基于PATHFINDER的公共場(chǎng)所人員疏散行為規(guī)律及仿真模擬

摘要：研究人員疏散問題對(duì)于有效減少踩踏事故發(fā)生有著重要意義。為了揭示大型公共場(chǎng)所人員密集區(qū)域人員疏散行為規(guī)律特征，降低聚集人群風(fēng)險(xiǎn)，文中首先研究了公共場(chǎng)所擁擠人群行為特點(diǎn)，包括行人運(yùn)動(dòng)特征、聚集人群心理特征；探討了恐慌狀態(tài)下人的行為表現(xiàn)，進(jìn)而分析踩踏行為的影響因素；使用Pathfinder疏散軟件模擬出A植物園某場(chǎng)館高峰期、低峰期以及場(chǎng)館內(nèi)設(shè)置復(fù)雜環(huán)境情況下人員的疏散過程，結(jié)果證實(shí)人群有明顯的從眾行為，人數(shù)越多出口處堵塞越嚴(yán)重，建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，疏散效率越低，建筑物內(nèi)墻體方向設(shè)置與疏散效率有關(guān)，設(shè)置安保人員亦能提高疏散效率。本研究可為大型公共場(chǎng)所人員密集區(qū)域人員疏散問題的優(yōu)化及安全管理提供參考。

關(guān)鍵詞：人員疏散；PATHFINDER；防踩踏；疏散路徑

中圖分類號(hào)：X 936文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Evacuation behavior and simulation of

large

public places based on PATHFINDER

WANG Li1，2

（1.College of Safety Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；

2.Key Laboratory of Western Mine Exploration and Hazard Prevention，Ministry of Education，Xi’an 710054，China）

Abstract：Research on evacuation problem is of great significance for effectively reducing the occurrence of trample accident.In order to analyse evacuation behavior rules of large public places and reduce risks of dense crowd，this paper elaborated behavior characteristics of public crowd which includes normal movement characteristics，psychological characteristics of gathering crowd and those in panic state.Secondly influential factors of trample accidents were anlysed.Then people evacuation process was simulated respectively in peak period，low peak period，as well as in complex

indoor

constuction conditions.The results confirmed that the crowd had obvious herd behavior.The more the number of people，the more serious the blockage of the outlets.The more complex the internal structure of the building，the lower the evacuation efficiency.The wall direction of the building is related to the evacuation efficiency.Security personnel could also improve the evacuation efficiency.This research could provide reference for the optimization and safety management of people evacuation in large public places.

