yīng)急聯(lián)動技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430070)

0 引言

近年來，大型公共場所相繼發(fā)生擁擠、踩踏等群體傷亡事件，人員疏散問題越來越受到重視。緊急疏散時，如何正確選擇疏散路徑，成為實現(xiàn)快速、安全疏散的關(guān)鍵問題。大型購物中心是典型的公共場所，一般為多層結(jié)構(gòu)，樓梯或電梯數(shù)量較少，且整體屬于比較封閉的空間結(jié)構(gòu)[1]，人員疏散難度本身就非常之大。突發(fā)情況下，人員在疏散時盲目跟隨他人，希望通過最短路徑快速逃生，在出口處或較窄的“瓶頸”路徑處容易發(fā)生擁堵，出現(xiàn)“快即是慢”的現(xiàn)象。而熟知購物中心環(huán)境的員工可對已經(jīng)擁堵的人群或即將向擁堵處移動的人員進行行為矯正[2]，通過方向動態(tài)引導的方法把人員引至通暢的路徑上去[3-4]，避免擁堵情況發(fā)生，使疏散完成時間大大縮減。有研究表明，在突發(fā)事件中，一些店員的積極行為對及時疏散有重要作用, 購物中心員工的引導行為可以有效影響疏散人員對于逃生路徑的選擇，有助于保障人員生命安全[5]。

本文針對大型購物中心的大規(guī)模人員疏散問題，以優(yōu)化疏散路徑、合理利用各個出口的通行能力為目標，提出設(shè)置疏散引導人員引導人群選擇合理疏散路徑的方案，并依照實際數(shù)據(jù)建立模型，利用疏散軟件EVACNET4進行2次模擬：第1次模擬采用未優(yōu)化路徑，不設(shè)置引導人員；第2次模擬根據(jù)采用優(yōu)化路徑，并設(shè)置引導人員引導疏散。經(jīng)過分析模擬結(jié)果，驗證使用該方案使得疏散效果得到明顯改進。

1 疏散場景和EVACNET基本原理

1.1 購物中心概況

某大型購物中心為3層建筑，商業(yè)運營部分的有效面積為3 159 m2，總建筑面積為9 477 m2。第1層高度為5 m，2和3層高度為4 m，各樓層空間結(jié)構(gòu)布局大體相同，1層共設(shè)5個安全出口，連接2和3層的樓梯共有3個，2和3層人員只能通過樓梯行至1層然后從各個出口疏散出去，該大型購物中心1層空間結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，各安全出口和樓梯寬度數(shù)據(jù)如表1所示。

圖1 購物中心1層空間結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 A sketch of the spatial structure of the first floor of the shopping mall

表1 購物中心出口和樓梯的寬度Table 1 Width of exits and stairs in shopping mall

1.2 EVACNET基本原理

EVACNET4是對大型公共場所進行疏散模擬的實用軟件[6]，它將復(fù)雜的建筑模型以節(jié)點和弧的形式轉(zhuǎn)化為疏散網(wǎng)絡(luò)圖，利用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)化程序語言進行編程輸入，快速計算疏散結(jié)果并得到詳細的疏散數(shù)據(jù)。該軟件基于最短路徑的設(shè)計方案，人員疏散選擇的路徑均為距離出口最近的弧。其中，節(jié)點表示建筑內(nèi)的某一類結(jié)構(gòu)單元，例如，WP1.2表示2層第1間商鋪；弧表示人員從1個節(jié)點走到另1個節(jié)點的單向路徑，例如，HA1.1-LO1.1表示從1層第1條走廊到1層第1個大廳。節(jié)點和弧的含義分別如表2～3所示。

表2 EVACNET中的節(jié)點類別Table 2 Types of nodes in EVACNET

表3 EVACNET中的路徑表示Table 3 Path description in EVACNET

2 人員疏散模擬

2.1 購物中心疏散網(wǎng)絡(luò)模型建立

圖2 購物中心1層疏散網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Evacuation network in 1st floor of shopping mall

