火場人員疏散模擬平臺設計研究

林靈 劉果

摘要：新時代下，建筑公共空間在高度集成化和規模化的發展過程中，逐漸產生一系列已知和未知風險，主要表現在公共空間流線復雜，行人密集，一旦發生突發事件，極易造成擁堵、踩踏等重大事故。所以需要研究搭建火場人員疏散模擬平臺，自由預設場景，添加隨機火源、環境元素、人員分布等;模擬火災的發展蔓延以及人員智能疏散，結合虛擬現實技術可投身于預設疏散場景中進行逃生演練。此研究有利于提升突發事件下的科學疏散機制，為火場疏散實踐提供最優的人群疏散方案。

關鍵詞：人員行為;火場模擬;疏散模型

《應急管理部關于加快編制地方應急管理信息化發展規劃的通知》（應急函〔2018〕272號）中的智能業務就包含了預案管理與培訓演練。如何將全部人員安全有效地疏散不僅是建筑設計時要考慮的問題，也是事故應急預案中應當重點考慮的問題。而其中，對人員能否安全疏散起決定性作用的因素之一就是火災發生時產生的煙氣，煙氣對人體造成的傷害是不可逆的，以及突發事件下行人心理狀態。相關研究表明：突發火災下，疏散過程中多數人將表現出明顯的競爭（約69%）、避讓（約62%）、合理的冒險認知（約85%）、恐慌（約90%）和“自私”行為（約71%）。在性別方面，女性比男性更愿意相信疏散指示標識，也更容易表現出從眾行為;在疏散教育培訓影響方面，疏散培訓頻率越高，人員疏散意識越好。

研究了火場人員疏散平臺，模擬建筑火災煙氣的運動路線及規律，并將恐慌心理對疏散人員的影響引入到仿真實驗中，優化了安全疏散仿真模型，豐富擴展建筑空間內公共安全理論和人群疏散模型，能為消防救援部門、企業安保部門提供強有力的參考，為疏散演練提供了理論依據。

一、火場模擬環境建立

火災的發生過程包含著舊物質的湮滅和新物質的產生，是一個十分復雜的反應。而且火災中也常常伴隨著熱量的傳遞，大致分為三種形式：熱對流、熱傳導、熱輻射。實際情況下，火災過程中熱量的傳導往往不是通過單一的形式，而是幾種傳導形式結合，或者以一種傳導形式為主，伴隨其他形式共同進行熱量的傳導。因此，單單靠實驗的手法得出火災發生時的產物、火災蔓延走勢，煙氣擴散規律等可謂困難重重，然而利用數值模擬的方法就簡單多了。

使用模擬軟件對煙氣這種流體進行模擬要遵循流體的基本方程，模擬過程中主要是將所建模型的空間劃分成若干個網格，在各個網格內運用Navier-Stokes方程對網格內各參數進行求解。它不僅可以對火場中的煙氣的擴散軌跡進行跟蹤，還能對煙氣的濃度、火場溫度、CO等有毒有害氣體的濃度進行監測并且形成數據。而Smokeview模塊可以在模型建立并模擬之后對模型進行可視化處理，直觀地看到建立的模型中煙氣的流動軌跡、溫度等影響因素的變化。

火場模擬環境的設置需要考慮到溫度監控裝置、煙氣探測裝置、有毒有害氣體監測裝置等，改變模擬參數、設定火災熱釋放速率、控制燃燒反應等，并建立參數化的調整方案。

二、疏散人員模型建立

在安全疏散的過程中，由于人體個性、社會背景、生長環境的文化底蘊等，都會對疏散的風險程度產生影響。通過分析問卷以及結合個體的疏散行為特點，可以把突發情況下影響人恐慌行為的因素劃分成以下幾點：疏散人群個體差異特征、緊急情況下的客觀因子特征、建筑物理環境的變化因子以及群眾對個體行為的影響因子。

在建筑疏散模型設計中，需要將建筑二維平面轉化為疏散模型，疏散模型需要真實地反映出建筑空間模型，包括房間尺寸、位置和與走廊的連接等問題。這里建筑疏散模型沒有單元網格的模數限制，建筑疏散模型在房間尺寸和安全出口位置和寬度設計上更精確，其各個參數的修改余地也更寬泛。

仿真設計中考慮到的人員行為，在整個系統內行人能夠個性化設計，包括行人疏散行為特性和行人生理特征。在疏散模型中，行人的行為對疏散效果的影響是非常直觀的，所以在疏散過程中，行人行為特征差異和心理影響因素需要在模擬過程中體現。在疏散開始前，系統內不僅僅可以自定義疏散行人位置特性，還能夠自定義生理特征，例如行人肩寬決定其占據空間大小，行人年齡、身高等特性決定了行人平均步速。行人疏散行為特征的設計對疏散開始以后也有相當的影響，突發事件下，行人心理活動對行為決策起著決定性作用。

結合初步研究，在既定場景中火災交互環境需要設置的參數包括：

（一）火場可燃物布局

（二）空氣流通路徑（煙、火蔓延路徑）

（三）受災人行為模塊（生命屬性、隨機目的、逃避路線導引）

（四）動態仿真效果（爆炸物、可燃物延時點燃、可燃物燃燒傳遞）

三、校園交互式消防虛擬訓練場景

近年來高校火災時有發生，由于高校是人員密集場所再加之人員火災意識淡薄，導致火災事故往往造成很大的人員傷亡和財產損失。首先要了解典型高校火災的發展蔓延規律，并針對火災具體特點和建筑物特點為學生提供最佳疏散路線指導;同時還需了解學生疏散能力水平現狀，針對學生存在的問題有針對性地鍛煉學生疏散能力，提高學生疏散速度，使學生能夠在火災情形下安全逃生，保障人員安全。

