应急疏散仿真技术及其研究进展

1、消防理论研究应急疏散仿真技术及其研究进展严晓龙1, 刘涛1, 汤永川2(1. 浙江省消防总队, 浙江杭州310014; 2. 浙江大学计算机科学与技术学院, 浙江杭州310027摘要:介绍了应急疏散仿真技术提出的背景及其特点, 阐述了所涉及到的群体行为的社会心理学研究、应急疏散的计算机仿真研究和各种应急疏散应用技术等, 并对其发展趋势以及未来的研究方向进行了展望。关键词:疏散; 虚拟现实技术; 计算机模拟中图分类号:X 913, T P 39, TU 972文献标识码:A文章编号:1009-0029(2007 06-0617-041引言突发事件所引起的恐慌, 相互推挤、一种, 举。度关注的问题

2、、人群紧急疏散指挥管理、群体控制的措施与方法等重大课题。为做好公共场所人员应急疏散处置, 在目前的技术条件下安全管理部门只能通过应急疏散演习来提高应急疏散能力, 并对公共场所的应急疏散设施进行安全评估。但应急疏散演习风险大、费用高, 同时当前对公共场所的应急疏散设施的安全评估缺乏有效的技术标准。在这样的背景下, 有必要借助计算机交互仿真技术来模拟群体行为与应急疏散场景, 借助计算机网络实现应急疏散模拟演练, 并利用模拟结果对应急疏散指挥方案与公共设施进行性能化设计和评估。实际上, 类似恐慌这类群体行为是有规律可循的。在恐慌状态下, 通常会观察到以下典型行为和现象:强烈的从众行为、“欲速则不达”

3、的现象、人群在出口处或入口处挤作一团形成拥堵的现象等。因此, 通过计算机仿真技术来研究群体行为和现象是可行的。另外, 用户化身等交互技术也发展得比较成熟, 这为虚、实相结合的应急疏散演练指挥平台提供了技术支持。应急疏散仿真技术的研究涉及到群体行为的社会心理学研究、应急疏散的计算机仿真研究和各种应急疏散应用技术等, 笔者分别对这几个方面进行分析。2群体行为的社会心理学分析群体行为一直是社会心理学研究的主题, 它与组织行为或制度行为有着本质的区别。在社会行为的连续谱系中, 群体行为可以看作是这一谱系中较散漫的一端。一般参与群体行为的人们的目标和期望相对不明确, 社会情景模糊, 社会的控制机制薄弱。

4、其主要特征是不确定性和紧迫感。, 。关于人群恐慌的:1 处于恐慌状态中的人; (2 在逃生出口, 拥挤的人群呈; (3 拥堵的人群所产生的挤压力迅速增加, 其强度甚至可以扭曲铁栅栏; (4 拥堵的人群由于有人伤亡而使疏散的速度减慢; (5 人们表现出从众行为; (6 其它逃生出口被忽略或不能被有效利用。在研究中, 群体行为的一个主要特征是明显地抛弃了个人信念和态度, 取而代之的是新的集体性行为模式。在共同推动力的支配下, 群体的所作所为看似有自己的意志。社会学家对这一现象产生的原因提出了三种主要理论, 即感染论、趋同论和新兴规范理论。这三种定性理论从不同的角度阐释了群体行为形成的原因。除此之外

5、, 社会心理学家对群体行为还进行了大量的经验观察研究和实验研究, 并积累了许多关于群体行为的经验。在研究方法上, 社会心理学家主要采用人群疏散演习、视频录像、调查问卷和访谈等方式来获取人群行为数据和资料。例如, J B errou 教授在分析了超过1000h 的行人行走影像资料后, 归纳出了一些行人行走的差异; K Yam o ri 通过记录分析人行横道上行人行为模式后, 建立了行人微观-宏观行为动态模型; T Su igm an 等人通过紧急疏散演习分析, 比较了“Fo llow m e ”和“Fo llow directi on ”两种疏散指挥方法在不同情况下的优劣; Gunnar 教授同

6、样通过紧急疏散演习的方式, 建立了复杂室内环境下人们寻找逃生路径的几种模型; L ee 等人还通过旅客紧急疏散演习, 研究了颠簸的船体对旅客逃生速度和疏散时间的影响。考虑到这些演习的局限性, Sh ields 等人在一家大型超市进行了一场没有事先通知的紧急疏散演习, 最后结合视频录像和调查访谈得到了一些非常重要的人基金项目:国家自然科学基金项目(60604034 ; 浙江省科技计划重点项目(2007C 23061 716消防科学与技术2007年11月第26卷第6期 群行为数据。这一研究揭示了群体行为的基本单元并不是个体而是成员簇(C lu ster , 正如Kerridge 教授所指出的“在突

