唐藝璇，常波峰，孫璐瑤，王啟睿，田水承

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 安全與應(yīng)急管理研究所，陜西 西安 710054；3.陜西煤業(yè)化工集團(tuán)神木紅柳林礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300)

0 引 言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，各類(lèi)突發(fā)事件頻現(xiàn)，疏散是保證人員生命財(cái)產(chǎn)安全最快速、高效的途徑，對(duì)時(shí)間、空間的充分利用顯得尤為重要。突發(fā)事件本身具有的突發(fā)性、普遍性和不確定性等特點(diǎn)，使人必須在極短的時(shí)間內(nèi)作出判斷和決策，這會(huì)導(dǎo)致人直面此類(lèi)危險(xiǎn)的威脅時(shí)，由于危險(xiǎn)而產(chǎn)生的恐懼、焦慮等心理干擾人的決策行為，進(jìn)而對(duì)疏散效率產(chǎn)生影響[1-3]。疏散效率是保證人員安全疏散的關(guān)鍵。

由此，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)疏散效率的影響因素進(jìn)行了大量的論證研究。對(duì)于外部環(huán)境因素的影響，田水承、XIA、宋洋等借助仿真模擬的方法，認(rèn)為合理的應(yīng)急出口位置分布、室內(nèi)布局與有效的智能消防聯(lián)動(dòng)裝置是提高疏散效率的重要因素，對(duì)疏散效率的影響較大[4-7]；羅凌燕、ENRICO、王彥雲(yún)等以地鐵站為研究場(chǎng)景，認(rèn)為能見(jiàn)度、出口形狀、人體疲勞度、人的心理變化等都會(huì)影響乘客的疏散效率，而安全疏導(dǎo)員的增加在一定程度上有助于平衡各個(gè)出口的使用效率[8-11]；益鵬等認(rèn)為在緊急疏散過(guò)程中，當(dāng)人員環(huán)境熟悉度較高時(shí)，習(xí)慣是影響人員出口選擇與疏散總時(shí)間的重要因素[12-13]；陳一洲等通過(guò)構(gòu)建人群疏散模型，得到與Pathfinder一致的模擬結(jié)果，得出疏散效率由人員密度、移動(dòng)速度、疏散時(shí)間三者相互控制[14]。除環(huán)境因素對(duì)疏散效率帶來(lái)影響之外，部分學(xué)者從心理層面出發(fā)，袁春燕等運(yùn)用模糊邏輯方法對(duì)人員心理量化分析，構(gòu)建了“心理-環(huán)境模型”這一可靠性更高的疏散模型，為人員疏散研究提供參考[15]；王莉、李曉艷、HELBING等認(rèn)為人員心理因素顯著影響疏散效率，其中，恐慌和從眾心理的權(quán)重值最高[16-18]；SALOMA、HELBING、顏向農(nóng)等研究認(rèn)為，羊群行為阻止了對(duì)有效出口的利用，疏散時(shí)間顯著增加，大大降低了人員疏散速度[19-21]；李昌華等研究表明，羊群行為對(duì)疏散的影響具有不確定性，需適當(dāng)加入引導(dǎo)員等外界因素，方可確定羊群行為的促進(jìn)作用[22]。

綜合上述研究發(fā)現(xiàn)，前人對(duì)疏散效率的影響因素研究大多集中于環(huán)境和人的心理層面，忽視了疏散過(guò)程中發(fā)生的羊群行為，或簡(jiǎn)單地認(rèn)為該行為抑制了人員疏散，將其片面地歸于負(fù)性影響因素，沒(méi)有分類(lèi)討論此行為對(duì)疏散效率的具體影響。鑒于此，文中借助Pathfinder軟件，從羊群行為的自變量出發(fā)，根據(jù)不同比例的羊群行為對(duì)疏散效率的影響程度，綜合分析應(yīng)急疏散過(guò)程中羊群行為扮演的角色，期望為應(yīng)急疏散仿真模擬與疏散模型的構(gòu)建研究提供更為細(xì)致的參考。

