趙國敏,張青松,趙云鳳,戚瀚鵬

(1.天津城建大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，天津，300384；2.中國民航大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，天津，300300)

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開放型公共場所應(yīng)急疏散標(biāo)識優(yōu)化設(shè)計方法研究

趙國敏1*,張青松2,趙云鳳1,戚瀚鵬2

(1.天津城建大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，天津，300384；2.中國民航大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，天津，300300)

摘要：為優(yōu)化設(shè)計開放型公共場所的應(yīng)急疏散標(biāo)識，根據(jù)最短疏散時間、出口匹配原則建立兩步優(yōu)化模型，利用計算機(jī)仿真技術(shù)及數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，對開放型公共場所的疏散方案進(jìn)行優(yōu)化，合理分配各出口的疏散人數(shù)，對區(qū)域進(jìn)行劃分并設(shè)置相應(yīng)的疏散標(biāo)識。以某廣場為例，運(yùn)用上述方法進(jìn)行疏散標(biāo)識的優(yōu)化設(shè)計，驗(yàn)證了該方法的可行性和適用性。優(yōu)化結(jié)果表明，各出口的疏散人數(shù)分別調(diào)整至為282、143、152和424人后，疏散時間較初始狀態(tài)降低了45.3%。該優(yōu)化設(shè)計方法不僅可為開放型公共場所應(yīng)急疏散標(biāo)識的設(shè)置提供支持，還可為其他場所制定疏散方案、設(shè)置疏散指引標(biāo)識提供參考。

關(guān)鍵詞：開放型公共場所；應(yīng)急疏散標(biāo)識；疏散仿真；優(yōu)化設(shè)計

0引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，開放型公共場所的數(shù)量急劇增加，在此類區(qū)域發(fā)生的公共安全事件中，人員疏散面臨的風(fēng)險日益凸顯。就在2014年12月31日23時35分左右，上海外灘陳毅廣場發(fā)生了嚴(yán)重的踩踏事件，造成36人死亡，49人受傷，這令人哀痛逝者的驟然離去，更令每個人警醒。外灘之殤，折射的是城市安全治理規(guī)則的不健全和執(zhí)行不力，同時城市居民的安全意識也亟待強(qiáng)化。由于開放型公共場所人群高度聚集，發(fā)生事故后波及的人員較多，事故后果較為嚴(yán)重，因此此類區(qū)域的應(yīng)急疏散問題成為了公共安全領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一。

為在突發(fā)事件中指導(dǎo)位于開放型公共場所中人群的應(yīng)急疏散，設(shè)置合理的應(yīng)急疏散標(biāo)識是最為簡單有效的方法。Lo等[1]建立了博弈疏散模型，證明了應(yīng)急標(biāo)識對于疏散的重要性。Mantovani等[2]通過虛擬環(huán)境研究了不同環(huán)境和不同出口間距離條件下應(yīng)急標(biāo)識的效果，結(jié)果顯示移動的箭頭在出口指示方面稍具優(yōu)勢。Wong 和 Lo[3]通過對出口標(biāo)識的圖形、顏色、光照條件和觀測者的年齡這四個方面的考察，發(fā)現(xiàn)綠色標(biāo)識有非常高的可見度，光照條件差的情況下反而標(biāo)識的辨識度高。Tang等[4]通過虛擬現(xiàn)實(shí)構(gòu)造了一個疏散實(shí)驗(yàn)空間，通過比較沒有應(yīng)急標(biāo)識、舊版本應(yīng)急標(biāo)識和新版本應(yīng)急標(biāo)識的三種情景，得出應(yīng)急標(biāo)識對于緊急疏散的影響。趙[5]通過分析應(yīng)急標(biāo)識的疏散距離、疏散寬度等設(shè)計指標(biāo)和參數(shù)，得到了低處的標(biāo)識比高處標(biāo)識更容易被辨別的結(jié)論。杜[6]基于疏散過程中逃生者和應(yīng)急疏散標(biāo)識的交互模式，研究應(yīng)急疏散標(biāo)識的有效性問題和作用距離問題。另外，還有一些關(guān)于疏散方案優(yōu)化的研究。李等[7]提出時空擁擠度的概念來描述時間與空間維上的移動對象的擁擠程度，并以此提出一種基于擁擠度的應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化方法，該方法能夠?yàn)榇笮凸矆鏊娜藛T疏散提供從建筑物內(nèi)部經(jīng)由路網(wǎng)離開危險區(qū)域的一個完整疏散路徑方案。王[8]對復(fù)雜多功能區(qū)域人員疏散方案優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行探討，采取模擬仿真措施為疏散方案提供重要的數(shù)據(jù)信息，完善應(yīng)急消防系統(tǒng)和疏散引導(dǎo)設(shè)施的設(shè)置，設(shè)計出與工程相匹配的疏散引導(dǎo)優(yōu)化方案。然而，以上研究多關(guān)注于應(yīng)急疏散標(biāo)識的設(shè)置位置、顏色、圖形等物理特征以及建筑物內(nèi)的疏散方案優(yōu)化，鮮有利用疏散標(biāo)識指導(dǎo)多出口場所內(nèi)人員選擇適當(dāng)疏散出口的研究。為此，通過建立應(yīng)急疏散標(biāo)識優(yōu)化設(shè)計方法，利用計算機(jī)仿真技術(shù)及相應(yīng)數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，對開放型公共場所的疏散方案進(jìn)行優(yōu)化，確定選擇各出口進(jìn)行疏散的合理人數(shù)，并對區(qū)域進(jìn)行劃分，設(shè)置相應(yīng)的疏散標(biāo)識，以最大限度降低疏散時間，保證應(yīng)急疏散得以安全、高效地完成。

