教學樓火災疏散的標識認知應對規律研究*

廖慧敏,羅小娟，蘇 紅

(中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083)

0 引言

大型高層建筑由于人員集中，疏散通道狹長，一旦發生火災，受困人員疏散易發生擁擠踩踏，引發人員傷亡。1982年，Chalmet等[1]首次使用動態模型對建筑物疏散進行仿真研究，此后各種疏散模型和仿真技術得到了迅速發展，廣泛應用于不同場所的人員疏散優化研究，如海上大型船舶[2-4]、地鐵站[5-7]、商場高層建筑[8-9]等人員的疏散時間與速度研究。在這些研究中，或側重于疏散客體場所結構的研究，或側重于疏散主體人員疏散方法的改進，缺乏疏散客體與主體之間認知交互作用的考量。1995年，劉久文[10]提出人在疏散中會表現出恐煙、恐熱性，向光、向闊性等疏散行為特征，是影響安全疏散不可忽視的重要因素，強調了人員疏散認知與環境的相互影響。在火災這一緊急事態下，人的認知意識處于一種高度緊張和焦慮狀態，認知決策能力會顯著降低[11]。為探究教學樓火災情境下人員負性情緒調整與逃生速率兩者的認知應對規律，論文擬借助Anylogic疏散軟件，對教學樓常規標識與增設標識2種情境下的人員疏散與疏散時長關系進行研究，為研究大型建筑火災疏散主客體之間的認知應對規律與提高火災疏散效率提供新思路。

1 實驗流程與仿真場地概況

中南大學新校區建筑面積82.498 8萬m2，有A，B，C，D共4座連體教學樓，其中A座4層，B座與C座各5層，D座是呈扇形的3層樓。4座教學通過彼此間的2條長廊相互聯通，B座處于4棟連體教學樓的中部，樓道與安全出口分布錯綜復雜，人員分布比較集中，是火災時人員疏散的重點與難點。論文將B座教學樓疏散通道作為研究對象，設置常規標識與增設標識2種火災情境，通過現場調研與問卷調查的方法，運用Anylogic對人員疏散過程進行模擬研究，實驗流程如圖1所示。

根據煙囪效應，火災中煙氣一般往上層蔓延，很少往下層擴散，且火災發生點位置不同，煙氣和火勢蔓延的速率和方向也會有所不同，從而影響人群對逃生路徑的選擇。考慮到運算速度與模型的復雜程度，選用B座教學樓的4樓作為人員疏散仿真場所，模擬時間點為2017—2018學年第二學期某周四上午3～4節課，當時共有16間教室在上課，其人員分布與仿真示意如圖2所示。圖2中增粗線條為B座4樓10個疏散出口的具體所在位置，帶“■”的空心箭頭表示可沿箭頭方向通行，距離標注為教學樓通道的實際距離。

圖1 疏散模擬與標識認知分析流程Fig.1 Flow chart of evacuation simulation and cognitive analysis of signs

圖2 教學樓B座4樓平面示意Fig.2 Floor plan of fourth floor of teaching building B

2 疏散仿真實驗

2.1 問卷調查與疏散步速測定

選擇工作日上課的休息時段，隨機對B座教學樓上課的學生進行火災逃生路徑傾向問卷調查，調查共發放200份無記名問卷，回收問卷184份，其中有效問卷數168份。根據問卷統計結果，85人選擇教室前門逃生，83人選擇教室后門逃生，選擇前后門的比例接近1∶1；134人選擇最近的疏散出口，34人選擇疏散標識指示出口逃生，就近逃生與疏散標識指示逃生的比例約為8∶2。從200名學生中抽取20人測試疏散速度，男女各10人，平均年齡為19±0.92歲，所有被試者無身心健康問題史。測量時，告知被試者在火災情境下以最快速度逃離，重復3次，用計時器記錄疏散時長，得到人員平均疏散步速為0.95 m/s。

2.2 常規標識疏散情境參數設置

運用Anylogic對教學樓進行模擬空間布局設計，將上課教室作為疏散起點，教室內人員數作為疏散人數。教室前后門按1∶1的疏散比例進行逃離疏散，出教室后依據就近原則選擇逃生路徑，即選擇1條距自己教室最近的疏散通道進行逃離，根據教學樓的疏散通道分布，每個教室有5個疏散通道可供選擇，將每個教室離教室最近的2個逃離出口概率設定為0.5，其余3個通道均為0，從而設立不同的逃離路線。根據人員疏散速度測試結果，將人員的火災疏散速度設置為(0.8，1.0)，進入下1層逃生通道的人員計為成功疏散，作為疏散結束點。用Anylogic對該疏散過程重復模擬5次，記錄每次模擬疏散時間。

