建筑火災場景下的疏散個體動態(tài)安全性評價方法

嚴 瑾， 王 莉，2*， 成連華， 周瑞雪， 郭慧敏

(1.西安科技大學安全科學與工程學院， 西安 710054； 2.教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室， 西安 710054)

火災事故是日常生產(chǎn)、生活中最常見且具有毀滅性的事故種類之一。據(jù)應急管理部消防救援局公布的2014—2019年火災事故統(tǒng)計，中國共接報火災187.1萬起，造成9 271人死亡，6 206人受傷，火災對人們的生命安全造成了極大的威脅。2015年5月25日，河南省平頂山市一老年公寓發(fā)生特別重大火災事故，造成39人死亡、6人受傷，直接經(jīng)濟損失2 064.5萬元。2018年8月25日，哈爾濱北龍湯泉酒店發(fā)生重大火災事故，造成20人死亡，23人受傷，直接經(jīng)濟損失2 504.8萬元。因此，有必要對建筑火災情境下人員安全疏散問題進行研究。

對于建筑火災的人員疏散問題，中外學者在人員疏散心理行為、人員疏散模型、疏散路徑優(yōu)化等方面做了大量研究。袁春燕等[1]通過應用模糊集合、模糊規(guī)則和隸屬度函數(shù)等模糊邏輯方法量化人的行為心理，研究人在火災環(huán)境下的行為心理對疏散速度的影響。眾多學者在經(jīng)典的人員疏散模型(流體動力學模型[2]、社會力模型[3]、元胞自動機模型[4]、場模型[5]等)的基礎(chǔ)上進行改進。魏詩雨等[6]引入惶恐系數(shù)和集體關(guān)系因素對傳統(tǒng)社會力模型進行改進。李玉霞[7]將格子氣模型和場模型結(jié)合，以場模型中的概率確定行人運動的主方向，以格子氣模型中的局部運動規(guī)則描述行人的具體運動規(guī)則。張明空等[8]基于漣漪擴散算法提出了一種協(xié)同進化路徑優(yōu)化方法，該方法避免了出現(xiàn)繞遠路現(xiàn)象。前人的研究為構(gòu)建建筑火災人員應急決策疏散提供了一定的理論基礎(chǔ)，但目前的研究比較注重火災過程中人員的特殊心理行為、火災人員疏散規(guī)律等理論基礎(chǔ)，疏散路徑優(yōu)化研究也受限于模擬過程所需的時間較長，難以對建筑火災人員實際疏散過程應急輔助決策提供幫助。疏散個體的應急疏散決策過程是一個連續(xù)的評價決策過程，將掌握的火場風險信息、疏散行動能力等因素作為依據(jù)評估疏散過程中自身的安全性，最終選擇出一條安全性相對較高的路線進行疏散。影響疏散個體安全性的因素眾多并多具有動態(tài)變化的特點，處于火場中的疏散個體接收到的信息是有限的、延遲的，因此，人員僅靠大腦進行信息處理決策的精度不高且主觀性較大。

通過分析在建筑物內(nèi)發(fā)生火災的情境下影響人員安全疏散的因素，構(gòu)建建筑火災疏散個體風險評價體系并提出通過引入物元分析理論和智能消防系統(tǒng)及其他檢測探測設(shè)備等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)準確、動態(tài)的風險數(shù)據(jù)獲取，將其作為可拓綜合評價法中的待評物元，從而可以實現(xiàn)一種火災疏散個體的安全性動態(tài)風險評估。以期減少主觀因素的偏差并適應風險的動態(tài)變化，為火災情境下的疏散個體應急疏散輔助決策提供一定的幫助。

1 火災疏散人員安全性影響因素分析

火災是指在時間空間上失去控制而劇烈燃燒的現(xiàn)象，特指燃燒產(chǎn)生的火焰已經(jīng)跨過防火分區(qū)、在不同樓層甚至建筑內(nèi)部全面蔓延的過程。疏散個體的安全性與其自身的行為息息相關(guān)，在突發(fā)情況下，行人會表現(xiàn)出復雜的行為，但其運動目的都是唯一的，即不斷調(diào)整疏散策略 (路徑) 以最小的代價撤離現(xiàn)場[9]。根據(jù)建筑火災應災行為原理，如圖1所示，火災情境下行人疏散策略的規(guī)劃和調(diào)整很大程度上取決于火災風險、行人自身的因素以及建筑因素。

