（计算机系统结构专业论文）元胞自动机在人员疏散过程中的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 随着复杂科学的研究成为学术研究的热点，与之相关的研究工作已经深入到 了工程技术、社会、政治、医药、经济、管理等很多相关学科并广泛应用，元胞 自动机已成为研究复杂系统的重要仿真工具。元胞自动机是由大量简单一致的个 体通过局部联系组成的离散、分散及空间可扩展系统，它不需要求解微分方程， 而直接通过简单的微观局部规则来模拟非线性物理现象，最早是由v o nn e u m a n n 等人提出来的，主要用于模拟生命系统所具有的自复制功能。 近年来，元胞自动机模型在交通流研究领域得到了广泛深入的应用，已经能 够揭示车辆速度的非线性变化规律，再现了真实交通流中的阻塞、时走时停等现 象的发展过程，成功解释了交通流中的激波自组织临界现象，在指导城市交通建 设方面起到了重要的作用这些交通流模型也为元胞自动机行人流模型规则的制 定提供了基本依据。 本文在现有的元胞自动机模型和社会力模型的基础上提出了一种二维元胞 自动机的模型，本质上一种离散的社会力模型，用来研究紧急情况下( 如火灾) 的人员疏散问题。本文首先介绍了人员疏散的相关理论，介绍了目前典型的元胞 自动机模型和社会力模型。结合这两种模型，提出了将人群按照年龄和性别进行 了划分，每个人员的行为参照在其视野中的其他人员的行为进行加权处理的元胞 自动机模型。通过计算机模拟，研究了人员疏散过程中常见的从众心理对人员疏 散的影响；从理论上分析了出口结构对人员疏散的影响，重点分析了单一出口且 出口比例对称下，出口的宽度大小对人员疏散的影响。发现了出口宽度存在临界 值的问题，与当前的建筑学相关理论相吻合。 关键词：元胞自动机，人员疏散，参照，加权，从众心理 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er e s e a r c ho fc o m p l e xn e t w o r kh a sb e c o m et h eh o ts p o t ，r e l a t e dr e s e a r c hw o r kh a s r e a c h e da ni n - d e p t hi nf i e l d sl i k ee n g i n e e r i n g ，s o c i a l ，p o l i t i c a l ，m e d i c i n e ，e c o n o m i c s ，m a n a g e m e n t ， a n dm a n yo t h e rr e l a t e dd i s c i p l i n e sa n dh a sb e e nw i d e l ya p p l i e d c e l l u l a ra u t o m a t a h a sb e c o m ea n i m p o r t a n ts i m u l a t i o nt o o lt os t u d yc o m p l e xs y s t e m s ，i n c l u d i n gl a r g en u m b e ro fs i m p l ea n d c o n s i s t e n ti n d i v i d u a l s ，t h r o u g ht h el o c a lc o n t a c t ，f o r m sd i s c r e t ea n de x t e n s i b l es y s t e m s i td o e s n ，t n e e ds o l v i n gd i f f e r e n t i a le q u a t i o n s ，a n dd i r e c t l yt h r o u g has i m p l em i c r o 1 0 c a lr u l e st o s i m u l a t e n o n _ l i n e a rp h y s i c a lp h e n o m e n a i ti st h ef i r s tp r o p o s e db yv o n n e u m a r m ，m a i n l yu s e df o rt h el i f e s i m u l a t i o ns y s t e mw i t hs e l f - r e p l i c a t i o n i nr e c e n ty e a r s ，t h ec e l l u l a ra u t o m a t o nm o d e lh a sb e e ne x t e n s i v ea n di n d e p t ha p p l i c a t i o ni n t h ea r e ao ft r a f f i cf l o wr e s e a r c h ，w h i c hh a sb e e na b l et or e v e a ln o n 1 i n e a rc h a n g e