趙毅文,馬新露

（重慶交通大學 交通運輸學院,重慶 400074）

0 引言

大型場所內火災引發(fā)的煙霧是導致行人死亡的重要原因，煙霧所導致的能見度降低、可視域縮小使得行人難以在短時間內快速找到逃生出口。目前，主流行人疏散微觀仿真模型為社會力模型與元胞自動機模型，Helbing通過力學的角度分析行人運動的本質，提出的經典的社會力模型[1]建立了較為完整的理論體系，最早于2000年利用期望速度表示行人恐慌程度，構建了基于行人恐慌程度的行人疏散模型[2]，并從模型仿真中還原了現實中行人疏散的從眾行為。王冠寧[3]在有限視域下，以行人與危險源和逃生出口的距離為主要參數構建恐慌情緒傳播模型，基于元胞自動機模型構建救援人員以及恐慌行人的移動模型，論述行人恐慌程度以及危險源位置對行人的影響。林金城[4]則以行人特征出發(fā)，構建疏散環(huán)境中的行人關系、情緒以及角色模型，對常見的疏散自組織現象進行了模擬，最后在疏散場景中加入領導者，分析了領導者對于行人疏散的重要性。

該文引入可視域概念構建可視域識別機制，構建基于能見度的恐慌行人期望速度模型，改進社會力模型中的期望速度與期望方向，對室內煙霧環(huán)境下不同能見度的行人疏散效果進行模擬分析。

1 模型構建

1.1 可視域識別機制構建

可視域[5]是指人眼水平視角在 [α?60°，α+60°]（α為面朝方向與俯視平面坐標系x軸的夾角）內的所有通視點的集合。能見度是指視力正常的人能將目標物從背景中識別出來的最大距離，在該文中即為可視域的半徑。視線不能觸達到的區(qū)域為視野盲區(qū)，分為遮擋盲區(qū)與背后盲區(qū)?？梢曈蚴疽馊鐖D1所示。

圖1 可視域示意

根據以上可視域相關的定義，該文制定可視域識別機制如下：

STEP 1 對場景內存在的所有行人進行編號，每一個行人都需對通道環(huán)境下其他所有行人進行感知判斷。在進行感知判斷時這個行人為觀察者，其他所有行人均為被觀察者。

STEP 2 判斷被觀察者與觀察者的直線距離dij是否大于視野半徑rv。若大于rv則視為不能感知；若小于rv，則繼續(xù)。

STEP 3 判斷被觀察者相對于觀察者所在位置的方位角θ是否在行人i注視的水平視野角度內。若不在則視為不能感知且被觀察者位于觀察者的背后盲區(qū)中；若在則繼續(xù)。

STEP 4 判斷目標被觀察者所在位置是否在觀察者的可視域U中。若不在則視為不能感知且被觀察者位于觀察者的遮擋盲區(qū)中；若在可視域中則能被感知。

識別流程圖如圖2所示。

圖2 可視域識別流程圖

1.2 基于能見度的恐慌行人期望速度模型

在煙霧環(huán)境下，研究表明[6-7]行人期望速度受能見度與行人恐慌程度共同影響，同時能見度也在影響行人恐慌程度。該文以能見度表示煙霧濃度，能見度越低煙霧濃度越高。構建考慮能見度與行人恐慌程度的期望速度計算式如下：

式中，vdes——行人當前的期望速度；v0——未發(fā)生災害時的期望速度；f1(P(S))——受當前能見度影響的恐慌影響因子；f2(S)——能見度影響因子。

以正常環(huán)境下的能見度與當前t時刻環(huán)境下的實際能見度的比值，構建行人恐慌指數：

引入恐慌因子模型[6]以及能見度影響因子模型[7]。

期望速度曲線隨能見度變化如圖3所示，隨著能見度的提高，行人期望速度于能見度為7 m后快速下降。

圖3 行人期望速度隨能見度變化函數

1.3 行人期望運動方向

羊群效應是行人疏散過程中的典型現象，通常表現為行人出現從眾行為，出于自身恐慌更愿意相信場所內看到的其他行人的判斷而導致盲目跟從。在煙霧環(huán)境下，能見度的降低使得逃生出口的位置并不易被行人所察覺，當且僅當發(fā)現逃生出口時，從眾行為才會得以解除?；谝陨犀F象，結合可視域識別機制，構建基于行人恐慌指數的行人期望運動方向模型[2]：

1.4 考慮可視域的社會力模型改進

在對行人期望速度與期望運動方向改進后，對社會力模型中式（6）的行人排斥力進行修改。

處于視野盲區(qū)中的其他行人對于觀察者，影響力有所減弱，設立修正系數μ（μμ∈[0,1]）對視野盲區(qū)里的行人排斥力進行修正。改進后行人之間排斥力：

2 仿真分析

模擬場景為單出口方形大廳（20 m×20 m），出口寬度設置為1 m，疏散人數50人隨機分布于大廳內。設置模型參數如表1所示。

表1 模型相關參數

無煙狀態(tài)下，能見度為10 m時根據式（2）（3）（4），行人恐慌度為0，此時行人期望運動方向不參考視野內他人的運動方向，并于大廳右側形成拱形擁堵如圖4（a）所示。設定能見度為5 m，當能見度較低時，行人偏向從眾成團，貼著墻邊尋找出口，如圖4（b）所示。而當能見度設置為1 m時，行人較難觀察到其他物體，從眾自組織現象消失，如圖4（c）所示。

圖4 行人疏散相關現象

查閱文獻，火災煙霧環(huán)境下，1 min內為最佳逃生時間，統(tǒng)計在不同煙霧濃度下1 min內未疏散的行人數量以及疏散所有行人的平均時間。統(tǒng)計數據如圖5、表2所示。

圖5 疏散時間擬合曲線

表2 能見度對行人疏散的影響

隨著能見度從0 m增大至6 m，疏散時間急劇減小?？紤]到能見度較低，疏散時間較長存在以下兩點原因：第一，行人于較濃的煙霧中無法提高速度。第二，較低的能見度較難發(fā)現逃生出口以及行人。當能見度大于6 m，疏散時間控制于22 s以下，此時行人受恐慌心理影響，行人步速較快，能見度較高易于發(fā)現逃生出口。值得注意的是，隨著能見度的進一步增大，疏散時間也在逐漸提高?？紤]到能見度與期望速度的關系，行人期望步速降低，在方向選擇上更傾向于主觀的決定，致使疏散時間升高。

通過仿真模擬，室內存在煙霧于能見度6 m下疏散時間最短且能保證大量行人于最佳逃生時間內撤離建筑。如若發(fā)生火災事故，建議通風、消防系統(tǒng)將室內煙霧濃度控制在能見度6 m以上，將大幅度提高行人逃脫可能性。

3 結論

該文考慮能見度改進社會力模型進行行人疏散仿真，研究結論如下：改進模型能夠有效模擬羊群效應以及出口處的拱形擁堵現象；隨著能見度降低至6 m以下，行人疏散時間將急劇增大，部分行人不能在限定時間內疏散；建議火災事故發(fā)生后，將室內能見度控制于6 m以上將提高人員生存可能性。