突發事件下羊群行為對疏散效率的影響研究

唐藝璇，常波峰，孫璐瑤，王啟睿，田水承

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 安全與應急管理研究所，陜西 西安 710054；3.陜西煤業化工集團神木紅柳林礦業有限公司，陜西 榆林 719300)

0 引 言

隨著社會的不斷發展，各類突發事件頻現，疏散是保證人員生命財產安全最快速、高效的途徑，對時間、空間的充分利用顯得尤為重要。突發事件本身具有的突發性、普遍性和不確定性等特點，使人必須在極短的時間內作出判斷和決策，這會導致人直面此類危險的威脅時，由于危險而產生的恐懼、焦慮等心理干擾人的決策行為，進而對疏散效率產生影響[1-3]。疏散效率是保證人員安全疏散的關鍵。

由此，國內外眾多學者針對疏散效率的影響因素進行了大量的論證研究。對于外部環境因素的影響，田水承、XIA、宋洋等借助仿真模擬的方法，認為合理的應急出口位置分布、室內布局與有效的智能消防聯動裝置是提高疏散效率的重要因素，對疏散效率的影響較大[4-7]；羅凌燕、ENRICO、王彥雲等以地鐵站為研究場景，認為能見度、出口形狀、人體疲勞度、人的心理變化等都會影響乘客的疏散效率，而安全疏導員的增加在一定程度上有助于平衡各個出口的使用效率[8-11]；益鵬等認為在緊急疏散過程中，當人員環境熟悉度較高時，習慣是影響人員出口選擇與疏散總時間的重要因素[12-13]；陳一洲等通過構建人群疏散模型，得到與Pathfinder一致的模擬結果，得出疏散效率由人員密度、移動速度、疏散時間三者相互控制[14]。除環境因素對疏散效率帶來影響之外，部分學者從心理層面出發，袁春燕等運用模糊邏輯方法對人員心理量化分析，構建了“心理-環境模型”這一可靠性更高的疏散模型，為人員疏散研究提供參考[15]；王莉、李曉艷、HELBING等認為人員心理因素顯著影響疏散效率，其中，恐慌和從眾心理的權重值最高[16-18]；SALOMA、HELBING、顏向農等研究認為，羊群行為阻止了對有效出口的利用，疏散時間顯著增加，大大降低了人員疏散速度[19-21]；李昌華等研究表明，羊群行為對疏散的影響具有不確定性，需適當加入引導員等外界因素，方可確定羊群行為的促進作用[22]。

綜合上述研究發現，前人對疏散效率的影響因素研究大多集中于環境和人的心理層面，忽視了疏散過程中發生的羊群行為，或簡單地認為該行為抑制了人員疏散，將其片面地歸于負性影響因素，沒有分類討論此行為對疏散效率的具體影響。鑒于此，文中借助Pathfinder軟件，從羊群行為的自變量出發，根據不同比例的羊群行為對疏散效率的影響程度，綜合分析應急疏散過程中羊群行為扮演的角色，期望為應急疏散仿真模擬與疏散模型的構建研究提供更為細致的參考。

1 羊群行為

1.1 羊群行為產生機制

羊群行為(herd behavior)最初起源于對牛羊等畜類成群移動現象的描述，后被社會學領域用來描述人類社會中的一種非理性行為：是指在社會情景或群體壓力下，個人改變自己的態度、放棄原先的意見，產生和多數人一致的行為。20世紀30年代，謝里夫的流動錯覺實驗是首次圍繞羊群行為開展的研究。

各項社會心理學研究成果證實，安全氛圍作為社會環境因素影響著個體行為，當人處于應急狀況下，最易產生從眾心理，導致羊群行為[23-25]。法國社會學家TARDE認為，模仿是社會集體中最基本的社會現象，在沒有干擾的情況下，模仿一旦開始，便會以幾何級數的速度迅速增長蔓延，從而使個體行為上升為群體行為[26]。1922年，瑞士心理學家榮格提出了集體無意識理論，即在特定情況下，一群聚集的人會表現出全新的特點，個體特征消失，感情傾向趨同，服從于群體精神統一法則，使群體成員在情緒和行為上表現出一致性[27]。群體中的成員易受群體情緒的感染，從而選擇與多數人一致的行為，群體的一致性又促進情緒在群體中的傳播擴散，此類“暗示-模仿-循環反應”的過程，就是研究證實的求同心理過程。這種求同心理是造成羊群行為的心理基礎，羊群行為是人尋求社會認同感和安全感的結果。

