基于多因素出口選擇的建筑疏散指示優(yōu)化設計
陳海濤，賈南，劉占，楊光，張立紅
（1．中國人民武裝警察部隊學院，河北廊坊065000；
2．滅火救援技術公安部重點實驗室，河北廊坊065000）
摘要：建筑疏散指示標志關系到人們的生命安全，為了尋找一種更為有效的引導疏散的思路，實現(xiàn)緊急疏散時合理、有效地引導人員逃生，提出了以疏散人員到出口的距離、出口寬度和出口區(qū)域人員密度三個因素為基礎的出口選擇模式作為建筑疏散指示標志的設計規(guī)則；研究了僅考慮距離因素選擇出口時疏散人員分配失衡的現(xiàn)象，展示了以人員到出口的距離、出口寬度、出口區(qū)域人員密度三個因素為基礎的出口選擇引導模式對建筑疏散的優(yōu)化效果。研究結果表明：根據(jù)距離、出口寬度和出口區(qū)域人員密度三個因素來確定疏散指示標志設計的規(guī)則，避免了人員密集建筑場所“就近出口”帶來的不利因素，實現(xiàn)了疏散資源的高效利用。
關鍵詞：公共安全；疏散；出口選擇；疏散指示標志；優(yōu)化設計
0 引言
元胞自動機的理論和方法已經(jīng)在交通流和行人流的研究中成功模擬出自組織現(xiàn)象，同時也被廣泛應用到物理學、生命科學、經(jīng)濟學等領域研究中，而且對于建筑疏散和建筑性能化設計的研究均具有重要的意義。建筑內(nèi)部的人員疏散具有向安全出口聚集、并通過競爭安全出口離開疏散空間的特征；如何實現(xiàn)快速有效的逃生已成為建筑疏散的一個研究熱點。本文將通過元胞自動機程序模擬，實現(xiàn)考慮多因素的出口選擇，并在此基礎上對建筑疏散進行分析研究。
目前《建筑設計防火規(guī)范》中對于疏散指示標志的規(guī)定還是處于定性的描述狀態(tài)�！督ㄖO計防火規(guī)范》第11.3.4條：公共建筑、高層廠房（倉庫）及甲、乙、丙類廠房應沿疏散走道和安全出口、人員密集場所的疏散門的正上方設置燈光疏散指示標志，并應符合下列規(guī)定：①安全出口和疏散門的正上方應采用“安全出口”作為指示標志；②沿疏散走道設置的燈光疏散指示標志，應設置在疏散走道及其轉角處距地面高度1.0 m以下的墻面上，且燈光疏散指示標志間距不應大于20 m；對于袋形走道，不應大于10 m；在走道轉角區(qū)，不應大于1.0m，其指示標志應符合現(xiàn)行國家標準《消防安全標志》GB13495的有關規(guī)定。進一步調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)目前建筑指示標志的設計大多采用“就近出口”的原則，這種設計原則對于低密度人員情況是合適的，但對于高密度非單一出口的情況卻存在著很大的局限性。由此可見，建筑疏散指示標志的設計規(guī)范有待進一步完善，完全考慮“就近出口”的原則進行疏散設計難以滿足人員密集建筑場所快速高效疏散的需求。為了提高建筑指示標志的設計水平需要通過進一步研究提供一套更為準確、合理的設計規(guī)則。為此，本文提出了利用提出的考慮疏散人員到出口的距離、出口寬度和出口區(qū)域人員密度三個因素的出口選擇模式作為建立人員密集建筑場所疏散指示標志設計的基本依據(jù)，并以雙出口、多房間為例進行疏散仿真分析，探討提高建筑疏散效率的疏散指示標志設計思路。
1 疏散模型分析
1.1 疏散模型的建立
