基于Helbing運(yùn)動(dòng)算法的防護(hù)工程火災(zāi)疏散仿真研究

周 進(jìn)，茅靳豐，鄧忠凱

(解放軍理工大學(xué) 國(guó)防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

基于Helbing運(yùn)動(dòng)算法的防護(hù)工程火災(zāi)疏散仿真研究

周 進(jìn)，茅靳豐，鄧忠凱

(解放軍理工大學(xué) 國(guó)防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

基于Helbing運(yùn)動(dòng)算法對(duì)防護(hù)工程內(nèi)人員在發(fā)生火災(zāi)時(shí)的疏散情況進(jìn)行了仿真研究，以有效劑量分?jǐn)?shù)的多氣體毒性評(píng)價(jià)模型對(duì)人員的安全性做了評(píng)估。結(jié)果表明：由于人員擁擠、能見度的下降和煙氣的毒性作用，使得人員在發(fā)生火災(zāi)情況下疏散速度大幅降低；隨著走廊長(zhǎng)度的增加，人員疏散的危險(xiǎn)性呈冪指數(shù)性增加；自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)縮減了人員反應(yīng)時(shí)間，從而極大地提高了整個(gè)疏散過程的安全性，同時(shí)在自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)情況下，人員疏散的危險(xiǎn)性也是呈冪指數(shù)性增長(zhǎng)的。

Helbing運(yùn)動(dòng)算法；人員疏散；防護(hù)工程；火災(zāi)

0 引言

相對(duì)于地面民用建筑，防護(hù)工程發(fā)生火災(zāi)時(shí)，人員的疏散更為困難、危險(xiǎn)性更大。首先，防護(hù)工程位于地下，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，氧氣供應(yīng)不足，燃燒不充分，產(chǎn)生大量的有毒氣體且這些有毒氣體難以排出，對(duì)人體有著極大的危害；其次，防護(hù)工程發(fā)生火災(zāi)時(shí)，工程內(nèi)部的可見度較低、人員方向感差以及逃生途徑少，這些都是極為不利的因素。所以，針對(duì)防護(hù)工程內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員疏散的研究具有很重要的實(shí)用價(jià)值。“走廊-房間”作為一種典型的建筑結(jié)構(gòu)，常用于防護(hù)工程，此類建筑由于疏散通道少、人員擁擠，所以當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員疏散更為不易。

利用數(shù)值模擬對(duì)人員在火災(zāi)條件的疏散情況進(jìn)行研究分析是當(dāng)今較為重要的一種研究方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究[1-4]。本文在Fire Dynamic Simulator平臺(tái)上，以基于Herbing運(yùn)動(dòng)模型算法和有效劑量分?jǐn)?shù)的多氣體毒性評(píng)價(jià)模型對(duì)防護(hù)工程發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員的疏散情況進(jìn)行了仿真研究分析。

1 人員疏散模型原理

1.1 人員運(yùn)動(dòng)算法模型

人員運(yùn)動(dòng)模型為Herbing運(yùn)動(dòng)模型[5-6]，Herbing運(yùn)動(dòng)模型的算法以近似流體模型來(lái)處理人員運(yùn)動(dòng)，人與外界的距離通過引進(jìn)社會(huì)力的概念來(lái)實(shí)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)方程如下：

(1)

式中：mi為人員質(zhì)量，t為時(shí)間，xi為人員位置，fi為施加在人員身上的作用力，ξi為作用力的波動(dòng)值。其中，

(2)

1.2 煙氣對(duì)人員阻礙的作用模型

由于火焰燃燒產(chǎn)生大量的濃煙，煙氣的毒性、窒息性以及造成的能見度降低都會(huì)降低人員的疏散速度。Frantzich和Nilsson[7]通過人員疏散實(shí)驗(yàn)得出，人員在煙氣中的疏散速度與煙氣的消光系數(shù)之間的關(guān)系為：

v=α+βKs

(3)

式中，Ks為煙氣的消光系數(shù)，系數(shù)α、β分別為0.706m·s-1，-0.057m·s-2。

為了使人員在行動(dòng)過程中不至于停止下來(lái)或反向行走，人員的疏散速度用vi表示:

(4)

