高校教学楼安全疏散的计算机模拟.docx
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高校教学楼安全疏散的计算机模拟
四川理工学院毕业设计（论文）
高校教学楼安全疏散的计算机模拟
学生：
蒙亮
学号：
12031042345
专业：
安全工程
班级：
2012级1班
指导老师：
罗智文
四川理工学院化学与环境工程学院
二O一六年六月
高校教学楼安全疏散的计算机模拟
摘要
随着科学与经济的发展，时常发生各种人为的，自然的灾害，人们对人员在建筑物中的安全疏散也越来越关注,而学校教学楼作为一个人员密集的场所,教室具有桌椅分布密集、走廊通道较窄等特点,当紧急情况发生时,人们更为关心怎样有效地引导教室内人员从障碍物间疏散,如何充分利用各个安全通道进行逃生。
因此对教学楼人员安全疏散的研究已经成为人们关注的焦点。
计算机疏散模拟能经济可行的模拟人员疏散情况。
本文采用EVACNET4作为计算机模拟的基础，通过对教学楼内部结构的模型建立，研究分析在教学楼进行疏散时的情况和问题。
关键词：
疏散；计算机模拟；计算机软件
ComputerSimulationofSafeEvacuationinUniversityAcademicBuilding
Abstract
Withthedevelopmentofscienceandeconomy,manykindsofman-madeandnaturaldisastersfrequentlyoccur,peoplepaymoreattentiononpeople’ssafeevacuationinthebuilding,theacademicbuildingisacrowdedplace,andtheclassroominacademicbuildinghavecharacteristicsofdenselydistributeddesksandchairsnarrowcorridorsetc.whenanemergencyoccurs,peoplearemoreconcernedabouthowtoeffectivelyguidetheclassroompersonnelevacuationfromobstructions,andhowtomakefulluseofeachsecurechanneltoescape.Therefore,theresearchonsafeevacuationinacademicbuildinghasbecomethefocusofpeople’sattention.Computersimulationsofsafeevacuationcaneconomicalandfeasiblesimulatethesituationofpeopleevacuationfrombuildings.InthispapercomputersimulationisbasedonEVACNET4.Researchandanalysisthetimeofsituationsandproblemsintheschoolbuildingevacuation.Throughmodelofteachingbuildingtheinternalstructureoftheestablishment.
Keywords:
evacuation,computersimulation,software
中文摘要…………………………...………………………………...……………………….....I
英文摘要………………………………………………………………………………………..II
1绪论
1.1引言
高校是安全重点单位,一旦发生突发事件,极易造成人员伤亡和重大经济损失，尤其是人员相对集中的教学楼、学生宿舍楼、实验楼等。
教学楼是高校进行教育活动的主要场所，具有人员密集、单位面积大等特点，一旦发生紧急情况，易产生踩踏，跌撞，坠落，挤压等危险，会对人员安全及公共财产造成惨重损失。
因此，对教学楼的疏散研究是非常有必要的。
对于教学楼的应急疏散，采取的措施主要有：
对人员的安全教育，安全通道安全门的管理制度，制定应急疏散方案，定期进行应急疏散演练，建筑疏散安全性设计等。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
随着计算机科学的进步，80年代开始借助计算机模拟技术来对紧急情况下的人员疏散行为进行模拟和预测。