1開放型公共場所應(yīng)急疏散標(biāo)識優(yōu)化設(shè)計方法

在對應(yīng)急疏散標(biāo)識進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計之前，首先要制定科學(xué)合理的疏散方案，隨后根據(jù)疏散方案在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置疏散指引標(biāo)識。為合理優(yōu)化各出口對應(yīng)的疏散人數(shù)，傳統(tǒng)的方法為進(jìn)行全尺度疏散實(shí)驗(yàn)，但大規(guī)模的人員疏散不但耗資巨大，容易發(fā)生事故，同時還無法獲得重復(fù)數(shù)據(jù)[9]。為解決以上問題，目前的大規(guī)模人群疏散通常采用計算機(jī)仿真方法進(jìn)行研究。國內(nèi)外較為成熟的疏散仿真軟件包括Pathfinder、Steps、EXODUS、SIMULEX等[10]。

為了科學(xué)合理地設(shè)置應(yīng)急疏散標(biāo)識，首先對開放型公共場所的人員疏散方案進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)最短疏散時間、出口匹配兩條原則確定了一個兩步優(yōu)化模型，根據(jù)疏散優(yōu)化模型所確定的疏散方案，在相應(yīng)位置設(shè)置適當(dāng)?shù)膽?yīng)急疏散標(biāo)識，指導(dǎo)開放型公共場所的人員疏散。應(yīng)急疏散標(biāo)識優(yōu)化設(shè)計流程如圖1所示。

1.1　初始疏散狀態(tài)

圖1　開放型公共場所應(yīng)急疏散標(biāo)識優(yōu)化設(shè)計方法流程圖Fig.1　Flowchart of optimum design method for emergency evacuation signs at open public places

在無引導(dǎo)疏散情況下，人群會傾向于遵循最短路徑原則，即選擇距其自身最近的出口進(jìn)行疏散[11]。為此，基于最短路徑的疏散情景即為優(yōu)化前的初始疏散狀態(tài)。通過疏散軟件建立相應(yīng)的疏散模型進(jìn)行仿真，可以得到初始條件下的各出口所用疏散時間等參數(shù)。但由于仿真時所有人員均基于最短路徑原則進(jìn)行疏散，因此由于其位置原因?qū)е聜€別出口的疏散數(shù)量過少甚至為零，使得仿真得到的疏散參數(shù)不準(zhǔn)確。因此為確定各出口的疏散參數(shù)，依次單獨(dú)開放一個出口，使全部人員使用該出口進(jìn)行疏散，通過仿真得到各出口的首次進(jìn)入時間ti，最后離開時間Ti和疏散人數(shù)Ni。利用上述疏散參數(shù)可計算出各出口的疏散效率ηi(per/s)，如式(1)中所示：