1.3 煙氣對(duì)人員的毒性作用

煙氣對(duì)人體的毒性作用包括煙氣中不同組分對(duì)人員的綜合作用，主要有氧氣(O2)濃度的降低和二氧化碳(CO2)濃度的增加所形成的窒息作用，以及各種有毒氣體，主要是一氧化碳(CO)對(duì)人體的毒性作用。基于有效劑量分?jǐn)?shù)的多氣體綜合評(píng)價(jià)模型[8](Fraction Effective Dose)是現(xiàn)今應(yīng)用較為廣泛的評(píng)價(jià)模型，此模型最初由Hartzell[9]提出，經(jīng)過國(guó)內(nèi)外研究人員的不斷完善，其可信度較高。FED模型是考慮煙氣中多種氣體的綜合作用的，本文的多氣體綜合評(píng)價(jià)模型僅以O(shè)2、CO2以及CO濃度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算公式如下：

FEDtot=FED(CO)×HV(CO2)+FED(O2)

(5)

式中，F(xiàn)ED(CO)=4.607·10-7(CCO)1.036t，CCO為CO體積分?jǐn)?shù)，單位為ppm。

(6)

式中，CO2為O2的體積分?jǐn)?shù)，單位為%。

(7)

式中，CCO2為CO2的體積分?jǐn)?shù)，單位為%。

2 結(jié)果與分析

整個(gè)疏散模擬過程以防護(hù)工程中的一個(gè)防火分區(qū)為研究對(duì)象，整個(gè)防火分區(qū)由走廊以及走廊兩邊的房間組成。考慮著火時(shí)人員疏散最不利的疏散情況，即火災(zāi)發(fā)生在走廊的一個(gè)端點(diǎn)處，則房間中人只能向另一端點(diǎn)疏散。模擬時(shí)，當(dāng)人員到達(dá)走廊的端口即可認(rèn)為人員進(jìn)入安全區(qū)域。火源熱釋放模型采用t2快速增長(zhǎng)火源，火源增長(zhǎng)系數(shù)為α=0.046 98；人員行走速度可參照學(xué)者吳春雨[10]針對(duì)我國(guó)人員疏散實(shí)驗(yàn)測(cè)試，設(shè)為1.2 m/s。

2.1 走廊長(zhǎng)度因素對(duì)疏散的影響

防火分區(qū)中的走廊長(zhǎng)度作為影響人員疏散的一種極為重要的因素，直接影響著人員是否能夠安全疏散。考慮最不利工況，即人員在火災(zāi)中后期開始疏散，此時(shí)走廊中的煙氣濃度較高，嚴(yán)重影響了人員疏散。表1為不同長(zhǎng)度走廊人員疏散所用時(shí)間，從表1中可以看出人員疏散速度低于其設(shè)定值1.2 m/s，這是因?yàn)槿藛T的擁擠、煙氣使得可見度降低以及煙氣的毒性作用使得人員行走速度降低。

表1 人員疏散時(shí)間

圖1為人員在不同長(zhǎng)度走廊疏散時(shí)人員FED值的擬合曲線圖，可見看出隨著走廊長(zhǎng)度的增加，人員FED成冪指數(shù)性增長(zhǎng)，這表明隨著走廊長(zhǎng)度的增加，人員疏散的危險(xiǎn)性隨之急劇增加。

圖1 無(wú)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)人員疏散的FED值隨走廊長(zhǎng)度的變化

2.2 自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)對(duì)人員疏散的影響

火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)通過相應(yīng)的探測(cè)技術(shù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期的火災(zāi)并通知人們，可以有效地縮短人員探測(cè)時(shí)間，為人員疏散贏得寶貴的時(shí)間。火災(zāi)的探測(cè)時(shí)間與很多因素有關(guān)，包括火災(zāi)的類型、規(guī)模、發(fā)生火災(zāi)的空間結(jié)構(gòu)以及探測(cè)器類型等。防護(hù)工程一般使用點(diǎn)式感煙探測(cè)器，此類探測(cè)器的響應(yīng)閾值采用單位長(zhǎng)度減光度O(%/m)作為指標(biāo)，對(duì)于普通煙感探頭，其響應(yīng)閾值范圍為5～15(%/m)。本文采用7 %/m為探測(cè)器的響應(yīng)閾值，同時(shí)利用FDS軟件對(duì)工程內(nèi)火災(zāi)探測(cè)時(shí)間進(jìn)行模擬。圖2為感煙器接收到煙氣的單位長(zhǎng)度消光度隨時(shí)間的變化曲線，從圖中可以看出火災(zāi)發(fā)生后32 s探測(cè)器腔內(nèi)煙氣的單位長(zhǎng)度消光度達(dá)到探測(cè)器響應(yīng)閾值，加上自身響應(yīng)時(shí)間30 s，得出火災(zāi)探測(cè)時(shí)間為tdec=62 s。

