基于Helbing運動算法的防護工程火災疏散仿真研究

周 進，茅靳豐，鄧忠凱

(解放軍理工大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007)

基于Helbing運動算法的防護工程火災疏散仿真研究

周 進，茅靳豐，鄧忠凱

(解放軍理工大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007)

基于Helbing運動算法對防護工程內人員在發生火災時的疏散情況進行了仿真研究，以有效劑量分數的多氣體毒性評價模型對人員的安全性做了評估。結果表明：由于人員擁擠、能見度的下降和煙氣的毒性作用，使得人員在發生火災情況下疏散速度大幅降低；隨著走廊長度的增加，人員疏散的危險性呈冪指數性增加；自動報警系統縮減了人員反應時間，從而極大地提高了整個疏散過程的安全性，同時在自動報警系統情況下，人員疏散的危險性也是呈冪指數性增長的。

Helbing運動算法；人員疏散；防護工程；火災

0 引言

相對于地面民用建筑，防護工程發生火災時，人員的疏散更為困難、危險性更大。首先，防護工程位于地下，發生火災時，氧氣供應不足，燃燒不充分，產生大量的有毒氣體且這些有毒氣體難以排出，對人體有著極大的危害；其次，防護工程發生火災時，工程內部的可見度較低、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，針對防護工程內發生火災時人員疏散的研究具有很重要的實用價值。“走廊-房間”作為一種典型的建筑結構，常用于防護工程，此類建筑由于疏散通道少、人員擁擠，所以當發生火災時人員疏散更為不易。

利用數值模擬對人員在火災條件的疏散情況進行研究分析是當今較為重要的一種研究方法，國內外學者對其進行了大量的研究[1-4]。本文在Fire Dynamic Simulator平臺上，以基于Herbing運動模型算法和有效劑量分數的多氣體毒性評價模型對防護工程發生火災時人員的疏散情況進行了仿真研究分析。

1 人員疏散模型原理

1.1 人員運動算法模型

人員運動模型為Herbing運動模型[5-6]，Herbing運動模型的算法以近似流體模型來處理人員運動，人與外界的距離通過引進社會力的概念來實現，運動方程如下：

(1)

式中：mi為人員質量，t為時間，xi為人員位置，fi為施加在人員身上的作用力，ξi為作用力的波動值。其中，

(2)

1.2 煙氣對人員阻礙的作用模型

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

v=α+βKs

(3)

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

為了使人員在行動過程中不至于停止下來或反向行走，人員的疏散速度用vi表示:

(4)

1.3 煙氣對人員的毒性作用

煙氣對人體的毒性作用包括煙氣中不同組分對人員的綜合作用，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)對人體的毒性作用。基于有效劑量分數的多氣體綜合評價模型[8](Fraction Effective Dose)是現今應用較為廣泛的評價模型，此模型最初由Hartzell[9]提出，經過國內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價模型僅以O2、CO2以及CO濃度作為評價指標，計算公式如下：

FEDtot=FED(CO)×HV(CO2)+FED(O2)

(5)

式中，FED(CO)=4.607·10-7(CCO)1.036t，CCO為CO體積分數，單位為ppm。

(6)

式中，CO2為O2的體積分數，單位為%。

(7)

式中，CCO2為CO2的體積分數，單位為%。

2 結果與分析

整個疏散模擬過程以防護工程中的一個防火分區為研究對象，整個防火分區由走廊以及走廊兩邊的房間組成。考慮著火時人員疏散最不利的疏散情況，即火災發生在走廊的一個端點處，則房間中人只能向另一端點疏散。模擬時，當人員到達走廊的端口即可認為人員進入安全區域。火源熱釋放模型采用t2快速增長火源，火源增長系數為α=0.046 98；人員行走速度可參照學者吳春雨[10]針對我國人員疏散實驗測試，設為1.2 m/s。

2.1 走廊長度因素對疏散的影響

防火分區中的走廊長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，即人員在火災中后期開始疏散，此時走廊中的煙氣濃度較高，嚴重影響了人員疏散。表1為不同長度走廊人員疏散所用時間，從表1中可以看出人員疏散速度低于其設定值1.2 m/s，這是因為人員的擁擠、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 人員疏散時間

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

圖1 無自動報警系統人員疏散的FED值隨走廊長度的變化

2.2 自動報警系統對人員疏散的影響

火災自動報警系統通過相應的探測技術及時發現早期的火災并通知人們，可以有效地縮短人員探測時間，為人員疏散贏得寶貴的時間。火災的探測時間與很多因素有關，包括火災的類型、規模、發生火災的空間結構以及探測器類型等。防護工程一般使用點式感煙探測器，此類探測器的響應閾值采用單位長度減光度O(%/m)作為指標，對于普通煙感探頭，其響應閾值范圍為5～15(%/m)。本文采用7 %/m為探測器的響應閾值，同時利用FDS軟件對工程內火災探測時間進行模擬。圖2為感煙器接收到煙氣的單位長度消光度隨時間的變化曲線，從圖中可以看出火災發生后32 s探測器腔內煙氣的單位長度消光度達到探測器響應閾值，加上自身響應時間30 s，得出火災探測時間為tdec=62 s。