圖1 火災應災行為原理Fig.1 Principle offire disaster response behavior

1.1 火災風險影響分析

火災的本質(zhì)是燃燒，燃燒的過程中包含了多種物理、化學反應。燃燒的過程總是伴隨著熱能的釋放，熱能的傳導和積聚使室內(nèi)空間的溫度快速上升，而人體對高溫的忍耐力有限，長時間暴露在高溫下可能會導致受傷甚至死亡[10]。燃燒時各種化學反應會產(chǎn)生有毒氣體，如一氧化碳，氰化氫，二氧化碳等氣體會相應減弱人員的認知能力、辨識能力以及活動能力[11]，嚴重影響了疏散個體的生命安全，其中，一氧化碳是火災中致死主要的燃燒產(chǎn)物之一。能見度是影響火災逃生的重要因素，煙霧中存在未完全燃燒的固相顆粒會刺激眼睛，出現(xiàn)流淚和視力降低的現(xiàn)象[12]。隨著能見度的降低,行人的環(huán)境記憶效應會逐漸減弱，會出現(xiàn)摸索、走偏等特殊行為,也會傾向于通過尋找標識物來幫助行走[13],逃生難度將大大增加，存活率降低[14]。由于燃燒要消耗大量的氧氣，室內(nèi)空間的氧氣含量迅速降低。當供氧不足時，人體將出現(xiàn)各種缺氧反應，尤其是呼吸和循環(huán)系統(tǒng)機能受到影響，導致呼吸困難、劇烈的頭痛、神志恍惚等癥狀，嚴重者可能會抽搐、昏迷。

因此，影響火災情境下疏散個體安全性的火災風險主要包括室內(nèi)溫度、有毒氣體含量、能見度、氧氣消耗程度。

1.2 疏散行動能力影響分析

疏散行動能力是影響人員疏散安全性的主要因素之一[15]，在時空擁擠度較小的情況下，由于身體狀況、年齡、性別等方面的差異性，或當遇到障礙物、上下樓梯、身體狀況改變、擁擠等情況時，疏散個體的步行速度存在較大差異，疏散時間影響疏散效果，疏散時間越長疏散個體的安全性越弱。恐慌心理在一定程度上會影響個體對目標方向的選擇[16]，從而影響疏散個體的安全性，恐慌可以用速度的變化定量表示。在逃生過程中，某些位置會出現(xiàn)人員密度過大的現(xiàn)象，內(nèi)部擠壓十分明顯[17]，造成疏散通道擁堵現(xiàn)象，使疏散時間延長，甚至無法疏散。陳霞等[18]發(fā)現(xiàn)人員疏散行為受消防知識及經(jīng)驗因子影響非常顯著，人員疏散行為與消防知識及經(jīng)驗呈正相關(guān)的關(guān)系。當人們在一個相對陌生并復雜的室內(nèi)環(huán)境中，人們很難在很短的 時間內(nèi)找到出口,會延長疏散時間，增加疏散個體的風險。

綜上所述，疏散個體自身因素影響其安全性的因素主要包括步行速度、人員密度、消防知識與經(jīng)驗、對建筑物內(nèi)部熟悉程度的影響。

1.3 建筑環(huán)境影響分析

發(fā)生火災時，完善、有效的室內(nèi)消火栓系統(tǒng)可以在一定程度上對火災的發(fā)展蔓延產(chǎn)生抑制，疏散個體通過使用室內(nèi)消火栓進行滅火，降低室內(nèi)溫度、減緩火災的擴散蔓延，從而為其延長可用安全疏散時間，減少人員傷亡。疏散個體當前所處的位置的可選擇疏散出口的數(shù)量決定了疏散個體可選擇方案，可選擇的方案越多，越有避開危險區(qū)域的可能性，但當可選擇方案過多時，由于信息的不充分，決策過程變得更困難而增加決策時間，增加了疏散時間。由于安全意識不足，可能在通道內(nèi)放置雜物而占用通道或者為了便于管理，管理人員將部分通道關(guān)閉，造成通道不能通行的情況。除此之外，防火卷簾門的啟用也會導致相應的通道關(guān)閉、不可通行。火災一旦發(fā)生，由于通道的可通行率直接影響人員的疏散效率和疏散路徑的選擇。