2.3 增設標識情境參數設置

2.3.1 疏散標識認知反應時間

注意的是選擇需要調動執行控制，在完成顏色-字詞stroop任務中，被試者觀看有顏色的字詞，報告該字詞的顏色，而忽視字詞的含義或其所引起的反應。安全標識牌一般以紅綠2種顏色表示，通常情況下，綠色標識牌為“安全通道”，紅色標識牌為“禁止通行”，符合顏色-字詞stroop任務的認知反應特征。在顏色認知反應實驗中，實驗圖片中文字為8個，顏色-字詞認知反應時間在顏色反應實驗中男女同學平均反應時間為2 731.7 ms[12]。在教學樓火災疏散模擬實驗中，有部分疏散同學可能會遇到綠色的“安全通道”與紅色的“禁止通行”疏散標識各1次，部分疏散同學也可能僅見到“安全通道”疏散標識1次，因此在疏散模擬實驗處理過程時，均按人員遇見2個疏散標識各1次處理，即人均每字的反應時間為341.5 ms，以此作為疏散模擬時標識認知與疏散路徑重評的延滯時間設置依據。

2.3.2 增設標識情境邏輯關系處理

根據B座教學樓4樓疏散模擬時間段的人數與疏散通道狀態，預計出現擁堵位置主要集中在418～420教室，以及411～413教室前的走廊部分。因此增設標識是在常規疏散標識基礎上，在通向E3，E8，E9出口的通道上增設了紅色“禁止通行”標識，并在通向出口E2和E10的南北方向通道入口處增設綠色“安全通道”標識，將教室418,419和教室412,413的人員進行重新分流。標識增設位置如圖3所示，圖3中帶有“×”的空心箭頭代表增設標識“禁止通行”，表示沿箭頭方向無法疏散；帶有“■”的空心箭頭代表增設標識“安全通道”，表示人員可沿箭頭方向疏散。但這種疏散方式增加了疏散者在疏散過程中對標識的認知反應過程，需要逃生者根據疏散標識對自身疏散策略進行疏散路徑的認知重評與決策，存在認知反應時間的延滯。因此增加了pedGoTo路徑與pedWait模塊，延滯時間設定為2.5，3.0 s，即人員見到疏散標識的認知反應時間。對擁堵教室的人流重新分配，并將對應疏散出口的比例設置為0.2，其他疏散模擬參數與要求同常規標識疏散。

圖3 優化后的疏散平面示意Fig.3 Schematic diagram of optimized evacuation plan

3 疏散仿真結果

3.1 常規標識疏散結果

常規標識疏散仿真時，疏散過程中人流變化如圖4所示。在疏散初期20 s時，人員主要集中在教室內，較多人員聚集在教室前后門，教室門口擁堵嚴重。在疏散中期70 s時，疏散人員通過走廊向出口疏散，人員一般依據自己的本能與經驗，或同伴效應，從最近的疏散出口逃離，因此E3，E8，E9出口的人員較為密集，人員密度顏色呈紅色，E2,E5,E7和E10出口人員較少，人流密度顏色呈現藍色或綠色。在疏散后期120 s時，E2,E5,E7出口附近教室的人員疏散完成，出口處于閑置狀態，而出口E4和E9以及附近教室門口還有較多人員擁堵，仍需一定時間才能疏散完全。疏散模擬重復5次的平均疏散時間為193 s.由圖4可知，教學樓按常規標識進行人員疏散時，由于人員自身的本能反應與情緒慌亂，一般按就近原則或鄰近疏散出口進行了疏散，造成了部分疏散出口利用不充分或閑置的現象。

圖4 常規標識疏散行人密度流Fig.4 Pedestrian density flow of evacuation with conventional signs

3.2 增設標識疏散結果

增設標識后疏散過程中的人流變化情況為圖5所示。在疏散前期，人員僅聚集在教室門口還未向走廊疏散，此時主要制約因素是教室門的寬度，疏散情況與標識增加前相同。到了疏散中期，在增設標識的引導下，教室418和419的部分人員開始沿著通向出口E2的南北通道進行疏散，教室412和413的部分人員開始沿著通向出口E10的南北通道進行疏散，人員分布不再局限于教室門口和出口處，部分人員分散在通道中，出口E3和E4擁擠程度有所緩減。疏散后期，模擬區域中未疏散人數較少，每出口均無明顯擁堵現象，整體疏散情況良好。增設標識后的平均疏散時間為174.8 s，較常規標識疏散時間節省了10%。由此可知，增設疏散標識提高了出口利用率，加快了教學樓整體的疏散速度，并且改善了疏散過程中出口處的擁擠情況，一定程度上降低了疏散引發的踩踏等潛在風險。