目前，對于建筑疏散的研究大多采用軟件模擬仿真的方式實現(xiàn)，在眾多的實現(xiàn)方法中元胞自動機的方法是被廣泛使用的一種有效的方法，關于元胞自動機疏散模型基本規(guī)則已經(jīng)在諸多國內(nèi)外研究文獻中得到了闡述，本文不做詳細介紹。多房間人員疏散與單房間人員疏散原理基本一致，其基本的思想是從危險的區(qū)域逐步移動到出口外的安全區(qū)域（如圖1所示）。建筑危險度的表示分為兩個步驟計算：一是走廊區(qū)域相對于走廊出口的危險度，二是各個房間相對于房間出口的危險度。具體的危險度包括由距離出口遠近而引入的危險度和動態(tài)因素（人員分布、障礙物等）造成的危險度。
圖1中顯示建筑共包括10個房間（可以拓展到任意數(shù)量的房間和結構），一個中央走廊，每個房間設有一個出口，走廊左右兩側均設有出口，左側出口寬度大于右側出口寬度。此時房間內(nèi)的人員緊急疏散時可以分為兩個過程，首先以房間出口為第一運動目標，按照疏散理論和動力學特征來描述；進入走廊的人會根據(jù)出口選擇模型和行人運行規(guī)則處理，合理地選擇安全出口進行逃生，從而實現(xiàn)成功的疏散。
目前，建筑的疏散指示標志設計通常僅考慮距離出口遠近因素，這樣的設計對于疏散人員較少時是合理的，因為出口不會造成擁堵；但是對于人員密集場所卻不能滿足緊急疏散的要求，行人對出口的選擇應該由單純的考慮距離出口遠近的因素，過渡到綜合考慮出口距離、出口寬度和即時的出口區(qū)域人員密度等因素。下面對疏散人員的出口選擇進行分析。
1.2 出口選擇因素分析
經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，出口選擇由房間內(nèi)行人的狀態(tài)和房間自身的屬性兩個方面的因素確定。房間內(nèi)行人的狀態(tài)有兩個：一是疏散人員到出口的距離，通常距離越近，出口被選擇可能性越大；二是疏散過程中出口的即時人員密度，出口人員密度越大、越擁擠，選擇這個出口的可能性越小。房間屬性主要是指出口寬度，出口越寬疏散能力越強，行人選擇的可能性越大。下面便給出到出口的距離、出口人員密度和出口寬度三個因素對應的行人出口選擇的公式。
設到出口的距離用r表示，r。為行人到第n個出口的距離。由于行人選擇第n個出口的可能性隨行人到出口的距離的增加而減小，將距離因素對出口選擇的可能性表示如下：
式中：p -為距離因素對應的第n個出口被選擇的可能性；N。為出口數(shù)目；k，為距離指數(shù)，其作用是調(diào)節(jié)距離因素對出口選擇影響強弱，取大于等于零的數(shù)值。
由于出口區(qū)域行人密度越大行人成功疏散的可能性越小，而后面行人則會盡力避開密度大的出口，所以出口密度越大行人選擇的可能性越��；基于此，出口密度因素產(chǎn)生的選擇可能性可表示為如下公式：
式中：p。-。為出口密度因素產(chǎn)生的第n個出口被選擇的可能性；k。為密度指數(shù)，是一個調(diào)節(jié)出口密度因素對出口選擇的強弱的參量，取大于等于零的數(shù)值。
假設出口寬度用w表示，由于出口被行人選擇的可能性隨出口寬度的增加而增大，可以將出口寬度的選擇的可能性表示為如下公式：
式中：Pn-w為第n個出口被選擇的可能性；w。為第n個出口的寬度；k。為寬度指數(shù)，作用是調(diào)節(jié)出口寬度作用的強弱。
綜合以上分析結果，可以得到考慮三種因素后的出口選擇可能性的量化表示公式：
式中：p。為出口模型決定的行人選擇第n出口的可能性，a、B、y分別為行人到出口距離、出口人員密度和出口寬度的權重系數(shù)。如果利用出口選擇模型得到了行人在某一時間步選擇兩出口的可能性大小，計算數(shù)值大的出口成為選擇目標，然后利用人員疏散演化規(guī)則進行疏散。
