人員疏散動(dòng)力學(xué)模型

建筑防火設計人員疏散動(dòng)力學(xué)模型曹錢(qián)江,呂志靜(杭州市消防支隊,浙江杭州311700摘要:建立人員疏散動(dòng)力學(xué)模型,認為人群的移動(dòng)速度在收到火警或者濃煙等的信息后發(fā)現火災,這個(gè)階段就取決于位于人群前面和后面的人的移動(dòng)速度,以及行人本身想是發(fā)現過(guò)程。當收到預警以后,人們會(huì )嘗試去探索和收要移動(dòng)的積極性。于2011年春節期間在杭州火車(chē)站進(jìn)行了集更多的信息證實(shí)火災是否真的發(fā)生,然后通知大樓的個(gè)關(guān)于擁擠人群疏散的研究,研究表明擁擠人群的最大人員密其他人員進(jìn)行疏散,這是回應過(guò)程的開(kāi)始。最后,大樓里度和每個(gè)人最快的移動(dòng)速度分別是2.75人/m2和1.54m/s的人員從大樓里疏散出去,這就是移動(dòng)過(guò)程。筆者只研在此基礎上合理化人員疏散動(dòng)力學(xué)模型,并進(jìn)行敏感性分析究移動(dòng)過(guò)程的部分。人員疏散的量化在疏散模型中起著(zhù)關(guān)鍵詞:人員疏散;動(dòng)力學(xué)模型;人員密度;流動(dòng)速率很重要的作用,并且所有的量化模型必須和實(shí)際的數據中圖分類(lèi)號:X913.4,TU248.1文獻標志碼:B進(jìn)行校對。文章編號:1009-0029(2011)08-0704-04筆者應用基本的動(dòng)力學(xué)原理形成人員疏散動(dòng)力學(xué)的火災是最有破壞力的災難之一,在火災中的人員疏模型。模型中每個(gè)個(gè)體的移動(dòng)速度都受到周?chē)巳汉捅旧@得尤為重要。隨著(zhù)建筑防火技術(shù)的不斷提高,防火身想要移動(dòng)的積極性的影響。周?chē)巳旱挠绊懛从吵鰝€(gè)設計工程師和政府監管部門(mén)在建筑物的防火安全設計中體想要和周?chē)徑鼈€(gè)體保持相同速度的性質(zhì);個(gè)體本身想要移動(dòng)的積極性反映出個(gè)體想擺脫周?chē)巳旱目刂撇V泛采用了計算機模擬疏散系統。這個(gè)模擬疏散過(guò)程包超過(guò)他們的性質(zhì)。筆者發(fā)現在人群密度、移動(dòng)速度之間括兩個(gè)主要階段:預先移動(dòng)過(guò)程和移動(dòng)過(guò)程。預先移動(dòng)存在著(zhù)一種對數關(guān)系。筆者對兩種預測結果進(jìn)行了比可以再細分為兩個(gè)小過(guò)程:發(fā)現和回應。首先,人們需要較:一是前面所提到的模型的預測;一是已經(jīng)存在的人群移動(dòng)數據的預測。比較結果說(shuō)明,筆者的模型給出了更[9]侯東升,趙金娜張樹(shù)平.飄窗縱向防火性能數值模擬[門(mén)].消防科學(xué)與技術(shù),2010,29(2):113-115準確的結果。為了使筆者的人員疏散動(dòng)力學(xué)模型更具合理性,筆者于春節期間在杭州火車(chē)站進(jìn)行了一系列旅客Numerical simulation on billboards fire流動(dòng)的調查研究。筆者所有的調查數據都是在非緊急情of commercial build況下收集的,所用事例中旅客的期望移動(dòng)速度也是正常狀況的數值YANG Can-iian1人員疏散動(dòng)力學(xué)模型在該模型中,假設每個(gè)個(gè)體的移動(dòng)速度受到周?chē)?、( Chongqing Shapingba Fire Detachment, Chongqing群的移動(dòng)速度和本身想要移動(dòng)的積極性影響。這些影響因素由3個(gè)部分構成Abstract FDS was used to simulate Chongqing Shapingba"11(1)前面的人和后面的人的影響。