鄭天芳，曲 娜，張 帥，胡從強(qiáng)，冮 震

(沈陽航空航天大學(xué) 安全工程學(xué)院，沈陽 110136)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，各種大型公共場(chǎng)所的數(shù)量也在逐年遞增[1]。為了美觀或者吸引人群，往往會(huì)在公共場(chǎng)所的出口通道設(shè)置景觀區(qū)、休息椅和展示臺(tái)等障礙物。一旦發(fā)生緊急情況，這些障礙物都將影響人員的疏散。因此，研究大型公共場(chǎng)所出口通道障礙物布局對(duì)人員疏散的影響具有重要意義。

有關(guān)障礙物影響人員疏散的問題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)取得了一定的研究成果。陳溢彬等[2]通過研究城中村自建房通道障礙物對(duì)人員疏散的影響，發(fā)現(xiàn)樓道內(nèi)障礙物的阻塞比越小越容易疏散。益朋等[3]研究了購物通道中心出口障礙物的形狀、尺寸、布局方式對(duì)疏散時(shí)間的影響，發(fā)現(xiàn)方形障礙物更有利于疏散，兩側(cè)布局的障礙物比中心布局的障礙物更有利于疏散；郭海林等[4]運(yùn)用Pathfinder軟件模擬研究了樓梯間障礙物對(duì)人員疏散的影響，發(fā)現(xiàn)樓梯間存在障礙物會(huì)影響人員對(duì)疏散路徑的選擇，會(huì)延長(zhǎng)疏散時(shí)間，易形成疏散瓶頸，造成嚴(yán)重?fù)矶拢粎呛频萚5]通過分析商場(chǎng)通道的特點(diǎn)，用計(jì)算機(jī)仿真得出出口中心線上障礙物的寬度越小，阻礙作用越??；陳思媛等[6]基于多格子模型發(fā)現(xiàn)對(duì)于行人而言，通道內(nèi)障礙物凹型布局更有利于疏散；宋英華等[7]建立考慮跨越障礙物行為的元胞自動(dòng)機(jī)模型，研究出當(dāng)障礙物可跨越時(shí)，跨越障礙物的人越多疏散時(shí)間越短；高冉[8]考慮單室內(nèi)障礙物對(duì)人員疏散的影響，對(duì)單室內(nèi)影響人員疏散的主要因素展開研究，為單室設(shè)計(jì)布局提供了建設(shè)依據(jù)。王群等[9]采用數(shù)值模擬研究了公共場(chǎng)所出口處不同障礙物的設(shè)置對(duì)疏散時(shí)間、出口流量系數(shù)等的影響，得出障礙物與出口間距離為0 m時(shí)可以有效提高疏散效率；呂惠等[10]對(duì)出口障礙物對(duì)疏散效率的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)一些障礙物能減少人群疏散時(shí)間，疏散效率隨著障礙物離出口距離的增大呈現(xiàn)出先降低后升高再降低的趨勢(shì)。

通過相關(guān)研究可以看出，大多數(shù)情況下障礙物都阻礙人員的疏散，但有時(shí)也有利于人員疏散。因此，本文采用控制變量法，研究出口通道障礙物布局對(duì)人員疏散效率的影響規(guī)律，考慮障礙物的位置和間隔距離，建立疏散場(chǎng)景，運(yùn)用Pathfinder軟件進(jìn)行疏散模擬。

1 出口通道障礙物布局調(diào)查

公共建筑出口通道設(shè)置障礙物已成為普遍現(xiàn)象，合理布局下的障礙物不但不會(huì)阻礙人群運(yùn)動(dòng)，反而能減少人員疏散時(shí)間[11]。因此，為了能夠全面了解公共建筑出口通道障礙物的布局，共選取30處公共建筑，主要為購物商場(chǎng)、游樂園、醫(yī)院、辦公樓、餐飲樓等大型公共場(chǎng)所，對(duì)其出口通道障礙物進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)。

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這些公共建筑出口通道中共有87種障礙物，主要為貨架、休息椅、展示臺(tái)、宣傳臺(tái)等。從形狀來看，正方形障礙物出現(xiàn)的次數(shù)最多，其次為長(zhǎng)方形障礙物；從布局方式來看，大致可分為3類：?jiǎn)蝹€(gè)障礙物位于出口中心，兩個(gè)障礙物并列位于通道中心，兩個(gè)障礙物列隊(duì)位于通道中心；障礙物到出口的距離為0～4.5 m,障礙物間的距離為0～6 m。障礙物布局情況如圖1所示。

圖1 出口通道障礙物布局

2 疏散模型

2.1 控制變量法

物理學(xué)中對(duì)于多因素(多變量)問題，常常采用控制因素(變量)的方法，把多因素的問題變成單因素的問題。每次只改變其中的某一個(gè)因素，而控制其余幾個(gè)因素不變，從而研究被改變的這個(gè)因素對(duì)事物的影響。先分別加以研究，最后再綜合解決，這種方法叫控制變量法[12]。它是科學(xué)探究中的重要思想方法，被廣泛地應(yīng)用于各種科學(xué)探索和實(shí)驗(yàn)中。

