柴 昭，吳天齊，郄志紅，吳鑫淼

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北 保定 071001；2.國(guó)網(wǎng)北京市電力公司豐臺(tái)供電公司，北京 豐臺(tái) 100071）

水電站、水泵站等是發(fā)電、灌溉、排澇、輸水工程中的重要建筑物，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，又涉及大型機(jī)械和大量電氣設(shè)備，電纜夾層、排水廊道縱橫交錯(cuò)，如遇火災(zāi)、地震、事故等突發(fā)事件，不熟悉廠內(nèi)結(jié)構(gòu)布置的人員在緊急情況下容易迷失方向或者不能及時(shí)有效地組織疏散逃生，造成人身傷亡事故，即使熟悉水電站結(jié)構(gòu)的運(yùn)行人員，也不容易在災(zāi)情發(fā)生的第一時(shí)間有效選擇最佳逃生線路。為保證疏散安全，在設(shè)計(jì)中必須設(shè)置疏散通道，加強(qiáng)消防設(shè)計(jì)［1-2］；陸雪濤［3］針對(duì)引江濟(jì)淮工程蜀山泵站樞紐內(nèi)的防護(hù)對(duì)象做出了防火設(shè)計(jì)方案及滅火措施；張圣楠［4］結(jié)合自身工作情況對(duì)常見(jiàn)水利泵站類建筑防火疏散問(wèn)題進(jìn)行一些討論；胡超鵬等［5］對(duì)長(zhǎng)洲水電站廠房事故照明進(jìn)行了優(yōu)化改造；韓宏斌等［6］對(duì)小浪底水電站廠房照明系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化分析，袁正東［7］發(fā)明了小型水電站事故應(yīng)急照明系統(tǒng)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能的發(fā)展，建立1 種多智能體系統(tǒng)模擬人員疏散過(guò)程可以有效提高緊急情況下人員疏散的效率。廖燦等［8］建立了行人流多智能體仿真模型研究突發(fā)事件對(duì)隧道行人疏散時(shí)間的影響，張晶等［9］提出了1 種基于多目標(biāo)規(guī)劃和智能體仿真的社區(qū)人員疏散方案。目前常用的模型有“社會(huì)力模型”（Socialforce modal）［10-13］、格子氣模型［14-15］以及以元胞自動(dòng)機(jī)模型［16-19］為代表的離散模型。元胞自動(dòng)機(jī)模型具有計(jì)算規(guī)則簡(jiǎn)單和計(jì)算效率高等特點(diǎn)，使其成為用于模擬人員疏散最廣泛的模型之一。在經(jīng)典疏散模型的基礎(chǔ)上，學(xué)者們根據(jù)研究方向的不同提出了各類擴(kuò)展模型。崔喜紅、李強(qiáng)等［20-21］對(duì)人員的從眾行為、個(gè)體特征以及引導(dǎo)人員數(shù)量與位置對(duì)疏散效率的影響做了比較深入的研究；胡志飛等［22］通過(guò)對(duì)疏散指示燈的影響范圍及布置數(shù)量對(duì)疏散過(guò)程與時(shí)間做了比較深入的研究；李偉等［23］通過(guò)對(duì)慣性、趨光、避害、恐慌、從眾等人員個(gè)體行為的分析，并將連續(xù)模型的社會(huì)力模型規(guī)則引入元胞自動(dòng)機(jī)模型中，結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)使疏散中個(gè)體的自組織現(xiàn)象更加明顯。

本研究以改進(jìn)的元胞自動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)建立水電站廠房人員疏散模型，改進(jìn)了前人每個(gè)時(shí)間只移動(dòng)1格的理論，引入了吸引力概率以及個(gè)體感知范圍，個(gè)體的移動(dòng)方向與移動(dòng)速度根據(jù)視野范圍及其內(nèi)部障礙物與人員數(shù)量來(lái)決定，應(yīng)用擴(kuò)展的Moore 型模型提供更多可移動(dòng)方向的選擇，使模擬更貼近真實(shí)情況。重點(diǎn)分析指示燈在疏散過(guò)程中的引導(dǎo)作用，對(duì)比研究不同數(shù)量指示燈和指示燈不同布置情況下人員疏散的速度和時(shí)間，以期為水電站廠房照明指示系統(tǒng)布置以及人員疏散提供參考。