因此，影響火災情境下疏散個體安全性的建筑環(huán)境風險主要為室內(nèi)消火栓系統(tǒng)、可選擇出口數(shù)量、通道可通行率。

綜上所述，構(gòu)建3個一級指標11個二級指標的建筑火災個體動態(tài)安全性評價指標，如圖2所示。

圖2 建筑火災疏散個體安全性評價指標體系Fig.2 Individual safety evaluation index system of building fire evacuation

2 疏散個體動態(tài)風險數(shù)據(jù)獲取

火災是一個不斷發(fā)展的過程，火災對疏散個體安全性的影響程度是一個隨著時間的推移而動態(tài)變化的過程。除一部分影響因素對疏散個體安全性的影響是穩(wěn)定的外，另一部分動態(tài)變化的影響因素若可以獲取較為精準的動態(tài)風險數(shù)據(jù)，能夠提高疏散個體安全性的定量評價的準確性。快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能消防系統(tǒng)，能夠提供一個火災動態(tài)風險的實時數(shù)據(jù)，可以解決火災動態(tài)風險數(shù)據(jù)獲取困難的問題。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是指通過傳感器、移動終端或給各種事物貼上RFID(radio frequency identification)、個人與車輛攜帶無線終端等采集到的數(shù)據(jù)，通過各種通信網(wǎng)絡(luò)與云端的數(shù)據(jù)處理與儲存終端連接起來進行智能處理與控制反饋。構(gòu)建如圖3所示的火災疏散個體動態(tài)風險數(shù)據(jù)獲取模型，由疏散個體攜帶的手機移動終端接收射頻信號，通過手機終端的數(shù)據(jù)交互利用三點定位法確定疏散個體位置信息并將其上傳至云端，云端加載位置坐標數(shù)據(jù)、各類傳感及探測設(shè)備分布圖、地圖數(shù)據(jù)。服務器內(nèi)部存儲了射頻信息、地圖信息、各類傳感器位置信息等數(shù)據(jù)庫。通過數(shù)據(jù)處理確定建筑物內(nèi)分布在疏散個體所在位置周圍的各數(shù)據(jù)采集設(shè)備設(shè)施，如：感溫探測器、感煙探測器等，將采集到的風險信息數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至存儲組，以供疏散個體安全性評價模塊調(diào)用并對其進行評價，從而實現(xiàn)疏散個體在火災情境下風險數(shù)據(jù)的動態(tài)采集，定量評價疏散個體的安全性。

圖3 火災疏散個體動態(tài)風險數(shù)據(jù)獲取模型Fig.3 Individual dynamic risk data acquisition model of fire evacuation

3 火災疏散個體安全性可拓評價模型

3.1 確定各影響因素的經(jīng)典域和節(jié)域

根據(jù)可拓綜合評價模型[19]，經(jīng)典域可表示為

(1)

式(1)中：Vij=(aij,bij)為第j個物元；Nj為所劃分的第j個安全等級；Ci為第i個評價指標；Vij為安全等級Nj對應于其評價指標Ci的取值范圍，即經(jīng)典域為Vij=(aij，bij)，(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m。)

節(jié)域可表示為

(2)

式(2)中：Np為安全等級的全體；Vpj為等級Np關(guān)于Ci所取的量值范圍，即節(jié)域為Vpj=(apj,bpj)，且有(aij,bij)?(apj,bpj)。

根據(jù)中外相關(guān)研究和國家標準，建立如表1所示的影響疏散個體安全性各因素的經(jīng)典域和節(jié)域，將評價指標體系中各項風險因素的安全性分為低(Ⅰ級)、較低(Ⅱ級)、中等(Ⅲ)、較高(Ⅳ)、高(Ⅴ)。

