基于元胞自动机工程模型的公共场所人员应急疏散管理研究

第1章 绪论1.1 课题背景及研究的目的和意义随着中国经济的持续稳定发展，城市化进程的不断深入。作为承担着人们娱乐、学习、办公、商务、体育、宗教、交通运输活动的主要载体公共场所，其规模体量越来越大，建筑结构越来越复杂，数目越来越多。在极大的满足 人们物质文化需求的同时，也带来了巨大的安全风险。据不完全统计，全球每年有数千人因人群聚集活动中的突发事件死亡。表 1-1 列举了 2004 年以来全球公共场所发生的一些重大事故。我国因突发事件造成的损失比较严重。国家行政学院公共管理教研部副教授李俊鹏提供的资料显示：2003 年我国因各类突发事件造成的损失共计达 6500 亿元人民币，相当于同期我国 GDP 总量的 6%。全国人大代表、中国红十字总会训练中心主任辛宝山介绍，2009 至 2021 年我国每年突发事件高达 120 万起，造成至少 20 万人死亡，170 万人（次）伤残，直接损失达 3000 亿元人民币以上。许多案例表明，突发事件中公共场所人员如果能够实现较好的疏散可以大幅减少人员伤亡和相应损失。四川省绵阳市安县桑枣中学就是一个典型的例子。这所中学在5·12;汶川特大地震发生前良好的进行了教学楼的加固和师生应急疏散演习，地震发生时全校 90 多位教师、2200 名学生在 1 分 36 秒内全部安全抵达操场，无一伤亡，对比同时期其他公共场所，该校因成功的实现了人员疏散而大幅降低相应损失。因此，当突发事件发生时，公共场所内大量密集人群如何实现安全、快速、有效疏散就成为了我们需要研究的课题。.........1.2 国内外研究现状对于人群运动及疏散，最早人们通过试验观测的方法进行研究，主要的方式包括观察，拍照及录影。这一阶段的研究主要得出了一些经验公式和结论。其中主要成果见表 1-2。除了表中提到的成果，该阶段还提出了许多人群速度和密度之间的经验公式。这些公式根据侧重点的不同，表述式各有差异。随着研究的深入，人们发现试验观测的方法很难应用于超高，超大型建筑，极端条件（火灾，地震）和千人级别以上条件人群应急疏散的研究。这些情况往往很难进行模拟试验，伴随着较大的危险性，具有社会伦理道德方面的风险，且实验经济成本高昂。因此研究者开始通过模型来模拟人群的疏散行为并加以研究。随着模型研究的深入，研究者进一步发现，模型研究应急疏散还具有成本低、可重复获取结果、不受自然条件和场地约束的优点。基于决策理论：1975 年 Domencich 和 McFadden[5]提出，核心是假定疏散者行为选择满足决策理论中自身效用最大化，从而通过计算各行为的效用值来预测疏散者选择的行为结果。传播模型：分别由 Bartholomew(1963)[6]，Coleman(1964)[7]， Granovetter(1978)[8]在不同的时间提出，模型采用数学表述式描述行人的行为、观点、人群中的谣言等的传播过程。基于运筹学：1989 年由 S..Yuasi, Macgregor Smith 等提出的排队论[9]模型。但是，约束条件多，疏散主体多的复杂条件下，纯数学模型建模困难，计算量庞大。在实际的应用过程中，不能很好的对实际疏散情况进行模拟，往往只能侧重于某一方面或者将整个疏散人群作为一个整体宏观考虑，无法对疏散者相互之间的微观作用进行细致分析，其得出的结果与现实情况有诸多不符；以上模型也因为将行人作为整体加以研究的特点，被研究者称为宏观模型。..........第2章 疏散仿真模型建模理论基础2.1 人群疏散的心理及行为特征在其他外在条件不变时，疏散人员在不同心理下做出的行为往往不同，并导致疏散在安全、快速等方面的结果迥然相异。因此，研究和总结疏散人员典型的心理和行为特征，能够为后续建模的准确性，有效性奠定坚实的基础，具有重要的意义。通过文献研究和深圳沿海某村镇的调研，可以发现在应急疏散的过程中，疏散人员会存在一些特殊的心理和行为，对疏散的结果有着十分重要的影响。本文中使用的调研数据来源为 2021 年 8 月 26 日进行的，调查对象为深圳辖下某村镇社区居民的调查问卷。调查共发放问卷 200 份，收回有效问卷 171 份。详细调研结果在第四章 4.2 小节中以图表及统计分析的方式进行陈述。恐惧，是一种人类及生物心理活动现实；通常称为情绪的一种。恐惧是指人们在面临某种危险情境，企图摆脱而又无能为力时所产生的担惊受怕的一种强烈压抑情绪体验[43]。这一点在本文发放调研问卷的结果中也有印证，24%的受访者将恐慌大喊大叫;作为自己遇到突发事件时的第一心理反应，在所有反应人数由高到低的排列中，处于第二多的位置。人群在遭遇应急情况时，由于对疏散场所地形的不熟悉，缺乏安全疏散的知识技能和演习经历，会对逃生感到无力，进而产生恐惧心理。具体表现为哭泣尖叫，大脑空白，肌肉抽搐甚至昏厥等。..........2.2 影响人群疏散的重要因素许多学者对人群速度进行了十分细致的研究，根据侧重点不同得出了各种各样的模型。比较有代表性的有国外的 Fruin、NM、Pauls 模型；国内的有方正[50]、张培红[51]模型。总的来说，这些模型都是基于实际的观察数据，根据某一或者某些理论建模，最后得出相应的拟合公式。