高校學(xué)生宿舍樓火災(zāi)逃生仿真研究

龍圣杰，朱　彬，唐鳴靜，周雅琴

（遵義師范學(xué)院a.數(shù)學(xué)與計算科學(xué)學(xué)院，b.化學(xué)化工學(xué)院，貴州遵義563002）

高校學(xué)生宿舍樓火災(zāi)逃生仿真研究

龍圣杰a，朱彬b，唐鳴靜a，周雅琴a

（遵義師范學(xué)院a.數(shù)學(xué)與計算科學(xué)學(xué)院，b.化學(xué)化工學(xué)院，貴州遵義563002）

高校學(xué)生宿舍火災(zāi)事故時有發(fā)生，嚴(yán)重地威脅著學(xué)生的生命財產(chǎn)安全，因此研究如何在火災(zāi)時發(fā)生時盡快讓學(xué)生逃離火場，對于保障學(xué)生的安全意義重大。為了研究高校學(xué)生宿舍樓火災(zāi)逃生，以當(dāng)前貴州地區(qū)高校典型的學(xué)生宿舍樓為研究對象，按社會力模型，用Anylogic仿真軟件模擬火災(zāi)下的學(xué)生逃生場景。結(jié)果表明，有組織的逃生能夠大大縮短整體逃生時間，同時避免擁堵現(xiàn)象；自上而下的逃生方式能更有序、更快地逃離火災(zāi)現(xiàn)場。根據(jù)仿真結(jié)果，對高校學(xué)生宿舍消防安全工作提出了相應(yīng)的建議。

社會力模型；仿真；火災(zāi)；逃生

學(xué)生宿舍作為大學(xué)生校園生活的主要活動場所之一，人員密集且存在大量易燃的生活用品，屬于火災(zāi)事故易發(fā)區(qū)域。校園火災(zāi)不僅嚴(yán)重威脅師生的生命財產(chǎn)安全，同時也會對社會造成不良影響［1，2］。學(xué)生宿舍一旦發(fā)生火災(zāi)事故，火勢很容易呈現(xiàn)蔓延趨勢?；馂?zāi)產(chǎn)生的高溫、濃煙會給火場中的人員帶來極大的傷害，據(jù)統(tǒng)計在火場中人員滯留3分鐘就會失去自控能力，5分鐘就會死亡［3］。在人員密集的學(xué)生宿舍，一旦發(fā)生火災(zāi)，如果學(xué)生不能及時撤離，很容易造成群死群傷的嚴(yán)重事故。因此在火災(zāi)發(fā)生時，有效組織學(xué)生撤離火場意義重大。然而采用演習(xí)的方式研究火災(zāi)逃生具有很大的局限性，首先，研究數(shù)據(jù)的獲取需要進(jìn)行多次反復(fù)的演習(xí)，需要動員大量的人力物力；其次，在演習(xí)過程中，由于人員密集，容易發(fā)生意外事故；再次，在火災(zāi)逃生過程中人員心理因素對安全逃生的影響很大，而演習(xí)時很難再現(xiàn)火災(zāi)的真實情景。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，仿真模擬技術(shù)由于具有安全、經(jīng)濟(jì)、可重復(fù)性的優(yōu)勢已經(jīng)被研究者廣泛應(yīng)用于人員逃生的研究［4］。Anylogic是當(dāng)前備受關(guān)注且應(yīng)用廣泛的研究交通行人流的仿真軟件，其依據(jù)社會力底層算法開發(fā)的行人庫模型能夠很好地反映人員在運動過程中所受到的有形與無形的作用力對其行為的影響。本文選取貴州省高校典型的學(xué)生宿舍為研究對象，運用Anylogic仿真軟件構(gòu)建逃生模型，研究逃生方式對人員疏散的影響，并結(jié)合仿真研究結(jié)果對高校學(xué)生宿舍樓的消防安全提出了相應(yīng)建議。

1　火災(zāi)逃生研究場景設(shè)定

首先通過查閱相關(guān)信息并結(jié)合系統(tǒng)動力學(xué)方法構(gòu)建模擬環(huán)境，用仿真技術(shù)模擬高校學(xué)生宿舍火災(zāi)發(fā)生場景。以下將從火災(zāi)逃生研究對象、火災(zāi)場景以及構(gòu)建仿真模型底層算法三個方面進(jìn)行介紹。

1.1火災(zāi)逃生研究對象

本文以貴州地區(qū)典型的L型無電梯多層宿舍樓為研究對象，這種宿舍樓建筑結(jié)構(gòu)單一、布局相對簡單、人員聚集程度高。L型宿舍樓長邊樓道為40米，短邊樓道為20米，樓道寬度為2米。每層樓25間寢室，每間寢室4名學(xué)生，宿舍樓具體布局情況如表1所示。

