都恩源，陳心如，韓祥臨，宋 濤

(湖州師范學(xué)院 理學(xué)院，浙江 湖州 313000)

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國高校規(guī)模不斷擴(kuò)大，高校已成為人群聚集場所，這在一定程度上增加了突發(fā)事故的人群疏散難度和二次事故發(fā)生率.高校人群聚集的典型建筑物主要為宿舍樓、教學(xué)樓、圖書館和實(shí)驗樓等，而突發(fā)事故中火災(zāi)最為普遍，這給廣大師生的人身和財產(chǎn)安全造成了極大的威脅.據(jù)央視網(wǎng)統(tǒng)計[1]，近5年全國共發(fā)生學(xué)生宿舍火災(zāi)2 314起，平均每天都有學(xué)生宿舍著火.在火災(zāi)事件中，學(xué)生群體的消防安全意識薄弱，消防知識和逃生技能缺乏，造成大多數(shù)火災(zāi)伴有人員傷亡；由于學(xué)校建筑物內(nèi)人員密集，極易誘發(fā)二次事故(如踩踏)而造成二次傷害[2].特別是高校宿舍樓作為學(xué)生主要的活動和休憩場所，因建筑布局狹窄和人員集中，成為了研究高校安全事故中人群應(yīng)急疏散的重點(diǎn).

國內(nèi)外學(xué)者已對高校建筑物內(nèi)人群疏散進(jìn)行了一些研究，其中以社會力模型為基礎(chǔ)進(jìn)行推廣應(yīng)用和仿真分析是較為典型的有效方法[3-4].龍圣杰等研究了多層宿舍學(xué)生群體疏散的撤離時間[5].周文科等改進(jìn)社會力模型中的行人速度變化公式，用于研究人群疏散速度演化及路線選擇策略[6].鄭丹等引入蒙特卡洛法對比研究人群疏散時間，重點(diǎn)觀察人群折返滯留現(xiàn)象[7].何怡婧等采用問卷調(diào)查方法分析人群疏散行為的特征參數(shù)，模擬了男女生宿舍發(fā)生火災(zāi)時的疏散情況[8].Wei等改進(jìn)社會力模型，使得模擬產(chǎn)生的行人流基本圖與實(shí)測數(shù)據(jù)一致[9].本文基于社會力模型構(gòu)建宿舍樓學(xué)生群體應(yīng)急疏散模型，利用Anylogic軟件模擬研究宿舍布局對學(xué)生疏散的影響，最后對比2019年湖州師范學(xué)院學(xué)生應(yīng)急疏散演練結(jié)果，對高校學(xué)生宿舍樓消防安全提出建議.

1 社會力模型原理

1995年，Helbing等提出社會力模型，指出在逃生過程中行人主要受3個作用力影響：驅(qū)動力、人與人間的作用力、障礙物和邊界排斥力[3].

(1) 驅(qū)動力來源于突發(fā)事故下人員的逃生意識，表示人員以期望速度朝著目標(biāo)移動的力，疏散過程中的目標(biāo)即為逃生出口，其方程為：

其中：FDi為行人i與目標(biāo)D之間的驅(qū)動力；mi為行人i的質(zhì)量；vdi為期望速度；vi為行人i的實(shí)際速度；τ為弛豫時間；xd-xi為行人i與目標(biāo)d之間的距離.該方程表明，在同等作用時間內(nèi)，由于人流量過大造成實(shí)際速度減慢，驅(qū)動力就會增加，進(jìn)而促使人員產(chǎn)生急躁、恐慌心理，也易發(fā)生擁堵現(xiàn)象.

(2) 人與人之間的作用力主要是個體對其他行人的排斥力和吸引力.排斥力表現(xiàn)為在逃生時人們往往會選擇空間較大的地方前行；吸引力主要表現(xiàn)為結(jié)伴而行和跟隨效應(yīng).人與人之間的作用力可用以下動力學(xué)方程描述：

Fij=-dijVij[bij(dij)],dij=xi-xj,

其中：Fij為行人i與行人j之間的相互作用力；Vij為行人i與行人j相互作用力的函數(shù)關(guān)系式；bij為行人i與行人j橢圓等勢線的半長軸.在社會力模型中，行人形態(tài)常用圓或橢圓表示.圓或橢圓的大小即為行人的占地范圍.相較于驅(qū)動力，人與人之間的作用力除受兩人之間的距離因素影響外，還受半長軸bij的影響.