sl a wo ft h e v e h i c l e ss p e e d ，r e p r e s e n t st h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fc o n g e s t i o na n dp a u s ep h e n o m e n o ni nr e a l t r a f f i cf l o w , e x p l a i n st h es h o c kw a v eo fs e l f - o r g a n i z e dt h eo ft h et r a f f i cf l o ws u c c e s s f u l l y , h a s p l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei ng u i d i n gt h ec o n s t r u c t i o no fu r b a nt r a n s p o r t t h e s et r a f f i cf l o wm o d e l s p r o v i d et h eb a s i sf o rt h ed e v e l o p m e n to fp e o p l e s a c t i o nb yu s i n gc e l l u l a ra u t o m a t o nm o d e l t h i sp a p e rp r o p o s e sat w o - d i m e n s i o n a lc e l l u l a ra u t o m a t o nm o d e lb a s e do nt h ee x i s t i n g c e l l u l a ra u t o m a t am o d e la n ds o c i a la t t r a c t i v ef o r c em o d e l ，w h i c hi sas o c i a l d i s p e r s i o nm o d e li n e s s e n c et o p r o v i d et h en e c e s s a r yg u i d a n c et or e d u c eh a r mo ft h ee v a c u a t i o nu n d e rt 量1 e e m e r g e n c i e s ( s u c h 船f i r e ，e t c ) t h i sa r t i c l ef n s ti n t r o d u c e st h et h e o r yo ft h ee v a c u a t i o no rr e l a t e d t h e ni n t r o d u c e st h ec u r r e n tt y p i c a lc e l l u l a ra u t o m a t o nm o d e la n ds o c i a la t t r a l c t i v ef 0 r c e m o d e l b a s e do nt h e s et w om o d e l s ，w ep r o p o s e dac e l l u l a ra u t o m a t i o nm o d e lw h i c hd u r i n g t h ee v a c u a t i o n p r o c e s s ，e a c ho n ew i l lr e f e rh i s h e rb e h a v i o rt ot h eo t h e r s b e h a v i o r si nv i e ws i g h t ，a n dm a k e d e c i s i o n sb a s e do nt h ew e i g h tp r o c e s s a n df i n a l l y , t h r o u g ht h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n ，t h i sp a p e r s t u d i e st h ec o m m o nh e r dp s y c h o l o g i c a li m p a c to nt h ee v a c u a t i o np r o c e s s ；a n dt h e o r e t i c a l l y a n a l y z e st h ee x p o r ts t r u c t u r eo nt h ei m p a c to fe v a c u a t i o n d i s c o v e r e dt h ee x i s t e n c eo fe x p o r t w i d t ht h r e s h o l di s s u ei sc o n s i s t e n tw i t ht h ec u r r e n ta r c h i t e c t u r et h e o r y k e yw o r d s ：c e l l u l a ra u t o m a t a ；e v a c u a t i o n ；r e f e r e n c e ；w e i g h t ；h e r dp s y c h o l o g y v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 1 1 日期： 上海大学硕上学位论文 1 1 课题概述 第一章绪论 能源、资源、环境和安全4 个问题被公认为人类可持续发展中的四大支柱。 