1 元胞自動(dòng)機(jī)原理及模型基本假定

1.1 元胞自動(dòng)機(jī)模型

元胞自動(dòng)機(jī)（Cellular automata，CA）最早是由John von Neumann 和Ulam 提出的［24］，它是由大量互相作用的個(gè)體細(xì)胞構(gòu)成的1 種動(dòng)力系統(tǒng)［25］。元胞自動(dòng)機(jī)模型具有時(shí)空的離散型、狀態(tài)離散型和有限性、同步性等基本特征，同時(shí)它具有模擬復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)空演化過(guò)程的功能。狀態(tài)、鄰域和更新規(guī)則是元胞自動(dòng)機(jī)的三大核心要素［26］，即每個(gè)元胞都是離散的，所有元胞的狀態(tài)同步改變。CA 模型通過(guò)局部變化帶來(lái)的反饋信息，從而更好地模擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的突變、自組織等特性，在交通流、優(yōu)化算法等方面得到廣泛應(yīng)用。CA 的2 種常用鄰居為Von Neumann 型和Moore 型，如圖1 和圖2 所示。本研究考慮更多的方向選擇自由度，采用擴(kuò)展的Moore型鄰居（r=4）。

圖1 Von Neumann 型鄰居（r=1）Fig.1 Von Neumann neighbor（r=1）

圖2 Moore 型鄰居（r=1）Fig.2 Moore neighbor （r=1）

1.2 疏散模型的基本假設(shè)

元胞自動(dòng)機(jī)人員疏散模型主要框架為疏散場(chǎng)所、疏散人員、環(huán)境和運(yùn)動(dòng)規(guī)則等。本文根據(jù)具體情況對(duì)模型做了如下假定：

①場(chǎng)地模型進(jìn)行均勻的網(wǎng)格劃分，大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)男性平均肩寬48.1 cm，女性平均肩寬43 cm，所以取每個(gè)網(wǎng)格對(duì)應(yīng)0.5 m×0.5 m 的空間；

②每個(gè)元胞有自己的特殊屬性，可能是障礙物、墻壁、指示燈、疏散人員、指示燈或者空，且每個(gè)元胞空間在同一時(shí)間只能被1 個(gè)疏散個(gè)體或障礙物占據(jù)。

③疏散模型采用擴(kuò)展的Moore 型鄰居（視野范圍示意圖，圖3），疏散人員根據(jù)移動(dòng)速度的不同分別移動(dòng)至視野范圍內(nèi)吸引力最大的網(wǎng)格。

圖3 視野范圍示意圖（r=4）Fig.3 Range of occupant’s vision field（r=4）

④人員疏散的位置和特性隨機(jī)產(chǎn)生。

⑤由于所有元胞狀態(tài)是按規(guī)則同步更新，因此規(guī)定1 個(gè)人行進(jìn)決策的時(shí)間為2 s，每個(gè)決策時(shí)間可移動(dòng)的網(wǎng)格數(shù)為vt/0.5 個(gè)，可更突出表現(xiàn)出行人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即在人少時(shí)移動(dòng)速度快，人多時(shí)移動(dòng)速度慢。

2 基于元胞自動(dòng)機(jī)的人員疏散模型的建立

2.1 疏散速度與疏散時(shí)間

考慮到人員在疏散過(guò)程中會(huì)因人群密度、障礙物等外界因素變速前進(jìn)，改進(jìn)文獻(xiàn)［27］的速度計(jì)算方法，得到速度計(jì)算公式如下：

式中：v表示人員疏散過(guò)程的實(shí)際速度；

v0表示人員正常狀態(tài)下的行進(jìn)速度，取v0=1 m/s；

N表示單位面積上人和障礙物的總數(shù)量。

視野范圍以元胞（i，j）為中心的1 個(gè)（2r+1）×（2r+1）階方陣，在模擬時(shí)取r=4，如圖4 所示。按上述公式計(jì)算每1 個(gè)疏散人員的實(shí)際速度，當(dāng)最后1 個(gè)人疏散成功時(shí)計(jì)算疏散總時(shí)間。