(3) 障礙物和邊界排斥力表現(xiàn)為行人在緊急疏散時會繞開障礙物向空曠地方逃生，而當(dāng)靠近墻壁時行人會遠(yuǎn)離躲避.其動力學(xué)方程描述如下：

其中：Fiw為行人i與障礙物和邊界w的排斥力；Uiw為行人i與障礙物和邊界w排斥力的函數(shù)關(guān)系式.顯然，障礙物和邊界排斥力受行人與障礙物之間的距離影響.

由上述3種力合成的行人運(yùn)動計算公式為：

F總=FDi+∑Fij+∑Fiw.

經(jīng)多年發(fā)展，社會力模型應(yīng)用廣泛且改進(jìn)眾多，被公認(rèn)為描述人群運(yùn)動最好的模型之一[4].

2 人群應(yīng)急疏散模型

2.1 Anylogic行人仿真方法

Anylogic是一款針對主體建模，可在離散、連續(xù)和混合系統(tǒng)中使用的建模仿真軟件.該軟件對人群運(yùn)動的仿真主要通過行人庫來實(shí)現(xiàn)，其核心優(yōu)勢是能將以社會力模型為算法構(gòu)建的行人流模型涉及的模擬區(qū)域和初始邊界條件分解成全局參數(shù)設(shè)置對象、環(huán)境對象和行人對象等.Anylogic軟件擁有較便利的圖形操作界面和數(shù)據(jù)分析工具，對人群運(yùn)動的模擬效果非常逼真.本文構(gòu)建以Anylogic 7.0為平臺的高校宿舍人群應(yīng)急疏散模型，并進(jìn)行仿真研究.

2.2 環(huán)境場景分析

高校宿舍樓布局簡單、人員密集，平面組織方式以旅館式為主.以湖州師范學(xué)院中校區(qū)學(xué)生宿舍樓為例，宿舍樓為內(nèi)廊式布局，每層的南面有11個宿舍，北面有12個宿舍，共6層.每間宿舍長為6 m，寬為3.6 m.走廊寬為2 m，寢室門寬為1 m.宿舍樓共有兩部樓梯，分布在樓幢兩側(cè)，樓梯梯段寬為1.2 m，梯井寬為0.1 m，層高為4 m；西側(cè)樓梯為主要出口，出口寬為2.3 m，東側(cè)樓梯為緊急出口，出口寬為1.5 m.每間宿舍可住4人.圖1為學(xué)生宿舍樓布局平面圖.

圖1 學(xué)生宿舍樓布局Fig.1 Student dormitory building layout

2.3 行人參數(shù)與指標(biāo)設(shè)定

(1) 逃生速度：逃生行為研究顯示[8]，行人較快的步行速度為1.49 m/s，放松狀態(tài)下的步行速度為1.1 m/s，整體平均步行速度為1.24 m/s.根據(jù)本研究設(shè)置的問卷調(diào)查顯示，學(xué)生屬于青壯年，其逃生速度較快，但內(nèi)廊式布局的宿舍樓道狹長，空間封閉，在人群密集時人員移動速度較慢，且男女生在逃生過程中存在速度差異，男生步幅更大,因此在模型中將女生移動的速度設(shè)置為0.9～1.3 m/s，將男生移動的速度設(shè)置為0.9～1.5 m/s.

(2) 人體空間：參考成年人體尺寸[10]，男大學(xué)生體寬約為0.43～0.49 m，女大學(xué)生體寬約為0.40～0.46 m，因此在模型中將人體空間范圍圈半徑設(shè)置為0.4～0.5 m.

(3) 3個基本作用力參數(shù)：根據(jù)人體工程學(xué)中的論述[11]，中國成年男性在第5和第95百分位的體重分別為48 kg和75 kg，成年女性分別為42 kg和66 kg.綜合體重數(shù)據(jù)和大學(xué)生年齡特征，并結(jié)合問卷調(diào)查數(shù)據(jù)，在模型中將男生的平均體重設(shè)置為60 kg，將女生的平均體重設(shè)置為50 kg.一般默認(rèn)的人體反應(yīng)時間即弛豫時間為0.5 s，期望速度即最大逃生速度已設(shè)定，實(shí)際速度平均為1.24 m/s，故計算可得女生驅(qū)動力為6 N，男生驅(qū)動力為31.2 N；人與人間的作用力和障礙物與邊界對人的排斥力隨位置關(guān)系實(shí)時變化.