(1)

1.2　第一次優(yōu)化

由于場所的地理條件及人員位置等原因，基于最短路徑的人員疏散會導(dǎo)致大多數(shù)人均使用距離最近的出口進(jìn)行疏散，引起該出口的過分擁擠，而一些距離較遠(yuǎn)的出口則利用率很低，最終導(dǎo)致人員分配的極度不均衡。為將人群合理的進(jìn)行分配，最大限度的降低疏散所用時間，根據(jù)各出口最后離開時刻相近原則對疏散方案進(jìn)行第一次優(yōu)化，縮短疏散所用時間，優(yōu)化模型如式2所示：

(2)

1.3　第二次優(yōu)化

第一次優(yōu)化在保證所有出口最后離開時刻相同的情況下合理的分配了各出口的疏散人數(shù)，使得所需疏散時間大幅降低。然而，通往各出口的道路條件及外部避難場所的條件會對人員疏散情況產(chǎn)生影響，如較多的通道轉(zhuǎn)折處數(shù)目和岔路口數(shù)目都會影響到人員疏散時的判斷，增加疏散時間，而這些因素在疏散仿真中并沒有考慮。為此，設(shè)定出口匹配參數(shù)αi對疏散方案進(jìn)行第二次優(yōu)化。

經(jīng)第二次優(yōu)化后分配給各出口的人數(shù)如下所示：

(3)

(4)

式中，N″i為經(jīng)二次優(yōu)化后分配給出口i的疏散人數(shù)，αi為出口i的出口匹配參數(shù)，aij表示出口i對應(yīng)上述三個因素中因素j的權(quán)值，r1、r2、r3分別為通道轉(zhuǎn)折處數(shù)目、岔路口數(shù)目及出口外避難場所條件對疏散影響的權(quán)重。經(jīng)專家打分確定判斷矩陣，最終計算出r1、r2、r3分別為0.105、0.637和0.258。而aij可根據(jù)開放型公共場所的具體特征通過層次分析法獲得。

對于運(yùn)用層次分析法(AHP)[12]計算aij時要針對每一要素分別建立判斷矩陣，而判斷矩陣的標(biāo)度及含義與傳統(tǒng)AHP方法有所變化，如表1所示。

表1　判斷矩陣標(biāo)度及其含義Table 1　Scale and implication of judgment matrix

2實(shí)例分析

2.1　場景設(shè)置

以某大型露天廣場為例，運(yùn)用上述應(yīng)急疏散標(biāo)識優(yōu)化設(shè)計方法指導(dǎo)標(biāo)識的安置。該開放空間公共場所可能集聚大量人群的場所主要是中心區(qū)域的該廣場。同時，4號出口通向地形特征相當(dāng)復(fù)雜的某道路。

表2　場景和參數(shù)設(shè)置Table 2　Scenario and parameter setting

利用疏散仿真軟件Pathfinder[13]建立相應(yīng)區(qū)域的仿真模型，如圖2所示。

圖2　廣場中小型活動疏散仿真模型Fig.2　Evacuation simulation model for small activities in the square

2.2　疏散方案優(yōu)化

2.2.1初始疏散狀態(tài)模擬

設(shè)置廣場中的人員在無指導(dǎo)情況下自動選擇距其最近的出口進(jìn)行疏散(初始疏散狀態(tài))，通過仿真得到的疏散過程見圖3，這4幅圖以時間為序從俯視角度描述了在廣場舉辦活動時發(fā)生突發(fā)事件后人群從疏散開始至完成過程中的各種形態(tài)。

圖3　廣場小型活動疏散仿真過程俯視圖Fig.3　Plan view of evacuation simulation procedure for small activities in the square