根據(jù)EVACNET4的規(guī)則，將大型購物中心的每層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為疏散網(wǎng)絡(luò)圖，圖2為建購物中心1層的疏散網(wǎng)絡(luò)圖，第2層的疏散網(wǎng)絡(luò)圖與之類似，并通過3部樓梯SW1.1、SW2.1和SW3.1與1層相連接。EVACNET4規(guī)定了購物中心內(nèi)每個節(jié)點的人員密度等級，根據(jù)購物中心每個節(jié)點的面積就能夠確定購物中心內(nèi)的人員容量。本文在大型購物中心各區(qū)域人員密度一定的條件下設(shè)定與實際相符的人員分布，如表4所示。購物中心內(nèi)設(shè)置人員7 990人，各層、各區(qū)域人員數(shù)量均不超過規(guī)定的人員容量上限，人員移動速度取一般值1.13 m/s[7]。

表4 人員分布及數(shù)量設(shè)置Table 4 Pedestrian distribution and quantity setting 人

2.2 無人員引導的疏散模擬

運用EVACNET進行疏散模擬是計算機依據(jù)疏散原理自動計算的過程，無法加入人為干預(yù)(如在某些節(jié)點進行分流引導)，其模擬計算結(jié)果是一種不考慮人員引導的結(jié)果，因此可以對出口和通道使用率、出口利用均衡性、路徑瓶頸進行原始分析，尋找制約疏散效率的關(guān)鍵因素。本文所指無人員引導的疏散模擬即運用EVACNET進行的原始疏散模擬。

在無人員引導疏散情景中，疏散開始時，人員首先尋找距離自己最近的出口，按照購物中心內(nèi)設(shè)置的疏散指示標志或者自己熟悉的路線移動[8]，2和3層人員則選擇離自己最近的樓梯，通過EVACNET4的運算，可以得到人員疏散所需時間為191個時間步，共計573 s，其中出現(xiàn)擁擠的時間為480 s，擁擠時間比例高達83.8%。無庸置疑，擁擠是影響疏散時間的重要因素，而人員擁擠往往由疏散網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸引發(fā)。當大量疏散人員同時聚集在1個出口或通道前準備通過時，容易發(fā)生瓶頸現(xiàn)象，出現(xiàn)這種現(xiàn)象大多時候是由于人員數(shù)量遠遠超過了出口或者通道的通行能力，即單位寬度能夠通行的人員數(shù)量。表5給出了發(fā)生瓶頸現(xiàn)象的11條路徑，這些路徑全部集中在1層。表中瓶頸出現(xiàn)的時間節(jié)點數(shù)，每1個時間節(jié)點代表3 s，瓶頸量級表征如果這種瓶頸可以被消除或避免，疏散結(jié)果將會得到改善的程度，由EVACNET模型直接評估給出。由表5可以明顯看出，1層的3部樓梯處發(fā)生的瓶頸現(xiàn)象最為嚴重，出現(xiàn)瓶頸的時間分別達到543，540，537 s，瓶頸量級也是高出其他路徑幾個量級。除了樓梯之外，其他出現(xiàn)瓶頸的路徑主要是大廳至出口處，即LO-DS，其中路徑HA5.1-LO5.1與LO5.1-DS5.1瓶頸發(fā)生時間同為38個時間步(114 s)，但是就瓶頸量級而言，后者卻高出很多，相比于商場內(nèi)部除樓梯以外的其他路徑，在疏散中具有更加明顯的作用。因此，出現(xiàn)瓶頸的通道是疏散流量控制的重要目標。