1 羊群行為

1.1 羊群行為產(chǎn)生機(jī)制

羊群行為(herd behavior)最初起源于對(duì)牛羊等畜類(lèi)成群移動(dòng)現(xiàn)象的描述，后被社會(huì)學(xué)領(lǐng)域用來(lái)描述人類(lèi)社會(huì)中的一種非理性行為：是指在社會(huì)情景或群體壓力下，個(gè)人改變自己的態(tài)度、放棄原先的意見(jiàn)，產(chǎn)生和多數(shù)人一致的行為。20世紀(jì)30年代，謝里夫的流動(dòng)錯(cuò)覺(jué)實(shí)驗(yàn)是首次圍繞羊群行為開(kāi)展的研究。

各項(xiàng)社會(huì)心理學(xué)研究成果證實(shí)，安全氛圍作為社會(huì)環(huán)境因素影響著個(gè)體行為，當(dāng)人處于應(yīng)急狀況下，最易產(chǎn)生從眾心理，導(dǎo)致羊群行為[23-25]。法國(guó)社會(huì)學(xué)家TARDE認(rèn)為，模仿是社會(huì)集體中最基本的社會(huì)現(xiàn)象，在沒(méi)有干擾的情況下，模仿一旦開(kāi)始，便會(huì)以幾何級(jí)數(shù)的速度迅速增長(zhǎng)蔓延，從而使個(gè)體行為上升為群體行為[26]。1922年，瑞士心理學(xué)家榮格提出了集體無(wú)意識(shí)理論，即在特定情況下，一群聚集的人會(huì)表現(xiàn)出全新的特點(diǎn)，個(gè)體特征消失，感情傾向趨同，服從于群體精神統(tǒng)一法則，使群體成員在情緒和行為上表現(xiàn)出一致性[27]。群體中的成員易受群體情緒的感染，從而選擇與多數(shù)人一致的行為，群體的一致性又促進(jìn)情緒在群體中的傳播擴(kuò)散，此類(lèi)“暗示-模仿-循環(huán)反應(yīng)”的過(guò)程，就是研究證實(shí)的求同心理過(guò)程。這種求同心理是造成羊群行為的心理基礎(chǔ)，羊群行為是人尋求社會(huì)認(rèn)同感和安全感的結(jié)果。

1.2 羊群行為影響因素

突發(fā)事件背景下，羊群行為的影響因素大致分為個(gè)人因素與群體因素。個(gè)人因素包括人的生理、心理特征以及對(duì)場(chǎng)景的熟悉程度等；群體因素包括人群的恐慌程度、行動(dòng)方向等。在個(gè)體受群體情緒感染后，不安全感造成部分人理智缺失、判斷能力下降，在選擇疏散路線時(shí)不以距離等因素為參考標(biāo)準(zhǔn)，而是跟隨人群流動(dòng)方向進(jìn)行疏散。

2 模型構(gòu)建

Pathfinder是由美國(guó)Thunderhead Engineering公司開(kāi)發(fā)的一款基于人員運(yùn)動(dòng)的仿真模擬器，常用于對(duì)人員的緊急疏散逃生評(píng)估。通過(guò)對(duì)人員肩寬、移動(dòng)速度、預(yù)動(dòng)作時(shí)間等相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，計(jì)算出疏散的最佳時(shí)間，獲得直觀的可視化結(jié)果。使用者可根據(jù)軟件模擬結(jié)果篩選出最優(yōu)疏散方案，減少人員傷亡[28]。其中人員運(yùn)動(dòng)方式有2類(lèi)可供選擇，分別是Steering模式和消防工程師協(xié)會(huì)(society of fire protection engineers，SFPE)模式。Steering模式下，通過(guò)路徑規(guī)劃、指導(dǎo)機(jī)制和碰撞處理3類(lèi)機(jī)制相結(jié)合對(duì)人員運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，如果人員之間的距離和最近點(diǎn)的路徑超過(guò)某一閾值，可以重新規(guī)劃路線以適應(yīng)新的形勢(shì)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是在該模式下人員的疏散方向及速度取決于實(shí)際環(huán)境情況及人員密度等綜合因素，不單以距離為參考量。SFPE模式利用空間密度確定運(yùn)動(dòng)速度，依據(jù)就近原則，疏散人員對(duì)出口的選擇僅以距離作為選擇該出口的原則。2類(lèi)模式中，Steering模式疏散路徑的規(guī)劃參考條件更加豐富，考慮因素較多，更貼近人員真實(shí)疏散情況，更符合實(shí)際需要，故選擇該模式作為文中人員的運(yùn)動(dòng)方式。

