基于仿真技術的人口密集地下空間消防應急疏散建模及優化研究

朱苓榛 張道康 潘薈全 彭宏志 杜沐

摘要：隨著城市建設的發展，地下空間也逐漸被開發利用。以地鐵為代表的城市地下空間具有人口高密度、封閉性等特征，相關的安全問題亦十分突出，公共安全隱患亟待解決。本文系統性的闡述了我們結合仿真建模、社會力模型等新技術和行為心理學、城市安全學等多學科交叉的全新解決方案，旨在為城市地下空間公共安全問題的解決提供新的思路。

關鍵詞：城市安全;地下空間;仿真技術;行為心理學;消防疏散

1 引言

隨著我國城市人口急速膨脹，開發利用地下空間已成為未來城市發展的重任。地下空間具有封閉性，尤其在人口密度較高的功能型地下空間，安全事故時有發生，公共安全存在巨大風險。

本研究著眼于人口高密度地下空間應急疏散需求，以成都春熙路地鐵站為例，利用仿真模擬技術，構建智慧疏散模型和人流數據庫，結合行為心理學等多學科交叉知識，建立具有實證性的疏散效能評估體系并提出面向該地區的普適改進解決方案，提升緊急情況疏散效率和處置專業化水平。

2 研究背景

2.1城市地下空間概述

2.1.1發展現狀

城市地下空間是一個巨大而豐富的空間資源，可量化為可供開發的面積、合理開發深度與適當的可利用系數之積。2012年我國城市建設用地總面積為32.28萬公頃，按照40%的可開發系數和30米的開發深度計算，可供合理開發的地下空間資源量就達到3873.60億立方米。

目前中國城市地下空間開發利用的目標是：加快開發利用規劃編制、制定政策法規、理順管理體系、推進地下空間建造技術創新與進步，初步形成與地面建筑相結合的地下人流、物流的公共空間體系以及構筑城市綜合防災綜合體系，這與我們的研究息息相關。

2.1.2現有地鐵站的安全隱患

地鐵建設的快速推進促進了城市交通便利，但也為公共場所應急管理埋下了新的安全隱患。地鐵安全事故頻繁發生，幾乎每次都引起了大量傷亡。

2.1.3公眾安全意識淡薄

前期走訪和問卷調研顯示，地鐵運營者和乘客雙方均存在安全意識淡薄的問題。地鐵運營方很少進行安全知識和注意事項普及，本身也缺乏科學有效的應急基礎設施和疏散預案。從乘客角度來看，絕大多數人并不了解安全注意事項，對地鐵相關應急疏散設施和逃生路線感到陌生。

2.2春熙路地鐵站概述

春熙路位于成都市錦江區春熙路街道，是成都乃至中西部地區最為繁華的商業街。它坐落在商圈核心位置，毗鄰大型商業廣場，是成都地鐵2、3號線的換乘站，站內建有美食街，連接多個商業區。

目前春熙路站發生的安全事故并不多，但安全隱患依然存在。地鐵區域突發事件極易導致短時間內人員高度聚集或產生恐慌，擾亂正常秩序，增加公共安全事故風險。

3 文獻綜述

3.1國內外已有研究成果

20世紀初，英美等國就在關于應急疏散的研究報告中規定了樓梯單元的寬度、疏散的有效時長等具體標準。上世紀70年代，英國John J，Fruin提出了人群的平均行走速度與人群的密度之間的關系曲線，并且引入“服務水準”的概念。其后Sanddberg、Helbing等人分別借助類比、數學分析等技術手段對疏散時間、人員移動速率和疏散影響因素進行研究。

國內的應急疏散研究始于上世紀90年代，起步較晚。因相關研究數據較少，對于火災、地震等突發性安全事故的疏散研究仍處于定性階段，以吳鵬志、盧兆明等人的研究為代表。

3.2已有成果的優缺點

方法層面，我國處于技術落后階段。而國外利用仿真技術的研究缺乏針對疏散影響因素中關于人員心理作用及周圍環境影響的分析研究與詳細數據支撐，多局限于描述性表述研究，缺乏定量分析。

另外，目前缺乏解決實際問題方案的深度研究。優化方案多采用服務設施優化配置以控制人員疏散效率，并以疏散路徑的最短幾何長度作為最優疏散路徑，缺乏對疏散影響因子的整體把握，忽略了應急情況下人員心理行為。因此，需要進一步研究地鐵站應急疏散模型的適用規則。

4 方法設計

4.1技術路線

4.2研究框架

4.2.1收集數據

一手資料主要來源于文獻閱讀和已完成的實地調研。本研究具有獨占性，需要我們對春熙路地鐵站開展實地調研，探究社會應急疏散意識現狀以獲取一手資料。問卷調查主要研究兩方面內容：社會應急疏散意識現狀、實際影響因子數據。

二手資料主要指春熙路地鐵站平面圖以及春熙路地鐵站人流量數據等，我們與相關部門合作，獲取了準確數據。

4.2.2個體行為特征與影響因子

個體疏散行為遵循“感知-心理-決策-行為”模式，突發情況時，恐慌心理影響個體決策導致其行為表現為應急狀態，使群體行為處于無序的狀態，導致群體移動速率、疏散行為不一致。

疏散時各種因素導致個體移動速率變化率不同，本研究歸納為以下幾種。

4.2.3建立模型

我們將社會力模型作為對象，使用仿真軟件Anylogic進行建模。

社會力模型認為行人運動同時受自身和外界的影響，兩者共同作用于產生行人的運動力，可以視為是系統合力作用的結果，符合真實應急疏散狀況。我們可以利用軟件的行人庫創建行人設施，通過參數控制行人的行為和設施通過能力，也可用JAVA編程定義數據。

從模型匹配、仿真效果等多方面考慮，社會力模型與Anylogic仿真軟件符合研究需求。

4.2.4疏散效能評估

疏散時間是指將乘客從站臺層疏散至站廳公共區域或其他安全區域的時間。我國《地鐵設計規范》《鐵路旅客車站建筑設計規范》《建筑防火設計規范》均對評估提出了具體標準。

研究顯示，此站設計導致區域群體運動速率不同。研究提供了人員密度分布圖，可直觀體現每個時刻各個地方的人流密度，用于評估春熙路地鐵站疏散效能。

4.2.5制定優化策略

優化策略主要分為三個部分：1.通過改造不合理建筑設計進行空間優化設計;2.增加工作人員疏導能力達到應急管理優化;3.通過算法實現疏散路徑優化。

4.3研究難點

本項目難點在于春熙路地鐵站物理層、邏輯層的構建。該站出口、閘機、樓梯等眾多，在CAD平面圖、物理層構造方面需盡量符合真實標準。而人流眾多又要求我們在邏輯層面盡量考慮更多情況，模型搭建難度高。

5 結論與改進

研究發現，地下空間的安全隱患切實存在，印證了研究的必要性。在總結國內外先進經驗和已有研究成果的基礎上，我們認為可利用仿真技術實現低成本的模擬演練。而結合行為心理學、問卷調查等實證數據進行建模，不僅可行，模型也更具真實性，是解決封閉空間優化設計的最佳解決方案。

目前研究局限于春熙路地鐵站，所有的模型和參數來源的樣本也僅限于此，存在樣本較小的問題，后續將擴大研究范圍。另一方面，我們做得還不夠。未來應是致力于建立一個基于人流大數據實時進行疏散云決策的系統，精準保證公共安全，實現智慧化調節。這依賴更多算法和技術的配合，后續我們會加大相關的功能性研究。

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