用x(t)表示t時(shí)刻3 fire, by setting non- combustible clapboard with width of 0.5人群移動(dòng)方向上第j個(gè)人所在的位置,個(gè)體j相對于前面m above billboards, vertical and horizontal spread of fire werecompared with and without clapboard. The results showed that個(gè)體(人j-1)的距離和速度分別是|x(t)-x-1(t)|和the non-combustible clapboard can effectively retaed the verticaldx,/dt-dxy-1/dt,為防止和其他的人有身體接觸,人j必spread of fire, and for a long time the glass of windows outsid須停下或減速。當相對速度dx;/dt-dx,-1/dt增大時(shí)或of the building wont break which can prevent fire spreading相對距離|x(D)-x-1(t)|減小時(shí),減速的力量或是阻礙from outdoor to indoor effectually.的力量就要加大。則人j的阻礙力見(jiàn)式(1)所示:Key words: fire; FDS: billboard; smoke temperature(dx, /dt-dx -1/dt)/z, (t)-I;-1(t)(2)在相關(guān)方向上人群的影響。為防止其他方向上作者簡(jiǎn)介:楊燦劍(1979—),女,湖北隨州人,重慶的人流的影響要考慮人j的阻尼力∫,∫>0。為了防市沙坪壩區消防支隊工程師,碩士,主要從事防火監督止兩個(gè)人相撞,當兩個(gè)人距離很近時(shí)阻尼力會(huì )增大。工作,重慶市沙坪壩區都市花園中路103號2棟13(3)個(gè)體j自身想要移動(dòng)的積極性p的影響。這部6,401331分因素反映出個(gè)體想中國煤化工且超過(guò)周收稿日期:2011-03-29圍人走到前面的愿望CNMHG心理和704Fire Science and Technology, august 2011, Vol 30, No. 8身體等等狀況決定。這個(gè)積極性可以理解為一種向前移將視頻輸入電腦進(jìn)行分析。為表示在某一時(shí)刻某動(dòng)的力量,因此依據牛頓的運動(dòng)定律,有式(2):個(gè)體的位置,將出口走廊等分為0.4m×0.4m的小格出一t)每一個(gè)小格都編上號碼。分析數據時(shí),網(wǎng)格線(xiàn)就被疊加到視頻圖像上。當有行人的頭部落在某個(gè)網(wǎng)格里時(shí),這f,-pi(2)個(gè)人的位置就被記錄在該網(wǎng)格里。盡管人的頭部運動(dòng)不式中:M為被評估個(gè)體(第j個(gè)人)的質(zhì)量;C為常量。公式的具體推導過(guò)程見(jiàn)文獻[4]。假設人群中個(gè)體定和腳部的運動(dòng)保持一致,這個(gè)人的具體位置也不不能改變方向,推導得個(gè)體j運動(dòng)的速度見(jiàn)式(3):定正好落在網(wǎng)格里,但是這種不一致所帶來(lái)的誤差與一個(gè)人在2s內移動(dòng)的距離相比是可忽略的。這里,2s的n(p)=n(ameB+p288+y)(3)時(shí)間距離用于計算旅客的移動(dòng)速度人的移動(dòng)速度可以式中:4為個(gè)體j的移動(dòng)速度;p為人群密度;wa為最大用該個(gè)體在2s中移動(dòng)距離除以2s這個(gè)時(shí)間得到。人人群移動(dòng)速度;a、By為正向、側向、自身積極性的權重因群密度就是每個(gè)25時(shí)間段開(kāi)始時(shí)的密度和結束時(shí)的密素;pm、p分別為人群在移動(dòng)方向上最大和最小的線(xiàn)性度的平均值密度;a2分別為人群在其他方向上最大和最小的線(xiàn)22調查結果性密度;p',分別為人群在移動(dòng)方向和其他方向的相圖1為人群密度和移動(dòng)速度之間關(guān)系的調查結果對線(xiàn)性密度,=(m+pn)/2、p=(m+Pm)/2?？