基于AnyLogic仿真的高校宿舍火灾疏散研究.pdf

1、i i；建篝疆：震谖程i i基于A n y L o g i c 仿真的高校宿舍火灾疏散研究周文科1。赵欢2。周慧娟2(1 邵阳市消防支队，湖南邵阳4 2 2 0 0 052 北方工业大学城市道路交通智能控制技术北京市重点实验室，北京1 0 0 1 4 4)摘要：为了真实地反映学生宿舍火灾疏散过程中的场景提出了一种速度变化模型，采用A n y I，o g i c 软件建立仿真模型借助该软件展现人群随火灾发展程度演变的速度变化过程和路线选择结果。结合F D S 模拟烟气运动，根据烟气运动情况对火灾发展程度定级，并运用于仿真模型。根据速度模型优化路线选择策略，模拟结果显示优化后的路线选择策略更有利于

2、人群的安全疏散。关键词：火灾；疏散；烟气运动；学生宿舍；路线选择；A n y I。o g i c 仿真中图分类号：x 9 1 3 4。T U 2 4 1 3文献标志码：A文章编号：1 0 0 9 一0 0 2 9(2 0 1 4)1 2 1 3 8 3 一0 4根据中国消防年鉴统计数据，2 0 1 1 年全国共接报火灾1 2 54 1 7 起，死亡11 0 8 人，受伤5 7 1 人，直接财产损失2 0 6 亿元。其中，建筑火灾7 63 8 5 起，死亡10 4 6 人，受伤5 2 9 人，直接财产损失达1 6 8 亿元，分别占火灾总数的6 0 9、9 4 4、9 2 6 和8 1 6。可以看

3、出，建筑物火灾在全国各类火灾中所占的比例很大。在建筑物火灾中宿舍火灾发生1 25 9 2 起，死亡1 2 8 人，受伤4 2 人，直接损失81 2 6 万元。因此，宿舍又是建筑物火灾中死亡人数较多，发生较频繁的一类火灾。高校作为人群密集的场所，一直是消防安全重点单位。学生宿舍人口密度大、火灾荷载多且一些学生安全意识淡薄、防护能力弱，以致一旦发生火灾，事故造成的人身生命损失相当巨大。国外对疏散的研究分为两部分，一是研究人员主要以行人在疏散过程中的行为和心理特征为研究对象；二是研究人员主要利用计算机技术建立各种仿真模型。S h i r a k iw 等人利用C A 模型模拟疏散过程中的行人动力学，

4、H a q u e 等人提出了一种计算机疏散模型模拟高校的火灾疏散。我国对疏散模型的研究开始于2 0 世纪8 0年代，方正等建立了描述人员疏散过程的数学模型，用场仿真的方法得到建筑物内人员疏散时间和疏散轨迹，利用S G E M 软件对影剧院进行疏散仿真。吕春杉等提出了基于元胞自动机的仿真疏散模型，用F D S 对火灾环境进行模拟，得到火灾烟气浓度和温度。伍颖等提出了高层建筑火灾人员安全疏散预测数学模型。何怡婧等用B u i l d i n g E X()D U S 软件模拟了高校高层学生公寓火灾发生时人员的疏散情况。张宇金等用F D s 软件对高校宿舍走廊的火灾烟气进行了数值模拟。A n y

5、L o g i c 软件中的行人模块是基于社会力模型的，能够很好地模拟火灾疏散时人员的真实运动情况。笔者在考虑火灾中烟气、火灾程度及拥挤程度对速度的影响的基础上建立疏散速度模型，用F D S 模拟火灾发生过程中烟气的迁徙规律，得到楼梯和走廊的危险临界时间，最后运用A n y I。o g i c 仿真软件，建立基于社会力的火灾疏散模型。根据仿真结果对疏散路线选择策略进行优化，以便所有人员能够在安全时间内逃离。P e r s o n n e le V a c u a t i O ns i m u l a t i o na n a l y s i so ft h em e t r ot r a n

6、s f e rs t a t i o nu n d e rf i r es i t u a t i o nI，IH o n g w e iu a t i o nt i m ew a so b t a i n e db ys i m u l a t i o ns o f t w a r e，p e r s o n n e le s c a p er o u t ew a so p t i m i z e da tt h es a m et i m et oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fe v a c u a t i o na n dm e e t