表5 出現(xiàn)瓶頸現(xiàn)象的路徑統(tǒng)計Table 5 Statistics of paths occurring bottleneck

疏散結(jié)果顯示，一些節(jié)點通過人數(shù)明顯高于其它地方，這類節(jié)點在人員疏散過程中承載較大的人員通行壓力，可作為疏散關(guān)鍵節(jié)點。通過節(jié)點使用率的分析，可以看出主要節(jié)點是否達到自身預(yù)期的所能承受的疏散壓力，以及尚未完全利用的疏散空間。表6為疏散過程中樓梯節(jié)點和出口節(jié)點的使用率(使用率=節(jié)點實際疏散人數(shù)/總疏散人數(shù)/節(jié)點寬度)，通過比較可知，出口3和出口4的使用率明顯低于其他3個出口，說明在人員疏散中仍然存在較大的疏散剩余價值沒有利用，從圖3中也可以看出，出口1、出口2、出口5 的3條曲線單調(diào)遞增，在整個疏散過程中均為正常使用狀態(tài)，第48個時間步后，出口3和出口4的疏散人數(shù)呈水平的直線，說明這2個出口從此時便沒有疏散人員通過，開始處于閑置狀態(tài)，并且其他3個出口的曲線的傾斜度明顯變緩、疏散速度降低，這說明疏散人員選擇的逃生路線并不理想，尤其是2和3層人員在擁堵的路徑上排隊等待，耽誤了大量時間。疏散人員過多地選擇出口1，2，5，造成疏散資源(即出口3和出口4)的浪費和各出口疏散人數(shù)的不均衡。此外，還可以看出3層的樓梯當中，SW1.3使用率最高，說明大部分3層人員傾向于通過SW1.3逃至2層，應(yīng)加強SW2.3和SW3.3的正向引力，將人員壓力從SW1.3處疏導至SW2.3和SW3.3 2部樓梯。

表6 疏散過程中樓梯節(jié)點和出口節(jié)點的使用率Table 6 Utilization rates of stair nodes and exit nodes during evacuation process

圖3 各出口疏散人數(shù)Fig.3 Numbers of evacuated pedestrian from each exit

3 考慮人員引導的疏散路徑優(yōu)化方法

在緊急情況下，疏散人員僅憑自己很難找到合理的疏散路徑，為了避免疏散人員選擇看似最近、實則擁堵的疏散路徑，可考慮對疏散路徑實施優(yōu)化并在疏散過程中進行引導，從而幫助疏散人員在更短時間內(nèi)找到安全出口并實現(xiàn)快速疏散[9-10]。對于較高的人員密度，在出口附近會出現(xiàn)比較嚴重的擁塞與排隊現(xiàn)象，隨著出口寬度的增加，疏散時間有明顯的減少趨勢[11]。出口和樓梯是疏散路徑中起到關(guān)鍵作用的2類節(jié)點，應(yīng)被視為寶貴的疏散資源加以充分利用。出口和樓梯的有效寬度越大，其承載的疏散通行能力越強。以出口為例，每個出口的有效寬度決定了該出口的疏散通行能力。最寬的出口疏散人數(shù)最多，最窄的出口疏散人數(shù)最少，寬度相同的出口疏散人數(shù)相近，并且整體疏散時間最少，這種情況下，所有出口都得到了充分的利用，是最為理想的情況。樓梯節(jié)點也是一樣的道理。

路徑優(yōu)化方法的基本思想是，以出口和樓梯等疏散資源得到充分利用的理想情況為目標，以優(yōu)化之前的模擬結(jié)果為基礎(chǔ)，增設(shè)通往未被充分利用的出口或樓梯等關(guān)鍵節(jié)點的新路徑，禁用一些從未被充分利用的出口或樓梯等關(guān)鍵節(jié)點通向其他瓶頸節(jié)點方向的舊路徑，通過在關(guān)鍵位置安排疏散引導人員，引導商場人員選擇新設(shè)路徑、放棄禁用路徑，最終實現(xiàn)疏散人群合理分流并快速疏散至各出口。根據(jù)該思想，對原始疏散網(wǎng)絡(luò)進行如下路徑優(yōu)化：