公共安全是国家和社会稳定的基石。然而当今世界的公共安全面临严峻挑战。我 国城市发展已进入快速增长时期，规模不断扩大，具有人口集中、经济集中、财 富集中等特点，城市遭受灾害和重大突发性事件的威胁也越来越严重。国家中 长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 - - 2 0 2 0 年) 将公共安全确定为1 1 个科学研 究的重点领域之一。 人员安全疏散是公共安全和消防安全工程的重要研究领域，得到了国内外科 研和工程技术人员的高度重视。尤其是美国9 1 1 事件后，公众聚集场所在紧急情 况下的安全疏散问题已成为一个研究热点。2 0 1 0 年将在上海举办世博会，在世 博会间，各场馆都是人员极其密集的地方，如何保证在万一出现突发意外事件的 情况下进行科学、有效的疏散是一个亟待解决的课题。研究紧急条件下人员疏散 过程的行为特征尤为迫切和重要。而我国在这方面的研究处于起步阶段。 在建筑防火安全设计中，疏散问题至关重要。它直接影响着火灾时人员的安 全、迅速转移。所谓安全疏散是指人通过专门的设施和路线，安全地撤离着火( 或 其他危险) 建筑或在某个安全的部位被暂时保护起来。如果逃生时间小于建筑物 耐受时间，则生命安全系统可以接受。逃生时间是预疏散时f b ( p r e - m o v e m e n tt i m e ) 和运动时间( m o v e m e n tt i m e ) 的总和。其中，预疏散时间包括检测到火后报警的时 间、感应到警报后的延迟时间以及其他操作时间( 如对火灾的调查) 等。这三个部 分在整个疏散过程并不是明显分开的，例如火灾发生后有的人己经发现火灾并开 始疏散而有的人却还没接到火警。在实际计算疏散过程时，报警时间通常通过计 算火灾烟气蔓延以达到被探测器发现并报警的时间得到。反应时间与建筑用途、 室内人员类型、起火模式、起火房间有关，通常也是通过经验设定得到，即人为 规定不同用处、不同大小房间所需要的反应时间。相对来说研究较多的是疏散时 间，由此发展了很多经验计算公式和模型。本文暂不考虑报警时间和反应时间( 预 疏散时间) ，但这并不说明这两个时间不重要，只是本文研究的侧重点不在此。 上海大学硕士学位论文 研究人的行为反应，对于建筑性能化防火设计、建筑防火安全逃生管理与教育具 有重要意义。1 9 0 9 年，美国最早开展了火灾中人的行为的研究。2 0 世纪7 0 年代 末8 0 年代初是研究成果最多的时期。研究方法侧重于对幸存者的灾后调查。对 一些非适应性行为，如恐慌、返回等也进行了大量的调查和统计工作。2 0 世纪 8 0 年代中期以来，火灾中人的行为研究开始进入计算机模拟研究阶段，国内外 研究人员运用网络技术、最优化技术、虚拟现实技术手段等，在二维或三维建筑 空间开发了许多火灾中人员应急疏散行为的计算模型。 1 2 国内外研究现状 许多年来，国内外都一直在进行人员运动和行为的定量化和理论研究。由于 真实数据十分缺乏，所以这方面的研究并不成熟。已有的研究工作一方面侧重于 特殊行为的调查和统计，而更多的现象和规律则需要从建立模型模拟得到。 通过建立模型对人员疏散的规律进行模拟，在这方面，国内的研究者对人员 疏散的研究工作进行了较好的总结。目前，人员疏散模型的建模方法大致可分为 两种：一种是宏观的方法，即把人员视为连续流动介质，可以利用现成的流体力 学的研究成果，但此方法忽略个体的作用和个体间的差异；另一种方法是微观的 方法，即充分考虑人员行为，微观方法又可分为连续模型和离散模型。连续模型 中最为著名的是h e l b i n g 等人的社会力模型【卜2 1 。离散模型中使用最多的是元胞 自动机模型和格子气模型【3 - 9 】。h e l b i n g 等人用社会力模型展现了人员疏散过程中 的一些动力学特征：失调、扎堆、快即是慢等。连续性模型的计算机量大，计算 机模拟时间随人数的增加呈指数增长，因此不太适合人员众多情况下的模拟。离 散型模型的特点是规则简单、运算速度快。 m u r a m a t s u 等人【3 】运用一种有偏随机走动者格子气模型来模拟二维问题中的 行人流，z a j i m a 等人【4 】贝0 把这种格子气模型应用到特定的建筑结构中，m a n i c c a m 5 】 讨论了格子气模型中更新规则和后退步对四向行人流的影响；在国内，杨立中等 人【6 7 建立了参考社会力模型和基于总危险度的人员疏散微观离散模型，以及宋 卫国等人【8 】建立了考虑摩擦与排斥的人员疏散元胞自动机模型。