(4) 逃生出口選擇：根據(jù)調(diào)查結(jié)果和心理行為參數(shù)量化，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在群體疏散過程中會優(yōu)先選擇較近的出口，再選擇人較少的出口.

(5) 行人通行情況：根據(jù)建筑布局分析[10-11]，宿舍門每次可通行1人，主樓梯和主出口可通行2～3人，緊急樓梯和緊急出口可通行1～2人.

2.4 火災(zāi)場景設(shè)置

火災(zāi)突發(fā)性較強(qiáng)，若能在人員飽和的狀態(tài)下達(dá)到高效率的緊急疏散，對學(xué)生的安全具有一定的保障性.因此，本文將火災(zāi)發(fā)生時間選擇為凌晨，此時所有學(xué)生還在安寢，共計552人；高校宿舍樓均有門禁措施，在凌晨時段宿舍樓出口門均處于關(guān)閉狀態(tài).假設(shè)火災(zāi)點(diǎn)靠近一樓宿舍管理員就寢區(qū)，但不影響兩個出口的疏散，火點(diǎn)布局如圖2所示.

圖2 火點(diǎn)布局Fig.2 Fire point layout

火災(zāi)發(fā)生后，宿舍管理員在第一時間內(nèi)察覺知曉，并在30 s內(nèi)打開主出口和緊急出口，通知學(xué)生應(yīng)急疏散需要30 s.30 s后，所有學(xué)生開始疏散，逃出宿舍一樓兩個出口的任意一個即可脫離危險.疏散過程以安全為準(zhǔn)則，以應(yīng)急疏散時間為指標(biāo)，減少人員在煙氣中的停留時間，提高疏散效率是緊急疏散的關(guān)鍵要素.

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 女生疏散過程特性

(1) 模擬結(jié)果與實(shí)際演練結(jié)果相符.模擬過程中，利用時間與人數(shù)關(guān)系表，記錄每次疏散時間，取30次的平均值，得到女生宿舍樓疏散總時間為626 s，如圖3所示.2019年11月8日，湖州師范學(xué)院組織2019級學(xué)生在中校區(qū)15～21幢宿舍樓進(jìn)行滅火和應(yīng)急疏散演練，由于只有一個年級的學(xué)生參與演練，每幢宿舍樓的人數(shù)均未達(dá)到最大值，約占總數(shù)的40%～60%，且學(xué)生對應(yīng)急疏散均有心理準(zhǔn)備，女生宿舍樓實(shí)際疏散總時間約為270 s.對比圖3可知，模擬結(jié)果與實(shí)際演練結(jié)果相符.

圖3 女生宿舍樓疏散時間關(guān)系圖Fig.3 The relationship diagram of crowd evacuation time in female dormitory building

(2) 堵塞嚴(yán)重，疏散效率較低.圖4為當(dāng)火災(zāi)發(fā)生400 s后宿舍樓一樓出口處附近的撤離場景.由圖4可見，兩個出口處均出現(xiàn)明顯因人員擁擠造成的堵塞情況.從圖3可以看出，360 s后學(xué)生疏散速度減慢，這是由于出口處通行能力固定，大量學(xué)生短時間內(nèi)的集中造成了宿舍出口處人員排隊撤離.但此時如果個別學(xué)生因心理恐慌而推搡他人，就會極易造成踩踏事件等二次事故，且此時間段救援人員也無法通過出入口進(jìn)入宿舍樓開展救援.

圖4 一樓出口處人群堵塞場景Fig.4 Scene of crowd jam at the exit of the first floor

(3) 緊急出口使用效率不佳.圖5為當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后611 s和620 s時宿舍樓一樓出口處人員疏散情況.由圖5可見，此時主要出口處已無學(xué)生撤離，而緊急出口處直至模擬過程結(jié)束都有學(xué)生在逃生.由此表明，兩個出口在應(yīng)急疏散時使用不平衡，沒有發(fā)揮出人群疏散所需要的最佳效果.結(jié)合問卷調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果和現(xiàn)場建筑布局分析可知，造成上述情況的原因主要有兩個：一是緊急出口寬度比主要出口小，通行能力較低；二是學(xué)生疏散時會優(yōu)先選擇較近樓梯和較少人走的出口.由此造成短時間內(nèi)緊急出口處人員疏散負(fù)荷較大而無法及時向外疏散學(xué)生的現(xiàn)象.