2.2 人員疏散的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)則

突發(fā)事件發(fā)生時(shí)人員會(huì)采取何種疏散行為模式（即疏散路線的選擇問(wèn)題）是避難研究和疏散模型關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)。緊急情況下，疏散個(gè)體因恐慌等外界因素從而降低自身的判斷，因此在選擇逃生方向時(shí)具有一定的盲目性與從眾性。本研究賦予網(wǎng)格一定吸引力，把網(wǎng)格吸引力的大小作為疏散路徑選擇［28］的主要依據(jù)。在t時(shí)刻根據(jù)人員所在網(wǎng)格的狀態(tài)、自身的速度、疏散人員的視野范圍以及視野范圍內(nèi)其他網(wǎng)格屬性，計(jì)算出感知范圍內(nèi)網(wǎng)格的吸引力概率，疏散個(gè)體將根據(jù)自身移動(dòng)速度選擇移動(dòng)至吸引力概率最大的網(wǎng)格作為下一時(shí)刻的目標(biāo)網(wǎng)格［26］。網(wǎng)格N（i，j）的吸引力概率P（i，j）定義為：

式中：Pdis(i,j)表示網(wǎng)格N（i，j）的位置吸引力概率；kdis是位置吸引力的影響系數(shù)；Pdir(i,j)表示網(wǎng)格N（i，j）的方向吸引力概率；kdir是方向吸引力的影響系數(shù)。

kdis和kdir的值可以根據(jù)不同疏散模式進(jìn)行調(diào)整，kdis+kdir=1。kdis越大，說(shuō)明疏散人員對(duì)場(chǎng)地越熟悉，相反，疏散人員的行為模式受從眾心理的影響越大(本文取kdis=0.2，kdir=0.8)。kij為網(wǎng)格吸引力概率P（i，j）的調(diào)節(jié)系數(shù)。

（1）位置吸引力概率Pdis(i,j)

在單疏散出口的前提條件下，根據(jù)網(wǎng)格距離出口位置距離與最遠(yuǎn)距離的比值確定位置吸引力概率Pdis(i,j)，其計(jì)算公式如下：

式中：D(i,j)= (ik-i)2+(jk-j)2,表示網(wǎng)格N（i，j）到疏散出口中心(ik,jk)的距離；max(D(i,j))和min(D(i,j)表示所有網(wǎng)格到疏散出口中心距離的最大值和最小值。

（2）方向吸引力概率Pdir(i,j)

緊急情況下人員疏散行為非常復(fù)雜，個(gè)體對(duì)逃生出口有個(gè)人判斷和從眾行為，即個(gè)體在進(jìn)行下一步移動(dòng)前會(huì)考慮視野范圍內(nèi)其他個(gè)體的運(yùn)動(dòng)方向。參照Moore 型元胞自動(dòng)機(jī)規(guī)則，在疏散人員有8 個(gè)可移動(dòng)方向的前提下，改進(jìn)本次擴(kuò)展的Moore 型元胞自動(dòng)機(jī)模型，人員選擇的方向可用方向吸引力概率Pdir(i,j)表示，其表達(dá)式為：

式中：Ndir(k)是一定視野范圍內(nèi)k方向的總?cè)藬?shù)，k=（1，…m）；m是視野范圍內(nèi)可移動(dòng)的總網(wǎng)格數(shù)（若采用Von Neumann 型，則m=4；若采用Moore 型，則m=8）。

本研究采用擴(kuò)展的Moore 型，取m=80，視野范圍參考圖4（r=4）。

（3）出口位置直接吸引力

為使模擬更加符合實(shí)際的疏散情況，本研究還引入了出口位置的直接吸引力這一概念。即在個(gè)體視野范圍內(nèi)可看到出口時(shí)，使用最短路徑規(guī)則，根據(jù)速度公式以最快的速度走向出口，進(jìn)入疏散安全區(qū)。出口位置直接吸引力范圍如圖3 藍(lán)色區(qū)域所示。