由于計算機仿真在疏散研究中具有經(jīng)濟成本低、便捷、可重復性強等優(yōu)勢，被廣泛地應用于建筑性能化設計和疏散性能評估中。本部分提出的疏散模型將在下一步的疏散仿真研究中使用。
2 疏散研究仿真與結果分析
通過編制程序語言實現(xiàn)對人員疏散的仿真，并利用仿真結果發(fā)現(xiàn)不同出口選擇策略下疏散效果的異同。具體研究內(nèi)容是：通過僅考慮距離因素和考慮多種因素兩種選擇出口方式對比分析疏散情況，分析得出考慮多因素出口選擇對優(yōu)化疏散效果。目的是通過研究尋找最佳的疏散效果，并以此確定合理的疏散指示標志設計規(guī)則。
2.1 僅考慮距離因素出口選擇的疏散效果分析
本部分討論僅考慮距離因素選擇出口的疏散情況，觀察此時兩個出口的利用效率和人員分配情況，并分析疏散過程中人員之間摩擦、競爭等作用力對疏散的具體影響。
首先分析不考慮作用力的情況下人員疏散情況。圖2給出了不考慮疏散過程中的作用力時兩個出口的疏散時間隨房間人員數(shù)量之間的關系圖，定義左側走廊出口為出口1，右側走廊出口為出口2。從圖中可發(fā)現(xiàn)兩個出口的疏散時間隨著房間人數(shù)的變化可分為兩個階段，第一階段，房間人數(shù)相對較少，此時兩出口疏散時間基本相等，且隨房間人數(shù)的改變疏散時間變化微弱；第二個階段，兩個出口的疏散時間隨房間人數(shù)逐漸增加，且基本呈線性關系，左側較寬的出口明顯比右側較窄的出口疏散時間短。具體原因分析如下：單個房間人數(shù)小于20時，由于建筑內(nèi)部人員數(shù)量相對較少，行人疏散過程中和出口處均未出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象，此時出口的疏散時間與疏散人員數(shù)量和出口寬度無關，僅取決于最遠處疏散人員的距離。因此，兩個走廊出口各自疏散時間均不隨時間變化，而且相互之間基本相等。單個房間人數(shù)大于25時，在每個房間出口和走廊出口會出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象，此時出口寬度對疏散有明顯的阻礙作用，因此會大大延緩疏散進程；同時由于走廊出口的寬度差異人員數(shù)量越多則在較窄的右側出口的剩余人員數(shù)量就越多，造成兩個出口越來越大的疏散時間差。從疏散結果發(fā)現(xiàn)：人員數(shù)量較多時（單個房間人數(shù)等于或多于25人），疏散人員在兩個出口的配置嚴重失衡、極不合理；這是由于疏散僅考慮距離出口的遠近問題兩個出口疏散的人員數(shù)量基本一致，而兩個出口的寬度不等，必然會造成疏散時間的差異和疏散人員配置的不合理不均衡。根據(jù)房間人數(shù)和對應的時疏散時間差發(fā)現(xiàn)，人員數(shù)量較少時疏散時間差接近為零，當每個房間人數(shù)大于25時逐漸增加（圖3所示），而且顯示出線性增加的趨勢。利用計算數(shù)據(jù)進行曲線擬合可以得到如下擬合函數(shù)：
式中：x為房間人數(shù)，y為疏散時間差；利用擬合函數(shù)作相應的數(shù)據(jù)曲線發(fā)現(xiàn)，此擬合函數(shù)能夠很好的符合模擬計算數(shù)據(jù)。由此可以預測更多的疏散人數(shù)時疏散時間差。