圖2 煙氣的單位長(zhǎng)度消光度隨時(shí)間的變化曲線

在人員開始疏散前，除了火災(zāi)探測(cè)時(shí)間，還有人員的反應(yīng)時(shí)間，人員反應(yīng)時(shí)間是指發(fā)現(xiàn)火情到人員開始疏散的時(shí)間間隔。英國(guó)《建筑火災(zāi)安全工程BSDD240》根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出各種不同用途建筑內(nèi)采用不同報(bào)警系統(tǒng)時(shí)的人員響應(yīng)時(shí)間，此類地下建筑人員反應(yīng)時(shí)間可參照此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為tres=120 s，此時(shí)可確定人員疏散前的總時(shí)間為trea=181 s。

將人員開始疏散時(shí)間設(shè)置為181 s，此時(shí)火災(zāi)處于初期狀態(tài)。圖3為有自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)時(shí)人員疏散FED值隨走廊長(zhǎng)度變化的曲線擬合圖，可以看出兩種工況人員FED值都隨走廊長(zhǎng)度的增加而呈現(xiàn)冪指數(shù)增加，但裝有自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的人員最終FED值要遠(yuǎn)小于未安裝自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的。這說(shuō)明對(duì)于此類建筑，自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)可以大大減小人員疏散的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 有自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)人員疏散的FED值隨走廊長(zhǎng)度的變化

3 結(jié)論

以基于Herbing運(yùn)動(dòng)算法和有效劑量分?jǐn)?shù)的多氣體毒性評(píng)價(jià)模型對(duì)典型“走廊-房間”型建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員的疏散情況進(jìn)行了研究分析,結(jié)果表明：

(1)發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員的擁擠、可見度降低以及煙氣的毒性作用降低了人員的疏散速度，增加了整個(gè)疏散時(shí)間，增大了人員疏散的風(fēng)險(xiǎn)；

(2)隨著疏散走廊長(zhǎng)度的增加，人員危險(xiǎn)性成冪指數(shù)性增長(zhǎng)；

(3)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)提高了人員疏散的安全性，同時(shí)在自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)情況下，人員疏散的危險(xiǎn)性也是呈冪指數(shù)性增長(zhǎng)的。

[1] 崔曉松, 李文舉, 馮宇,等. 基于元胞自動(dòng)機(jī)和模糊理論的人群疏散仿真[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用, 2011, 30(12):74-76.

[2] 陸卓謨,秦文虎.火災(zāi)中基于個(gè)體行為的人群疏散仿真[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011, 41(6):1295-1299.

[3] YANG P, LI C, CHEN D. Fire emergency evacuation simulation based on integrated fire-evacuation model with discrete design method[J]. Advances in Engineering Software, 2013, 65(9):101-111.

[4] ZHENG Y, JIA B, LI X G, et al. Evacuation dynamics with fire spreading based on cellular automaton[J]. Physica A Statistical Mechanics & Its Applications, 2011, 390(18-19):3147-3156.

[5] HELBING D, MOLNR P. Social force model for pedestrian dynamics[J]. Physical Review E Statistical Physics Plasmas Fluids & Related Interdisciplinary Topics, 1995, 51(5):4282-4286.

[6] HELBING D, FARKAS I, VICSEK T. Simulating dynamical features of escape panic[J]. Nature, 2000, 407:487-490.

[7] FRANTZICH H, NILSSON D. Evacuation in dense smoke: behaviour and movement[R]. Technical Report 3126. Lund University, Sweden, 2003.

[8] PURSER D A. SFPE handbook of fire protection engineering[Z]. Quincy: National Fire Protection Association, 2002.

[9] HARTZELL G E. Engineering analysis of hazards to life safety in fires: the fire effluent toxicity component[J]. Safety Science, 2001, 38(2):147-155.

[10] 吳春雨. 人員疏散基礎(chǔ)數(shù)據(jù)研究[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào), 2009(30):180-181.

Strategy Analytics：2017年Q2：平板市場(chǎng)玩家能夠復(fù)制蘋果和華為的成功嗎？

在經(jīng)歷了連續(xù)13個(gè)季度年同比下降之后，蘋果iPad在2017年Q2一鳴驚人，出貨量年同比增長(zhǎng)15%。同時(shí)，華為平板電腦憑借與運(yùn)營(yíng)商合作的市場(chǎng)戰(zhàn)略以及良好的產(chǎn)品組合，在過去的兩年中一直保持持續(xù)性增長(zhǎng)，并在2017年Q2年同比增長(zhǎng)42%，其優(yōu)異表現(xiàn)驚艷了平板電腦行業(yè)。但是，2017年Q2，整體平板電腦市場(chǎng)規(guī)模仍同比下降7%，許多廠商在適應(yīng)新的市場(chǎng)趨勢(shì)以及消費(fèi)者需求上遭遇困境。其它市場(chǎng)玩家是否能復(fù)制蘋果和華為的勝利，還是他們?cè)诓粩鄲夯氖袌?chǎng)中繼續(xù)旅程，Strategy Analytics平板電腦&觸摸屏戰(zhàn)略(TTS)服務(wù)發(fā)布的最新研究報(bào)告《2017年Q2全球平板電腦出貨量和市場(chǎng)份額》提供了相關(guān)見解。