文中借助Pathfinder仿真平臺(tái)，通過(guò)構(gòu)建虛擬場(chǎng)景，模擬不同程度的羊群行為對(duì)疏散效率的影響。與實(shí)景實(shí)驗(yàn)相比，該方法節(jié)省了大量人力物力，且避免大量人群疏散情境下可能發(fā)生的擁擠、踩踏事故。

2.1 場(chǎng)景構(gòu)建

以某辦公樓火災(zāi)為例，該辦公大樓共地上4層，1～3層為標(biāo)準(zhǔn)層，層高3 m，寬9 m，長(zhǎng)22 m，4層天臺(tái)建筑高2.6 m，建筑面積共691.02 m2。文中對(duì)建筑采用1∶1的比例簡(jiǎn)化模型內(nèi)外結(jié)構(gòu)。室內(nèi)共有2部樓梯，其中一部為從一樓直通3樓的旋轉(zhuǎn)樓梯，一部為連接各樓層直至天臺(tái)的單跑樓梯。選擇發(fā)生火災(zāi)時(shí)的最不利情況，將起火點(diǎn)假設(shè)為位于靠近一層正門(mén)與旋轉(zhuǎn)樓梯口的位置，選擇一層側(cè)門(mén)(Exit 1)與天臺(tái)(Exit 2)作為人員疏散的2個(gè)出口，寬度分別為2 m和1 m，連通一二層的旋轉(zhuǎn)樓梯不做疏散用途，僅將單跑樓梯和連通二三層的旋轉(zhuǎn)樓梯作為連接室內(nèi)各個(gè)樓層的疏散通道。場(chǎng)景模型如圖1所示。

圖1 場(chǎng)景模型平面圖

2.2 人員參數(shù)設(shè)定

據(jù)事件新聞報(bào)道，事件發(fā)生時(shí)建筑內(nèi)共70人，1樓12人，2樓31人(15女，16男)，3樓27人(14女，13男)，其中69人在20～50歲區(qū)間內(nèi)，1名60歲以上的老人。面對(duì)突發(fā)火災(zāi)，人員疏散行為通常會(huì)稍做延遲，根據(jù)人員所處樓層的不同，以一層反應(yīng)時(shí)間T1=0.62 s為基礎(chǔ)，依次遞增1 s作為各層人員的反應(yīng)時(shí)間[29]。構(gòu)建疏散模型時(shí)，人員空間位置分布隨機(jī)設(shè)定如圖2所示，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 人員位置分布圖

表1 人員參數(shù)設(shè)置

3 羊群行為模擬

3.1 不同比例的羊群行為模擬

突發(fā)事件疏散過(guò)程中的羊群行為表現(xiàn)為人員疏散過(guò)程中對(duì)出口的選擇，當(dāng)群體處于正常情況時(shí)，人員往往會(huì)根據(jù)自身對(duì)場(chǎng)景的熟悉程度、出口距離、自身習(xí)慣和需要等對(duì)出口做出選擇。一旦遇到情況不明的緊急事件，在逃生本能的驅(qū)使下，處于群體中的人因恐懼失去理智，出于對(duì)群體選擇的信任，常常會(huì)選擇做出與群體一致的行為。文中以正常情景下的疏散情況為對(duì)照組，由圖3可知，模擬發(fā)現(xiàn)通過(guò)Exit 1的人員數(shù)量略多于Exit 2，故文中將出現(xiàn)羊群行為的人員設(shè)定為僅選擇Exit 1作為疏散出口，其余人員仍遵循Steering模式進(jìn)行疏散。本模型選擇以0.2為步長(zhǎng)，模擬了羊群行為人數(shù)占比從0到1的疏散情況，將疏散時(shí)間作為評(píng)定疏散效率的指標(biāo)。