圖5 一樓出口使用場景Fig.5 Poor use of the first floor exit

3.2 男生疏散過程特性

總體而言，男生宿舍樓疏散時間較短，疏散過程較順暢，在宿舍樓建筑布局相同的條件下，顯然與男生有較強(qiáng)的逃生能力有關(guān).

男生宿舍樓疏散總時間為540 s，比女生宿舍樓疏散時間短，說明男生疏散效率較高.模擬結(jié)果顯示，緊急出口出現(xiàn)擁堵，顯然是由出口寬度狹窄與短時間內(nèi)所承載的疏散人數(shù)需求不匹配造成的.圖6的緊急出口處人數(shù)較多，且出口寬度僅為1.5 m，因此造成了人群堵塞.圖7的主要出口較寬，不會造成明顯的人群擁堵，因此可以保證樓內(nèi)人群持續(xù)有序地撤離.

圖6 男生宿舍樓主要出口場景Fig.6 Main exit scenes of male dormitory building

圖7 男生宿舍樓緊急出口堵塞場景Fig.7 Scene of emergency exit blocking in male dormitory building

3.3 男女生疏散過程共性

(1) 疏散時間不受火點(diǎn)位置影響.多次模擬結(jié)果表明，無論是女生宿舍樓還是男生宿舍樓，火點(diǎn)位置不論在哪層走廊，均不影響學(xué)生疏散的總體時間.如圖3和圖8所示，女生疏散總時間約為626 s，男生疏散總時間約為540 s.可見，男生逃生能力較強(qiáng)，6 min內(nèi)就能疏散95%的人數(shù)，而女生疏散時間需要8 min；疏散后期的疏散人數(shù)下降緩慢，這是因為樓梯和出口處擁堵,導(dǎo)致學(xué)生的疏散速度降低.

圖8 男生宿舍樓疏散時間關(guān)系圖Fig.8 The relationship diagram of crowd evacuation time in male dormitory building

(2) 疏散過程中無人員傷亡.根據(jù)多次模擬結(jié)果顯示，在上述疏散時間內(nèi)，學(xué)生宿舍樓發(fā)生火災(zāi)后未造成人員傷亡.根據(jù)問卷調(diào)查結(jié)果、現(xiàn)場建筑布局勘驗和行人參數(shù)設(shè)定三方面綜合考慮模型模擬顯示，由于宿舍樓布局簡單、學(xué)生有序逃生、次第撤離、沒有因推搡他人等造成二次安全事故，一般不會發(fā)生大規(guī)模人員傷亡慘劇.

(3) 出口堵塞時出現(xiàn)成拱現(xiàn)象.由于出入口寬度較窄，當(dāng)通行人員過多，特別是在應(yīng)急疏散時人群互相擠壓則會發(fā)生擁堵，在出口處易形成拱形.疏散演練和模擬中均會產(chǎn)生此現(xiàn)象，如圖9所示.

圖9 堵塞成拱現(xiàn)象Fig.9 Blocking arching phenomenon

(4) 從眾行為明顯.在應(yīng)急疏散過程中，男女生均表現(xiàn)出跟隨大部分人群行動的行為.模擬中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)緊急出口處樓梯暢通時，即使主要出口處樓梯人群擁擠，大部分學(xué)生還是選擇跟隨大眾繼續(xù)前行，只有少部分學(xué)生看到另一側(cè)樓梯暢通而轉(zhuǎn)變逃生方向，更改逃生路線.如圖10所示，在出現(xiàn)危險后，部分學(xué)生會跑向另一個出口尋找同伴，隨后也會有部分人員跟從，表現(xiàn)出從眾心理.

圖10 從眾行為Fig.10 Conformity behavior

(5) 結(jié)伴逃生行為.結(jié)伴行為在大學(xué)生中表現(xiàn)得十分常見，無論是男大學(xué)生還是女大學(xué)生多有結(jié)伴出行的心理，即在緊急疏散時，會叫上室友一起逃生.圖11為結(jié)伴行為的模擬表現(xiàn).