通過仿真結(jié)果可以看出，2號和4號出口對廣場內(nèi)近80%的人進(jìn)行了疏散，但其所用疏散時間(最后離開時刻即總疏散時間-首次進(jìn)入時刻)是最長，分別到達(dá)了65.3 s和43.2 s。由于1號和3號出口距廣場中心較遠(yuǎn)，因此其中通過人數(shù)只占總?cè)藬?shù)的20%，但所用疏散時間很短，分別為16.7 s和20.6 s。綜上可以看出，2號和4號出口由于位置靠近人群而導(dǎo)致人流量很大，1號和3號雖然距離相對較遠(yuǎn)，但疏散利用率非常低，應(yīng)將2號和4號出口的人群適當(dāng)向1號和3號出口分流，降低疏散時間。

2.2.2第一次優(yōu)化

依次單獨(dú)開放一個出口，使全部人員使用該出口進(jìn)行疏散，通過仿真得到個出口的首次進(jìn)入時間ti，最后離開時間Ti和疏散人數(shù)Ni，并計算出各出口的疏散效率ηi，根據(jù)各出口最后離開時刻相近原則利用式(2)對疏散方案進(jìn)行第一次優(yōu)化。其中，M為1000人，ti依次分別為29.48 s、29.35 s、35.53 s和20.90 s，ηi依次分別為17.2、8.6、16.1和16.1。

經(jīng)過第一次優(yōu)化后，所有出口的最終離開時間為46.04 s，同時分配給個出口的人數(shù)分別為290人、147人、162人和404人。

2.2.3第二次優(yōu)化

考慮通道轉(zhuǎn)折處數(shù)目、岔路口數(shù)目及出口外避難場所條件，在第一次優(yōu)化的基礎(chǔ)之上，基于出口匹配的原則對疏散方案進(jìn)行第二次優(yōu)化。通過專家打分確定以上三個因素的判斷矩陣如下：

經(jīng)計算，以上三個判斷矩陣均通過了一致性檢驗(yàn)，得到的特征向量的轉(zhuǎn)置即為aij。隨后根據(jù)式(3)、(4)計算第二次優(yōu)化后分配給各出口的疏散人數(shù)。

(5)

(6)

經(jīng)第二次優(yōu)化，分配給各出口的疏散人數(shù)分別為282人、143人、152人和424人。

2.3　應(yīng)急疏散標(biāo)識的優(yōu)化設(shè)計

2.3.1疏散標(biāo)識的安置

通過對疏散方案的兩次優(yōu)化，確定了匹配給各出口的合理疏散人數(shù)，同時假設(shè)廣場中的人群密度分布一致為0.65 m2/per，將中心廣場劃分為25×40的網(wǎng)格，每個網(wǎng)格代表一個人所占的區(qū)域，則可根據(jù)優(yōu)化后的疏散方案將中心廣場劃分為A、B、C、D四個區(qū)域，分別對應(yīng)四個出口，如圖4所示。

圖4　廣場分區(qū)網(wǎng)格圖Fig.4　Grid chart of square partition

為此，在以上四個區(qū)域內(nèi)的路邊或建筑外墻上設(shè)置指示疏散方向的標(biāo)識，同時在廣場地面上也要安置疏散指引地標(biāo)。此外，由于在通往出口1、2、3的道路中存在岔路口，因此還需在岔路口設(shè)置指引標(biāo)識。該廣場的應(yīng)急疏散標(biāo)識優(yōu)化設(shè)計情況如圖5所示。

圖5　應(yīng)急疏散標(biāo)識設(shè)置圖Fig.5　Setup diagram of emergency evacuation signs

2.3.2優(yōu)化效果分析

為分析該廣場應(yīng)急疏散標(biāo)識優(yōu)化設(shè)計的有效性，運(yùn)用仿真軟件Pathfinder對兩次優(yōu)化后的疏散方案進(jìn)行仿真，將其疏散結(jié)果與初始疏散狀態(tài)進(jìn)行比較，如圖6所示。