1層增設(shè)：“LO1.1-LO4.1,98,17”、“LO1.1-HA2.1,17,40”、“LO1.1-HA3.1,17,36”、“LO1.1-HA4.1,17,37”、“LO4.1-LO1.1,98,17”。由于LO1.1是連接出口1的唯一節(jié)點，出口1處擁堵的人群都聚集在LO1.1，通過增設(shè)LO1.1與其他周圍節(jié)點的新弧將人群分流，緩解出口1的疏散壓力，減少排隊時間。2層增設(shè)：“LO2.2-HA1.2,14,10”、“LO2.2-HA7.2,17,14”、“LO3.2-HA5.2,14,12”、“LO3.2-HA6.2,14,10”、“HA1.2-LO4.2,58,3”、“LO4.2-LO1.2,14,12”。2層增設(shè)的新弧主要是將本層及3層人員引導至SW2.2，SW2.2距離出口3、出口4最近，人員通過樓梯后可直接通過附近的出口進行疏散，同時降低SW1.2和SW1.3的人流量，緩解出口2和出口5的疏散壓力。3層增設(shè)：“LO2.3-HA1.3,14,10”、“LO2.3-HA7.3,17,14”、“LO3.3-HA5.3,14,12”、“LO3.3-HA6.3,14,10”、“HA1.3-LO4.3,58,3”、“HA2.3-LO4.3,52,2”、“LO4.3-LO1.3,14,12”。3層增設(shè)的新弧與2層相似，目的也是將疏散人員引導至本層中部樓梯SW2.3，下至2層后直接通過SW2.2到達1層附近出口。樓梯增設(shè)：“SW2.2-LO3.1,9,4”、“HA2.2-SW2.2,12,13”、“HA3.2-SW2.2,12,10”、“HA5.2-SW2.2,12,15”、“SW1.2-HA1.1,7,6”、“SW2.2-LO4.1,9,3”。樓梯處的新增路線多集中在2層中部樓梯SW2.2，中部樓梯在3處樓梯當中最寬，承載的疏散人流量最大，而且它連接購物中心1層尚未充分利用的出口3和出口4，是2，3層人員疏散的捷徑。3層中部樓梯處沒有新增的路線，目的是避免3層人員疏散開始就集中使用中部樓梯SW2.3，進而導致2層中部樓梯SW2.2的人流量超過通行能力上限而陷入癱瘓。1層禁用：“HA2.1-LO1.1”、“HA3.1-LO1.1”、“HA4.1-LO1.1”、“HA4.1-LO3.1”、“HA6.1-LO5.1”。禁用這些路線目的是合理分配出口3和出口4的人流量，并使出口1和出口5的人流量降低，避免擁擠的人群繼續(xù)增加。

圖4和圖5分別為優(yōu)化前和優(yōu)化后的疏散網(wǎng)絡(luò)，在圖5中的關(guān)鍵位置安排引導人員，引導人員選擇熟悉購物中心內(nèi)部環(huán)境的店員或保安即可[12]，在增設(shè)和禁用弧的起點各安排1名引導人員，引導人員引導疏散人員向增設(shè)弧的方向疏散，禁止疏散人員向禁用弧的方向逃生，從圖5中也可以看出，對于本文所研究的3層購物中心，在緊急情況下可安排19名訓練有素的店員或保安進行疏散引導工作。

圖4 無引導和路徑優(yōu)化時的疏散網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Evacuation network without route optimization and evacuation guidance

注：粗實線和細虛線箭頭分別表示增設(shè)和禁用該方向路徑圖5 有引導和路徑優(yōu)化時的疏散網(wǎng)絡(luò)Fig.5 Evacuation network with route optimization and evacuation guidance

4 優(yōu)化模型的運行結(jié)果以及對比分析

路徑優(yōu)化之后，疏散人員將在引導人員引導下盡量選擇疏散通行能力較強的出口和樓梯，通過方向式動態(tài)引導，疏散人員改變了之前的逃生路線，避免不必要的擁堵和排隊等待，充分地利用各個出口的極限通行能力。由EVACNET4的運算結(jié)果可得，經(jīng)過路徑優(yōu)化后的疏散用時110個時間步，即330 s，完成疏散所需時間相比減少了243 s。路徑優(yōu)化后的擁擠時間為243 s，擁擠時間比例73.6%，擁擠對疏散時間的影響有所降低。圖6為路徑優(yōu)化后各個出口疏散總?cè)藬?shù)隨時間變化的趨勢，所有出口的疏散人數(shù)曲線均單調(diào)遞增，第61個時間步后呈現(xiàn)大致平行的趨勢，所有出口在疏散過程中沒有長時間的閑置，從第10個時間步后均有疏散人員通過，處于正常的使用狀態(tài)。說明經(jīng)過路徑的優(yōu)化，疏散人員不再集中于某幾個出口逃生，而是更加均衡的分配于各個出口，人群得到了合理的分流。