表1 疏散個體動態(tài)風險經(jīng)典域與節(jié)域

其中，N1(j=1)表示安全等級為Ⅰ，安全性很低，即因素嚴重影響到人員正常逃生或短時間就能造成生理狀態(tài)失衡；N2(j=2)表示安全等級為Ⅱ，安全性較低，即因素對人員正常逃生有很大程度的影響或較短時間內(nèi)會對人員生理狀態(tài)造成損傷；N3(j=3)表示安全等級為Ⅲ，安全性中等，即因素對人員正常逃生有一定程度的影響或較長時間內(nèi)會對人員生理狀態(tài)造成損傷；N4(j=4)表示安全等級為Ⅳ，安全性較高，即因素對人員正常逃生影響較小或長時間才會對人員生理狀態(tài)造成輕微損傷；N5(j=5)表示安全等級為Ⅴ，安全性高，即因素對人員正常逃生幾乎無影響或人員生理狀態(tài)不會因其改變。

3.2 基于AHP計算動態(tài)風險評價指標權(quán)重

AHP的評估尺度是比較每一層級各評價指標相

互的重要程度，并根據(jù)重要度比較結(jié)果的重要程度不同進行取值。再利用線性代數(shù)中的特征向量與特征值相關(guān)算法得到每個指標在這一層級所占的權(quán)重系數(shù)，最后計算出最低一層的評價指標對總評價事件分別所占的指標權(quán)重，結(jié)果如表2所示。根據(jù)AHP法計算得到指標權(quán)重如表3所示。

表2 判斷矩陣的1～9標度表示法

表3 動態(tài)風險評價指標權(quán)重

從AHP法得到的權(quán)重可知，火災風險因素對疏散個體的安全性影響最大，最重要的因素為有毒氣體濃度和溫度。由經(jīng)驗可知，處在火場的人多因中毒窒息或高溫灼燙而亡，與實際情況相符。除此之外，人員的消防知識經(jīng)驗、對建筑物內(nèi)部的熟悉程度、通道的可通行率的權(quán)重也比較大，這些都是屬于可控制的因素，通過對人員進行安全教育培訓和管理等相關(guān)措施可以在一定程度上提高疏散個體的安全性。

3.3 動態(tài)風險數(shù)據(jù)獲取與預處理

把通過物聯(lián)網(wǎng)、智能消防系統(tǒng)及其他檢測探測設(shè)備等途徑得到的風險數(shù)據(jù)信息用物元Rx表示。根據(jù)可拓綜合評價模型，則待評物元Rx為

“留白”是中國水墨畫中的一種藝術(shù)表現(xiàn)形式，也是中國傳統(tǒng)文化的一種理念。所謂“不著一字，盡得風流”“言有盡而意無窮”，都是“留白”所帶來的魅力。語文教材中的不少文本也存在著“留白”的地方，即在文本中不直白地表達作者的意思，而是留有空白，讓讀者自己去思考與探究。“留白”教學也包含兩層含義：一方面，教師要培養(yǎng)學生的深層閱讀能力，讓學生以自主閱讀來挖掘文本的深層內(nèi)涵；另一方面，“留白”教學也是教師教學的一種方式，要求教師在閱讀教學中以“留白”的方式來教學，以激發(fā)學生對文本閱讀的興趣，讓學生去思考與探究，以取得較好的教學效果。

(3)

式(3)中：Tx為待評物元；Mi為Tx關(guān)于指標Ci的所有數(shù)據(jù)。

為消除各指標量綱的差異，方便計算，根據(jù)式(4)對各數(shù)據(jù)進行歸一化處理。

(4)

為該指標評價標準的最小值和最大值。

3.4 評價指標關(guān)于各安全等級的單指標關(guān)聯(lián)度的確定

為消除各指標量綱的差異，方便計算，對評價指標和風險數(shù)據(jù)進行歸一化處理。根據(jù)可拓評價模型，評價指標關(guān)于各安全等級的單指標關(guān)聯(lián)度為

(5)

(6)

(7)

式中：Vij為安全等級Nj對應于其評價指標Ci的取值范圍。

3.5 綜合關(guān)聯(lián)度的確定

待評物元Rx關(guān)于安全等級Nj的綜合關(guān)聯(lián)度為

(8)

3.6 動態(tài)安全性等級評定

根據(jù)最大關(guān)聯(lián)度原則，若有Kj0(Tx)=max[Kj(Tx)]，則待評物元Rx的安全等級屬于類別j0。若

(9)

(10)