以上為不考慮疏散過程中的作用力時疏散模擬結果，下面分析考慮作用力的疏散情況，研究作用力對疏散的影響，并從疏散動力學規(guī)律來揭示其內(nèi)在的聯(lián)系。圖4給出了考慮疏散人員之間相互作用力后走廊兩個出口的疏散時間圖。比較發(fā)現(xiàn)兩個走廊出口的疏散時間的走勢與圖2情況具有一定的相似之處，單個房間人數(shù)小于等于15人，兩走廊出口疏散時間基本保持不變，且兩者基本相等；隨后疏散時間均隨著房間人數(shù)的增多而逐漸增加，增加趨勢呈現(xiàn)線性關系。進一步對比分析圖2和圖4發(fā)現(xiàn)人員較多時，考慮作用力后延緩了疏散過程，且隨著總人數(shù)增加，延緩效應就越明顯，這是因為人員較少時行人疏散過程中人的作用力基本消失，人員較多時作用力效果明顯，人員間的競爭和摩擦等對疏散有延緩作用。
同樣對圖4的數(shù)據(jù)進行處理可以得到圖5所示的疏散時間差隨房間人數(shù)的變化情況。可以發(fā)現(xiàn)，單個房間少于15人時，疏散時間差接近于零，這是由于人員較少時疏散過程中沒有擁堵和其它作用，行人疏散過程順暢，因此兩個出口疏散時間相當；此時利用僅考慮距離因素的疏散指示標志的設計方式仍能夠很好的實現(xiàn)合理高效的疏散。單個房間多于20人時，疏散時間逐漸增大，對比圖5和圖3發(fā)現(xiàn)，相同房間人數(shù)的條件下考慮作用力后的疏散時間差會明顯增加，疏散不同出口的失衡現(xiàn)象更加明顯。同樣利用曲線擬合得到人員數(shù)量較多時疏散時間差基本滿足線性關系，得到的擬合函數(shù)為：
利用擬合曲線可得圖5實線曲線，曲線能夠很好的符合已經(jīng)計算的數(shù)據(jù)。同時與式(5)對比可知式(6)的斜率偏大，這是由疏散過程中的相互作用力造成的。同時，分析發(fā)現(xiàn)，不考慮作用力時單個房間人員數(shù)量達到25人時疏散時間出現(xiàn)差異；而考慮作用力后單個房間人員數(shù)量達到20人時就開始出現(xiàn)疏散時間的差異，這一現(xiàn)象充分說明了在向出口運動的過程中和出口附近人員之間的作用力對疏散造成的影響是明顯的。同時研究中疏散人員取值是以5為最小單位的離散值，結論具有定性分析的局限。
由上面的討論可知，不論是否考慮行人疏散過程中的作用力，出口寬度不同的兩個走廊出口在人員數(shù)量較多時都會出現(xiàn)明顯的疏散時間差，只有當行人數(shù)量較少時疏散路徑和出口都不會發(fā)生擁堵現(xiàn)象，此時兩個出口才能夠基本達到同時疏散的目的。由此可見，僅考慮距離因素的疏散指示設計規(guī)則不能夠很好的解決出口寬度不等時的建筑疏散優(yōu)化引導問題。為此，應進一步考慮多因素的出口選擇模式，期望獲得合理的疏散引導和人員配置模型。
2.2 考慮多因素出口選擇的疏散效果分析
本部分重點討論考慮多因素出口選擇的疏散在優(yōu)化疏散方面的合理性，解決僅考慮距離因素的疏散引導所導致出現(xiàn)的人員失衡現(xiàn)象。為了更好的說明此時的疏散演化過程，圖6給出了僅考慮距離因素時疏散演化圖，每個房間初始人員為30人，共300人。從第10、30、40疏散時間步的圖形中可以看出房間人員進入走廊后按照距離出口的遠近選擇出口，而沒有考慮其他任何因素；因此，左右兩側的人員數(shù)量相當。由于左右兩側出口的寬度不同導致疏散能力的差異，所以左側出口疏散較快，導致出現(xiàn)了左側疏散結束右側仍有人員等待疏散時的現(xiàn)象，圖中第80時間步所示。
圖6所示的演化圖充分證明了人員數(shù)量較多時僅考慮距離因素確定出口選擇會造成疏散人員分布的失衡現(xiàn)象，嚴重干擾正常的疏散進程。下面仿真考慮多因素的出口選擇模型進行疏散對人員快速逃離所起到的積極作用。