如圖2所示，該平臺包括兩種模式，一是訓練場景配置模式，二是訓練場景體驗模式，場景配置模式用于訓練任務管理人員對場景內環境進行個性化配置，針對不同的訓練目標對訓練場景中的著火點、爆燃點、空氣流動路徑、體驗人員著陸點以及全局的運行參數進行配置，配置結果將在訓練場景體驗模式中生效，在場景體驗模式下，由煙霧火焰仿真模塊自動根據配置模式下的配置結果在對應著火點位置真實模擬火焰及其煙霧的特效，煙霧火焰在根據氣流動力學仿真模塊進行真實的流動仿真，場景中人流也將根據著火點分布進行智能化的逃生行為（尋路、避火、避障等）。同時，體驗人員可以在場景中與消防基礎設施進行互動和模擬使用，對火點進行滅火處理。角色生命周期管理負責對每一個角色進行生命值的計算和管理。

火焰煙霧特效仿真：當用戶以體驗模式進入已經配置過的場景，場景將根據配置內容自動生成已經粒子化的火焰煙霧，同時根據其各自的動力學模型并解析空氣流場在其所在位置的受力情況，再結合現場火勢情況和受力情況，根據當前速度值計算下一幀粒子所在的位置，從而模擬出真實的煙霧和火焰的特效。

火焰煙霧動力學仿真：火焰煙霧將根據場景中的空氣流通路徑的走向進行動力學仿真，本系統將煙霧受力情況簡化為浮力、空氣流場壓力、重力、空氣阻力、碰撞力等五個力的相互作用，其中空氣阻力與當前速度的平方成正比關系。在這幾個力中，空氣流場壓力起到主導作用，如圖6所示，空氣流通路徑由地鐵站臺沿著電梯指向二樓，產生的實際效果是火焰和煙霧沿著該路徑慢慢擴散，逐漸向二樓蔓延。

智能尋路行為模塊：場景中的角色都受到智能尋路模塊的驅動，尋路模塊基于場景的布局和著火點、爆炸點的燃燒情況實時生成一張角色可行走的激活區域圖，當火焰發生以后，每個角色都嘗試以最優路徑在激活區域圖范圍內逃跑至特定的安全目標點，在逃跑過程中能智能識別道路的障礙物，并能智能逃避火焰燃燒區域，在按既定路線逃生的過程中，遇到著火點開始燃燒，能夠實時重規劃新的逃生路徑。角色的逃生速度也會受到其年齡特征、心理因素等原因的影響。

消防設備交互模塊：在體驗場景中，預設了各種消防滅火設備在逃生的路徑中，用戶可以與之進行交互并能模擬滅火操作，通過用戶的滅火操作、用戶的逃生激活區域圖也會實時得到更新，用戶逃生可選擇的路徑也會更多，從而減少了因為擁堵導致逃生效率低下的情況。

四、結語

在突發事件下，公共空間內疏散行人快速高效地從危險建筑環境疏散至安全環境已經成為建筑公共安全的熱點研究內容。建筑空間物理環境的變化引起建筑內行人不適應反應，將會使得建筑安全疏散變成非常復雜的問題，而建筑房間安全出口的設計，作為整個建筑疏散路徑的重要節點，對于疏散效率的影響尤為重要。

設計研究火場人員疏散模擬平臺，重點在于災害場景的模擬以及人員行為的模擬。火場疏散過程不只是個人行為，還牽涉到人與人之間的關系，如何在火場中趨利避害，第一時間撤離成功或力所能及地幫助他人，需要一個“活”的場景來做演練。既有隨機性又符合自然規律，才能真正把應急預案落實到位。

參考文獻：

Margrethe Kobes，Ira Helsloot，Bauke de Vries，etc. Building safety and human behaviour in fire：A literature review[J]. Fire Safety Journal，2010，45（1）：1-11.

Zheng X，Yuan C. Modeling cooperative and competitive behaviors in emergency evacuation：A game-theoretical approach[J]. 2011，62（12）：4627-4634.

陳長坤，秦文龍，童蘊賀，etal.突發火災下人員疏散心理及行為的調查與分析[J].中國安全生產科學技術，2018，14（08）：37-42.

王海燕. FDS數值模擬在隧道火災中的應用[J].消防技術與產品信息，2008（11）：6-9.

余點.基于FDS及人員定位系統的高層建筑火災疏散研究[D].安徽工業大學.

徐向宇.典型宿舍火災危險性及人員疏散模擬與疏散心理及行為調查研究[D].太原理工大學.

許秦坤，周煜琴，林朋，etal.基于FDS某鉛鋅礦礦井火災數值模擬[J].玻璃，2013（12）：30-34.

Hui Ping Tserng，Jia Yi You，Chih Yuan Chang，etc. The hot area evacuation model application in large scale gymnasiums[J].Statyba，2011，17（2）：217-226.

張志魁，張嘉琪.基于計算機模擬的實驗綜合樓火災和安全疏散研究[J].價值工程，2015（7）：308-309.

作者簡介：

林靈（1989.9—），男，漢族，浙江溫州人，研究實習員，碩士學歷，主要從事消防安全與科普教育訓練方向的研究。

劉果（1988.8—），男，漢族，四川南充人，工程師，碩士學歷，主要從事多媒體交互技術及虛擬現實、增強現實技術的研究以及相關產品的研發與設計。