7、t h en a t i o n a lr e g u l a t i o n sr e q u i r e m e n t S K e yw o r d s：m e t r ot r a n s f e rs t a t i o n；p e r s o n n e le v a c u a t i o n；f i r es i m u l a t i o n：P a t h f i n d e r作者简介：李宏伟，男，山东济南人，烟台市消防支队防火处工程师，主要从事消防监督管理工作，山东省烟台市莱山区芙蓉路4 号，2 6 4 0 0 0。收稿日期：2 0 1 4 一0 7 1 8基金项目：北

8、京市教委科技计划项目“城市轨道交通枢纽行人服务水平评价及其仿真”(K M 2 0 14 0 0 0 9 0 0 2)；北京市教季教育事业类项目“科研基地建设一首都世界城市顺畅交通协同创新中心一参与单位(2 0 1 l 协同)”(P x M 2 0 1 4 一0 1 4 2 1 2 0 0 0 0 2 0)；北京市教委教育事业类项目“学科建设一国家特殊需求一城市道路交通智能控制人才培养项目”(P x M 2 0 1 4 一0 1 4 2 1 2 一0 0 0 0 5 3)；北京市教委教育事业类项目“研究生培养一研究生教育一产学研联合培养研究生基地”(P X M 2 0 1 4 一o l4 2 1

9、 2 0 0 0 0 3 2)消防科学与技术2 0 1 4 年1 2 月第3 3 卷第1 2 期1 3 8 3m 一一一一嘶小酬_蓦量量，呻删l|I三幽 曼重一妇一-耋捌m叩?篙=舞一篙￥黑一一一一一一州0m一刚罴篙篙一m“衙印m一一一kh刨d，HRR 山吼m协k 肌n 玎釜淼瓣一万方数据1 疏散速度模型在实际的火灾场景中伴随火灾发生产生的烟气会影响人员的疏散，烟气对人员行为的影响程度取决于多种因素。如烟气的成分和浓度，人对环境的熟悉程度。人与周围环境的利害关系，是否受过消防训练以及火灾发生时人员的情绪状态等。假设人员对建筑物熟悉。火灾发生初期，烟气还没有开始蔓延。此时火灾中人员的疏散速度不受

10、影响，行走疏散速度为1 2m s；火灾发生一段时间后烟气开始蔓延，此时疏散人员开始有危机感。行人开始变为快步走或跑，速度为1 7m s；随着烟浓度增加，致使人员呼吸困难，心率加快，情绪紧张，极易造成惊慌，奔向安全出口的判断力下降。热烟气中的有毒有害气体以及因燃烧导致的缺氧会使人员在短时间内造成死亡。因此，第三阶段，当烟气上升至一定高度，疏散人员开始弯腰疏散，速度为1 4m s。第四阶段，烟气浓度增加到一定程度，严重阻碍疏散人员的视线。此时疏散人员不得不爬行疏散，疏散速度为O 7 3m s。由上述关系式得到速度模型如式(1)所示。u 一1 2 D。+1 7 D!+1-4 D。+O 7 3 D；(

11、1)式中：D。为火灾发展阶段，i 一1 为火灾发生初期，i 一2 为火灾发生后第二阶段，i 一3 为第三阶段，i=4 为第四阶段。当火灾处于第i 阶段时D，一l，否则D，一o。人员的逃生速度不仅与火灾的发展程度有关，还与人群的密度有关由于A n y I o g i c 中的社会力模型考虑了速度受密度的影响，速度模型中就不再体现。火灾的阶段认定以火灾对人员的健康影响作为判定标准，火灾中的烟气不仅会对人的速度产生影响，也会危害人员的生命。火灾危险程度通常按以下情况确定：(1)当烟气层界面高于人眼特征高度时，若上部烟气层的热辐射强度能够对人构成伤害就可以认为达到危险状态。烟气温度超过1 8 0C 时