圖5 增設標識疏散行人密度流Fig.5 Pedestrian density flow of evacuation with adding signs

4 火災疏散與標識認知應對模型

建筑物發生火災后，人員疏散主要取決于可用和所需的安全疏散時間[13]，受困人員須在短時間內及時逃生，這時，每個逃生者都是決策者，他們需要根據自己的判斷選擇逃生的路徑。為了更加直觀反映建筑物火災疏散中疏散標識與人的認知反應決策之間存在的規律，基于上述教學樓火災疏散模擬過程，將疏散過程中的外界刺激-情緒-標識增置-認知反應對逃生路徑選擇的作用關系進行分析，得到其相互作用模型如圖6所示。

由圖6可知，在常規標識情境中，逃生者大腦器官與神經系統會產生相應的生理反射弧，受災人員首先傾向于無意識的認知。在火災警報、煙霧等外界刺激作用下，人體的視聽神經等接收刺激并將信號傳入腦區，前腦島、前扣帶回皮質和鏡像神經系統被激活[14]，喚醒逃生者已有的相關火災經驗及逃生場地通道的記憶。他們會基于經驗和記憶而非實時火災情境對風險進行評估，評估結果往往高于真實風險。教學樓是視線受限空間，逃生人員無法得知火勢的整體態勢及蔓延速度、可用逃生時間及潛在危機，恐懼、悲傷等負面情緒極易出現并相互感染，處于這種情境中的人員，易出現風險規避行為[15]。因此，在常規標識疏散時，大多數人在負面情緒作用下，無法判斷哪條逃生路線最有效，并高估常規認知以外路線的風險，根據以往認知向最近的疏散出口疏散。隨著疏散的進行，人員擁堵又成為新的刺激，加深個體負性情緒，人員認知決策能力進一步降低，因而造成人數多的教室附近的疏散出口過度擁擠、疏散緩慢，而人數少的教室鄰近疏散出口疏散密度偏低，過早處于閑置狀態，降低了疏散出口的平均疏散能力，影響了整體疏散效率。

圖6 火災疏散與標識認知應對模型Fig.6 Model of fire evacuation and cognitive coping of signs

增設標識情境中，教學樓走廊中增設的標識在逃生者視網膜輸入文字信息刺激，這種刺激在視網膜的輸入不會發生變化，但意識到的視覺內容需要進行意識加工，是一種高級的神經機制。其對逃生人員是一種二次視覺刺激，“禁止通行”排除了該通道的逃生可能性，同時“安全通道”提供了“可逃生方向”及“通道可靠性高”等線索，使疏散人員確切了解自身環境。原來常規標識時由于負面情緒較高，盲目跟隨人群疏散的人員，在增設“禁止通行”的“黑暗”與“安全通道”的“光亮”刺激下，對火災情境有了新的認知，對逃生風險進行重新評估，激活了腦區中恐懼情緒反應中樞杏仁核[16]，對負性情緒進行調節，因此常規認知以外的路線風險評估有所降低，更接近實際風險大小。在伏核、殼核、前島葉等[17]以及運動神經元的作用下人員更容易積極主動地選擇沿著“安全通道”指向的疏散距離較遠的出口疏散。因此，由火災疏散不確定性引起的負面情緒會有所降低，所做的疏散決策會更準確，疏散出口擁擠可得到明顯改善，常規標識引導下過早閑置的出口被得到有效利用。

5 結論

1)2種火災標識疏散情境的疏散過程中，前期兩者疏散情況差異不明顯。疏散中后期，常規標識情境下臨近人數多的教室疏散出口人員密度大，出現了部分出口擁堵，部分出口閑置的現象，而在增設標識情境下，各疏散出口擁擠程度有所降低，各疏散出口疏散情況持平，出口利用率提高。在整個疏散過程中，增設標識情境疏散出口的利用效率均優于常規標識情境。

2)在教學樓火災疏散模擬中，以人數最多的教室作為疏散位點，常規標識與增設標識2種情境的平均疏散時長分別為193和174.8 s，增設標識后疏散平均時長節約了10%，若采用同樓層其他教室作為疏散位點，增設標識的位置將不會發生變化，其1層樓節約的疏散時間應≥10%，因此在教學樓疏散通道中合理增設疏散標識，可顯著縮短整棟教學樓的火災疏散時間。

3)在常規標識與增設標識情境中，逃生者根據外界線索刺激引發了大腦生理反射作用，常規標識與增設標識對逃生者情緒刺激有所差異，從而引發逃生者逃生方向與逃生路徑的認知反應決策差異，提出了建筑物火災外界刺激-情緒-標識-認知-決策間的火災疏散與標識認知應對模型。