翁文国等人【9 1 建 立了基于移动机器人行为的人员疏散的元胞自动机模型等。 2 上海大学硕上学位论文 1 3 课题内容、目的和意义 1 3 1 研究内容及研究方法 通过对研究现状及特点的分析可知，相关的研究方法大体可以分为两类：一 是按照人在疏散过程中的心理而产生一定的行为来进行研究分析。二是将人看成 是一个物理个体，直接按照物理方法来进行。 本文在现有的两类模型之上提出了一种改进的模型，将人按照人的种类( 如 老人，男青年，女青年，小孩等) 将人群划分，通过观察当前个体的视野中的其 他个体，按照各自人群的权值进行计算，得出最佳疏散路线。这样可以用较少的 时间来得到较精确的路线，使得人员在疏散过程中能迅速确定逃生路线，是很有 意义的。 1 3 2 研究目的和意义 通过对研究现状的分析，对人员疏散中人的行为的研究，较多的工作还主要 在着眼于预疏散阶段的行为分析，而研究手段主要还是灾后的问卷调查。对运动 阶段的人的行为研究相对较少，尤其是如何刻画疏散中人员常见的一些特殊心理 和行为，如从众心理、小群体现象以及亲情行为的研究还很少。所以非常有必要 对上述内容进行深入的研究。本文的研究目标及思路如下： 在人员疏散元胞自动机基本模型的基础上，加入火灾对人的影响，得到适合 研究火灾中人员疏散的扩展模型【1 0 2 8 1 。用危险度来描述人对火灾房间危险的认 识，并研究由于火灾烟气遮光性导致的视野半径缩小带来的影响，从而对实际火 灾中的人员疏散提供科学的指导。针对人员在发生火灾等紧急情况下的疏散过程 中出现的一些特殊心理和行为【1 2 】：从众心理和行为、小群体现象、亲情行为等 进行元胞自动机模拟。进而分析这些特殊心理和行为对疏散造成的有利或有害影 响，并在实际超市算例中运用和检验以上研究成果【1 3 - 1 4 1 ；深入分析不利影响的 具体危害因素，以及在不同建筑结构和人员密度等物理条件下，从众心理对疏散 的影响。研究人员个体行为带来的集体行为方式之一：建筑出口人员疏散的动力 学特征【l 习；借鉴颗粒流物理的思想，从人员疏散的行人流状态转变与建筑出口 3 上海大学硕上学位论文 结构的关系上进一步定量分析了对应于密集流一稀疏流转变时的出口临界宽度， 并对出口间距值进行了探讨。 1 4 各章节主要内容 本文的章节安排如下： 第一章：论文的绪论部分，包括了研究背景和现状以及论文的研究目标及思 路。 第二章：主要介绍人员疏散的基本理论以及研究方法。 第三章：主要介绍了元胞自动机理论以及目前经典的人员疏散模型。 第四章：提出了一种基于元胞自动机的离散性社会力模型，分析了人员疏散 过程中，从众心理对人员疏散的影响。讨论分析了从众心理对人员疏散时间及人 员视野的对应关系。通过本章建立的模型，对建筑物出口结构进行了讨论。模拟 了单一对称性出口下，人员疏散的情况。讨论分析了人员疏散时间和出口宽度的 对应关系。 第五章：总结本论文所做的研究工作，并给出了进一步研究的目标。 4 上海大学硕上学位论文 第二章人员疏散的基本理论 2 1 问卷调查表的设计及数据统计方法 2 1 1 问卷调查表的设计方法 一般来说有两种获得数据的方法：一是观测( 调查) 方法；二是试验方法。对 于灾难中人员疏散的研究，选用问卷调查的方法来获取人员特征的数据是一种可 行的办法。问卷调查表是围绕一个主题的一系列书面问题，以获得应答者的书面 意见。资料主要是由应答者对问题的回答构成，目的在于寻求影响人员行为的因 素。问卷调查法不需要研究人员逐个地去询问，可将印制的问卷调查表在规定范 围内成百上千地发出去，通常可以在问卷调查表上设置多种选择答案。力求避免 漫无边际的话题，这样在统计问卷调查表时也比较省时省力。 2 1 2 数据的统计分析方法 通过问卷调查和录像观测获得的数据是没有次序的原始资料，要通过这些数 据反应相关人员特征的规律，还必须对原始数据进行整理和统计分析。样本数据 有频次和频率两个基本特征。统计图 2 9 。2 】是一种最为直接的数据统计方式，它无 疑能够非常清晰直观地展示变量的取值状况。常用的统计图形有饼图和条形图 等。如：表示频次与频率的饼图显示了分类资料中各类所占的比重，非常直观， 在比重相差悬殊的情况下尤其能给读者留下深刻印象；表示频次与频率的条形图 显示了不同频率的分布情况。 2 2 人员安全疏散准则 火灾中人员的安全疏散是指在火灾烟气没有达到危害人员生命的状态之前， 将建筑物内的所有人员安全地疏散到安全区域的行动。保证建筑物内人员安全疏 散的关键是必需安全疏散时间( r s e t ) 必须小于可用安全疏散时间( a s e t ) 3 3 】。必 需安全疏散时间r s e t 是指从起火时刻起到人员疏散到安全区域的时间。紧急情 5 上海大学硕上学位论文 况下的r s e t 包括火灾探测时间( t a l a r m ) 、预动作时间( ( t p r e ) 和人员疏散运动时 i 间( t m o v e ) ，其中预动作时间又包括认识时间( t l ( i l w ) 和反应时间( t r e s p ) 两部分。 r s e t = t a l a r m + t p r 刮- t m o v e2t a l a r m + ( t k n w + t r e s p ) + t m o v e( 2 - 1 ) 可用安全疏散时间a s e t 就是从起火到火灾构成危险状态的时间间隔。