2.3 疏散照明指示燈引入分析

疏散出口和通道的信息可以通過(guò)指示燈明確指出，以保證疏散個(gè)體可以快速撤離。疏散指示燈根據(jù)功能不同分為2 大類：一是出口指示燈，布設(shè)于出口頂部；二是方向指示燈，布設(shè)在安全通道及拐角處，本文模擬中引入疏散指示燈模塊［29］。疏散指示燈根據(jù)位置不同分為2 大類：一是附著式指示燈，其貼附于墻壁，影響范圍為扇形區(qū)域；二是地埋式指示燈，鋪設(shè)于地面，影響范圍為圓形區(qū)域。

本次模擬對(duì)疏散指示燈做出如下假定：一是疏散指示燈類型選擇，在出口布設(shè)附著式指示燈，在過(guò)道、走廊等處布設(shè)地埋式指示燈；二是指示燈影響范圍，地埋式指示燈影響范圍是半徑5 個(gè)網(wǎng)格的圓形，附著式指示燈因本文設(shè)立出口位置直接吸引力而不再考慮影響范圍，只起到標(biāo)識(shí)作用。最后，將指示燈的特性賦予特殊網(wǎng)格。本次模擬由于選擇場(chǎng)景為水電站廠房，人員擁堵的幾率較小，在假設(shè)了出口直接吸引力范圍后，設(shè)置出口附著式指示燈只起到提示作用，不參與疏散行為。在疏散模擬過(guò)程中，個(gè)體的感應(yīng)范圍感受到指示燈影響范圍時(shí)向指示燈方向移動(dòng)，進(jìn)入指示燈影響范圍后，受到引導(dǎo)后以最短路徑向出口移動(dòng)，未受指示燈影響的個(gè)體將繼續(xù)按原有疏散模式移動(dòng)。

3 實(shí)例分析

3.1 水電站廠房基本情況

以某水電廠房的實(shí)際布局為研究場(chǎng)景，水電廠房模型平面圖如圖4 所示。水電站廠房的有效長(zhǎng)度為75 m，寬度為25 m，區(qū)域分為辦公區(qū)和水電站工作區(qū)，紅色為水輪機(jī)、工作站或墻壁等，可將其視為障礙物，藍(lán)色為出口直接吸引力范圍，綠色為廠房設(shè)立的出口。該水電站每年都有高校學(xué)生集中前來(lái)參觀實(shí)習(xí)。

圖4 模型平面布置圖Fig.4 Layout plan

3.2 水電站廠房人員疏散模擬及分析

本研究以水電站廠房為研究場(chǎng)景，對(duì)其進(jìn)行模型概化，假定在無(wú)外界干擾的情況下疏散人員位置隨機(jī)分布，并設(shè)定場(chǎng)景中人員數(shù)量為100 人。模擬情景假設(shè)為學(xué)生實(shí)習(xí)時(shí)突發(fā)火災(zāi)，在疏散模擬過(guò)程中，個(gè)體在選擇過(guò)程中存在從眾心理（Kdir=0.8）［20］，設(shè)定疏散個(gè)體的視野范圍為4 個(gè)網(wǎng)格（r=4），模擬20 次結(jié)果取其平均值。本次主要從疏散指示燈的數(shù)量和優(yōu)化布置2 方面來(lái)對(duì)疏散的過(guò)程與時(shí)間進(jìn)行模擬分析，最終確定數(shù)量和位置的最優(yōu)組合方案。

（1）在不同數(shù)量指示燈條件下對(duì)人員進(jìn)行疏散模擬研究

目前水電站、泵站等水利工程在安全疏散指示燈布置方面沒(méi)有相關(guān)規(guī)范規(guī)定，參照《地鐵規(guī)范》中的規(guī)定，在站廳、站臺(tái)、自動(dòng)扶梯、樓梯口、疏散通道拐彎處、交叉口、安全出口，沿通道長(zhǎng)向每隔不大于20 m 處均需設(shè)置疏散指示燈［30］，對(duì)廠房通道拐角處、安全出口、障礙物以及廠房必要位置，分別布置12、14、16、18、20、22、24 個(gè)疏散指示燈，以此作為基礎(chǔ)布置，模擬疏散指示燈對(duì)疏散過(guò)程與疏散時(shí)間的影響，指示燈個(gè)數(shù)與疏散時(shí)間關(guān)系曲線如圖5 所示。

