人员疏散多格子模型的理论与实验研究

摘要

在火灾等紧急情况下，安全疏散是保证生命安全的重要手段。如何有效预防和减少火灾造成的人员伤亡，尤其是防止群死群伤火灾事故的发生，已成为当前国内外公共安全工作的重中之重。研究人员疏散的典型特征和基本规律是防治火灾危害的重要手段，它可为建筑安全设计、应急疏散预案的制定提供科学的指导原则。 目前人员疏散的两类主要模型——社会力模型和元胞自动机模型都能模拟人员疏散过程中的一些典型现象，但都存在各自的缺点：社会力模型过于复杂、计算效率低，而元胞自动机模型在表现行人之间以及行人与建筑之间的相互作用方面不够好，其运算结果误差较大。针对这种情况，本文提出了一种新的元胞自动机模型——多格子模型(Multi—grid model)。它的主要特点在于：1)相对于传统的元胞自动机模型，多格子模型中的空间网格进一步细化，一个行人占据多个网格。当网格密度足够大的时候，模型可在行人运动速度、空间位置等方面实现近似连续变化，与社会力模型相似。2)多格子模型借鉴了社会力模型中受力的计算表达式，行人间的挤压变形在模型中用格子重叠来表示，通过重叠格子的位置和数量来量化行人所受的力的作用。3)由于空间网格的细化，多格子模型中的建筑边界条件得到更加精确的量化，行人与建筑之间的相互作用也得以充分体现。模拟结果表明，多格子模型较好地重现了疏散瓶颈处人群的拱形分布、拥塞、间歇性人流等一些典型的自组织现象，达到了与社会力模型同等的描述人员疏散行为的能力，同时，其计算效率与经典的元胞自动机模型相当，大大高于社会力模型。 为了认识网格尺寸对疏散行为的作用规律，本文研究了多格子模型的网格离散效应。网格细化引起的行人错位分布、运动速度的可变性以及出口与行人相互作用的增强对模型中的疏散行为有着重要的影响。网格细化使得行人在初始状态以及运动过程中呈现错位分布的特性，行人的错位分布加剧了行人间的相互排斥；网格细化使得在每个时间步内行人可以运动不同的格子数，从而实现了速度的可调性；网格细化使得出口得以精确的网格划分，在错位分布的作用下，形成了多格子模型中特有的行人出口独占效应，大大降低了出口的利用率。本文详细讨论了在固定行走速度和可变行走速度两种运动模式以及同步更新、顺序更新和乱序更新三种更新规则下网格离散化对疏散时间的影响。 针对楼梯间疏散行为的特殊性，在普通多格子模型的基础上，我们进一步提出了楼梯间人员疏散的多格子模型。模型中采用了长方形的行人尺寸设计，考虑了行人沿楼梯内侧行走的偏好、楼梯转弯处的转身行为等楼梯疏散中特有的行为特征。此外，模型还继承了多格子模型中行人速度可变，建筑尺寸精确量化的优势。模型的计算结果与疏散演习数据进行了对比，我们分析了各层楼梯的入口和出口流率、楼梯间的人数变化、各层人员疏散完毕的时间等，结果表明模型的模拟结果基本符合演习实验数据。 基于多格子模型，我们编写了MultiGo安全疏散分析软件，目前已获得国家软件著作权。该软件适用于分析评估大型复杂公共建筑，尤其是人员密集场所，在火灾等紧急环境下的人员安全疏散性能。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号表、图表目录

声明

第1章绪论

1.1疏散研究的意义

1.2人员疏散行为研究

1.3人员安全疏散准则

1.4人员运动时间经验公式

1.4.1 Togawa公式

1.4.2 Melinek和Booth公式

1.5人员疏散模型研究

1.5.1离散化模型

1.5.2连续性模型

第2章人员疏散的多格子模型

2.1引言

2.2多格子模型

2.2.1多格子模型的基本概念

2.2.2多格子模型的优势

2.2.3多格子模型的运行规则

2.3结果与分析

2.3.1疏散中的典型现象

2.3.2模型参数对疏散时间的影响

2.3.3重叠格子对疏散时间的影响

2.4与其他模型的比较分析

2.4.1与元胞自动机模型比较

2.4.2与社会力模型比较

2.5本章小结

第3章多格子模型的离散效应

3.1引言

3.2简化多格子模型

3.3结果与分析

3.3.1固定行走速度

3.3.2可变行走速度

3.3.3出口宽度对疏散时间的影响

3.4本章小结

第4章楼梯间人员疏散

4.1引言

4.2疏散演习概况

4.3楼梯间人员疏散多格子模型

4.3.1人员长方形尺寸

4.3.2行人运动规则

4.3.3行走速度

4.3.4转身行为

4.3.5更新规则

4.4模拟结果与演习实验数据比较分析

4.4.1累计疏散人数

4.4.2楼梯入口和出口流率

4.4.3楼梯间的人数

4.4.4各层疏散完毕时间

4.5误差分析

4.6本章小结

第5章MultiGo安全疏散分析软件

5.1 MultiGo软件简介

5.2 MultiGo操作流程

5.2.1建筑结构设置

5.2.2人员参数设置

5.2.3人员疏散的动态模拟及结果

5.3 MultiGo与Building EXODUS软件对比研究

5.3.1某超市的概况

5.3.2人员疏散模拟计算

5.3.3结果对比

5.4本章小结

第6章结论与展望

6.1主要结论

6.2论文创新点

6.3工作展望

参考文献

附录

致 谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果