圖11 結(jié)伴行為Fig.11 Association behavior

3.4 不利場景疏散過程模擬

選擇不利場景，即緊急出口關(guān)閉導(dǎo)致學(xué)生無法撤離，這種場景具有現(xiàn)實(shí)性.如果火災(zāi)在緊急出口附近發(fā)生，此時緊急出口無法成為逃生出口.由于應(yīng)急疏散時消息不能及時傳遞，部分學(xué)生從右側(cè)樓梯下到二樓后發(fā)現(xiàn)無法通過緊急出口撤離，就會通過二層內(nèi)廊前往主要出口逃生；另一部分學(xué)生則知曉緊急出口無法逃生，也會優(yōu)先選擇左側(cè)樓梯從主要出口撤離.模擬結(jié)果顯示，女生宿舍樓疏散總時間為1 697 s，男生宿舍樓疏散總時間為1 592 s.

由此可見，不利場景下的學(xué)生疏散時間幾乎是安全場景下疏散時間的3倍.如圖12所示，疏散過程中人群擁堵、折返跑動、滯留等現(xiàn)象明顯.在緊急出口的二層樓梯處，學(xué)生因無法及時撤離而多次折返，在樓道內(nèi)來回跑動，表現(xiàn)出恐慌效應(yīng)，此時極易出現(xiàn)推搡他人或體力不支暈倒等情況，從而造成踩踏等二次事故.由此可見，緊急疏散通道對應(yīng)急疏散起著至關(guān)重要的作用，一旦關(guān)閉，則會因無法安全撤離而造成人員傷亡.

圖12 疏散現(xiàn)象Fig.12 Phenomenon in evacuation

3.5 建筑布局改進(jìn)后疏散過程模擬

在模擬過程中發(fā)現(xiàn)，宿舍樓兩側(cè)樓梯和出口處的人群擁擠現(xiàn)象影響了應(yīng)急疏散效率，且女生疏散效率比男生低.因此，模擬增加女生宿舍樓出口寬度和樓梯寬度，以對比分析女生疏散效率情況.

(1) 僅模擬增加緊急出口寬度，使之與主要出口寬度一致.模擬結(jié)果顯示，女生疏散總時間為583 s.將緊急出口加寬至可通行2～3人，相較于只能通過1～2人的情形，可減少43 s，疏散效率提高7%，效果明顯.

(2) 將緊急出口與主要出口寬度保持一致后，再將東側(cè)樓梯寬度增加至西側(cè)樓梯寬度，這樣?xùn)|西兩側(cè)的樓梯和出口寬度均可同時通行3～4人，模擬的女生疏散時間為565 s，比僅增加緊急出口寬度減少約18 s.

圖13 兩邊均可通行3～4人模型Fig.13 Both sides can pass 3～4 person model

如果繼續(xù)增加樓梯和出口的寬度，疏散效率會不斷提升，但當(dāng)寬度增加至可通行4～5人時，疏散時間降低得并不明顯，且對宿舍樓而言，過寬的樓梯和出口需要改動建筑設(shè)計和增加成本.因此，綜合上述兩種建筑布局改動情況可知，在宿舍樓不做大幅度環(huán)境改造的情況下，僅增加緊急出口寬度即可有效減少疏散總時間，從而提升逃生效率.

4 結(jié) 語

本文基于社會力模型，利用Anylogic軟件對高校典型建筑物中的學(xué)生宿舍樓應(yīng)急疏散過程進(jìn)行仿真分析.對比實(shí)際的學(xué)生應(yīng)急疏散演練過程和結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模擬過程可較合理地反映男女大學(xué)生應(yīng)急疏散情況，既可展現(xiàn)堵塞成拱、從眾和結(jié)伴行為等男女學(xué)生疏散過程的共性，又可表現(xiàn)出男女生性別差異造成的不同疏散特性.

基于仿真實(shí)驗結(jié)果，對高校宿舍樓安全應(yīng)急疏散提出如下建議：一是在不變更建筑設(shè)計的前提下適當(dāng)增大緊急出口寬度，以提升逃生效率；二是應(yīng)有序地組織學(xué)生疏散，避免因從眾行為和出口堵塞造成的二次傷害事故.