蓪⑹?3)簡(jiǎn)化為式(4)u,(p)=um(aA+BB+y)A=pimp pzIn(pm/ee)B=-p p考慮到測量線(xiàn)性密度的困難,根據人群中個(gè)體之間學(xué)曲線(xiàn)的最大和最小距離從理論上推導出他們的數值。用來(lái)測量單位面積上人員疏散密度的具有代表性的參數p可以1.52025密度/人m2用人/m2來(lái)表示。筆者選用2m長(cháng)走廊的面積為標準圖1人群密度和移動(dòng)速度關(guān)系曲線(xiàn)式(4)表示人群中個(gè)體的移動(dòng)速度由3個(gè)相關(guān)的停止力由圖1可知,最大的人群密度約為2.75人/m2,移動(dòng)組成:(1)移動(dòng)方向上人群的影響,這個(gè)影響和人群密度最快的個(gè)體速度為1.54m/s,這符合相關(guān)資料的調查研存在著(zhù)一個(gè)反對數的關(guān)系,人群密度越大意味著(zhù)移動(dòng)速究結果,即成年人在平地上的移動(dòng)速度是0.98~1.6m/度越小;(2)其他方向上人的影響這個(gè)影響和人群密度。同時(shí)也可看出,個(gè)體之間相互作用導致的很高的人群存在著(zhù)一個(gè)相反的線(xiàn)性關(guān)系,人群密度越大,移動(dòng)速度越密度將會(huì )降低個(gè)體的移動(dòng)速度。小;(3)個(gè)體自身想要移動(dòng)的積極性。系數a、B、y分別表根據圖1中用人群動(dòng)力學(xué)模型計算出來(lái)的流動(dòng)率曲示上面所提到的3個(gè)影響因素能夠改變個(gè)體移動(dòng)速度的線(xiàn),可得到最大的流動(dòng)率0.81人/(m·s),相對應的密度程度的大小。是1.48人/m2。這個(gè)數值低于 Nelson和 MacLennan所2對火車(chē)站旅客的研究給出的1.9人/m2的數值,這里有兩個(gè)原因:一是春節期2.1研究方法間,每個(gè)旅客都會(huì )攜帶各種大小不同的行李;二是人群在為使前述模型更具有效性,筆者在2011年春運的高移動(dòng)過(guò)程中都不是很著(zhù)急,人之間的距離較遠。峰時(shí)段,和鐵路公安系統的工作人員合作,對杭州火車(chē)站2.3最大流動(dòng)速率的旅客進(jìn)行了一系列的研究。通常春節是一年中所有交流動(dòng)速率測量表示單位寬度單位時(shí)間上能通過(guò)的旅通樞紐最繁忙的時(shí)期,在近幾年的春節前夕,杭州火車(chē)站客的數量,見(jiàn)式(5):每天的客流量都接近10萬(wàn)人。當春節假期結束后,火車(chē)F=u×p(5)站又會(huì )迎來(lái)運送高潮。春節的前期和后期是一年中人群式中:F為流動(dòng)速率,人/(m·s)。密度最大的時(shí)期。在調查過(guò)程中,工作人員在通往出口鐵路部門(mén)可以利用調查研究得到的信息優(yōu)化和控制的地下通道安裝了2個(gè)攝像頭來(lái)觀(guān)測旅客。地下通道的旅客過(guò)分擁擠的狀況。如要在繁忙時(shí)期使旅客最快疏寬度是4m,調查的范圍是4m×5m。調查時(shí)間為2011散,人群的密度必須這估更多的旅年1月27日至2月1日以及2月5日至10日。中國煤化工客比平時(shí)走得快CNMHG份科學(xué)與故術(shù)2011年8月第30卷第8期7053討論人員疏散動(dòng)力學(xué)模型并使其合理化果見(jiàn)圖3所示。3.1人員疏散動(dòng)力學(xué)模型的合理化由圖3可見(jiàn),這些曲線(xiàn)都落在了一個(gè)相對較窄的范為印證式(4),要先得到在流動(dòng)方向和其他方向上旅圍里,說(shuō)明該動(dòng)力學(xué)模型對4個(gè)線(xiàn)性密度的變化不敏感?？偷淖畲蠛妥钚【€(xiàn)性密度,這些因素都受到旅客的身材和他們行李大小的限制。最大的線(xiàn)性密度是在旅客和他們的行李之間沒(méi)有任何空間的假設基礎上得到的。假設每個(gè)旅客在其他方向上和流動(dòng)方向上的最小的距離分別是75cm和50cm。則在這兩個(gè)方向上的理論最大線(xiàn)性密度是:m=2人/m,Pm=1.33人/m。