7、发性事件中, 人们所做的第一件事是彼此寻求支持和共享信息”。该项研究更重要的启示是对管理人员进行紧急疏散的培训非常重要。另外, Isobe 与H elb ing 等人还进行了一项漆黑环境下人群紧急疏散演习的研究, 在该项研究中参加演习的人员都蒙上了眼睛, 在疏散过程中他们大都沿墙摸索前进, 这一现象与火灾中人们的表现是相一致的。到目前为止, 最大规模的人群紧急疏散的调查研究可能是有关“911”恐怖袭击中人群行为的研究。在“911”恐怖袭击中, 总共约有3000人不幸丧生。2002年, 美国国会指定N IST (国家标准与技术研究所 对世贸大楼的安全和紧急反应进行调查; 英国政府也拨款100万英

8、镑, (Galea 领导的小组来对此进行调查。塌前楼内人们的行为和反应, N 者进行了电话访谈; 2000余名教授于2005年末:在大楼遭受第一次撞击到人们开始疏散之间存在较长时间的延误。虽然有77%的人在第一次撞击后的5m in 内就开始撤离, 但另外有19%的人花了1h 的时间来撤离。更令人难以置信的是有4%的人在他们的办公室内滞留的时间超过了1h (从大楼遭到袭击到大楼倒塌的时间为1. 7h 。另外, 对群体行为比较好的社会心理学分析见文献10,该文详细分析了群体特性、群体认知、社会关系等对紧急疏散的影响。较早从群体安全工程的角度研究群体心理学的人有Si m e 教授。这些研究的最终目的

9、是要找出在群体中人们无意识遵从的行为规则。如果从微观上理解了这些行为规则, 就有可能揭开群体行为之迷, 进而对群体安全控制和建筑设施的设计提供指导。3应急疏散仿真的研究现状在“911”恐怖袭击之后, 人群紧急疏散仿真研究引起了欧美国家的高度重视。N IST 利用Gelea 设计的紧急疏散仿真模型EXODU S 对世贸大楼的紧急疏散进行了仿真。结果是:当大楼内的人数达到2万时, 将有1. 4万人在这次灾难中丧生。基于仿真结果, N IST 准备在2008年对“美国高楼建筑标准”进行修订时, 加入“全员疏散”的标准。目前的人群紧急疏散仿真模型可分成两类, 一类是以元胞自动机模型(Cellu lar

10、 A u tom ata M odel 为代表的离散仿真模型, 另一类是以社会力量模型(Social Fo rce M odel 为代表的连续仿真模型。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, 它最早由V on N eum ann 等人提出。当元胞自动机模型用于人群紧急疏散时, 其基本思想是将建筑物平面进行均匀网格划分, 每个网格有三种状态:被墙壁或障碍物占据、被人员占据或为空。模型中的人员占据一个网格(元胞 , 同时模型中人员的运动将遵循一定的局部规则并具有一定的智能性。在目前大多数元胞自动机仿真模型中, 以K irchner 模型最具代表性。K irc

11、hner :静态场和动态场。; K irchner 模型的, 如H enein 等人; 宋卫国等人在K irchner 模。这些改进工作使得元胞自动机能够模拟更多的群体基本行为。杨立中等人特别针对火灾场景研究了基于元胞自动机的人员疏散模型, 其基本思想类似于K irchner 模型, 在他们的模型中人员对疏散路径的选择依赖于场景的“总危险度图”或网格点的各种作用力的综合影响。在所有群体行为仿真模型中, H elb ing 等人提出的社会力量模型最为成功, 这一研究成果作为封面文章发表在N atu re 杂志上, 编辑对该项研究成果给予了高度评价。社会力量模型是一种多粒子自驱动的连续模型, 人员

12、被表示成具有一定质量和大小的自驱动的粒子。所谓的社会力是指人员之间或人员与环境之间的社会心理交互或物理接触。每个人员都试图以一定的期望速度运动, 而人员的实际运动速度最终由一个牛顿力学方程组所决定。应用该社会力量模型,H elb ing 等人仿真了人群拥挤与堵塞、“欲速则不达”等群体行为现象。B raun 等人后来改进了社会力量模型, 在其中引入了利他性和依赖性的个体特性, 这一改进的社会力量模型为仿真不同个体的紧急疏散能力提供了可能。Parisi 等人进一步深入分析了社会力量模型在紧急疏散中的应用, 指出在群体堵塞中基本组成单元是“阻塞簇”, 而不是个体成员本身。类似于社会力量模型的心理学模

13、型还被应用于计算机群体动画的应用中。离散仿真模型省去了建立群体行为微分方程组这一过程, 在仿真速度上得到提高。但是离散仿真模型在对群体行为的模拟真实程度上, 不如以社会力量模型为代表的连续仿真模型。连续仿真模型的缺点是计算成本较大。但是笔者认为, 计算成本的降低和速度的提816F ire Sc ience and Technology , N ovem ber 2007, V o l 26, N o . 6 高并不是应急疏散仿真研究的重点, 仿真结果是否真实反映了客观现实是这一研究的关键, 因为这是涉及到公共安全的一项研究。总体上讲, 现有研究主要侧重于群体行为的物理模型, 一种研究趋势是将心

