城市地下建筑火灾智能疏散模型与仿真研究

摘要

随着我国经济建设和城市化的快速发展，经济发达地区即将进入大规模开发和利用城市地下空间资源的时期。地下建筑结构具有其特殊性，该类建筑通常封闭性强，通风和换热主要依靠通风系统，而且人员的逃生出口正是烟气蔓延出口，一旦发生火灾，往往会造成大量的人员伤亡。因此，分析地下建筑火灾中人员疏散状况，探讨影响人员疏散的主要因素和约束逃生的瓶颈位置，提高人员安全疏散速度，以期在火灾发展到失控和威胁乘客生命前，将全部人员疏散到安全地点，成为地下建筑火灾研究中一个重要内容。
　　 为了保证人员的安全疏散，就必须使所有人员在火灾发展到威胁人员安全前顺利疏散到安全地点，即要求人员安全疏散所需时间(TRSET)小于人员安全疏散可用时间(TASET)，本文针对地下建筑结构特点，开发了一种扩展元胞自动机模型，并对火灾发生时人员的逃生过程进行了计算机仿真，同时提供一种地下空间火灾智能逃生指示装置。
　　 对火灾达到危险状态时间的判定条件进行了分析，重点分析了人员运动时间，研究了人员安全疏散过程的主要影响因素以及人员安全疏散时间计算应注意的事项。
　　 在元胞自动机基本模型基础上引入了社会力模型的思想，结合地下建筑内人员疏散实际情况，在MATLAB环境下开发了一种扩展元胞自动机模型。模型采用危险度的概念来反映人员对地理位置的认识，以及火情对主观选择的影响作用，并引入附加危险度来实现人与人，人与障碍物之间的摩擦和排斥效应。根据人行特征，采用“八方向”运动规则，结合人员密度确定乘客疏散速度，体现快即是慢的疏散规律。通过实际调研，获得地下建筑中人行特征、人员运动规律以及通风排烟情况来制定规则，并在门和楼梯等关键区域设置变速疏散算法，来模拟人与人、人与环境(墙或障碍物)之间的非线性相互作用，以及高人员密度疏散特性。在单房间逃生场景下，分别对基本模型与扩展模型、无区别人群与实际人群、作用力影响、火源影响、烟气影响、障碍物位置影响等不同情况进行了模拟仿真。
　　 采用调研和模拟仿真相结合的方法，利用整体模型和扩展模型对广州市某大型地下商业街进行了火灾时人员紧急疏散的计算机仿真，模拟了人员整个疏散过程，不同人数的逃生时间，以及分析了影响逃生的主要瓶颈位置，并提出了相应的改进措施。同时，以广州地铁二号线某中间站为例，分析了乘客高峰期和非乘客高峰期，以及地铁环境正常运行状态和火灾紧急运行状态下的疏散动态特征，找出了疏散过程的瓶颈和阻塞原因，并提出了相应的改进措施。结果表明，新模型可很好的模拟出入员在火灾中逃生的真实性和智能性，计算得到的人员疏散时间也比同类软件更加保守，分析结果具有更高的可靠性。
　　 传统的逃生指示装置功能单一，为了克服现有逃生指示装置存在的缺陷与不足，应用元胞自动机程序开发了一种集报警、语音、指示、定位等多种功能于一体的地下空间火灾智能逃生指示装置。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 研究的背景与意义

1.1.1 国内外地下建筑的火灾情况

1.1.2 地下建筑火灾特点

1.2 国内外人员疏散模型的研究现状

1.2.1 国外人员疏散模型的研究现状

1.2.2 国内人员疏散模型的研究现状

1.2.3 国内外人员疏散模型研究的发展趋势

1.3 课题来源与本文的主要工作

1.3.1 课题来源

1.3.2 本文的主要工作及研究内容

第二章 地下建筑人员安全疏散时间的确定

2.1 地下建筑内人员疏散时间

2.1.1 人员安全疏散可用时间TASET

2.1.2 人员安全疏散所需时间TRSET

2.2 人员安全疏散过程的主要影响因素

2.2.1 火灾探测系统的探测时间的影响因素

2.2.2 确认、反应时间的影响因素

2.2.3 影响人员疏散行动时间的主要因素

2.3 人员安全疏散时间计算应注意的事项

2.3.1 疏散原则

2.3.2 有效疏散宽度

2.3.3 紧急疏散过程中人员不确定性因素

2.4 本章小结

第三章 智能疏散元胞自动机模型的研究

3.1 元胞自动机模型介绍

3.2 同步更新规则

3.3 模型假设

3.4 模型的建立

3.4.1 扩展元胞自动机建模思路

3.4.2 网格划分

3.4.3 危险度的确定

3.4.4 人员疏散速度

3.4.5 作用力的影响

3.4.6 人员行走算法

3.4.7 模型运行流程图

3.5 仿真结果与分析

3.5.1 基本模型与扩展模型比较

3.5.2 无区别人群与实际人群

3.5.3 作用力的影响

3.5.4 火源的影响

3.5.5 烟气的影响

3.5.6 障碍物位置的影响

3.6 本章小结

第四章 城市地下建筑智能疏散模型应用实例分析

4.1 广州某大型地下商业街

4.1.1 工程概况

4.1.2 整体模型

4.1.3 扩展模型

4.2 广州某地铁车站

4.2.1 广州地铁建筑结构调研

4.2.2 国内外地铁设计标准中的有关规定

4.2.3 模型假设

4.2.4 特定地点的速度影响

4.2.5 人员疏散规则

4.2.6 仿真结果与分析

4.2.7 建议与改进措施

4.3 本章小结

第五章 一种地下空间火灾智能逃生指示装置

5.1 技术背景

5.2 技术方案

5.3 工作过程

5.4 具体实施方式

5.5 优点与效果

5.6 本章小结

全文总结与展望

全文总结

本文的主要创新点

下一步研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致 谢