Key words：evacuation；PATHFINDER；antitrample；evacuation route

0引言

近年來由于擁擠踩踏而引發(fā)的惡性踩踏事件造成了極其惡劣的社會(huì)影響。歷年來世界各地的踩踏事件多發(fā)于節(jié)日慶賀、體育賽事和宗教活動(dòng)期間的人群集中的地方，也常因地震、爆炸等災(zāi)難事故而誘發(fā)。大型公共場(chǎng)所在特定時(shí)間和特定地點(diǎn)人員聚集度高，安全疏散距離長(zhǎng)，安全疏導(dǎo)困難大，潛在危險(xiǎn)隱患較多，一旦有突發(fā)事件導(dǎo)致人群恐慌，在擁擠環(huán)境場(chǎng)所內(nèi)極易引發(fā)踩踏事件。研究公共場(chǎng)所大型場(chǎng)館人員疏散的行為規(guī)律，對(duì)避免踩踏傷亡事故有著重要作用。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于防踩踏研究主要集中在人員逃生和疏散模型的理論分析及控制措施建議方面。例如在擁擠踩踏事故模型方面John J[1]構(gòu)建了FIST（ForceInformationSpaceTime）模型，即“力—信息—空間—時(shí)間”模型；D.Helbing[2]根據(jù)人群恐慌特征提出了著名的“社會(huì)力”模型，對(duì)人群恐慌狀況下的各種自組織現(xiàn)象進(jìn)行了模擬；張培紅等[3-4]吸取社會(huì)力模型中行人運(yùn)動(dòng)受到社會(huì)力支配的思想，建立群集流動(dòng)的微觀動(dòng)力學(xué)模型；Lee R C和Hughes R L[5-6]明確提出了對(duì)人群擁擠踩踏事故的研究，引入連續(xù)行人流模型通過實(shí)例對(duì)人群擁擠和踩踏分別進(jìn)行定量分析。在火災(zāi)疏散模擬方面，Helbing[7]等對(duì)Kirchner元胞自動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行了改進(jìn)，并利用基于多智能體技術(shù)的計(jì)算機(jī)模擬對(duì)疏散過程中的人群行為進(jìn)行了分析；張磊[8]等通過元胞自動(dòng)機(jī)仿真模擬了人擁擠力的產(chǎn)生、傳遞、吸收、抵消、累積等過程。同時(shí)，一些研究者也把關(guān)注目光投向了人群疏散過程中的外在行為（如群聚性、趨光性等）、心理分析決策機(jī)理、疏散行為特點(diǎn)等領(lǐng)域的研究。吳宗之等[9-11]在人群擁擠踩踏事故風(fēng)險(xiǎn)方面開展了對(duì)人群滯留和人群安全疏散定量方法等的研究，對(duì)行人和疏散動(dòng)力學(xué)研究現(xiàn)狀及進(jìn)展進(jìn)行綜述；胡志瑩[12]，寇麗平[13]，尹曉慶[14]等從社會(huì)管理方面對(duì)人群擁擠踩踏事故預(yù)防進(jìn)行描述。總體上來講，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于公共場(chǎng)所擁擠踩踏的研究較多體現(xiàn)在技術(shù)層面的人群動(dòng)力學(xué)方面，也就是構(gòu)建宏觀或微觀模型對(duì)緊急狀況下的人流運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行分析，或者關(guān)注踩踏事故發(fā)生后的緊急處置及控制措施，預(yù)防人員密集場(chǎng)所踩踏事故需要更進(jìn)一步研究人員疏散行為特點(diǎn)規(guī)律。文中通過分析公共場(chǎng)所大型人員密集場(chǎng)館疏散行為特征規(guī)律，借助軟件模擬不同時(shí)期不同情況下人員的疏散過程，以便更好的研究踩踏問題的形成原因，預(yù)防或減少踩踏事故。

1公共擁擠場(chǎng)所人員行為特點(diǎn)

1.1行人運(yùn)動(dòng)特征在正常情況下，行人運(yùn)動(dòng)速度均勻、節(jié)奏規(guī)律、連續(xù)性強(qiáng)，受外界影響小。在擁擠狀態(tài)或受擠壓時(shí)，人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與正常情況相較有很大不同，呈現(xiàn)出速度慢，內(nèi)部擠壓大，個(gè)別地方內(nèi)部擠壓十分明顯?？v觀國(guó)內(nèi)外研究，行人運(yùn)動(dòng)特征一般有以下規(guī)律1）一般在有多條路徑可到達(dá)目的地的情況下，行人總是會(huì)主動(dòng)選擇距離最短的路線且不愿意作出路線調(diào)整；

2）如果有幾條路線距離大致相同，行人多數(shù)會(huì)選擇正前方的那條路線；

3）在未受到刺激的情況下，行人的行走方式和行走速度不會(huì)發(fā)生改變，人們的運(yùn)動(dòng)速度呈正態(tài)分布；

4）一般情況，行人總會(huì)自行與他人或與障礙物保持一定的安全距離。當(dāng)人流密度增大或行進(jìn)速度加快的時(shí)候距離有所縮??；5）當(dāng)形成小團(tuán)體時(shí)，運(yùn)動(dòng)規(guī)律與個(gè)人相似。在不受干擾的情況下，人群分布較均勻。