為了計算向前方向上的最小線(xiàn)性密度,假設空間由兩部分組成:圖2中所顯示的手臂自由揮舞所需要的長(cháng)度和行李自由滑動(dòng)所需要的距離。密度人m2圖3敏惑性分析結果圖3.3討論上文提到了a、B和y表示移動(dòng)方向的內在作用、其他方向的內在作用和個(gè)體自身想要移動(dòng)的積極性對移動(dòng)速度的影響程度。顯然,移動(dòng)方向上的內在作用相對于其他方向上的內在作用對移動(dòng)速度有著(zhù)更大的影響。實(shí)65 cm85 cm際上,橫向的內在影響可以忽略不計,這和實(shí)際情況是相圖2向前方向空間距離符合的,在流動(dòng)中的行人只是跟著(zhù)前面的行人前進(jìn),很少通常一個(gè)成人邁出一步的距離是70cm,手臂揮舞的會(huì )注意到他們旁邊的人。另外,由于Y的數值是0.2,比長(cháng)度是15cm,行李所占用的距離約65cm,故前進(jìn)方向0高出很多,所以行人自身想要移動(dòng)的積極性在人群疏上一個(gè)人自由移動(dòng)的距離為1.5m。為計算在其他方向散中起著(zhù)很大的作用。上的最小線(xiàn)性密度, Rotman給出了在某一自由移動(dòng)情在式(4)中,如果人群的密度達到254人/m2的最況下人流的寬度是0.67m。如果加上行李的尺寸,則在大值,那么前進(jìn)方向的內在作用對移動(dòng)速度的影響就會(huì )旅客移動(dòng)的情況下使用1m作為橫向上的寬度是合理接近于0(把數值代人式(4)中計算),橫向的影響會(huì )被忽的。因此,在前進(jìn)方向上和橫向上的理論最小線(xiàn)性密度略。但是還是存在著(zhù)很高的移動(dòng)速度,主要是行人自身分別是0.67人/m和1.0人/m。把上面的線(xiàn)性密度值帶想要移動(dòng)的積極性在起作用,即當遇到過(guò)分擁擠的情況,入式(4),得到A=0.78-0.91ln(p),B=4.0-2.27P。把行人可以通過(guò)移動(dòng)自己的身體和行李改變位置調查的數據帶入式(4)可得a=1.2m/s,a=0.576,B=4結論0.02,y=0.205。筆者論述了人員疏散動(dòng)力學(xué)模型,這個(gè)模型建立在3.2模型敏感性分析移動(dòng)速度受到前進(jìn)方向和其他方向的內在影響以及個(gè)體人員疏散動(dòng)力學(xué)模型使用了前述利用普通人的身材內在移動(dòng)積極性這3方面限制的假設上。為使這個(gè)模型和人群內在個(gè)體的尺寸計算出來(lái)的4個(gè)線(xiàn)性密度。因為能應用到實(shí)際情況中,在春節期間對杭州火車(chē)站的旅客實(shí)際的尺寸和名義上的尺寸可能不同,所以保證該動(dòng)力流量進(jìn)行了一個(gè)調査。調査結果表明該模型和實(shí)際情況學(xué)模型對4個(gè)線(xiàn)性密度的變化不敏感是很重要的。筆者有很高的吻合性。通過(guò)對調查數據的分析和對模型的預進(jìn)行了敏感性測試,在測試中不同的名義尺寸在表1中測,得出以下結論:給定的范圍內變化(1)有3個(gè)部分影響人群的移動(dòng)速度:前進(jìn)方向上的表1敏感性分析參數取值人群的影響,其他方向上的人群的影響和個(gè)體的自我移流動(dòng)方向/cm其他方向/cm動(dòng)積極性。在前進(jìn)方向上人群的影響遠大于其他方向上最大值最小值最大值最小值人群的影響。150±25100±2075±10(2)對于在交通樞紐中攜帶行李的旅客,可以用式將表1中的參數取值帶入式(4)計算出線(xiàn)性密度,并(4)來(lái)描述人群的移動(dòng)速度和人群密度。其中,A=0.78讓式(4)中其他參數在以下范圍內取值:n=1.1~1.250.91n(p),B=4.0中國煤化工0.576,8m/sa=0.51~0.62;B=0~0.025;y=0.19~0.25。結=0.02,y=0.205CNMHG頂測火車(chē)706Fire Science and Technology, August 2011, vol 30, No, 8站人群的移動(dòng)速度和流動(dòng)率。