计算机模拟主要构思是：
通过软件模拟出建筑中人员的运动过程，并记录下人员在疏散过程中的位置情况，根据这些数据计算人员的疏散时间，根据时间情况，模拟出人员的疏散过程。
截止目前，国外学者已研发出30多种疏散模型及相关的计算机软件[1]。
如由Alvord开发的疏散与救援模型、由Stahl开发的火灾行为模型BFIRES-II、由美国Francis开发的计算最小理论疏散时间的疏散模型EVACNET+[2-4]，还有TAKAHASHI'SMODELVEGASEVACNET（Kisko,1985）、SENTROPYMODEL、EGRESS、E-SCAPE、EXITT、pathfinder、MAGNETMODEL、PAXPORTSIMULEX、BGRAF、CRISPDONEGAN,WAYOUT（Firecalc,1993）,EVACSIM（Drager etal,1992）,EXIT8（Fahy,1993）等网络模型及EXODUS、ASER（Volker Schneider）、AEA EGRESS、SGEM等可以模拟楼房内每一人员的移动，并提供虚拟显示的模型[5],[6]。
2003年8月20-22日，在英国格林威治大学举行第二届国际步行和疏散动力学大会（InternationalConferenceonPedestrianandEvacuationDynamics），有来自英国、德国、美国、意大利、澳大利亚、日本、韩国、奥地利、荷兰、西班牙、加拿大、瑞典、瑞士、俄罗斯等国家的代表参加,大会共宣读34篇论文,主要涉及三大主题:
步行动力学及其应用、舰船疏散模型及其应用、建筑疏散模型及其应用[7]。
1999年G’wynneS.对22个疏散模型进行了分析对比[8]，2003年EricaD.Kuligowski将对比分析范围扩大到28个[9]。
有些已经发展成具有经济价值的软件（如爱丁堡大学的SIMULEX和格林威治大学的BuildingEXODUS），有些是大型国际咨询机构自己开发的只供自己使用的成型软件（如美国RJA公司的Pathfinder和英国AAE公司的EGRESS）[10]。
目前从事人员疏散计算机模拟研究的机构主要分布在德国、英国、日本、美国、瑞典、挪威、澳大利亚、加拿大等地[11]。
1.2.2国内研究现状
由于多方面因素的限制,我国在人员疏散计算机模拟技术方面的研究起步于上世纪90年代中期。
东北大学从1995年左右开始人员疏散群体行为规律的模拟研究，已经发表了一系列文章[12-14]。
中国建筑科学研究院建筑防火研究所在1998年左右开发了一个地下商场人员疏散模型,该模型属于粗网格群体描述的最优化模型[15],[16]。
公安部天津消防所在2000年左右同样开发了一个地下商场人员疏散模型，也属于粗网格群体描述的最优化模型[17]。
香港城市大学与武汉大学合作,在2000年左右开发了一个基于个体描述和局部细网格的过程模拟模型-SGEM。
中国科技大学火灾科学国家重点实验室在2000年左右,也建立了一个基于个体描述和格子气自动机的细网格的模拟模型，目前该模型仍在不断完善[18]。
在2002年左右该实验室建立了另外一个基于元胞自动机的细网格模型[19]。
其他一些研究机构如西南交通大学和北方交通大学也在进行相关方面的研究[20-22]。
北京市劳动保护学研究所从2002年下半年开始，结合所承担的科研项目，对应用人员疏散计算机模拟技术定量评价人员密集的城市典型公共场所的方法进行应用研究，已经将该技术用于北京王府井步行街、春节庙会、地铁车站和大型场馆及大型活动的人流组织和疏散安全分析[23]。
在纯粹工程应用方面，公安部天津消防所、中国建筑科学研究院建筑防火研究所、中国科技大学火灾科学国家重点实验室等单位已经将该技术引用到现代复杂建筑的性能化消防设计[24]。
同济大学的徐磊青对在复杂空间中非常态下人群的行为和认知进行了系列的研究[25]。
清华大学的张辉运用人员模拟疏散计算的结果验证建筑设施和设备的有效性，唐方勤、任爱珠运用GIS技术模拟了火灾场景下的人员疏散过程[26]。
魏文君等对服装类商业综合体建筑的火灾荷载及营业期间人流量进行了调查分析，并对该类建筑火灾条件下的人员安全疏散进行了研究[27]。
西安建筑科技大学张树平从建筑中人的行为反应的角度对建筑防火疏散问题进行了研究[28]。
哈尔滨工业大学的邹志翀对大型公共建筑的火灾时环境和逃生路线进行了数学建模分析，用以逃生时即时策略的优化。