圖6　優(yōu)化效果分析圖Fig.6　Analysis chart for effectiveness of optimization

由圖6可以看出，在沒有設(shè)置應(yīng)急疏散標(biāo)識(初始狀態(tài))時，使用各出口進(jìn)行疏散的人員數(shù)量極度不均衡，出口3由于距廣場相對較遠(yuǎn)而導(dǎo)致利用率極低，僅有40人經(jīng)該出口疏散。同時，出口2的總疏散時間高達(dá)90.9 s，顯著超出其它出口的疏散時間。在進(jìn)行第一次優(yōu)化時，將使用出口2和出口4的部分人員分配給出口1和出口3，最終使所有出口的疏散時間均在47±2 s，將疏散時間降低了近50%。隨后根據(jù)疏散通道通行條件和出口外避難場所條件，在第一次優(yōu)化的基礎(chǔ)之上進(jìn)行了第二次優(yōu)化。經(jīng)第二次優(yōu)化后，由于出口4的疏散條件較好，因此增加了匹配給其的人員數(shù)量，導(dǎo)致其疏散時間小幅增加；而其它3個出口疏散人數(shù)略有減少，隨之也造成的疏散時間的微量降低。雖然經(jīng)第二次優(yōu)化后的疏散時間較第一次優(yōu)化略有增加，但其考慮了仿真中無法量化的影響因素，較第一次優(yōu)化后的方案更為合理，同時還將初始狀態(tài)的疏散時間降低了45.3%以上。為此可以表明，在兩次優(yōu)化后按出口人員匹配數(shù)量對廣場進(jìn)行分區(qū)，在不同區(qū)域安置相應(yīng)的應(yīng)急疏散標(biāo)識后，人員可根據(jù)疏散標(biāo)識向不同出口進(jìn)行疏散，廣場在發(fā)生突發(fā)事件時的人群疏散效率得到明顯改善，疏散時間顯著縮短。

3結(jié)論

本文根據(jù)最短疏散時間、出口匹配兩條原則建立了一個兩步優(yōu)化模型，結(jié)合疏散仿真對開放型公共場所的疏散方案進(jìn)行優(yōu)化，隨后根據(jù)疏散方案中各出口人員匹配情況劃分區(qū)域，在相應(yīng)區(qū)域設(shè)置應(yīng)急疏散標(biāo)識，指導(dǎo)人員疏散。以某廣場為例，運(yùn)用該方法對疏散標(biāo)識進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果表明，各出口人數(shù)根據(jù)疏散通道通行條件和出口外避難場所條件得到了良好的配備；經(jīng)兩次優(yōu)化后，分配給各出口的疏散人數(shù)分別為282人、143人、152人和424人，疏散時間自90.9 s降至49.7 s，降低了45.3%。此優(yōu)化設(shè)計方法避免了現(xiàn)實(shí)疏散實(shí)驗(yàn)容易導(dǎo)致人員傷亡及耗資巨大的缺陷，不僅可為開放型公共場所應(yīng)急疏散標(biāo)識的安置提供支持，還可為其他場所制定疏散方案、設(shè)置疏散指引標(biāo)識提供參考。

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Optimal design method of emergency evacuation signs at open public places

ZHAO Guomin1, ZHANG Qingsong2, ZHAO Yunfeng1, QI Hanpeng2

(1. School of Energy and Safety Engineering, Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China;

2. College of Safety Science and Engineering, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300,China)

Abstract:The emergency evacuation of open public spaces has become one of the hot issues of public safety. In this paper, a two-step optimization model is established to optimize the emergency evacuation signs at open public places, based on principles of shortest evacuation time and exit matching. The evacuation planning of open public places is optimized via computer simulation technology and mathematical optimization model. By this model, the numbers of evacuees for each exit are reasonably distributed, and the regions are divided, with the emergency evacuation signs set up accordingly. An example of a certain square is presented by which the feasibility and applicability of the model are verified. The results show that when the numbers of evacuees for each exit are adjusted to 282, 143, 152 and 424, the evacuation time decreases by 45.3% compared to the initial state.

Keyword: Open public place; Emergency evacuation signs; Evacuation simulation; Optimal design

DOI:10.3969/j.issn.1004-5309.2015.04.07

文章編號：1004-5309(2015)-00235-08

通訊作者：陳儀洋，E-mail:1552398645@qq.com

作者簡介：汪和平，安徽安慶人，(1970.10- )，教授，博士，研究方向?yàn)楣こ坦芾怼?/p>

基金項目：教育部人文社會科學(xué)青年 (14YJC630119)；安徽省教育廳自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目(KJ2010A056)。

收稿日期：2015-04-10；修改日期：2015-05-25

中圖分類號：X93；X932

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A