a s e t 主 要包括从起火到火灾并给出报警的时间t d 和从发出报警到火灾对人构成危险的 时间t h 两部分，即： a s e t = t d + t h ( 2 2 ) 火灾中的临界危险状态是指火灾环境可对室内人员造成严重伤害的火灾状态。现 在一般根据以下三种因素判定火灾对人员构成的危险：火焰和烟气层的热辐射、 烟气的高温以及烟气中有毒气体的浓度。具体的说，火灾危险临界条件按以下情 况分别确定 3 4 。5 1 。 1 当烟气层面高于人眼的特征高度时，若上部烟气层的热辐射强度能伤害 人，就认为到了危险状态。试验表明：当人体接受的热辐射通量超过0 2 5 w ( c m ) 2 时，将会造成严重灼伤。当上部烟气层的温度高于1 8 0 时，它对人体的辐射危 害将会达到这种程度。因此可认为烟气层辐射临界温度约等于此值。 2 如果热烟气层降至与人体直接接触的高度时，即烟气层面低于人眼的特 征高度，对人的危害是直接灼伤或吸入热气体引起的，这种危险状态应使用另一 略低的烟气临界温度表示。根据某些试验，此值约为1 1 0 一1 2 0 。 3 当烟气层界面低于人眼的特征高度时，还可根据某种有害燃烧产物的临 界浓度判定是否达到危险状态，例如c o 浓度达到0 2 5 就可对人构成严重危害。 在某场火灾中，这三种临界条件哪个先达到就采取哪个作为判断依据。人眼的特 征高度通常为1 2 1 8 米，在后面的模拟中取1 5 米。环境温度一般取为2 l 左 右。 当然，火灾达到危险状态的时间与诸多因素有关，如：火源附近可燃物的存 放量、通过燃烧材料表面火焰传播的可能性、建筑物表面是否有阻燃处理，可燃 材料的毒性、是否设有水喷淋系统和防排烟系统、水喷淋系统和防排烟系统是否 可以及时启动以及建筑物内房间的尺寸等等。国际上经过大量的研究表明，火灾 达到危险状态的时间对于一般建筑而言约为9 0 秒。 常用的人员安全疏散准则如图2 1 所示，火灾风险的工程评估中一般认为： 6 上海大学硕士学位论文 当建筑物的可用安全疏散时间大于必需安全疏散时间时( 公式2 3 ) ，则认为建筑 物中人员能够安全疏散。 a s s t r s e t ( 2 3 ) 研用安全疏散时间( a s e t ) t _ 一 i l r 一- - 一 必需安全疏散时l 日j ( r s e t ) i 一 ： l i 图2 1 通用的人员安全疏散时间判据 f i g 2 - 1g e n e r a l l yu s e dt i m ec r i t e r i o nf o rh u m a ne v a c u a t i o n 2 3 人员疏散的主要影响因素 人员疏散问题是一个涉及建筑物内人员的行为、火灾的发展过程和建筑物的 结构三种基本因素的复杂问题。因此，需要针对不同的人员，不同的建筑结构设 计切实可行的安全疏散应急预案，并通过定期的人员安全疏散演习及培训加强对 建筑物中人员的安全疏散管理。 2 3 1 人员特性对疏散的影响 人员特性包括一般人员特性和人员的反应特性，其中一般人员特性主要是人 员的性别、年龄、亲属关系、占用特点等，反应特性主要体现人员对火灾等紧急 情况的敏感性、反应力等。 2 311 影响人员疏散的一般人员特性 影响人员疏散的一般人员特性主要包括人员的性别、年龄、身体健康状况、 亲属关系、占用特点等。 7 上海大学硕士学位论文 人员的年龄差异是影响安全疏散时步行速度、对火灾的灵敏性的主要因素。 一般来说，青壮年人员的步行速度比老年人和儿童要快，对于火灾线索反应的灵 敏性相对要强。各类统计数据表明，火灾中死亡的大部分是既不能对火灾做出及 时反应，也不能迅速撤离火场的老年人和儿童。 表2 1 美国人研究人群中与当事人性别有关的第一举动 t a b l e2 - 1t h er e s e a r c ho nr e l a t i o n s h i po fh u m a nb e h a v i o ra n dg e n d e rb ya m e r i c a n 第一举动 男性百女性螽 百分比，减 标准误麓( 西分临界 分比 分比百分比2比l 减百分比2 ) 比率 告知他人 找火源 通知消防队 穿上衣服 离开建筑物 帮助家人逃生 灭火 拿灭火器 离开出事区域 惊醒 无举动 让他人告知消防队 拿个人财产 到火灾区域 移动燃料 进入建筑物 企图通过出口 剑火灾报警处 电话告诉他人 企图扑灭火 关上通向火灾区域的门 控火灾报警 关闭电器设备 检套宠物 其它 1 6 3 1 3 。82 52 9 8o 8 3 1 4 9 6 3 8 。6 2 5l3 。4 3 6 11 1 45 32 a l2 1 9 謇 5 8l0 14 3 2 3 01 8 7 4 21 0 46 22 2 22 7 9 3 4l i 07 62 2 23 4 2 搴毒 5 83 82 o 1 7 71 1 6 6 9 2 8 4 i 1 7 72 3 t 4 6 4 1o 51 7 00 2 9 3 。82 51 3l 。