圖5 指示燈數(shù)量與疏散時(shí)間關(guān)系曲線圖Fig.5 Different number of indicator light and evacuation time relationship graph

由圖5 可知，參照上述規(guī)范要求布置時(shí)，隨著指示燈數(shù)量增多，疏散時(shí)間總體呈下降趨勢(shì)。指示燈數(shù)量增加到18 個(gè)之前（包括18 個(gè)）疏散時(shí)間降幅明顯，當(dāng)布置20 個(gè)指示燈時(shí)，布置數(shù)量增多，為疏散個(gè)體提供了更多疏散路徑的選擇，影響個(gè)體判斷，致使疏散時(shí)間增長(zhǎng)。當(dāng)指示燈數(shù)量增加至24 個(gè)時(shí)，疏散時(shí)間降低較少，整體走勢(shì)趨于平緩。

（2）基于以上分析，所做的不同數(shù)量指示燈對(duì)疏散效率的研究，在此僅選取18 個(gè)指示燈為例考慮位置布置對(duì)疏散時(shí)間的影響，從而得出相對(duì)最優(yōu)布置方案。根據(jù)模型空間將廠房位置分別對(duì)辦公區(qū)與工作區(qū)提供3×4 共計(jì)12 種模擬方案，指示燈布置位置圖如圖6、圖7 所示。依據(jù)對(duì)辦公區(qū)與工作區(qū)不同方案組合的模擬，得到不同方案疏散時(shí)間對(duì)比圖，如圖8 所示。

圖6 辦公區(qū)指示燈布置圖Fig.6 Light layout of office area

圖7 工作區(qū)指示燈布置圖Fig.7 Working area indicator light layout

圖8 疏散時(shí)間對(duì)比圖Fig.8 Comparison diagram of evacuation time

本試驗(yàn)研究單出口水電站廠房的疏散模擬，由于廠房?jī)?nèi)部辦公區(qū)距離出口較遠(yuǎn)，整體疏散時(shí)間都處于140 s 以上。圖8 給出了辦公區(qū)與工作區(qū)共12種指示燈位置布置組合的疏散時(shí)間，組合1（辦公區(qū)布置方案1 與工作區(qū)布置方案1 組合）為參照規(guī)范布置方案，組合2（辦公區(qū)布置方案1 與工作區(qū)布置方案2 組合）為最長(zhǎng)疏散時(shí)間布置方案，組合12（辦公區(qū)布置方案2 與工作區(qū)布置方案4 組合）為最優(yōu)布置方案，由上圖可知不同組合對(duì)疏散時(shí)間影響較大。組合12 疏散時(shí)間144 s，與組合1 相比疏散時(shí)間減少了5.5%，與組合2 相比疏散時(shí)間減少了11.3%。組合12 所給出的18 個(gè)指示燈布置方案優(yōu)于圖7 中24 個(gè)指示燈布置方案。

4 結(jié)論

以水電站廠房在突發(fā)情況下人員疏散為例，基于元胞自動(dòng)機(jī)原理建立了人員疏散模擬的改進(jìn)模型。研究了疏散指示燈布置數(shù)量以及位置的不同對(duì)疏散過(guò)程以及疏散時(shí)間的影響

（1）在單出口的人員疏散過(guò)程中，增加廠區(qū)辦公區(qū)指示燈數(shù)量，盡快疏散廠房?jī)?nèi)部人員可以提高疏散效率。

（2）在給定指示燈數(shù)量的前提下，通過(guò)對(duì)比分析辦公區(qū)與工作區(qū)共12 種指示燈位置布置組合，得到最優(yōu)布置方案，結(jié)果表明合理地優(yōu)化指示燈位置可以大大提高疏散效率。

（3）該模擬結(jié)果可對(duì)水電站廠房的照明指示系統(tǒng)以及人員疏散提供參考，同時(shí)也可為不同場(chǎng)景的人員疏散模擬提供模型上的支持。