中国科学技术大学的汪金辉、陆守香尝试量化火灾疏散过程中的不确定因素，以寻求更直接、有效和精确的防火方法；杨立中致力于国家自然科学基金项目“火灾烟气对人员疏散的危害性研究”，优化了基本疏散模型[29]。
1.3本文研究目的及内容
1.3.1研究目的
通过人员疏散的计算机模拟，能够收集到大量实验数据，帮助研究人员发现其中的规律，结合国内大型建筑的特点及人员运动特点，建立和完善符合国内实际情况的疏散模型，从而方便对建筑人员疏散安全方面的评估，间接的避免了紧急状况下由于疏散过程中发生的事故而造成人员伤亡，财产损失。
而计算机模拟不需要投入太多的人力财力即可进行，因此，对人员安全疏散计算机模拟的研究具有特别重要的经济效益和社会效益。
1.3.2研究内容
对人员疏散的研究主要包括两个方面：
一是对疏散时间的研究，二是对疏散行为的研究。
通过对研究对象的节点划分，设计出符合疏散基本原则的路径，根据路径建立疏散模型，在EVACNET4软件的帮助下，完成疏散模拟，并从模拟结果中获取疏散时间，路径状态，节点状态，瓶颈状态，模型疏散能力等等相关数据，以便进行对模拟过程的分析以及评价。
2教学楼及软件介绍
2.1EVACNET4简介
本文采用EVACNET4作为此次模拟的计算机软件，EVACNET4是1984年由弗罗里达大学的FrancisandKisko开发的，该软件将疏散对象分成网络式的单元，对象中人员在各个单元中移动，直到所有人员移动到规定的目标地点为止。
作为整个疏散模拟的关键，建立疏散对象的网络模型相当重要，模型的建立需要如实地反映出研究对象的内部结构。
在进行疏散模拟之前需要对疏散对象进行网络描述，即通过节点与弧的相互连接确定疏散路径，节点代表疏散对象的组成部分，例如：
教室，办公室，楼梯，大厅等节点，初始条件的内容是每个节点人员情况。
弧则代表连接各节点的通道。
EVACNET4所能得到的结果：
1、疏散对象内所有人员疏散完毕所用时间；2、各个节点内人员疏散完毕所用时间；3、各个楼层内人员疏散完毕所用时间；4、疏散过程中各节点的状态；5、人员在各个疏散出口的密集程度。
EVACNET4所提出的假设：
将人员的疏散作为一个整体运动处理，而没有考虑人员的个体特性，并对人员疏散过程作了以下假设：
1、疏散过程中，疏散人员保持清醒，整个疏散过程井然有序，不会出现骚乱或人员逆向移动。
2、疏散人员具有相同的身体特性，并且能保证到达事先确定的安全地点。
一般不考虑特殊人员的疏散。
3、疏散过程中，人员移动速度一致，并且移动速度不变，疏散人员从所有可用出口进行疏散。
4、在疏散过程中，人流量与疏散路径的宽度成正比，即从某一出口疏散的人数按其宽度占其总宽度的一定比例。
基于以上四个假设可以看出该疏散过程是一种理想状态，与实际情况相比还是有区别的。
因此在采用该模型进行疏散模拟的计算时，需要考虑一个安全系数，实际疏散时间为模拟时间乘以安全系数。
此外，EVACNET4还设计几乎任何可以想象的疏散网络模型，包括：
写字楼，体育场馆，高层建筑，礼堂，宾馆，饭店和学校，地下结构，或者是整个模拟对象的一部分。
疏散的原因可以是可想象的任何原因。
目的是为了让用户使用更为方便。
图2.1EVACNET4主界面
表2.1EVACNET4主界面一览表
代码
对应操作
READ
读取文件
EN
输入节点定义
EA
输入弧的定义
LN
节点列表
LA
弧列表
DN
删除节点
DA
删除弧
SYS
定义或重新定义系统属性
SAVE
保存当前模型
RM
检索模型
RUN
运行模型
EXAM
检查结果
QUIT
退出EVACNET
HELP
帮助
2.2教学楼简介
2.2.1教学楼相关参数
图2.2四川理工学院厚德楼
本次模拟对象选择四川理工学院厚德楼作为研究对象。
厚德楼建成于2003年10月，位于四川理工学院正校门与图书馆之间，正对正校门，占地面积约18400m2，教学楼总共分为1-7七个区域，1区共六层18个教室，2区共四层20个教室，3区共六层41个教室，4区共六层41个教室，5区共四层17个教室，6区共六层10个教室，七区共三层12个教室，总共159个教室。
各区域楼梯共12个，4部直升电梯。
1-3区4-6区各包含一个中庭，7区包含一个喷泉广场。
1区1-4楼主要为外语学院语音教学教室，5-6楼由4个78人教室组成，使用率一般。
2区主要为200人教室组成，使用率较高。
3区4区主要由78人教室和120人教室组成，主要用作大部分学院教学用，使用率最高。
6区1-3楼大部分为办公用，4-6层为78人教室组成，使用率较高。
7区主要为仓库及办公室，使用率较低。