1.2聚集人群心理特征人總是有聚集的傾向，人群心理是處于人群的人與人之間的各種心理活動(dòng)，它們總是相互制約、相互影響。在一般情況下，由于多數(shù)人受到良好的教育熏陶會(huì)主動(dòng)排隊(duì)，或者出現(xiàn)相向人流分層現(xiàn)象、交叉人流成帶現(xiàn)象、流動(dòng)人群成簇現(xiàn)象。在擁擠狀態(tài)下，人與人之間容易展現(xiàn)出盲目的從眾現(xiàn)象、情緒同化現(xiàn)象、責(zé)任感缺失現(xiàn)象和極端行為現(xiàn)象等。

1.3恐慌狀態(tài)下人的行為

1.3.1個(gè)體行為在一般狀態(tài)下，人的行為大概可分為2種：一是指有利于人員疏散和保護(hù)他人不受侵害的“適應(yīng)性行為”；另一種是不利于人員疏散或?qū)λ擞形：Φ摹胺沁m應(yīng)性行為” [15]，是造成踩踏事故的主要原因。在正常情況下人們都是處于“適應(yīng)性行為”狀態(tài)，此時(shí)人們出現(xiàn)排隊(duì)、讓行等文明現(xiàn)象；當(dāng)處于恐慌狀態(tài)時(shí)，人的趨利性迫使人們向著“非適應(yīng)性行為”轉(zhuǎn)變，此時(shí)人群中的互幫互助等文明行為被打破，人與人之間的競(jìng)爭(zhēng)極易造成危險(xiǎn)引發(fā)災(zāi)難事故。

1.3.2群體行為處于恐慌狀態(tài)下的群體往往會(huì)出現(xiàn)以下狀態(tài)：①人群出現(xiàn)波動(dòng)；②出口處堵塞；③人群內(nèi)部壓力劇增；④備用的逃生出口和路線被忽視；⑤盲目行動(dòng)或從眾行為。

2踩踏行為的影響因素分析踩踏事故的發(fā)生往往首先是突發(fā)事件等外部擾動(dòng)導(dǎo)致人群流動(dòng)受阻，人群密度過大，容易引起騷動(dòng)，從而人群信息傳播不充分的情況下引發(fā)恐慌情緒，加劇人群緊張感產(chǎn)生“非適應(yīng)性行為”。

2.1外部擾動(dòng)突發(fā)事件如恐怖活動(dòng)、火災(zāi)爆炸事故等外部擾動(dòng)因素會(huì)引發(fā)人群行為激變，嚴(yán)重影響到人流的正常分布，在疏散過程中產(chǎn)生無秩序的“非適應(yīng)性行為”。

2.2信息不充分情況下的恐慌情緒情緒是人在客觀上和行為相互聯(lián)系的一種體驗(yàn)。它影響著人們對(duì)事物的認(rèn)識(shí)，改變?nèi)藗儗?duì)結(jié)果的感受，制約著人們的行動(dòng)。人的情緒是極易發(fā)生改變的，它極易因外部環(huán)境或者自身原因而變化。在人員密集場(chǎng)所信息獲取存在不確定性，因此人員容易因?yàn)樾畔⒉怀浞侄a(chǎn)生恐慌、緊張情緒，從而波及更多人產(chǎn)生盲從情緒或降低人的自控力和忍耐力。2.3人的性格特征考慮到不同人員心理因素和人的性格、興趣愛好、需求動(dòng)機(jī)也有密切聯(lián)系。人們對(duì)于某事物感興趣，會(huì)從過程中就表現(xiàn)出積極認(rèn)真的心理，會(huì)對(duì)其中的異常過程感覺敏銳并及時(shí)發(fā)現(xiàn)，迅速的作出正確的判斷并采取相應(yīng)措施。需求也稱需要、期望或欲望等，它指當(dāng)人們感覺到某種需求的時(shí)候，會(huì)不自覺的產(chǎn)生某種讓人緊張或不平衡的心理狀態(tài)，因此會(huì)通過進(jìn)行某種活動(dòng)來減輕或消除緊張的狀態(tài)。因此如果人員安全意識(shí)較高，就能預(yù)判風(fēng)險(xiǎn)及時(shí)規(guī)避人員密集區(qū)域。