圖2 煙氣的單位長度消光度隨時間的變化曲線

在人員開始疏散前，除了火災探測時間，還有人員的反應時間，人員反應時間是指發現火情到人員開始疏散的時間間隔。英國《建筑火災安全工程BSDD240》根據統計數據經驗總結出各種不同用途建筑內采用不同報警系統時的人員響應時間，此類地下建筑人員反應時間可參照此標準設為tres=120 s，此時可確定人員疏散前的總時間為trea=181 s。

將人員開始疏散時間設置為181 s，此時火災處于初期狀態。圖3為有自動報警系統時人員疏散FED值隨走廊長度變化的曲線擬合圖，可以看出兩種工況人員FED值都隨走廊長度的增加而呈現冪指數增加，但裝有自動報警系統的人員最終FED值要遠小于未安裝自動報警系統的。這說明對于此類建筑，自動報警系統可以大大減小人員疏散的風險。

圖3 有自動報警系統人員疏散的FED值隨走廊長度的變化

3 結論

以基于Herbing運動算法和有效劑量分數的多氣體毒性評價模型對典型“走廊-房間”型建筑發生火災時人員的疏散情況進行了研究分析,結果表明：

(1)發生火災時人員的擁擠、可見度降低以及煙氣的毒性作用降低了人員的疏散速度，增加了整個疏散時間，增大了人員疏散的風險；

(2)隨著疏散走廊長度的增加，人員危險性成冪指數性增長；

(3)自動報警系統提高了人員疏散的安全性，同時在自動報警系統情況下，人員疏散的危險性也是呈冪指數性增長的。

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

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

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[10] 吳春雨. 人員疏散基礎數據研究[J]. 科技創新導報, 2009(30):180-181.

Strategy Analytics：2017年Q2：平板市場玩家能夠復制蘋果和華為的成功嗎？

在經歷了連續13個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15%。同時，華為平板電腦憑借與運營商合作的市場戰略以及良好的產品組合，在過去的兩年中一直保持持續性增長，并在2017年Q2年同比增長42%，其優異表現驚艷了平板電腦行業。但是，2017年Q2，整體平板電腦市場規模仍同比下降7%，許多廠商在適應新的市場趨勢以及消費者需求上遭遇困境。其它市場玩家是否能復制蘋果和華為的勝利，還是他們在不斷惡化的市場中繼續旅程，Strategy Analytics平板電腦&觸摸屏戰略(TTS)服務發布的最新研究報告《2017年Q2全球平板電腦出貨量和市場份額》提供了相關見解。

那些能夠適應平板電腦長的更換周期，并接受以及白牌廠商倉促退市的廠商、運營商和零售商/渠道合作伙伴，能獲得更大的市場份額和盈利能力。與其它細分市場相比，平板電腦市場仍尚未成熟，而隨著平板電腦逐漸成熟，我們發現其更換周期與PC相近，而并不像智能手機，這就導致了平板電腦市場規模在2014年達到頂峰后一直縮水。

Strategy Analytics終端實踐總監Peter King補充道，“消費者對更高品質、更強大的內容整合以及更低的價格需求導致了無品牌的白牌廠商的合并或退市，這是利潤率縮水到不可持續的水平造成的。”

平板電腦市場動態(按操作系統劃分)

?蘋果iOS出貨量超過預期達到驚人的 1 140萬臺iPad，其全球市場份額猛漲至26%。盡管更低價的基本款9.7英寸的iPad大量涌入市場，但平均銷售價格仍跟上季持平穩定在435美元——盡管比去年iPad Pro 9.7推出時下降了11%。

?2017年Q2安卓平板電腦出貨量下降到2 640萬臺，比去年同比的3 030萬下降了13%，比上季度下降2%。市場份額也比上年下降四個百分點到60%，白牌廠商消退的影響力對市場造成嚴重的損失，品牌Android廠商無法完全彌補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680萬臺下降到600萬臺，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%的市場份額年同比保持穩定，這是由于傳統PC廠商以及移動先行廠商推出了更多的Windows型號。

(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，茅靳豐，鄧忠凱.基于Helbing運動算法的防護工程火災疏散仿真研究[J].微型機與應用，2017,36(15)：22-24,28.

2017-03-02)

周進(1989-)，男，博士研究生，主要研究方向：煙氣擴散，人員疏散仿真。

茅靳豐(1962-)，男，教授，博士生導師，主要研究方向：工程內部設備及系統防護研究。

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