4 50 9 0 2 72 8o i1 3 80 7 2 3 41 32 11 2 31 7 l i 52 51 01 1 70 8 5 1 92 2o 31 2 00 2 5 1 12 21 11 鸺1 0 2 2 3 0 9 1 4l 舵 1 3 7 1 51 60 1i 0 50 0 9 1 11 9o s1 0 20 7 8 o 81 6o 8o 9 l0 8 7 1 90 61 3o 9 i1 4 3 o 81 3o 50 8 70 5 7 1 1o 60 5o 7 5 o 6 6 0 8o 9o 10 7 9 0 1 2 0 8 0 90 10 7 9 o 。1 2 6 5 2 54 。0 1 7 02 3 5 * 数量- - 2 5 2 6 2 3 1 8 注：可信程度达到或超过5 ，临界比率有意义。 幸木可信程度达到或超过1 ，临界比率有意义。 8 上海大学硕上学位论文 人员的性别差异也是影响人员疏散的一个重要因素。不仅相近年龄的男性在 疏散速度上高于女性，而且有关数据表明，不同性别的人在安全疏散过程中同样 表现出不同的行为差异。b r y a n 按照性别去检查第一行为反应，发现不同性别的 人在疏散过程中的差异。表2 1 所示为美国研究人群中与当事人性别有关的第一 举动【3 6 1 。从表中可以看出，在“找寻火源”、“通知消防队 、“帮助家人逃生”、 “拿灭火器”的类别中，男性与女性有显著的统计数量差异。 亲属关系也是影响人员疏散的另外一个重要因素。比如：在紧急疏散的情况 下，同一个家庭的成员往往会坚持聚在一起；甚至在有些时候会出现“返回”现 象。这些现象必然对疏散效率和时间产生重要影响。 2 312 影响人员疏散的反应特性 具体地说，疏散人员对于火灾作出的反应一般可以分为火灾线索的察觉、火 灾事故的确认以及火灾中的人员运动三部分。 一、火灾线索的察觉 如果建筑物内某处发生火灾，那么及时让其中的人员察觉到火灾迹象是非常 重要的。初期的火灾迹象可能很模糊，但随着火灾燃烧的持续，火焰、热量和烟 气的增强可以使火灾迹象越来越清晰。对火灾线索的觉察方式是多种多样的，既 包括对火灾产物和火灾环境在视觉、听觉、嗅觉、感觉方面的感知，也包括建筑 内火灾报警系统对于人员的警示作用，还有火灾环境中人员之间的相互交流和警 告，以及消防队员的到达等信息，甚至是宠物对火灾环境的反应也可以协助建筑 物内人员对火灾的觉察。 不同的人对于火灾迹象的反应存在很大的差异，年龄、性别、生理缺陷、现 场疏散路线熟悉程度、睡h 民状况、工作背景、受教育程度、风俗习惯、恐慌、信 息和经验等都可能会影响人员的反应。另外，人员体内的药品、毒品或酒精情况 决定了对火灾所产生的热、烟气的抵抗能力。根据一些估计，在2 0 6 4 岁的住宅 火灾死亡人群中，死亡时至少有1 0 的人由于吸食含酒精的饮料或其他毒品而神 志不清。另外一项于1 9 7 0 年的研究发现，在m a r y l a n d3 0 一6 0 岁之间的火灾死 亡人群中，有7 0 的人烂醉如泥【3 7 】。b e r r y 在给美国消防协会推荐8 5 分贝级噪 声烟感报警器的研究中指出，听力有问题或服用镇静药、安眠药的人可能需要 9 上海大学硕上学位论文 1 0 0 分贝级噪声的报警信号；c o h e n 曾经指出，对听力有问题的人，闪光灯或变 幻的可见光信号是火灾报警系统中的一种有效指示信掣3 8 1 。在1 9 8 1 年版n f p a 1 0 1 生命安全规范 3 9 】中，开始允许使用闪光的出口信号及带有声音的火灾报 警系统。该规定继续保留到1 9 9 4 年版。k a h n t 4 0 】在对2 4 位男性公民就他们能否 被感烟火灾报警探测器的有声音的报警信号唤醒及他们觉察火灾信号的能力的 研究中发现，对正在熟睡的人耳边发出信噪比为1 0 分贝的信号时，他们始终不 能听到作为报警形式的唤醒信号或感觉到热辐射和烟味。 二、火灾事故的确认 建筑物火灾中人员对于火灾事故的确认包含六种关键的心理和物理过程，可 以认为是火灾事故觉察的六要素：认识、证实、确定、评估、抉择和重新评估。 1 认识过程 认识过程发生在当建筑物中人员发现指示火灾已发生的模糊火灾线索的时 刻。对于非专业人士而言，第一个火灾信号可能是模糊不清的，而同时人们会乐 观地认为威胁不存在。某些情况下，在火灾信号的意识和意识到其威胁之间的转 变几乎是同时发生的( 假如当看到前面3 米有火焰和浓密的烟，人们会立刻感觉 到生命受到威胁) 。然而，也存在着另外一种情况，即在火灾信号的意识和意识 到其威胁之间有时间上的差距。要考虑同时存在的公害报警和发假警报的影响。 有报告表明，在大学生住宅区，感烟探测器发出的公害报警或发假警报与真实警 报之间的比例高达4 6 ：1 t 4 1 1 。试想一下，如果假警报信号超过4 0 次，人们怎么能 对下次警报做出反应呢? 大量的火灾案例表明，意识到火灾威胁确实要花一些时 间。在1 9 8 6 年的d u p o n t 宾馆和波多黎各的圣胡安娱乐场火灾中，即使看到烟和 听到爆炸声后，人们仍在娱乐和赌博。同样的，1 个小时之后，在遥远的伊利诺 斯州h i n s d a l e 市的伊利诺斯警铃中心办公室的一个报警技术员坚持认为这个报 警信号只不过是骚扰信号，最后，一个路过乘车的人终于报告了此次火灾。