2.4現(xiàn)場(chǎng)秩序管理公共場(chǎng)所人員密集的狀況需要有管理人員現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控及疏導(dǎo)。缺少現(xiàn)場(chǎng)秩序管理，人流僅能自適應(yīng)地進(jìn)行疏散及路徑選擇，因而發(fā)生踩踏事故的可能性增大。作為管理者，需要更合理的規(guī)范人流，讓主要人流避開這些可能產(chǎn)生渦旋、有臺(tái)階、有障礙物的地方。避免雙向人流，盡量做到所有人都朝一個(gè)方向走。

3基于PATHFINDER的某植物園大型場(chǎng)館人員疏散過程仿真模擬

采用軟件模擬仿真方法可以桌面演練的方式提前預(yù)判高峰期、低峰期人員疏散時(shí)間，更好的研究踩踏問題的形成原因，解決或減少踩踏問題以及提出有效的控制措施。

3.1仿真軟件選擇

其中，Pathfinder是一套由美國(guó)的Thunderhead engineening公司研發(fā)的簡(jiǎn)單、直觀、易用的新型的智能人員緊急疏散逃生評(píng)估系統(tǒng)。它利用計(jì)算機(jī)圖形仿真和游戲角色領(lǐng)域的技術(shù)，對(duì)多個(gè)群體中的每個(gè)個(gè)體運(yùn)動(dòng)都進(jìn)行圖形化的虛擬演練，是一套簡(jiǎn)單、直觀、易用的新型的智能人員緊急疏散逃生評(píng)估系統(tǒng)。因此文中采用Pathfinder軟件，對(duì)A植物園長(zhǎng)度為108.58 m，寬度為62.478 9 m，總面積為6 789.95 m2的矩形某大型場(chǎng)館，對(duì)不同情況的人員疏散過程進(jìn)行仿真模擬。

3.2疏散人員仿真將人員在軟件中的尺寸標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為0.455 8 m，具體外形統(tǒng)一用圓柱體代替，不同年齡層次的人的不同屬性分類見表2.

給該區(qū)域添加1 000名待疏散人員，則各年齡層次的人數(shù)分別為幼兒30人，少年兒童160人，青少年250人，青年260人，中壯年190人，老年110人。根據(jù)不同的人群，建立不同的分組，讓每個(gè)組的人隨機(jī)分布。

3.3低峰期模擬在低峰期時(shí)設(shè)置總?cè)藬?shù)為1 000人，各年齡層次的人數(shù)分別為幼兒30人，少年兒童160人，青少年250人，青年260人，中壯年190人，老年110人。根據(jù)不同年齡層次的人數(shù)情況開展人員疏散模擬。

模擬人群疏散路徑如圖1所示，研究發(fā)現(xiàn)，開始疏散8.1 s時(shí)，人員向2個(gè)出口集中，11.2 s時(shí)人員開始出現(xiàn)推搡現(xiàn)象，34.3 s人群出現(xiàn)明顯的從眾現(xiàn)象，如圖2所示。滯留人數(shù)、已經(jīng)疏散人數(shù)隨時(shí)間變化的曲線如圖3所示。模擬總疏散時(shí)間為95.10 s，總疏散人數(shù)為1 000人；左側(cè)門第一個(gè)人出門時(shí)間為1.43 s，通過左側(cè)門總時(shí)間為64.35 s，

疏散人數(shù)為378人；上側(cè)門第一個(gè)人出門時(shí)間為2.33 s，疏散總時(shí)間為95.10 s，疏散人數(shù)為622人。

3.4高峰期模擬在地點(diǎn)不變的情況下，高峰期的到來意味著

人流量的增多，從最初低峰期的1 000人增加到

4 000人。相應(yīng)變化為幼兒120人，少年兒童640人，青少年1 000人，青年1 040人，中壯年760人，

老年440人。人們出于對(duì)有限出口的“爭(zhēng)取”現(xiàn)象，相互之間的摩擦?xí)黾?，在有限的空間內(nèi)，無論是人們的運(yùn)動(dòng)速度還是人們從出口出去的速度都會(huì)發(fā)生明顯降低。