其中1、3、4、6区楼层较高，2、5区楼层较低。
人员主要集中于2、3、4、5区。
根据厚德楼设计图，各区域设计教室数量及设计容量如下：
表2.2教学楼教室容量统计表
区域
200人教室个数
120人教室个数
78人教室个数
休息室个数
设计容量
1区
0
0
12
6
948
2区
12
0
0
8
2432
3区
0
18
18
0
3564
续表2.2
4区
0
18
18
0
3564
5区
12
0
0
5
2420
6区
0
0
6
0
936
注：
由于7区主要为仓库，因此未统计在内。
由上表可知，教学楼设计容量在13864人左右，根据各专业课表可知，周一上下午为教学楼使用高峰，教室使用率约为65%，周三及周末使用教室较少，约占5%。
因此保守估计教学楼人员数量最多约9011人，最少约693人。
因教学楼主要用作教学用，所以根据上课时间表可知，教学楼人员最为集中的时间段为：
8:
30-12:
30、14:
30-17:
30。
2.2.2教学楼人员疏散特点
1、由于教学楼的特殊职能，在上课时人员主要集中在教室内，过道及楼梯等其他单元内基本无人员流动。
2、教室内桌椅摆放较为集中，在进行疏散时，易造成短距离受阻，行动迟缓。
3、教学楼使用者相比其他建筑较为单一，主要为学生和教师，疏散能力相当。
4、教学楼人员非常集中，疏散时极易造成拥堵阻塞现象。
5、教学楼内人员相对固定，对教学楼内部结构比较熟悉，在出口选择和路径选择时较为明确。
6、高校定期进行疏散演练与安全教育，相比其他建筑，教学楼内人员疏散更为熟练。
3疏散路径及疏散模拟结果
3.1节点及路径相关参数定义
3.1.1节点定义及容量水平
表3.1EVACNET4节点类型定义
节点类型
框架结构单元
通道
楼梯
楼梯平台
电梯
门厅
目标
节点定义方式
WP
HA
SW
LA
EL
LO
DS
DS一般为目的地节点，包括空地，出口等。
EL则表示电梯，在疏散时根据原则，一般是禁止使用电梯的。
随着疏散的进行，节点内的人员数量不断变化，因此，需要对节点的容量水平进行划分。
节点的容量水平一般分为以下六个水平，分别定义为A,B,C,D,E,F。
表3.2节点容量水平
水平A：
平均每个疏散人员占有面积:
1.2㎡/person（或更多）
水平B：
平均每个疏散人员占有面积:
0.92-1.2㎡/person
水平C：
平均每个疏散人员占有面积:
0.65-0.92㎡/person
水平D：
平均每个疏散人员占有面积:
0.27-0.65㎡/person
水平E：
平均每个疏散人员占有面积:
0.18-0.27㎡/person
水平F：
平均每个疏散人员占有面积:
0.18㎡/person
3.1.2路径容量水平定义
同理，随疏散进行，疏散路径中的人员数量也在不断变化，因此需要对路径的容量参数进行分级。
路径容量水平同样分为六个容量水平，分别定义为A,B,C,D,E,F:
表3.3路径容量水平
水平A：
平均流量系数：
22.9PMM，平均移动速度：
79.2m/min.
水平B：
平均流量系数:
：
22.9-32.8PMM，平均速度:
76.2-79.2m/min
水平C：
平均流量系数:
：
32.8-49.2PMM，平均速度:
70.1-76.2m/min
水平D：
平均流量系数:
：
49.2-65.6PMM，平均速度：
61-70.1m/min
水平E：
平均流量系数：
65.6-82PMM，平均速度：
33.5-61m/min
水平F：
平均流量系数:
：
82PMM，平均速度：
0-33.5m/min
3.1.3楼道容量水平定义
随疏散时间的变化，楼道内人数也在发生相应的变化，因此需要对楼道的容量水平进行分级，分别定义为A,B,C,D,E,F。
如下表所示：
表3.4楼道容量水平
水平A：
平均流量系数16.4PMM，平均速度：
38.1m/min，
水平B：
平均流量系数16.4-22.9PMM，平均速度：
36.5-38.1m/min
水平C：
平均流量系数22.9-32.8PMM，平均速度：
35-36.5m/min
水平D：
平均流量系数32.8-42.6PMM，平均速度：
32-35m/min
水平E：
平均流量系数42.6-55.8PMM，平均速度：
26-35m/min
水平F：
平均流量系数55.8PMM，平均速度：
0-26m/min
3.1.4确定节点所需要的参数
确定节点需要的参数为节点容量，分为最大容量和初始容量，初始容量和节点的初始人数有关，路径和目的地节点初始容量一般为0。