表1　學(xué)生宿舍樓布局情況

高校學(xué)生宿舍為空間封閉的人員聚集場所，大量人員聚集時無法進(jìn)行快速移動。在封閉空間中人員較快的步行速度為 1.49m/s，在放松狀態(tài)下為1.1m/s，整體平均速度1.24m/s［5］。據(jù)統(tǒng)計中國男性肩寬為38.3cm～48.6cm，女性肩寬為34.7cm～45.8cm［6］，因此可將人體在地面的投影近似地看作一個圓，其直徑為人體肩寬。在進(jìn)行仿真實驗時，可設(shè)定人體投影的直徑為0.4～0.5m，人員行走速度為0.9～1.5m/s。

1.2火災(zāi)場景

在火災(zāi)時間上，本文選擇最極端的情況，即火災(zāi)發(fā)生在凌晨，這時候宿舍中所有學(xué)生都已就寢。假設(shè)火源位于不利逃生的主出口，此時主要逃生通道不能使用，所有學(xué)生只能通過緊急通道逃生?；馂?zāi)發(fā)生后學(xué)生有30秒的逃生反應(yīng)時間，火災(zāi)發(fā)生30秒后所有學(xué)生開始逃生，學(xué)生逃離宿舍樓一樓即可脫離火災(zāi)威脅。宿舍樓平面圖如圖1所示。

圖1　宿舍樓平面圖

建筑物發(fā)生火災(zāi)后火勢會很快蔓延，人員在火場中停留的時間越長越容易受到火焰及濃煙等有害物質(zhì)的傷害。盡快逃離火場是火災(zāi)逃生成功的關(guān)鍵，因此本文選擇逃生時間作為評判火災(zāi)逃生的指標(biāo)［7，8］。

1.3社會力模型概述

1995年赫爾本（Helbing）等人在流體動力學(xué)方程基礎(chǔ)上，構(gòu)建了社會力行人交通流模型［9］。社會力行人模型包括行人向著目標(biāo)運動因素、行人之間作用因素、行人與邊界等障礙物之間的相互作用因素等，通過流體動力學(xué)將各種因素進(jìn)行量化。社會力模型的動力學(xué)方程為：

驅(qū)動力是促使人員以期望速度向目標(biāo)位置運動的力，表達(dá)式為：

模型中如果其他作用力沒有干擾，人們會以固定的速度向目標(biāo)位置方向移動。然而在現(xiàn)實中由于受到周圍環(huán)境因素的影響，實際速度會與期望速度有一定的偏差。社會力模型中排斥力因素包括人員相互之間的作用力和周圍環(huán)境障礙物對人員的作用力，人員相互之間的作用力又包含社會力和物理力，表示如下：

人體與墻壁等障礙物之間的作用力與人體之間的作用力類似，用B表示墻壁，則人與墻壁之間作用力可表示為：

在火場中人員在移動時會受周圍環(huán)境其他人員或物體的影響，其中人員之間的吸引力可以用向量與一個常數(shù)的乘積來表示：

社會力模型能很好地模擬出人員在環(huán)境中的行走狀況，因此被廣泛應(yīng)用于應(yīng)急疏散研究中［10］。

2　高校學(xué)生宿舍樓火災(zāi)逃生仿真分析

高校學(xué)生宿舍發(fā)生火災(zāi)時，宿舍樓中的學(xué)生在30s反應(yīng)時間后立即向樓下安全區(qū)域逃生。本文以社會力底層算法構(gòu)建火災(zāi)逃生模型并分別對不同逃生方式的疏散場景進(jìn)行模擬。

模型參數(shù)設(shè)置如下：發(fā)生火災(zāi)的宿舍樓中學(xué)生人數(shù)為滿員情況下的600人，火災(zāi)發(fā)生30s后被發(fā)現(xiàn)?；馂?zāi)發(fā)生在主通道位置，宿舍樓中學(xué)生都需要通過應(yīng)急通道逃生。學(xué)生逃生速度為0.9～1.5m/s的均勻分布，人體投影直徑為0.4～0.5m的均勻分布，人與障礙物之間的距離不小于0.4m。

2.1多層宿舍同時逃生

本實驗假設(shè)火災(zāi)發(fā)生初期即被發(fā)現(xiàn)，火災(zāi)還未對宿舍中的學(xué)生造成傷害，火災(zāi)發(fā)生后學(xué)生有30s的反應(yīng)時間，30s后宿舍樓中的學(xué)生同時逃生。當(dāng)學(xué)生完全撤離宿舍樓后，逃生結(jié)束。仿真實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2　仿真逃生實驗一

仿真實驗結(jié)果顯示，在30秒的反應(yīng)時間后六層宿舍樓中的學(xué)生同時涌向應(yīng)急通道，在2分鐘時每個樓層都有大量學(xué)生擁堵在通道前。火災(zāi)發(fā)生7分鐘后，仍然有相當(dāng)數(shù)量的學(xué)生聚集在一、二樓層的通道前。火災(zāi)發(fā)生7.8分鐘后所有學(xué)生經(jīng)過緊急逃生通道撤離著火宿舍樓，整個逃生過程結(jié)束。