中可看出，人們大多數(shù)選擇更為擁擠的上側(cè)出口，此時(shí)上側(cè)出口已經(jīng)聚集了大量的人群疏散情況相較于左側(cè)更為艱難和漫長(zhǎng)。由于高峰時(shí)期人流量的大量增加使得疏散緩慢，遠(yuǎn)離出口的人員需要更為長(zhǎng)久的等待，43.5 s時(shí)人員出現(xiàn)大面積擁堵，如圖5所示，這對(duì)于特殊情況下的逃生是不利的。滯留人數(shù)、已疏散人數(shù)變化情況如圖6所示。在高峰期時(shí)候，場(chǎng)所內(nèi)人數(shù)巨大，疏散過程很慢，在不發(fā)生其他意外條件的情況下，整體疏散速度較平穩(wěn)。

高峰期模擬總疏散時(shí)間為293.28 s，總疏散人數(shù)為4 000人；通過左側(cè)門總時(shí)間為279.08 s，疏散人數(shù)為1 863人；上側(cè)門疏散總時(shí)間為293.28 s，疏散人數(shù)為2 137人。對(duì)比低峰期和高峰期模擬結(jié)果，隨著人數(shù)和人行速度的下降，疏散時(shí)間被大大加長(zhǎng)，從眾現(xiàn)象也更為明顯，人們更難選出一個(gè)更為合適的出口，大部分人選擇相信離自己最近的出口疏散更快，這對(duì)于疏散是不利的。

4復(fù)雜環(huán)境下人員疏散過程仿真模擬考慮在一定的建筑布局下人員的疏散情況，進(jìn)一步通過軟件模擬人員在這種情況下的疏散路徑選擇，疏散出口的選擇以及疏散總時(shí)間。設(shè)計(jì)建筑布局如圖7所示，分別以低峰期和高峰期的相同參數(shù)進(jìn)行模擬。

高峰期復(fù)雜情況下模擬人群疏散路徑如圖10所示，總疏散時(shí)間為297.3 s，如圖11所示，而無復(fù)雜情況的高峰期疏散模擬時(shí)間為293.28 s，時(shí)間差為4.02 s.但是在39.1 s時(shí)人員明顯出現(xiàn)大面積擁堵，如圖12所示，比無復(fù)雜情況人員擁堵時(shí)間提前了4.4 s，提前了11.2%.

5結(jié)論

1）通過低峰期的模擬研究，證實(shí)了人們有著明顯的從眾現(xiàn)象，且在出口處容易發(fā)生擁堵，人們對(duì)于出口的選擇更加青睞于離自己較近的，往往忽視更容易通過的；

2）通過高峰期的模擬研究，得出當(dāng)場(chǎng)館中人數(shù)巨大時(shí)，人們擁堵更加明顯，人的通過時(shí)間會(huì)因?yàn)槌隹谔幎氯麌?yán)重而劇增。此時(shí)，為了緩解高密度人群的擁堵問題，需要在人員分布的各個(gè)方向均勻的設(shè)置更多的出口，通過增加出口數(shù)量，以減少人們的最大疏散距離，為疏散節(jié)省時(shí)間；

3）通過設(shè)置建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)，模擬了人們?cè)趶?fù)雜環(huán)境下的疏散問題。當(dāng)墻設(shè)置方向與疏散方向有交叉時(shí)，人們會(huì)付出更多的時(shí)間繞過墻體到達(dá)出口，且該處極易長(zhǎng)時(shí)間大面積擁堵，所以離出口較近的墻設(shè)置方向應(yīng)與疏散方向平行能夠最大化提高疏散效率。初期墻的設(shè)置對(duì)人員的疏散有一定的增速，但后期與疏散方向交叉的墻體明顯成為了疏散過程的阻礙，如果設(shè)置一些安保人員來指揮疏散，能夠提高疏散效率。本研究可為大型公共場(chǎng)所人員密集區(qū)域人員疏散問題的優(yōu)化及安全管理提供參考。

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