為了消除其他因素給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來的誤差，將每個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭蠵athfinder軟件的人員參數(shù)設(shè)置為固定值，疏散人員的位置保持不變，只使障礙物的位置發(fā)生變化。

2.2 模型建立2.2.1 參數(shù)設(shè)置

Pathfinder軟件利用計(jì)算機(jī)軟件圖形仿真和游戲角色鄰域的技術(shù)對(duì)多個(gè)群體中的每個(gè)個(gè)體運(yùn)動(dòng)都進(jìn)行圖形化虛擬演練，從而可以準(zhǔn)確確定每個(gè)個(gè)體在災(zāi)難發(fā)生時(shí)的極佳逃生路徑和逃生時(shí)間模擬[13-14]。合理設(shè)置Pathfinder軟件中的參數(shù)有助于模擬實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。由于Steering模式能夠更好地描述人群運(yùn)動(dòng)特征，且更加貼近真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況，故實(shí)驗(yàn)選取此模式[15]。將指導(dǎo)更新時(shí)間設(shè)置為0.1 s，碰撞處理時(shí)間設(shè)置為1.5 s，舒適距離設(shè)置為0.08 m。為減少由人員不同而帶來的實(shí)驗(yàn)誤差，設(shè)置人員參數(shù)為默認(rèn)值，參數(shù)設(shè)置如表1所示。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

疏散場(chǎng)地為一個(gè)矩形的單空間，房間大小為12 m×8 m,僅有一個(gè)安全出口，位于房間短邊的中央，寬度為4 m；共設(shè)有3個(gè)障礙物，分別編號(hào)為障礙物1、2、3，尺寸分別為2 m×2 m、1 m×2 m、1 m×2 m。

表1 Pathfinder中人員參數(shù)

為了研究單個(gè)障礙物到出口中心的到對(duì)疏散時(shí)間的影響，建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿缦拢?1)無障礙物，疏散人數(shù)分別設(shè)置為40、80、120、160人；(2)將障礙物1置于出口中心位置，使其頂端距離出口從0 m開始，以0.1 m的幅度增至5 m,疏散人數(shù)分別設(shè)置為40、80、120、160人。模型如圖2所示。

圖2 障礙物距離出口疏散模型

為了研究通道中心兩并列障礙物間的距離對(duì)疏散時(shí)間的影響，建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿缦拢?1)將障礙物2、3并列置于距離出口1 m處的中心位置，使兩障礙物間的距離從0 m開始，以0.1 m的幅度增至6 m,疏散人數(shù)分別設(shè)置為40、80、120、160人；(2)將障礙物2、3并列置于距離出口3 m處的中心位置，使兩障礙物間的距離從0 m開始，以0.1 m的幅度增至6 m,疏散人數(shù)分別設(shè)置為40、80、120、160人。模型如圖3所示。

為了研究通道中心兩列隊(duì)障礙物間的距離對(duì)疏散時(shí)間的影響，建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿缦拢?1)將障礙物2、3列隊(duì)置于距離出口1 m處的中心位置，使兩障礙物間的距離從0 m開始，以0.1 m的幅度增至2.4 m，疏散人數(shù)分別設(shè)置為40、80、120、160人；(2)將障礙物2、3列隊(duì)置于距離出口3 m處的中心位置，使兩障礙物間的距離從0 m開始，以0.1 m的幅度增至2.4 m，疏散人數(shù)分別設(shè)置為40、80、120、160人。模型如圖4所示。

圖3 并列障礙物疏散模型

圖4 列隊(duì)障礙物疏散模型

3 結(jié)果分析

運(yùn)用Pathfinder軟件對(duì)上述建立的疏散模型進(jìn)行數(shù)值模擬，可以分別獲得不同疏散人數(shù)下隨著中心障礙物到出口距離變化的疏散時(shí)間曲線，如圖5所示；不同疏散人數(shù)下，距離出口1、3 m處兩并列障礙物間的距離與疏散時(shí)間曲線，如圖6所示；在不同疏散人數(shù)下，距離出口1、3 m處兩列隊(duì)障礙物間的距離與疏散時(shí)間曲線，如圖7所示。

從圖5可以看出，疏散時(shí)間與障礙物到出口距離并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是上下波動(dòng)。在障礙物距離出口0～0.2 m內(nèi)，疏散時(shí)間隨著障礙物距離出口距離的增加而增加；在障礙物距離出口0.2～2 m內(nèi)，疏散時(shí)間基本隨著障礙物到出口距離的增加而減少；在障礙物距離出口2 m以后，疏散時(shí)間隨障礙物距離出口的距離保持微小變化，趨于穩(wěn)定，接近于無障礙物時(shí)的疏散時(shí)間。與以往結(jié)論不同，障礙物并非對(duì)疏散效率都是負(fù)面作用，在障礙物距離出口2 m后，障礙物多次呈現(xiàn)有助于人員疏散的效果，在圖5a中尤為明顯。從圖5e中可以看出，當(dāng)疏散人數(shù)越多時(shí)，在障礙物距離出口0～2 m內(nèi)，疏散時(shí)間對(duì)障礙物距離出口的距離越敏感；在障礙物距離出口2 m后，疏散時(shí)間對(duì)障礙物距離出口距離的敏感度幾乎不受疏散人數(shù)的影響。