14、理变量引入到群体行为物理模型中, 但缺乏对群体行为控制模型的研究。考虑到应急疏散演习风险高、花费大, 有必要开发应急疏散演练平台, 这就需要研究群体交互控制技术, 如用户化身技术在应急疏散仿真中的应用。同时, 需要将这些技术成果真正用于公共设施应急疏散性能评估和应急疏散指挥中。4应急疏散技术专利授权情况通过检索国家知识产权局的授权专利库, 笔者并未查询到应急疏散仿真技术与群体行为建模技术申请专利保护的记录, 拟与应急处置技术的专利。(1 发明专利Z L 95107237. 4, 可在计算机, 模拟事故发展过程、工业处理过程和应急方案, 提供应急状态下的人力、物力需求、布置和危险区域的参考方案。

15、(2 发明专利Z L 01136292. 8公开了一种公共场所智能消防提示指挥疏散系统。该发明将火警警告和系统预设的疏散方案以音、视频的方式通知火灾现场中的人员, 指挥人员疏散; 它将地理信息系统与数据库系统相结合, 通过内置专家制定的火灾疏散方案, 自动在控制中心的电子地图上显示出着火点, 通过广播系统向建筑物内的所有人员发出报警提示, 并给出相应的疏散方案, 能够指导人们选择正确的撤离路线和救助方式。(3 发明专利Z L 03137108. 6公开了一种智能紧急疏散控制系统及其实现方法。该发明主要利用火警监控设备, 自动确定报警位置, 计算出最佳疏散路径, 向光电指示牌发出控制信号, 指示

16、疏散方向。实现了人工报警与自动预警的有机结合。(4 发明专利Z L 200510047198. X 公开了一种智能疏散指示系统。该项发明将火灾自动报警系统与疏散指示系统结合在一起, 利用火灾自动报警系统提供的准确的报警位置信息, 自动形成和指示疏散的最佳路线, 使诱导疏散成为一种智能化逃生引导系统, 与传统的固定方向型疏散指示相比有着巨大的技术优势和实用价值。在突发事件模拟与应急处置技术领域, 将疏散仿真的结果与公共场所的现场监控相结合, 并用于应急疏散的提示指挥是未来的重要方向。可见, 如果将群体行为建模技术、群体交互控制技术以及应急疏散仿真评估系统等研究工作集成起来, 对认识群体行为的灾变

17、过程、制定群体安全控制措施以及应急疏散指挥都有重要意义。5交互式应急疏散仿真技术与系统西方国家在“911”恐怖袭击后加大了对应急疏散仿真的研发力度, 但其产品目前还仅停留在应急疏散虚拟仿真层面。笔者认为, 将交互技术加入到虚拟仿真中, 必由之路, 此外, 适时启动公共的, 。, 未来的研究有, 而疏散场景则用虚拟环境来表示。在应急疏散仿真中可以引入两种类型的虚拟人, 即自主虚拟人和用户化身。基于这些基本表示, 交互式应急疏散仿真系统的主要研究内容是:恐慌状态下虚拟人群体行为物理模型与群体动力学特性仿真研究、自主虚拟人行为控制模型研究、基于用户化身技术的群体控制仿真研究和应急疏散指挥与公共设施评

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22、visibility J . Physical R eview E , 2004, 69(6 .916消防科学与技术2007年11月第26卷第6期 火灾科学与消防工程第四届消防性能化规范发展研讨会在京举行由中国消防协会、中国科技大学、清华大学、香港城市大学、北京消防协会联合主办的“火灾科学与消防工程第四届消防性能化规范发展研讨会”于2007年10月28日至31日在北京举行。开幕式由中国消防协会李向华副会长主持。公安部消防局李世雄副局长、中国消防协会孙伦会长、北京市公安消防总队赵子新总队长出席了开幕式并致辞。出席开幕式的特邀嘉宾有中国香港特别行政区消防处郭晶强处长、中国香港特别行政区屋宇署张孝威

23、署长、中国澳门特别行政区消防局马耀荣局长、中国台湾中华消防及减灾学会赵钢理事长、新加坡民防部队消防安全与防空处巫奕马光处长。来自全国的200余位代表出席了会议。会议交流主要内容包括:国际消防性能化规范应用现状及发展前景介绍, 、大型商场、越江隧道、公路隧道、大型舰船机舱、城市轨道交通、火灾模型实验分析及人员安全疏散评估等。本刊10Benigno E. A guirre, Em ergency and p sycho logyJ. P sych (2 :.11Si m e J D . C d . Safety Science ,1995, 23:1-12Galea E R , ro J M .

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