单位文秘网 2021-08-30 09:01:25 点击: 次
安全疏散问题一直是人们面对的一个公共安全问题。各种拥挤人群在疏散时的事故时有发生。2006年10月,四川巴中市通江县一小学一群学生下晚自习经过漆黑的楼道时,被一声“鬼来了”吓倒,纷纷向楼下奔跑,造成7名同学被踩死,5人重伤、13人轻伤的严重后果。2014年岁末上海外滩发生踩踏事件,造成36人遇难的严重后果。学习教学楼是一个容易产生拥堵踩踏的场所,因此,国际国内许多机构和大专院校都在寻求解决人员疏散问题的方法。
1 建筑物人员疏散问题研究现状
国外关于疏散问题的研究始于二战后的英国,自20世纪80年代以来,运用数学模型和计算机技术,产生了一些重大成果。国外学者重点研究人员安全疏散行为,并建立紧急疏散模型。根据对相关文献的统计,已经完成的和正在开发的不同的疏散模型有几十种。这些模型一般来说都可归结为网络节点模型,即建筑物的各部分的空间布局用网络来表示。近年来,一些高水平的人员安全疏散模型被防火安全工程师作为评估各类建筑中人员安全疏散方案的工具。
运用数学模型方法研究拥挤人群疏散问题大体有两种思路:一类是将行人视为微观粒子。其中最著名的是Helbing的分子动态性模型,这种模型将行人看做相互作用的粒子,在紧急疏散时着重考虑恐慌系数对人员疏散的影响。日本学者提出的格子气(grid-gas)模型[1,2],将人视为在格子上活动的粒子,进一步通过概率统计的方法来研究粒子的活动特点。另一类是将拥挤人群视为连续介质,应用流体力学的方法来研究紧急疏散时速度与密度的关系。
国内关于疏散问题研究始于20世纪90年代,虽然起步略晚于国外,但是理论和应用方面也得到快速发展。目前国内对应急疏散规划的研究,在理论上主要包括计算机仿真方法与数学分析法。
陈宝智、张培红等[1]利用离散系统分析动力学的方法,首先对建筑物发生火灾时人员疏散群集流动中的疏散个体的动力学特征进行分析,建立了群集流动的运动状态方程。陆君安[2]等在前苏联的Predtechenskii Milinskii、美国的Fruin,Maclennan &Nelson、英国的Smith、日本的Ando、加拿大的Paul等人的现场观测和录像记录的基础上,利用曲线拟合的方法,得到了人流密度-人流速度关系曲线。同时,他们又从人员在建筑物紧急疏散时同前后及左右人员拥挤对人员启动加速度的影响机理出发,建立了人员疏散动力学方程,并推导出人员在拥挤环境下的移动速度公式,进一步得到了人员移动速度与人员拥挤密度呈对数的关系。卢春霞[3]等应用波动理论模拟了紧急疏散时速度与密度的关系。他们将拥挤人群视为一连续介质,利用流体力学的激波理论来研究人群流动,研究人流密度、速度与激波的关系等。
2 教学楼人员疏散问题的特点与基本概念
大学通常会有集中各类教学的教学楼,动辄有数千人集中上课。由于上课学生人数多,通常在同一时间下课,这种集中的行动,容易产生楼内拥堵。有时还会有相反方向的人流。这样集中的行动极易产生冲突,严重情况可能发生踩踏危险。教学楼的踩踏风险主要是来自平时下课时段,受地震威胁是小概率事件,普通教学楼几乎没有火灾威胁。因此,更需要重视平时的疏散问题。
大学教学楼人员疏散问题主要考虑踩踏危险。这种危险往往因为建筑出口不能满足快速到来的人流需要。这种现象更适合用排队论的概念进行研究。
排队论的研究目的,是估计服务质量,探寻出排队系统运行的最高效率。从而确定系统参数的最优值,以验证系统模型设计运用的是否合理,并对设计进行改进等。本研究将楼梯看做服务台,目的是减少楼梯拥堵。本文的基本数量指标队长Lq定义为疏散人流中的人员数量,Lq=等待服务的人流数+正在疏散的人流数,所以Lq越大,说明服务效率越低。
人流进入排队系统中的停留时间,即疏散人员从进入服务系统到服务完毕的整个时间作为逗留时间Ws。Ws=等待时间+服务时间。
服务机构连续工作的时间长度是衡量服务效率的重要指标,即我们还要看整个服务过程中忙期的时间是否有所改善。
3 教学楼人员疏散策略
以上海电力学院北区教学楼为例,这座教学楼共四层,十处楼梯,校门在大楼西南侧,学生生活区在校门外,因此学生下课后会集中选择靠近校门的楼梯、涌向校门方向。在下课高峰时间进行测试,发现学生会选择十二条路线(R1~R12)中的一条,大多数学生会选择最近的直线路。这种现象导致各楼梯负担不均,加重拥堵现象。
据观测,每一间教室的学生都可以选择几条不同路线中的一条。我们观测了8个点(S1~S8),发现北一教S1点学生55.08%选择R3,34.75%选择R1,18.45%选择R2,而R3是最靠近S1的楼梯,其它路线需要走一段走廊,这说明疏散路线负担不均匀,是造成拥堵的主要原因。另外,观察发现,平均步速维持在0.5米/秒,各层人流主要汇集在楼梯口产生拥挤。
北区教学楼的拥堵问题主要表现为以下几个表面现象:一二节下课和三四节下课,学生会选择靠近西部校门的楼梯,而远离校门的楼梯使用的人很少;由于下一层人员受到拥堵,上一层楼学生快速下来会加重拥堵;教学楼外部有两处坡道,宽度为1.726米,仅有楼梯的80%,限制了疏散速度。
这些现象表明平时下课时段就存在安全隐患。