1.2 羊群行為影響因素

突發事件背景下，羊群行為的影響因素大致分為個人因素與群體因素。個人因素包括人的生理、心理特征以及對場景的熟悉程度等；群體因素包括人群的恐慌程度、行動方向等。在個體受群體情緒感染后，不安全感造成部分人理智缺失、判斷能力下降，在選擇疏散路線時不以距離等因素為參考標準，而是跟隨人群流動方向進行疏散。

2 模型構建

Pathfinder是由美國Thunderhead Engineering公司開發的一款基于人員運動的仿真模擬器，常用于對人員的緊急疏散逃生評估。通過對人員肩寬、移動速度、預動作時間等相關參數的設置，計算出疏散的最佳時間，獲得直觀的可視化結果。使用者可根據軟件模擬結果篩選出最優疏散方案，減少人員傷亡[28]。其中人員運動方式有2類可供選擇，分別是Steering模式和消防工程師協會(society of fire protection engineers，SFPE)模式。Steering模式下，通過路徑規劃、指導機制和碰撞處理3類機制相結合對人員運動進行控制，如果人員之間的距離和最近點的路徑超過某一閾值，可以重新規劃路線以適應新的形勢，簡單來說就是在該模式下人員的疏散方向及速度取決于實際環境情況及人員密度等綜合因素，不單以距離為參考量。SFPE模式利用空間密度確定運動速度，依據就近原則，疏散人員對出口的選擇僅以距離作為選擇該出口的原則。2類模式中，Steering模式疏散路徑的規劃參考條件更加豐富，考慮因素較多，更貼近人員真實疏散情況，更符合實際需要，故選擇該模式作為文中人員的運動方式。

文中借助Pathfinder仿真平臺，通過構建虛擬場景，模擬不同程度的羊群行為對疏散效率的影響。與實景實驗相比，該方法節省了大量人力物力，且避免大量人群疏散情境下可能發生的擁擠、踩踏事故。

2.1 場景構建

以某辦公樓火災為例，該辦公大樓共地上4層，1～3層為標準層，層高3 m，寬9 m，長22 m，4層天臺建筑高2.6 m，建筑面積共691.02 m2。文中對建筑采用1∶1的比例簡化模型內外結構。室內共有2部樓梯，其中一部為從一樓直通3樓的旋轉樓梯，一部為連接各樓層直至天臺的單跑樓梯。選擇發生火災時的最不利情況，將起火點假設為位于靠近一層正門與旋轉樓梯口的位置，選擇一層側門(Exit 1)與天臺(Exit 2)作為人員疏散的2個出口，寬度分別為2 m和1 m，連通一二層的旋轉樓梯不做疏散用途，僅將單跑樓梯和連通二三層的旋轉樓梯作為連接室內各個樓層的疏散通道。場景模型如圖1所示。

圖1 場景模型平面圖

2.2 人員參數設定

據事件新聞報道，事件發生時建筑內共70人，1樓12人，2樓31人(15女，16男)，3樓27人(14女，13男)，其中69人在20～50歲區間內，1名60歲以上的老人。面對突發火災，人員疏散行為通常會稍做延遲，根據人員所處樓層的不同，以一層反應時間T1=0.62 s為基礎，依次遞增1 s作為各層人員的反應時間[29]。構建疏散模型時，人員空間位置分布隨機設定如圖2所示，相關參數見表1。