圖7給出了考慮多因素出口選擇的疏散演化圖。對比圖6可以發(fā)現(xiàn)在進入走廊的人員當中有更多的人選擇較寬的左出口，圖中第30、40時間步所示。圖中第40時間步所示，走廊中間區(qū)域人員根據(jù)當時實際情況對出口選擇作了重新調(diào)整，改變了原來的出口選擇目標。
綜上所述，通過對比發(fā)現(xiàn)僅考慮距離因素的出口選擇不能夠有效地配置和引導疏散人流，會造成疏散時間的延長；而利用考慮距離、出口寬度、出口區(qū)域人員密度三個因素來確定出口選擇，可以更為合理的引導人員疏散，合理分配疏散人員配置，非常明顯地提高了疏散效率。因此，基于考慮多因素的出口選擇來進行疏散指示設計更為實際、可取。
2.3 建筑疏散引導規(guī)則優(yōu)化設計思考
建筑疏散的計算機仿真具有評估建筑設計優(yōu)化疏散性能的作用。通過利用疏散模擬仿真可有效地實現(xiàn)建筑疏散性能的評估，并根據(jù)疏散情況分析疏散的優(yōu)化策略設計。本文在2.1部分中針對疏散指示標志“就近出口”的原則模擬了多出口、多房間建筑的疏散情況，發(fā)現(xiàn)了人員密度達到一定值后“就近出口”的原則會導致出現(xiàn)疏散失衡的現(xiàn)象，這大大降低了建筑出口的疏散效率，浪費了疏散資源。
為解決“就近出口”帶來的問題，在2.2部分充分考慮了影響出口選擇的各種因素，指出了人員密集時疏散人員選擇出口目標應充分考慮人員到出口的距離、出口寬度和出口區(qū)域人員密度三個因素，并且研究發(fā)現(xiàn)考慮以上三個因素來確定疏散指示標志會平衡各出口的疏散，最大限度地發(fā)揮現(xiàn)有疏散資源的潛能，提高疏散效率。
以上研究結果顯示疏散指示標志設計僅考慮距離屬性的“就近出口”的原則有很大的局限性，難以滿足動態(tài)、即時變化的疏散要求。特別是對于復雜的城市建筑綜合體更應該開發(fā)一種適應疏散具體情況的疏散指示系統(tǒng)。同時研究發(fā)現(xiàn)，疏散指示標志設計如果充分考慮疏散人員選擇逃生出口的三個影響因素，建筑疏散將會更為合理有效、并極大地提高現(xiàn)有建筑的疏散效率和水平。
3結論
研究分析了僅考慮距離因素進行出口選擇和疏散引導存在的問題，建議使用考慮距離、出口寬度、出口區(qū)域人員密度三個因素的出口選擇模型來確定疏散指示標志設計的思路。利用疏散模型和出口選擇模型對比分析了雙出口、多房間行人疏散情況，得到了如下結論。
1)對于僅考慮距離因素的出口選擇，計算發(fā)現(xiàn)人數(shù)較少時兩出口的疏散時間基本一致，而隨著人員數(shù)量的增多兩個出口的疏散時間差距越來越大，而且考慮疏散人員間作用力后的疏散時間更長，兩出口的疏散時間差更大；人員密度較大時，考慮作用力前后的疏散時間差均隨房間人數(shù)呈線性增長的趨勢，并擬合得到了相應的函數(shù)。
2)利用考慮多因素的出口選擇模型研究發(fā)現(xiàn)，充分考慮人員到出口的距離、出口寬度、出口區(qū)域人員密度三個因素進行出口選擇能夠有效平衡不同出口之間的疏散人員，最大限度的提高疏散效率。
3)提出了摒棄“就近出口”的原則，建議在人員密度較高的建筑場所充分考慮距離、出口寬度和出口區(qū)域人員密度三個因素進行疏散優(yōu)化，以及改進疏散指示標志設計的思路。
本研究為實現(xiàn)更加高效的建筑疏散指示引導和建筑性能化設計提供了必要的理論依據(jù)。
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