由于不同研究者在研究对象、研究方法、实验地点、分析和处理数据采用的方法、样本容量等方面的不同，他们研究的结果差异较大，不太适宜直接引用。对于构建元胞自动机模型来说，基于统计学的人群速度实测结果更为适宜。上海市在 2003 年对市民的步行速度进行实测[52]，结果如表 2-2 所示。生理因素的差异会较大程度影响主体在疏散过程中的表现，比较重要的生理因素有性别、年龄、有无残疾及残疾程度、身边带小孩与否。其中，男性主体在生理条件上一般优于女性主体。男性行进速度更快，力量更大，体力耐力更强。年龄方面，人的身体素质先随着年龄的增长而增长，在 20-30 岁之间达到巅峰，之后开始随年龄的增长而下降。本文中选取 22 岁作为转折点。残疾因素中，有残疾的人在疏散中相较正常人会更加困难，且困难程度随着残疾程度的增加而增加。本文中的残疾程度引用我国《劳动能力鉴定职工工伤与职业病致残等级》[53]规定分为十个等级。是否带小孩因素中，如果疏散者身边带着小孩，会增加其疏散的难度。..........第 3 章 疏散仿真模型的建立 ......213.1 模型基本参数的定义 ........ 213.2 模型运行规则及流程图 .... 243.3 算例分析 .... 263.4 基于 Matlab 验证模型有效性 ........... 293.4.1 疏散实验场景描述 ..... 293.4.2 理论模型的编程实现 ......... 303.4.3 模型仿真运行过程及结果 ......... 323.5 本章小结 .... 34第 4 章 公寓人群应急疏散模型仿真 ..........354.1 公寓环境设定 .... 354.2 行人数据收集及参数赋值 ........ 354.2.1 调查问卷收集居民数据 ..... 354.2.2 行人参数赋值 ..... 384.3 公寓应急疏散仿真模拟 .... 394.3.1 安全疏散最大人数研究 ..... 394.3.2 公寓应急疏散危险位置研究 ..... 404.4 本章小结 .... 45第4章 公寓人群应急疏散模型仿真本文选取深圳某社区公寓作为人群应急疏散研究案例的场景，通过对该公寓人群应急疏散的仿真研究，得出一些共性的规律，给当地相似场所的疏散管理工作提供参考资料和优化意见。4.1 公寓环境设定该公寓为 7 层矩形平面建筑物，一层平面如图 4-1 所示。该公寓平面尺寸长59.54m，宽 19.24m，层高 2.8m，耐火等级为二级。每层有 8 个房间，一条宽 2m的走廊，走廊中部有双跑楼梯连接上下层，楼梯单侧宽度为 1.5m，每梯段 18 级均分。公寓中部有一个出入口，宽度为 1.5m。仿真模型中行人主体各项参数赋值的准确性将直接影响仿真结果，获取的行人数据越真实准确，仿真模型运行的结果就越接近实际。因此本文主要采取发放调查问卷的方法收集该社区居民的一手资料，用于仿真模型中行人主体各项参数的赋值。统计结果显示，在接受调查的社区居民中，35 岁以下的群体占比最多为65.1%，其中 22-35 岁的青年占总人数的 42.7%；性别指标中，女性居民略多于男性居民；受教育程度中，高中及以下人群占大多数，比例为 74.2%；生活年限在4 年及以上占 67.3%，可见该社区中主要人群为青少年常住人口。家庭成员数 4-7人的占到八成多，家庭中有行动不便的占 7.6%，其中行动轻微不便者占 53.8%，这些信息体现出受调查的家庭典型特征为，人口众多而成员健康。

.........结 论本文针对公共场所应急疏散的相关问题，在文献研究和调查问卷结果分析的基础上，提取了对应急疏散结果有重要影响的因素，将其用数学公式规则化为模型参数，建立了 Agent+元胞自动机混合模型。结合 MATLAB 软件实现了理论模型程序化，运用模型对深圳某村镇社区七层公寓进行了案例研究，得出了相关结论和提议。本文主要工作及成果：（1）总结梳理了对应急疏散结果有重要影响的行人心理、行为、环境三方面的因素。并以元胞自动机模型为基本框架，通过数学公式将三方面的因素规则化，设定为模型参数，建立了 Agent+元胞自动机混合模型。基于 MATLAB 编程，实现了理论模型的程序化，并运用其进行了基于深圳某村镇社区一栋七层公寓应急疏散的案例研究。（2）在案例研究中，对当地社区居民进行了应急疏散方面的问卷调查。经统计分析调查问卷的结果后，依据问卷结果对模型中主体参数进行了赋值，使模型能够得出更真实的结果。（3）使用赋值后的模型对当地社区一栋七层公寓进行了仿真研究。结合公寓的建筑高度和防火等级，依据我国建筑安全防火规范中的相关规定确定了安全疏散时间为 6min，模型运行的结果表明 205 人是该公寓安全疏散的最大人数；依据美国道路通行能力手册中行进服务水平划分标准，确定了 1.33 人/㎡是危险位置划分的标准，模型运行的结果表明该公寓一楼楼梯口，一楼走廊中间，一楼楼梯口往走廊中段，二楼楼梯口，四楼楼梯口 5 个位置出现了平均持续 148s 的超标人群密度，这五个位置是行人疏散的危险位置。针对危险位置进行了对策研究，发现减少人数和增加逃生通道能有效减少总疏散时间和危险位置的个数，提升疏散效率和疏散的安全性。..........参考文献（略）