圖3 對(duì)照組各出口人員通過(guò)總量

3.2 結(jié)果分析

疏散模擬結(jié)果如圖4所示。正常情況下的疏散時(shí)間為64.3 s，與對(duì)照組相比，在羊群行為比例達(dá)到20%時(shí)，疏散效率最高，所需疏散時(shí)間為60.8 s；40%時(shí)疏散效率有所下降，但對(duì)疏散仍起正向促進(jìn)作用。當(dāng)羊群行為比例上升到60%時(shí)，疏散時(shí)間提高了19.84%，增長(zhǎng)速度較快，說(shuō)明此時(shí)羊群行為大大影響了人員疏散。此后，疏散時(shí)間隨著該行為比例的上升持續(xù)增大，當(dāng)整個(gè)群體都發(fā)生羊群行為時(shí)，疏散時(shí)間提高至91.5 s。與對(duì)照組相比，最短疏散時(shí)間減少了5.44%，最長(zhǎng)疏散時(shí)間增加了42.31%。

圖4 不同比例羊群行為的疏散時(shí)間

分別選取模擬結(jié)果中疏散時(shí)間最短和最長(zhǎng)的情況，如圖5～圖8所示，發(fā)現(xiàn)疏散過(guò)程中3層樓梯拐角處出現(xiàn)人員密度最大且移速最慢的情況，說(shuō)明此處發(fā)生人員擁堵情況。當(dāng)疏散通道口達(dá)到自身疏散極限時(shí)會(huì)出現(xiàn)如圖所示的“成拱效應(yīng)”，群體內(nèi)的相互作用力使得該效應(yīng)下的疏散效率降低，導(dǎo)致人員滯留，3層樓梯拐角人員疏散路徑的相互交錯(cuò)情況如圖9所示。針對(duì)上述問(wèn)題，在不改變樓梯寬度與拐角空間的狀況下，在擁堵處增加適當(dāng)?shù)恼系K物可適當(dāng)分流人群，減少人員間的摩擦力。結(jié)合實(shí)際情況在距樓梯不遠(yuǎn)處設(shè)置一1.1 m×0.1 m的障礙物，改進(jìn)前后疏散時(shí)間見(jiàn)表2，改進(jìn)后的疏散時(shí)間均有減少，其中比例為20%和100%的分別為57.5和90.8 s，分別下降了10.58%和0.77%，對(duì)疏散效率有促進(jìn)作用。

圖5 20%羊群行為下人員密度熱圖

圖6 20%羊群行為下人員移速熱圖

圖7 100%羊群行為下人員密度熱圖

圖8 100%羊群行為下人員移速熱圖

圖9 3層樓梯人員疏散路徑

表2 改進(jìn)前后疏散時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

驗(yàn)證了以往研究中認(rèn)為羊群行為會(huì)導(dǎo)致疏散時(shí)間增加、疏散效率下降的觀點(diǎn)的正確性。但文中通過(guò)將羊群行為劃分成不同比例的方法，發(fā)現(xiàn)較小比例的羊群行為對(duì)人員的疏散速度起到促進(jìn)作用。這是由于正常情況下，各出口會(huì)出現(xiàn)利用不均的情況，而羊群行為導(dǎo)致的出口利用不均衡，可改善正常情境中出口利用不均的缺陷。改進(jìn)后障礙物的設(shè)置，能有效改變?nèi)藛T疏散路徑，減弱了人群成拱效應(yīng)的穩(wěn)定性，減緩成拱效應(yīng)的形成周期，緩解人員擁擠狀況，有效提高疏散效率。

4 結(jié) 論

文章借助Pathfinder軟件，以某辦公樓為場(chǎng)景構(gòu)建了疏散模型，目的是探究羊群行為對(duì)疏散效率的影響，并以縮短疏散時(shí)間為目的對(duì)模型加以改進(jìn)，得到以下結(jié)論。

1)疏散過(guò)程中的羊群行為不能簡(jiǎn)單歸結(jié)為負(fù)性影響因素。羊群行為比例在20%～40%時(shí)，有助于提高疏散效率；一旦超過(guò)該范圍，疏散時(shí)間顯著增長(zhǎng)，效率降低。

2)一定條件下的障礙物對(duì)人員疏散有促進(jìn)作用。正常疏散條件下，障礙物可以消解或抑制疏散口的成拱效應(yīng)，改變?nèi)藛T路徑，緩解疏散過(guò)程中的擁擠程度，提高疏散效率。