圖6 路徑優(yōu)化和疏散引導后各出口疏散人數(shù)Fig.6 Numbers of evacuated pedestrian from each exit after route optimization and evacuation guidance

圖7 路徑優(yōu)化和疏散引導前后總體疏散情況比較Fig.7 Comparison of overall evacuation before and after route optimization and evacuation guidance

圖7為路徑優(yōu)化和疏散引導前后2次模擬的總體疏散情況對比。疏散時間方面，2次疏散開始階段的曲線一致，此階段主要為1層人員疏散時間，2和3層人員受到樓梯的限制，尚未到達安全區(qū)域，第48個時間步后，優(yōu)化引導前的模擬疏散曲線首先變緩，是因為從此時開始，疏散人員全部通過出口1、出口2、出口5疏散，而另外2個出口閑置，導致整體疏散速度較慢，疏散總時間過長，根據(jù)模擬結(jié)果，優(yōu)化引導前，平均每個時間步成功疏散41.8人，每人疏散成功平均用64.6個時間步；優(yōu)化引導后的疏散曲線更陡，疏散速度明顯更快，是因為各個出口的通行能力得到更加充分的利用，平均每個時間步成功疏散72.6人，每人疏散成功平均用45.7個時間步，疏散效率明顯提高。各出口使用方面，優(yōu)化引導后，出口1、出口2和出口5疏散總?cè)藬?shù)減少，出口3和出口4疏散總?cè)藬?shù)增加，人員可被分配至疏散能力較強的出口3，使其得到更加有效的利用，寬度相同的出口1和出口4疏散總?cè)藬?shù)比較接近，出口2和出口5處于購物中心兩側(cè)較為偏僻的位置，疏散人數(shù)較少；圖8顯示了各出口利用率(出口利用率=該出口疏散人數(shù)/出口寬度/總疏散人數(shù))的雷達圖，從圖中可以看出優(yōu)化引導之后，各出口的利用率更加均衡，疏散資源利用的結(jié)果更加理想。

圖8 路徑優(yōu)化和疏散引導前后各出口使用率比較Fig.8 Comparison of utilization rate of each exit before and after route optimization and evacuation guidance

5 結(jié)論

1)針對大型商場購物中心的人員疏散問題，以實現(xiàn)安全出口通行能力合理利用為目標，提出優(yōu)化疏散路徑、引導疏散的方案，并利用EVACNET4疏散工具建立疏散網(wǎng)絡(luò)模型，開展“無優(yōu)化無引導”和“有優(yōu)化有引導”2種情況下模擬和對比分析。

2)開展路徑優(yōu)化和疏散引導，可以大幅降低整體疏散時間，對于本文研究的3層商業(yè)建筑，疏散總時間降幅達42.4%。

3)通過疏散引導，可以實現(xiàn)增加通往未被充分利用的疏散節(jié)點的路徑，禁用從未被充分利用的疏散通往瓶頸節(jié)點的路徑，進而實現(xiàn)首層多個安全出口的均衡合理利用，本文中寬度最大的出口3得到更有效的利用，5個出口利用率較無引導時更加均衡。

4)基于疏散路徑優(yōu)化思想，可以根據(jù)增、禁路徑的需求，確定緊急情況下的人員疏散引導人員數(shù)量，保障路徑優(yōu)化方案的實施，對于本文研究的3層商業(yè)建筑的路徑優(yōu)化方案，需要安排19名引導人員。