最大容量则可由下式求出：
（3.1）
式中：
——最大容量，人；
——节点可用面积，m2；
——每人平均占有面积，m2/人。
确定路径所需要的参数
路径的确定需要两个参数：
人员流动系数和路径通过时间，分别由以下两式求出：
（3.2）
式中：
——人员流动系数，人/m·min；
——最小可用宽度，m；
——人员出口流量系数，人/m·min；
——时间步长，s。
（3.3）
式中：
——通过时间，时间周期；
——距离，m；
——平均速度，m/min。
3.2路径示例
3.2.1教学楼相关参数及节点定义
以四区第二层为例。
四区每层由三个120人教室和4个78人教室，每层4个楼梯。
布局图如下。
图3.1教学楼四区第二层
如图3.1所示，根据上文所述的节点定义：
1、将4个78人教室分别定义为WP2,1、WP2,2、WP2,3、WP2,4。
2、将3个120人教室分别定义为WP2,5、WP2,6、WP2,7。
3、连接第一层和第二层的四个楼梯分别定义为SW1,1、SW1,2、SW1,3、SW1,4。
4、考虑到紧急状况下选择就近出口疏散，将过道分为两段，分别定义为HA2,1、HA2,2。
5、疏散时假设WP2,1、WP2,2人员选择经HA2,1至SW1,1进行疏散，WP2,4、WP2,5人员经HA2,1至SW1,2进行疏散，WP2,3、WP2,6、WP2,7人员经HA2,2至SW1,3、SW1,4进行疏散。
6、以此类推，分别将四区1-5层各个节点进行定义。
四区第二层各节点相关数据：
过道宽3m，左侧过道长25m，右侧过道至SW1,3长9.3m，至SW1,4长34m。
78人教室长11m，宽9m。
120人教室长14m，宽9.5m。
楼梯平台长4.15m，宽2m。
楼道总宽4.15m，单边宽2m。
每间教室出口宽1.5m。
3.2.2疏散路径的选择
在进行路径选择时，疏散人员要根据自己所处位置及情况进行出口选择，在疏散开始时，人员首先考虑的则是最优路径的选择，所有参与疏散的人员都尽量选择符合自身情况的最优路径才能最大限度的缩减所有人员的疏散时间。
而疏散时间一般由预测疏散时间和等待时间构成，预测疏散时间可由疏散人员的移动速度和疏散路径的长度求出，而等待时间则是由疏散人员之间的相互作用及路径中的容量水平所决定。
在进行人员疏散时，出口的选择除了受人员之间相互作用及所处位置情况的影响，还与出口的可视程度及疏散人员对出口的熟悉程度有关，根据以上三个因素，将出口选择的优先程度分为以下7种类别。
表3.4出口选择法的优先顺序
优选
可视的
熟悉的
干扰条件
1
是
是
否
2
否
是
否
3
是
否
否
4
是
是
是
5
否
是
是
6
是
否
是
无优选
否
否
否
无优选
否
否
是
根据上表所述的出口选择优先顺序，结合第四区二层的具体情况，总结出人员疏散路径如下：
图3.2四区第二层左端路径
图3.3四区第二层右端路径
由于四区第二层满载时人员数量大概在670人左右，人员过多，若疏散方向不统一会造成混乱，进而使疏散人员产生恐惧心理，易发生意外，根据就近原则，选择将五区第二层分为左右两段进行疏散，以左侧第二个78人教室为基点，左边三个个78人教室及一个120人教室内人员向左侧两个楼道进行疏散，右侧78人教室及两个120人教室向右侧两个楼道进行疏散。
3.3节点及路径计算
3.3.1满容量状况下的计算
根据软件的使用规则，节点需要定义最大容量和初始容量，路径则需要定义人员流动系数和通过时间：
以路径WP2,1-DS1.1（即从五楼78人教室疏散至底楼左端目标地点）为例，满容量状况下，一般节点容量水平和路径容量水平选择水平D作为模拟条件，由水平D可知，人均占有面积为0.46m2/人，人员流量系数为82PMM，人员平均速度为65.5m/min，时间步长为5。
在此状况下假设78人教室初始容量为60人,120人教室初始容量为100人，总计2700人。
1、节点最大容量计算
节点WP2,1长11m，宽9m。
根据式3.1，WP2,1的最大容量：
=99÷0.46=178人
2、路径参数计算：
路径WP2,1-HA2.1，WR选取节点WP2,1出口宽度1.5m，长度9m。
根据式3.2，该路径人员流动系数：
=1.5×82×1/60×5=10人/m·min
根据式3.3，路径WP2,1-H2,1通过时间：
=9÷65.5÷5×60=2
表3.5节点容量情况
节点
最大容量
初始容量
WP2.1
178
升级会员 