從圖6a可以看出，當(dāng)兩障礙物并列設(shè)置在距離出口1 m處中心位置，疏散人數(shù)為40人時(shí)，兩障礙物間的距離對(duì)疏散時(shí)間影響不大；當(dāng)疏散人數(shù)超過40人，兩障礙物間的距離不小于2.4 m時(shí)，人員疏散時(shí)間都將小于無距離疏散時(shí)間，兩障礙物間的距離大于3.7 m時(shí)，人員疏散時(shí)間不會(huì)隨著兩個(gè)障礙物間的距離增大有大幅度變化。從圖6b可以看出，當(dāng)兩障礙物并列設(shè)置在距離出口3 m處中心位置時(shí)，兩障礙物間的距離對(duì)于人員疏散影響不大，當(dāng)疏散人數(shù)為40、80人時(shí)，不論兩障礙物間的距離為多少，疏散時(shí)間分別在13.5、17.5 s，上下幅度不超過1 s；當(dāng)疏散人數(shù)為120、160人時(shí)，不論兩障礙物間的距離為多少，疏散時(shí)間分別在22.5、28.5 s，上下幅度不超過2 s。

圖5 疏散時(shí)間隨障礙物距離變化曲線

圖6 疏散時(shí)間隨并列障礙物間距離變化曲線

從圖7a可以看出，當(dāng)障礙物設(shè)置在距離出口1 m處中心位置時(shí)，同等面積的長(zhǎng)方形障礙物比正方形障礙物更有利于疏散；當(dāng)疏散人數(shù)為40人時(shí)，同等面積的長(zhǎng)方形障礙物比正方形障礙物的疏散時(shí)間減少約6.9%，80人時(shí)可減少22.5%，120人時(shí)可減少33%，160人時(shí)可減少22.7%。整體上疏散時(shí)間隨著兩障礙物間距離的變化不規(guī)律波動(dòng)，但波動(dòng)幅度都較小。從圖7b可以看出，在距離出口中心3 m處，疏散人數(shù)為40、80、120人時(shí)，同等面積的長(zhǎng)方形障礙物比正方形障礙物更有利于疏散；疏散人數(shù)為160人時(shí)，同等面積的正方形障礙物比長(zhǎng)方形障礙物更有利于疏散。兩圖對(duì)比可以看出，距離出口3 m處障礙物的形狀沒有距離出口1 m處障礙物的形狀對(duì)疏散時(shí)間的影響大，距離出口3 m處的疏散時(shí)間減少率大幅下降，80人時(shí)疏散時(shí)間僅可減少6.9%，120人時(shí)疏散時(shí)間減少5.3%，160人時(shí)疏散時(shí)間反而增加3%；整體來看疏散時(shí)間隨著障礙物間的距離變化上下波動(dòng)，但波動(dòng)幅度較小。

圖7 疏散時(shí)間隨列隊(duì)障礙物間距離變化曲線

4 結(jié)論

為了探究出口通道障礙物布局對(duì)人員疏散的影響，通過調(diào)查大型公共建筑出口通道障礙物的布局,采用控制變量法和Pathfinder軟件研究了障礙物的位置、障礙物間的距離、不同形狀的障礙物對(duì)疏散時(shí)間的影響，可得到如下結(jié)論：

(1)障礙物并非在任何位置對(duì)人員疏散都是負(fù)面作用，中心障礙物距離出口距離存在一個(gè)臨界值，在該值之前障礙物對(duì)人員疏散的阻礙作用顯著，在該值之后障礙物幾乎對(duì)人員疏散無阻礙，甚至在多處有促進(jìn)人員疏散的作用。

(2)距離出口中心較近處兩并列障礙物間的距離的增大有利于疏散，但增大到一定距離值后，疏散時(shí)間隨著距離的變化趨于穩(wěn)定；距離出口中心較遠(yuǎn)處并列兩障礙物間的間距增大時(shí)，疏散時(shí)間波動(dòng)不大。

(3)距離出口中心較近處，同等面積的正方形障礙物比長(zhǎng)方形障礙物更有利于疏散；距離出口中心較遠(yuǎn)時(shí)，在疏散人數(shù)較少時(shí)，同等面積的長(zhǎng)方形障礙物比正方形障礙物更有利于疏散；在疏散人數(shù)較多時(shí)，同等面積的正方形障礙物比長(zhǎng)方形障礙物更有利于疏散；列隊(duì)障礙物間的距離對(duì)疏散時(shí)間影響不大。