2.2按從高到低的順序依次逃生

實驗場景設(shè)置與實驗一基本相同，區(qū)別在于火災(zāi)發(fā)生后，按樓層從高到低的順序，依次組織學(xué)生通過緊急逃生通道逃生，當(dāng)宿舍樓中的學(xué)生完全撤離后，逃生結(jié)束，仿真實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3　仿真逃生實驗二

仿真實驗結(jié)果顯示，火災(zāi)發(fā)生2分鐘后，第六層的學(xué)生基本撤離，然而仍有部分學(xué)生在低樓層樓梯通道內(nèi)，第五層的學(xué)生開始進(jìn)入緊急逃生通道。低樓層的學(xué)生在此期間可呆在寢室內(nèi)，以避免火焰及煙氣的傷害?；馂?zāi)發(fā)生5.5分鐘后，宿舍樓中只有第一層還有少部分學(xué)生未逃生，其他樓層學(xué)生均已撤離完畢?；馂?zāi)發(fā)生5.7分鐘后，所有學(xué)生撤離完畢，逃生過程結(jié)束。相對于仿真實驗一，仿真實驗二的逃生時間縮短了2.1分。

2.3按從低到高的順序依次逃生

實驗場景設(shè)置與實驗一基本相同，區(qū)別在于火災(zāi)發(fā)生后，有序組織宿舍樓中的學(xué)生按樓層從低到高的順序依次逃生，宿舍樓中的學(xué)生完全撤離后，逃生結(jié)束。仿真實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4　仿真逃生實驗三

仿真實驗結(jié)果顯示，火災(zāi)發(fā)生2分鐘后，宿舍樓第一層的學(xué)生撤離完畢，第二層的學(xué)生開始撤離，在此期間第二層以上的學(xué)生可呆在寢室內(nèi)，以避免火焰及煙氣的傷害。火災(zāi)發(fā)生5.5分鐘后1～5層的學(xué)生撤離完畢，第六層的學(xué)生已經(jīng)開始進(jìn)入緊急逃生通道?；馂?zāi)發(fā)生6.1分鐘后，所有學(xué)生撤離宿舍樓。

2.4學(xué)生宿舍火災(zāi)逃生方式分析

根據(jù)以上仿真實驗結(jié)果，可得出如下結(jié)論：（1）在沒有組織的疏散中，大量學(xué)生同時涌向應(yīng)急逃生通道，會造成逃生通道和樓梯間嚴(yán)重?fù)頂D，這種逃生方式花費時間最多，而且在擁堵中學(xué)生很容易發(fā)生踩踏事故；（2）實驗二與實驗三由于有序組織學(xué)生逃生，相對于無組織的逃生方式大大節(jié)約了逃生時間，同時也緩解了樓梯間的擁堵程度；（3）有組織的逃生方式中，采用自上而下的逃生方式逃生時間最短。

3　結(jié)束語

本文采用社會力底層算法構(gòu)建模型，對貴州地區(qū)高校典型無電梯宿舍樓火災(zāi)逃生過程進(jìn)行了仿真模擬與分析。實驗結(jié)果表明，運用仿真技術(shù)可以很好地模擬逃生過程，既能夠節(jié)省真實演習(xí)的花費又能夠獲取實驗數(shù)據(jù)，可以很好地應(yīng)用于人員逃生。實驗結(jié)果還表明，組織有序自上而下的逃生方式能夠縮短逃生時間。

基于實驗結(jié)果，本文對高校學(xué)生宿舍安全管理提出以下建議：（1）盡早發(fā)現(xiàn)火情，縮短火災(zāi)反應(yīng)時間，盡快組織學(xué)生逃生；（2）有序組織學(xué)生逃生，避免擁擠踩踏事故；（3）高校要經(jīng)常組織自上而下的疏散演練，才能保證發(fā)生災(zāi)害時學(xué)生能快速有序地撤離。

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（責(zé)任編輯：朱彬）

Research on Simulated Evacuation from Dormitory during the Conflagration

LONG Sheng-Jiea，ZHU Binb，TANG Ming-jinga，ZHOU Ya-qina
（a.College of Mathematics and Computational Science；b.College of Chemistry and Chemical Engineering，Zunyi Normal College，Zunyi 563002，China）

Frequent fire disasters happened in colleges have always been serious threats to students'property and life.To protect students from fire disasters，researches on ways of guiding students evacuating are significant.This paper focuses on simulation of evacuation from students'dormitory in conflagration.Based on social force model，this paper uses anylogic to build fire scenarios，and take dormitories in Guizhou for example.Results show that organized guide can avoid congestion and shorten evacuation time sharply，and an updown evacuation way performs better.In the end，by analyzing all results，this paper offers a proposal on universities'fire control.

social force model；simulation；fire accident；evacuation

X913.4

A

1009-3583（2016）-0102-04

2015-12-11

遵義師范學(xué)院基礎(chǔ)教育研究項目（13ZYJ023）

龍圣杰，男（土家族），貴州凱里人，遵義師范學(xué)院數(shù)學(xué)與計算科學(xué)學(xué)院教師，碩士。研究方向：系統(tǒng)仿真。