在 1 9 9 1 年的马萨诸塞州波士顿市，一名肯尼迪联邦大厦的职员，看见了燃烧着的 碎片从窗外坠落，却没发现有人疏散，也没有人拉手动报警【4 2 1 。 2 证实过程 证实过程指人员警觉到火灾的发生，但又不能精确地肯定这些初期的火灾事 故线索是否准确，从而通过寻找火源位置、寻求他人的口头警告等额外信息来证 1 0 上海大学硕士学位论文 实该火灾线索。当人们未确定受到严重威胁时，总是侥幸认为威胁是轻微的。当 威胁似乎变严重时，人们希望得到更多的信息证明确实发生了严重的问题。“你 认为我们真得需要疏散吗? 或“你闻到烟味了吗? ”，都是验证问题的例子。在 一项关于烟花厂爆炸的线索个人觉察方式的研究中，k i l l i a n 发现在1 3 9 个被调查 研究的当事人中，有8 5 人是从他人或电话中得到的明确信息的 4 3 】。 3 确定过程 确定过程通常被认为是人们试图将有关火灾觉察和各种前后有关的变化信 息联系起来的过程。相关信息包括与个人位置有关的火灾量化特征，火灾中产生 同时又大量损失的暗示信息，损失的暗示信息的顺序和时间上的前后关系。在有 组织性约束的情形下，在个人确定初期的模糊线索之前，个人产生紧张和焦虑是 最快和最严重的。在线索被确定之前，需要相应的组织和解释对个人来说是显而 易见的。在火灾威胁相对个性化的情形下，外加火灾创造出的物理环境，个人的 角色概念是一个重要因素。在有关的确定因素中最重要的物理性质是烟、火的产 生，及其密度、传播，热的爆炸。通过确认，人们总是试图量化所面临的威胁， 确认人们闻到了多少烟味，感觉到了多少热，或者人们所在的环境能避免多大的 火灾威胁。 4 评估过程 评估过程可以描述为个人对火灾威胁反应所需要的认识和心理活动。通过对 诸如火灾环境、他人的行为反应、自身处境、疏散通道和灭火设施等综合考虑， 评估火灾对于个人安全的危险程度，并设计灭火或逃离的方式。因为火灾的产生 和传播时间是很短的，应注意这些认识过程( 包括评估过程) 可能不得不在几秒钟 的时间内完成。个人评估过程可以包括适应、逃离或防御等方式。因而，在发生 火灾时的物理环境的可变化性是评估过程中的关键变数。这些决定性和关键变数 可以是：个人相对于疏散通道的物理位置：处于危险之中的人群里其他人的 位置和大致数量；人员生理和心理上对于火灾的不可忍受性；人群中其他人 的行为反应。在评估的认识过程中，个人可以决定启动火灾报警、疏散( 逃离) 或 拿灭火器( 灭火) 。在评估过程中，处于危险人群中的个人非常关注其他人的公开 行动和与其他人交流。因此，关注到的别人的行为反应可能就被模仿。结果是集 体的适应或不适应行为代替了选择个性化行为。在个人的评估过程中，文化，社 上海大学硕士学位论文 会和经济的影响，或担任一个特殊的个人心理角色对行为策略的正确表示可能是 非常关键的。如果是担任熟悉角色的个人，在适合的火灾情形和熟悉的环境中， 可凭经验减少焦虑，可能选择的适应性行为反应将多于一个角色不熟悉的人，角 色不熟悉表现为在不熟悉的环境中将面对发生的不熟悉威胁。 5 抉择过程 抉择过程包含个人利用初期行为反应的机制，需要达到在评估过程中形成的 正确的行为反应策略。这种对火灾威胁觉察的公开性为反应将导致成功、部分成 功或失败。因此，如果反应策略失败，个人立即进行另一个重新评估和抉择的过 程。如果做出的行动导致成功，尽管总的火灾形势可能更加严峻，个人的交际和 紧张的情绪会有所减轻。 6 重新评估过程 重新评估和重新抉择的过程是个人最紧张的过程，因为前一个适应威胁形势 的企图失败了。因此，应该更加注重行为反应，个人对反应的选择余地更小。由 于连续的失败，个人变得更加沮丧，焦虑增强，成功的可能性减少。在实际的火 灾案例中，造成很多人不得不选择窗户作为逃生的途径。这种分析企图了解个人 的认识过程，是通过检查意识、确认、评估、抉择、重新评估等过程的有关变量 来进行的。应该注意的是在数量、速度等方面，认识过程是动态的，是经常改变 的。在意识过程中，当个人正关注于模糊的觉察线索时，个人的行为反应( 与生 理和心理动态过程有关的) 将可能低于正常水平。 通过这一系列的火灾事故的觉察和确认过程，必然会带来火灾时人员疏散的 延迟，从而影响人员疏散效率。这一段时间一般被认为是人员疏散预动作时间， 在实际的火灾事故调查和人员疏散演习中都有相应的统计。对1 9 9 3 年世贸中心 爆炸事件之后的调查表吲4 3 1 ，1 1 0 层的超高层建筑物中，全部人员完成安全疏散 大约需要1 到3 个小时，其中人们做出疏散决策的时间竟占总时间的三分之二以 上。 三、紧急情况下的人员运动特征 人员疏散可定量地表示为三个基本特征量，它们均表述为比值，分别为密度 ( p ) 、流量( 厂) 和速度( d 。密度是指单位走道面积中的人数( 如2 0h i r i 2 ) ，密度 通常也以人均占用面积来表示。速度只是简单地指人在单位时间内的步行速度， 1 2 上海大学硕士学位论文 如1 0 m s 。流量是特指在单位时间内经过某一特定点的人数，如2 0 人秒，通常 用在运动或速度己确定的场合。