那些能夠適應(yīng)平板電腦長(zhǎng)的更換周期，并接受以及白牌廠商倉(cāng)促退市的廠商、運(yùn)營(yíng)商和零售商/渠道合作伙伴，能獲得更大的市場(chǎng)份額和盈利能力。與其它細(xì)分市場(chǎng)相比，平板電腦市場(chǎng)仍尚未成熟，而隨著平板電腦逐漸成熟，我們發(fā)現(xiàn)其更換周期與PC相近，而并不像智能手機(jī)，這就導(dǎo)致了平板電腦市場(chǎng)規(guī)模在2014年達(dá)到頂峰后一直縮水。

Strategy Analytics終端實(shí)踐總監(jiān)Peter King補(bǔ)充道，“消費(fèi)者對(duì)更高品質(zhì)、更強(qiáng)大的內(nèi)容整合以及更低的價(jià)格需求導(dǎo)致了無(wú)品牌的白牌廠商的合并或退市，這是利潤(rùn)率縮水到不可持續(xù)的水平造成的。”

平板電腦市場(chǎng)動(dòng)態(tài)(按操作系統(tǒng)劃分)

?蘋果iOS出貨量超過預(yù)期達(dá)到驚人的 1 140萬(wàn)臺(tái)iPad，其全球市場(chǎng)份額猛漲至26%。盡管更低價(jià)的基本款9.7英寸的iPad大量涌入市場(chǎng)，但平均銷售價(jià)格仍跟上季持平穩(wěn)定在435美元——盡管比去年iPad Pro 9.7推出時(shí)下降了11%。

?2017年Q2安卓平板電腦出貨量下降到2 640萬(wàn)臺(tái)，比去年同比的3 030萬(wàn)下降了13%，比上季度下降2%。市場(chǎng)份額也比上年下降四個(gè)百分點(diǎn)到60%，白牌廠商消退的影響力對(duì)市場(chǎng)造成嚴(yán)重的損失，品牌Android廠商無(wú)法完全彌補(bǔ)白牌廠商丟失的出貨量。

?2017年Q2，Windows平板電腦出貨量從2016年Q2的680萬(wàn)臺(tái)下降到600萬(wàn)臺(tái)，年同比下降12%。出貨量比上一季度減少4%。盡管如此，Windows平板電腦仍以14%的市場(chǎng)份額年同比保持穩(wěn)定，這是由于傳統(tǒng)PC廠商以及移動(dòng)先行廠商推出了更多的Windows型號(hào)。

(Strategy Analytics, Inc. 供稿)

Simulation on personnel evacuation in protective engineering fire based on Helbing movement algorithm

Zhou Jin, Mao Jinfeng, Deng Zhongkai

(College of Defense Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

The personnel evacuation in protective engineering fire was simulated based on Helbing movement algorithm, and the safety of the personnel was assessed according to the Fraction Effective Dose (FED) model. The results show that, the personnel evacuation speed was reduced for the crowding, decreased visibility and toxicity effection of smoke. The risk of the personnel evacuation exhibited an exponential increase with the length of corridor. The automatic fire alarm reduced the reaction time of the personnel, resulted in the improvement of the safety of evacuation. In addition, with automatic fire alarm, the risk of personnel evacuation also presented an exponential increase with the length of corridor.

Helbing movement algorithm; personnel evacuation; protective engineering; fire

TP391

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.15.006

周進(jìn)，茅靳豐，鄧忠凱.基于Helbing運(yùn)動(dòng)算法的防護(hù)工程火災(zāi)疏散仿真研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(15)：22-24,28.

2017-03-02)

周進(jìn)(1989-)，男，博士研究生，主要研究方向：煙氣擴(kuò)散，人員疏散仿真。

茅靳豐(1962-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：工程內(nèi)部設(shè)備及系統(tǒng)防護(hù)研究。

鄧忠凱(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：煙氣擴(kuò)散，人員疏散仿真。