為使模型更加貼近實(shí)際情(上接第700頁(yè))況,還需要在公共交通樞紐進(jìn)行更深入細致的研究。在二層展廳環(huán)廊內側設置一定寬度的防火分隔帶,(3)筆者所采用的最大人群密度是2.75人/m2將整個(gè)展廳共劃分為3個(gè)防火單元。其中,一層展廳單(4)在通常情況下,當達到某一人群蜜度的時(shí)候存在獨為1個(gè)防火單元(防火單元1),面積為26722m2;二層著(zhù)一個(gè)最大流動(dòng)率。通過(guò)試驗得出,在人群密度是1.48展廳平均劃分為2個(gè)防火單元(防火單元2、3),單個(gè)面人/m2時(shí),達到最大流動(dòng)率0.81人/(m·s)。因此,為了積約為4385m2達到有效疏散人群的目的,必須降低人群密度,使其接近2嚴把消防質(zhì)量關(guān)1.48人/m2這個(gè)數值,從而達到最高的流動(dòng)率該工程為曲阜標志性建筑之一,也是政府重點(diǎn)投資項目,各級領(lǐng)導對工程質(zhì)量要求嚴格,消防施工質(zhì)量更是參考文獻重中之重。施工期間,消防監督人員多次深人工地現場(chǎng),1] D Helbing, P Molna'r, Social force model for pedestrian dynamics進(jìn)行施工檢查,對防火門(mén)、防火卷簾、防火涂料、消防應急].Phys.Rev.E.,1995,51:4282-4286.燈、標志燈,滅火器消火栓等消防產(chǎn)品在安裝前均進(jìn)行[2] D Helbing, I Farkas, T Vicsek. Simulating dynamical features[J.隨機抽檢,合格后方進(jìn)行安裝,確保了消防施工質(zhì)量Lett. Nat,407:487-490.3消防監管到位[3]M Schreckenberg, S SHarma. Pedestrian and evacuation dynamics該工程在自動(dòng)消防設施、電氣設施檢測合格后通過(guò)IM. Berlin: Springer, 2001.消防驗收。該工程目前由一個(gè)中介服務(wù)企業(yè)進(jìn)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制定了嚴格的規章制度,配齊了消防控制室值班人員、消[5] H E Nelson, H A MacLennan. Emergency movement. The SFPE防巡防人員,并對這些人員進(jìn)行了消防專(zhuān)業(yè)培訓,重點(diǎn)崗Handbook of fire protection engineering[ M. Quincy MA:NPA,位持證上崗,其他部位兩小時(shí)一巡查,并建立了巡查檔案,對消防設施器材定期維護保養,確保完整好用。[6]M Y Roytman. Principles of fire safety standards for building con-參考文獻:struction[M]. New Delhi: Amerind Publishing Co, 1975.[]GB50261-2005,自動(dòng)噴水滅火系統施工及驗收規范[S]Evacuation dynamics model[2]GB50116-98,火災自動(dòng)報警系統設計規范[S][3]GB50045-95,高層民用建筑設計防火規范[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作者簡(jiǎn)介:曹錢(qián)江(1978-),男,杭州市消防支隊tion; smoke control淳安縣消防大隊副大隊長(cháng),工程師,學(xué)士,主要從事消防監督、防火設計審核工作,浙江省杭州市淳安縣新安作者簡(jiǎn)介:楊周興,男,濟寧市消防支隊支隊長(cháng),學(xué)大街123號,311700。士,主要從事建筑工程消防監督檢查、消防產(chǎn)品監督管收稿日期:2011-03-28理工作,山東省濟寧市金宇路34號,272100。收稿日期:2011中國煤化工CNMHG防科季與披術(shù)2011年8月第30卷第8期707