这三个基本特征量与通道的宽度( w ) 在通用公式 中是相互关联的，可表述为： f = p v w( 2 4 ) 在三个基本运动特征的基础上，火场中的人员可以表现出不同的运动特点或者说 是行为。行为是为了满足一定的目的和欲望而采取的活动状态，简单地说就是人 们的日常活动。通常这些活动具有某些固有特性，用科学的手段加以量化和分析， 可找到其共同的规律性( 行为特性) 。由于火灾的威胁性，使得火灾时人员的运动 特点与正常时有很大的区别，主要表现为非适应性行为、恐慌行为、再进入行为、 灭火行为、穿过烟气行为等。 1 非适应性行为。在火灾事故中非适应性行为的典型模式包括忽视适应性 行为，或忽视有利于其他人的疏散行为，或忽视对火灾产生的热、烟、火焰的传 播与阻挡。非适应性行为包括不关门而离开着火房间，从而导致火灾穿过建筑结 构而蔓延，使其他人处于生命危险的简单行为反应。然而较通常的非适应性行为 概念包括不关心其他人，只顾个人从火灾中逃离，造成他们自己或其他人遭受身 体伤害。非适应性行为可能是一个行为疏忽，如忘记关门，或做出的一个反应， 尽管有良好的出发点和积极的愿望，但导致负面效果。当一个行为反应的结果是 灭火和降低危险，该行为就被视为是适应性的。然而当火灾发展超过刚觉察时， 同样的行为有时是并不有效的，这时更好的适应性反应可以是唤醒他人和通知消 防队。 2 恐慌行为。火灾通常会使人陷入惊慌失措之中，呈现出一种非常行为状 态，其显著特征就是恐慌。恐慌行为是非适应性行为的反应，可产生飞速逃离类 型的行为反应，包括某些多余的和不当的意图。发现并确认危险后，人在躲避本 能的支配下，尽量地向远离现场的方向逃逸；在丧失判断力的情况下，人们会盲 目跟从，导致人群性恐慌，从而造成难以挽回的损失。人群性恐慌发生后，通常 会伴随以下四种影响人员安全疏散的行为特征：( 1 ) 拥挤，即人与人之间将不会 有平常的相互协调与礼让，在得不到正确及时的疏散诱导和指挥的情况下，往往 会在建筑的楼梯1 3 、主要出口等疏散瓶颈处发生拥挤践踏；( 2 ) 从众，在大空间 建筑中，一旦火灾发生，烟气等火灾产物将使人们难以判断正确的疏散通道，从 上海大学硕士学位论文 而会产生盲目跟从的从众行为；( 3 ) 趋光，当建筑物中浓烟弥漫可见度低的情况 下，人们往往由于向光而放弃原有逃生线路，而奔向窗口等具有光线的地方，而 一旦到达窗口却受阻于护栏或者无法击碎玻璃时，则有被高温烟气夺去生命的危 险；( 4 ) 归巢，火灾发生后，火场中的人在躲避本能的驱使下，往往会选择小房 间、k t v 包厢等一些狭小封闭空间躲藏。 3 再进入行为。在国内外的一些火灾的统计文献中发现，在安全离开火灾 建筑时，总有部分人员的下一个运动是转回去和再进入，这些人通常完全清楚建 筑中发生的火灾，及建筑内的起火位置和烟气扩散到什么位置。再进入的原因主 要有灭火、抢救个人财产、检查火势和帮助他人。再进入行为不应当认为是非适 应性行为，因为这种人员运动通常出于帮助和救援留在或认为留在着火建筑中的 人。这种再进入行为通常是在理智的情况下，经过深思熟虑的，有目的方式下进 行的，没有非适应性行为常有的感情焦虑或自我焦急的特征。然而，过多的再进 入行为也常被认为是非适应性行为，因为在某种程度上将带来负面影响，如影响 建筑中他人的疏散行动。 4 灭火行为。建筑物内人员的灭火行为反应最普遍出现在涉及个人感情或 经济的场所( 主要是他们的家里) 。这种行为也有可能是训练和培训的结果，或是 因为专人被指派担当灭火任务的结果。 5 穿过烟气行为。穿过烟气的行为有时是与灭火行为和向他人通知火灾的 行为有关，通常是很多火灾中疏散行为的一个组成部分。影响一个人做出穿过烟 气的决心的主要变数是重新找到出口的位置，估计所需疏散距离的能力；第二个 变数是烟气严重程度的觉察( 靠观察烟气出现来决定) 、烟气密度、烟气所携带的 热量的高低程度。应明白在人员危险的有限的能见度条件下( 不低于4 m ) ，人要 完成疏散而穿过烟气的最大距离( 超过2 0 m ) 时，人员有时也将被强迫返回而不能 完成疏散。 2 3 2 建筑物结构对人员疏散的影响 建筑结构，尤其是建筑中的疏散通道、楼梯和疏散出口与人员能否安全迅速 地撤离密切相关。不同的建筑具有不同的结构特点，其安全疏散通道和安全疏散 出口的设置也不尽相同，从而导致最终的人员安全疏散也不尽相同。然而，我国 1 4 上海大学硕上学位论文 现有规范都没有涉及人员疏散的三个基本特征：即密度、速度和流量，而这三个 基本特征对于人员安全疏散的影响很大。下面将简单介绍国际上相关的统计数 据。显而易见，速度在一定程度上取决于密度。如果人与人之间空隙较大，则人 可以按照正常的步伐快速行进，如人与人间隔越近，则行走速度会减慢，直至最 后由于人员密度过大而无法移动。定量可表述为：当行人密度小于0 5 人m 2 时， 人能以1 2 5 m s 的平均行走速度行进在走道上。当密度增加时，行走速度随之降 低，当达到4 或5 人m 2 时，人就简直无法移动，相当于挤满了人的电梯轿厢。 这正好解释了一大群人争先恐后地拥向入口时往往导致疏散效率的显著下降的 现象。值得引起我们注意的是楼梯和出口的有效宽度概念，即出口和楼梯的宽度 在人员疏散计算过程中需要扣除边界效应的宽度。当楼梯或出口的边界为墙体 时，边界效应宽度为1 5 m