北区教学楼的疏散问题主要取决于楼梯的通过能力。运用排队论方法解决拥堵问题的思路是,将各楼梯看作服务台。排队系统用三个主要特征来表示:到达过程/服务时间分布/服务台数目。因为每个楼梯在人流密集时服务时间会达到极限,因此可以认为服务时间是常数。将每个楼梯可以通过一列行人的通道看成一个服务台(一般一个楼梯可并排通行四人就看做四个服务台),到达近似为泊松过程,从而每个楼梯的排队系统是M/D/1,即M表示到达是泊松过程,D表示服务时间是常数,1个服务台。排队理论关注服务强度,服务强度定义为ρ=有效到达率/有效的服务率。由于服务率主要由建筑结构决定,所以必须通过降低有效到达率来降低服务强度,进而减少拥堵。
数学方法只是为研究解决拥堵问题的具体措施提供依据,因此以下只对教学楼的局部进行研究。数据采集于北一教北楼中部楼梯(如图1所示)。
教学楼(局部)环境观察数据:
①教室长度11.6米,教室门宽度1.0米。②走道长度69.7米,宽度2.4米。③楼道长度6.4米,宽度2.0米。④人员分布为每个教室人数60人,总计约有38个教室,学生最多时约2280人。
为了研究到达规律,需要观测到达楼梯的人数。选择三四节下课时段,地点二楼楼梯附近,做以下五项观测(观测1列出了每次观测数据,其它观测方法类似,直接给出数据整理结果):
观测1:由二楼东侧进入楼梯区域的人数(东部每层九间教室),具体观测方法是在靠近楼梯的位置选定一条横跨走廊的标志线(虚拟),连续3分钟观测并以10秒为一间隔段,记录每10秒跨过标志线的人数,数据如表1。观测结果为每10秒约27.2人。
观测2:离开二楼楼梯区域继续沿二楼走廊向西部疏散的人数,观测结果为每10秒约18人。
观测3:由三楼楼梯进入二楼区域的人数,观测结果是每10秒约26.7人。
观测4:离开三楼楼梯区域继续沿三楼走廊向西部疏散的人数,观测结果为每10秒约15人。
观测5:由四楼楼梯进入三楼区域的人数。观测结果是每10秒约18.9人。由于四楼西部走廊区域上锁,所有学生直接下楼。
通过观测结果可见,东部教室的学生多数选择由楼梯直接下楼。
本研究考虑的教学楼局部为四层,但实际只需研究二层以上部分。每层9间教室,假设每间教室60人,每层最多有540人,三层最多人数为60×9×3=1620人。楼梯分两段共28个阶梯,疏散时每个阶梯容纳4人,连同缓冲平台,正在疏散的人数约为120人,即进入服务台的人数。根据上文分析,从进入楼梯到离开楼梯的时间约为30秒,即服务时间为30秒。因此,每分钟可以有240人通过楼梯。如果全部1620人都通过这个楼梯疏散,则需要约6分钟。如果这期间疏散人群有一些骚动,很容易形成“黑色6分钟”。
根据到达过程的特征(强度为6.2人/秒的泊松过程),1分钟将有372人到达,其中248人进入楼梯,因此,每分钟将有124人等待,这基本符合观测情况。
由于“逗留时间=等待时间+服务时间”,为减少拥堵造成的风险,就需要减少逗留时间。服务时间难以降低,那么减少等待时间就是减少逗留时间的首要选择。等待时间受到到达人流的影响,因此应该调整到达人流来减少等待时间。根据教学楼的现状,考虑以下两个调整策略:①空间分流:引导部分学生从东部楼梯下楼。现实状况是利用这个楼梯的人很少,主要原因是多走几十米的路程。②时间分流:调整下课时间,例如上层比下层滞后30秒。
因为东部的楼梯比较窄,可以考虑安排同一楼层9间教室中东部的4间教室的学生从东部楼梯疏散;其余5个教室的学生从中部楼梯疏散,人数300人。局部的空间分流评估效果如下:在不做分流的条件下,最远的教室距离中部楼梯55米,按最快速度0.65计算,撤离到楼梯口的时间为85秒;分流以后,最远的教室距离中部楼梯27米,按最快速度0.65计算,撤离到楼梯口的时间为42秒。
由于以上数据是由最快速度计算的,因此,为了防止其他意外情况出现,将楼上滞后45秒下课,那么很少会有拥堵情况出现。
4 教学楼紧急疏散问题的解决方案
通过系统分析与计算,可以考虑以下疏散方案,该方案以平时疏散为主,兼顾紧急情况。主要目的是避免由于拥堵产生踩踏等次生风险。
方案一:计算整个教学楼各个楼梯合理的人流分担,在教室和走廊中设立明显撤离路线标志,引导学生按合理路线撤离。方案二:每提高一层,下课时间滞后45秒。可以考虑二楼比正常提前45秒,三楼正常,四楼比正常滞后45秒。
另外,需要拓宽教学楼外部衔接楼梯出口的通道,避免学生滞留。
参考文献:
[1]Nagatani T.Dynamical Transaition in Merging Pedestrian Flow Without Bottleneck[J]. Physica, 2002,307:505-515.
[2]Tajima Y, Takimo to K, Nagatani T.Patten Formation and Jamming Transition in Pedestrian Counter Flow[J]. Physics, 2002, 313:709-723.
[3]张培红,陈宝智.建筑物火灾时人员疏散群集流动规律[J].东北大学学报,2001,22(5):564-567.
[4]陆君安,方正.建筑物人员疏散逃生速度的数学模型[J].武汉大学学报:工学版,2002,35(2):66-70.
[5]卢春霞.人群流动的波动性分析[J].中国安全科学学报, 2006,16(2):98-103.
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