則稱j*為事物Tx的級別變量特征值，其數(shù)值反映出待評事物的安全等級偏向另一等級的程度。

4 假設(shè)論證與分析

根據(jù)火災發(fā)展規(guī)律、相關(guān)事故經(jīng)驗，假設(shè)場景：在α時刻，某人A所處的建筑物正在發(fā)生火災，其是一個只掌握了基本消防知識但沒有相關(guān)經(jīng)驗的人員，對該建筑物的內(nèi)部熟悉程度很低，其風險數(shù)據(jù)值分別為0.3和0.1，并在手機移動終端輸入數(shù)據(jù)信息。通過探測設(shè)備上傳至數(shù)據(jù)存儲服務器的數(shù)據(jù)顯示，A某目前所在位置的室內(nèi)溫度為60 ℃，當前的有毒氣體濃度為700×10-6，能見度為10 m，氧氣含量為16%，此位置人員密度為1.3人/m2，A的步行速度為0.65 m/s，此時室內(nèi)消火栓系統(tǒng)壓力正常為0.3 MPa，當前行進通道基本無物體堆積，可通行率為0.98，且有3個可選擇的出口。

根據(jù)表1節(jié)域和式(4)將待評價物元數(shù)據(jù)進行歸一化處理，得到：C1=0.949 7，C2=0.734 7，C3=0.333 3，C4=0.761 9，C5=0.098 8，C6=0.675，C7=0.3，C8=0.1，C9=0.428 6，C10=0.428 6，C11=0.98。

根據(jù)式(5)～式(7)，計算得到單指標關(guān)聯(lián)度如表4所示。

表4 評價指標關(guān)于各安全等級的單指標關(guān)聯(lián)度

根據(jù)式(8)～式(10)以及表3、表4計算得到：

(1)綜合關(guān)聯(lián)度。

K(α)=(-3.600,-1.756,0.482,-2.747,-3.297

(11)

(2)安全等級。

j*(α)=2.985

(12)

安全等級結(jié)果表明：A在α時刻的安全等級為2.985，即較低(Ⅱ)偏向中等(Ⅲ)。

根據(jù)假設(shè)的風險數(shù)據(jù)和經(jīng)驗可知，α時刻A的呼吸系統(tǒng)開始受到影響，2～3 h持續(xù)在此環(huán)境中會死亡，氧氣含量充足，視野清晰，目前不會威脅到生命安全，但由于A的步行速度較慢、沒有相應的消防經(jīng)驗、對建筑物內(nèi)部的熟悉程度不夠，疏散時間必然延長，在一定程度上會降低A的安全性。建筑環(huán)境因素目前來看對其安全性不會產(chǎn)生影響。因此，該評價結(jié)果與實際的人員安全性匹配，該評價模型的正確性得以驗證。

同上述疏散個體安全性評價方法，通過對探測設(shè)備實時傳遞的風險數(shù)據(jù)進行安全性評價，便能得到疏散個體實時動態(tài)的安全狀態(tài)。通過移動終端顯示疏散個體目前的風險數(shù)據(jù)和安全狀態(tài)，從而在一定程度上減少人員疏散過程中的恐慌等心理應激反應，并為人員的應急疏散決策提供一定的指導意義。

5 結(jié)論

(1)提出了一種基于建筑火災疏散個體動態(tài)風險的安全評價模型，包括影響建筑火災情景的疏散個體安全的動態(tài)風險的評價指標體系以及相應的評估計算模型。

(2)在安全評價過程中引入了“可拓評價模型”，該模型不僅減少了主觀因素的影響，且能明確其等級偏向高一級別或低一級別的程度，為疏散個體提供更加精確的安全等級狀態(tài)評估。

(3)提出了一種結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的風險數(shù)據(jù)動態(tài)獲取方法，在評價過程中在待評價物元中加入了“動態(tài)”，相較于其他評價方法，該方法能夠根據(jù)實時的風險數(shù)據(jù)的變化分析疏散個體的安全狀態(tài)，得出實時的安全等級。

(4)在往后的研究中，通過該評價方法和大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)結(jié)合，確定建筑物內(nèi)所有點的實時風險信息，以及疏散個體可能通過的路徑安全性，結(jié)合路徑優(yōu)化算法，能為疏散個體選擇最安全的疏散路徑。