圖2 人員位置分布圖

表1 人員參數設置

3 羊群行為模擬

3.1 不同比例的羊群行為模擬

突發事件疏散過程中的羊群行為表現為人員疏散過程中對出口的選擇，當群體處于正常情況時，人員往往會根據自身對場景的熟悉程度、出口距離、自身習慣和需要等對出口做出選擇。一旦遇到情況不明的緊急事件，在逃生本能的驅使下，處于群體中的人因恐懼失去理智，出于對群體選擇的信任，常常會選擇做出與群體一致的行為。文中以正常情景下的疏散情況為對照組，由圖3可知，模擬發現通過Exit 1的人員數量略多于Exit 2，故文中將出現羊群行為的人員設定為僅選擇Exit 1作為疏散出口，其余人員仍遵循Steering模式進行疏散。本模型選擇以0.2為步長，模擬了羊群行為人數占比從0到1的疏散情況，將疏散時間作為評定疏散效率的指標。

圖3 對照組各出口人員通過總量

3.2 結果分析

疏散模擬結果如圖4所示。正常情況下的疏散時間為64.3 s，與對照組相比，在羊群行為比例達到20%時，疏散效率最高，所需疏散時間為60.8 s；40%時疏散效率有所下降，但對疏散仍起正向促進作用。當羊群行為比例上升到60%時，疏散時間提高了19.84%，增長速度較快，說明此時羊群行為大大影響了人員疏散。此后，疏散時間隨著該行為比例的上升持續增大，當整個群體都發生羊群行為時，疏散時間提高至91.5 s。與對照組相比，最短疏散時間減少了5.44%，最長疏散時間增加了42.31%。

圖4 不同比例羊群行為的疏散時間

分別選取模擬結果中疏散時間最短和最長的情況，如圖5～圖8所示，發現疏散過程中3層樓梯拐角處出現人員密度最大且移速最慢的情況，說明此處發生人員擁堵情況。當疏散通道口達到自身疏散極限時會出現如圖所示的“成拱效應”，群體內的相互作用力使得該效應下的疏散效率降低，導致人員滯留，3層樓梯拐角人員疏散路徑的相互交錯情況如圖9所示。針對上述問題，在不改變樓梯寬度與拐角空間的狀況下，在擁堵處增加適當的障礙物可適當分流人群，減少人員間的摩擦力。結合實際情況在距樓梯不遠處設置一1.1 m×0.1 m的障礙物，改進前后疏散時間見表2，改進后的疏散時間均有減少，其中比例為20%和100%的分別為57.5和90.8 s，分別下降了10.58%和0.77%，對疏散效率有促進作用。

圖5 20%羊群行為下人員密度熱圖

圖6 20%羊群行為下人員移速熱圖

圖7 100%羊群行為下人員密度熱圖

圖8 100%羊群行為下人員移速熱圖

圖9 3層樓梯人員疏散路徑

表2 改進前后疏散時間統計表

驗證了以往研究中認為羊群行為會導致疏散時間增加、疏散效率下降的觀點的正確性。但文中通過將羊群行為劃分成不同比例的方法，發現較小比例的羊群行為對人員的疏散速度起到促進作用。這是由于正常情況下，各出口會出現利用不均的情況，而羊群行為導致的出口利用不均衡，可改善正常情境中出口利用不均的缺陷。改進后障礙物的設置，能有效改變人員疏散路徑，減弱了人群成拱效應的穩定性，減緩成拱效應的形成周期，緩解人員擁擠狀況，有效提高疏散效率。

4 結 論

文章借助Pathfinder軟件，以某辦公樓為場景構建了疏散模型，目的是探究羊群行為對疏散效率的影響，并以縮短疏散時間為目的對模型加以改進，得到以下結論。

1)疏散過程中的羊群行為不能簡單歸結為負性影響因素。羊群行為比例在20%～40%時，有助于提高疏散效率；一旦超過該范圍，疏散時間顯著增長，效率降低。

2)一定條件下的障礙物對人員疏散有促進作用。正常疏散條件下，障礙物可以消解或抑制疏散口的成拱效應，改變人員路徑，緩解疏散過程中的擁擠程度，提高疏散效率。