12、便可构成这种危险。(2)如果烟气层界面低于人眼特征高度，对人的危害将是直接烧伤或吸人热气体引起的。根据某些试验，烟气温度约为1 1 0 1 2 0，现取为1 15。(3)烟气层界面低于人眼特征高度时，还可以根据某种有害燃烧产物的临界浓度判定是否达到了危险状态，如C()体积分数达到o 2 5 时。就能对人构成严重危害。在火灾中，这三种危险条件哪一个先达到就采取哪一个作为判断依据。人眼的特征高度通常为1 2 1 8m，现取1 5m，环境温度一般取为2 1。2模拟试验及A n y L o g i c 仿真2 1F D S 建模以一座1 2 层的学生公寓为例学生公寓的平面布置图，如图1 所示。建筑物为

13、钢筋 昆凝土结构，装修材料为】3 8 4阻燃材料，每个房间都装设了感温式火灾报警系统。每层楼设有5 个消防栓和灭火器，4 个疏散楼梯。每个宿舍内部设有火灾疏散路径示意图，疏散走道和其他主要疏散路径设有疏散指示和应急照明设施。宿舍楼为倒工字型，中间房间分布在走廊两侧，楼梯在中间两头房间只有一侧，每侧的一头设置有楼梯，并通过走廊连接楼梯。走廊和楼梯的宽度都符合相应的建筑设计规范，走廊宽3m，楼梯宽2m，房间长7m，宽4 5m，房间高度为3m，房间门宽度为o 8 5m。每个房间住4 个人。图l 学生宿舍平面图利用F D S 软件建立宿舍楼模型，根据烟囱效应可知，火灾中烟气往上层蔓延很少往下层蔓延。考

14、虑到运算速度和模型的复杂程度，只建立最上面两层楼的模型。假设火源处于l l 楼左侧第一个房间，热释放速率为15 0 0k w，选择与实际接近的热释放速率快速稳定模型。整个区域的计算网格数为3 2 0 3 0 2 4，在1 2 层通往1 1层的每个楼梯口处设置感烟探测器，高度均为1 5m，用来检测烟气到达人眼高度的时间。F D S 采取大涡方法计算模拟火源燃烧，计算时间取为3 5 0s。2 2A n y I。o g i c 建模与仿真A n y I o g i c 是一款应用广泛的对离散、连续和混合系统建模和仿真的工具。其应用领域包括：控制系统、交通、动态系统、制造业、供给线、后勤部门、电信、网

15、络、计算机系统、机械、化工、污水处理、军事、教育等。其所有的建模技术都是以U M I。一R T，J a v a 和微分方程为基础的。由基础仿真平台和企业库等组成，行人仿真主要依靠其行人库实现，核心算法是社会力模型。在A n y I。o g i c 模型中利用行人库建立两个平面代表1 1 层和1 2 层，模拟时间选取晚上1 1：O O。在A n y I，o g i c中逻辑关系设置为：人员进入宿舍楼目的地为各自的宿舍，每间宿舍住4 个人。回到宿舍的人有O 2 的概率去水房，停留时间为1 5m i n；o 8 的概率停留在宿舍。去过水房的人要间隔3 0 6 0m i n 才会再去水房。每层楼有两个

16、水房，对应地从中间分开，左侧的去往左侧的水房右侧的去往右侧的水房。在疏散模块中设置有行人反应时间，该反应时间取决于疏散人员进行过火灾疏散演练及相关的教育。在疏散开始后有o 3 概率的人反应时间设置为t r i a n g u l a r(o，o 1，o 3)*m i n u t e()。表示最小为o，最大为o 3m i n 平均为o 1m i n；o 1 概率的人反应时间设置为t r i a n g u l a rF i r eS c i e n c e 卸d1 h h n o I o 野D e c e m b e r2 0 1 4 V()l：3 N o 12万方数据(0 1，0 2，o 5)*m i n u t e()o 6 概率的人反应时间为o；在选择逃生路线的时一般依据就近原则，选择离自己房间较近的楼梯，在逃生过程中根据火源位置及烟气运动情况适当调整，如图2 所示。“一hr：一L 一二j j。一。i、露荫“j。癣”曩二魄i?J_，i _-小(a)疏散初期I o p co 上墨。一。F 0 癸一7 _ _ k，|卜一j 转盎。r卜ii+三一1。i 一_ 上、三一1 1：一一一：P