人员疏散研究方法探讨

　建筑防火设计　

人员疏散研究方法探讨

潘黎鹂,陈　涛

(清华大学公共安全研究中心,北京100084)

摘　要:基于复杂性科学理论,从人员疏散系统的特性入手,提出人员疏散系统是一类特殊的复杂巨系统的观点。通过调研复杂巨系统研究方法以及国内外人员疏散的研究历史和发展现状,概括人员疏散系统研究方法为“基础数据收集整理-建模仿真-结果分析和实验验证-调整参数和修正模型”,并与复杂巨系统的“综合集成法”相比较,指出人员疏散研究中所遇到的难点及突破口在于人员疏散模型的综合化,需要系统思想和复杂巨系统理论的指导。

关键词:人员疏散;复杂巨系统;综合集成法

中图分类号:X913.4,TU972 文献标志码:A

文章编号:1009-0029(2010)03-0214-03

随着科技的进步和经济的发展,高层建筑、大型商场和综合性公共设施等超常规建筑不断涌现。在这些建筑中,人员集中,人员密度和流量很大,同时,由于其建筑功能、分区等多样化,现行的防火设计规范等安全保障措施显得无能为力。如何有效地预防和减少火灾及其他突发事件造成的人员伤亡,尤其是群死群伤事故,已成为国内外公共安全工作的重心。人员疏散作为紧急情况下有效降低人员伤亡的重要措施之一,逐渐得到了国内外学者的关注,其研究内容也在不断拓展和深化。

人员疏散研究始于火灾科学。20世纪30年代早期,对该领域的研究在美国初步兴起。1977-1980年召开的三届“火灾中人员行为”研讨会,标志着人员疏散行为研究在世界范围内引起关注并得到发展。自1985年起,人员疏散研究进入成熟期,计算机模拟逐渐成为研究人员疏散的新途径,研究空间由建筑中的人员疏散扩展到客机、轮船乃至一个城区,研究环境由火灾扩展到其他自然灾害或突发事件。

我国人员疏散研究起步较晚,“十五”期间公安部开展的“我国大空间公共建筑人员疏散特性基础数据研究”项目是该领域的开拓性工作。随着我国政府对公共安全的日益重视,该领域得到了迅猛的发展,真实案例收集整理和疏散实验等工作的开展为疏散时间和人员行为研究提供了初步的基础数据,人员疏散动力学特性等基础研究不断细化,各种疏散模型不断被开发和完善,如大型公共建筑火灾人员疏散行为仿真模型HEBSF,空间网格疏散模型SGEM,高层建筑人员疏散仿真模型BuildEvac,复合火灾疏散模型CFE和微观离散疏散模型Safego等。但总体来说,我国在该领域的研究仍主要集中于计算机模拟仿真,缺乏基础数据收集整理、针对我国实际情况的特性参数设置和普遍规律的提炼等,我国人员疏散研究亟需进一步加强。

笔者运用复杂性科学理论,从人员疏散系统的特性入手,讨论人员疏散研究方法以及研究过程中遇到的困难本质和可能突破点。

1　人员疏散系统

研究工作的第一步是认清研究对象并分析其特性。在文献[13]的基础上,笔者将人员疏散系统结构表示为图1。系统包括人、空间(如:建筑结构)和灾害环境(如:火灾)

以及这三者间的相互作用与关系。

图1　人员疏散系统结构图

1990年,钱学森等发表了题为《一个科学新领域-开放的复杂巨系统及其方法论》的文章,针对传统的系统分类方法过于注重系统的具体内涵而忽略系统本质的问题,着眼于系统结构的复杂性,提出了以下分类方法:根据组成系统的子系统数量的多少以及子系统种类的多少和它们之间关联关系的复杂程度,将系统分为简单系统和巨系统两大类;进一步划分,在巨系统中,又包含开放的复杂巨系统这一类。这里,“开放”是指系统与外界之间存在能量、物质和信息的交换;“复杂”是指子系统种类很多并有层次结构,其关联关系又很复杂。随着复杂性科学的发展,“开放”被认为是“复杂”的根源之一。因此,“开放的复杂巨系统”这一名词由“复杂巨系统”代替。

1.1　人员疏散系统是一类复杂巨系统

首先,人员疏散系统是一类巨系统,即系统所包含的子系统数量很多。实际应用中所涉及的人员疏散算例通常为大型公共建筑内(有时甚至是一个城市)的大规模人员疏散,人员数量在几千甚至几万、十几万的量级。

其次,人员疏散系统是一类复杂的巨系统。等级层次结构、非线性和开放性是该系统主要的复杂性根源。由图1可以看出,人员疏散研究涉及到人与人、人与建筑和人与环境的相互作用和关系。人、建筑结构和具体环

境,这三者的差异性很大;同时,人群流动还受到人与人之间相互关系的影响,以及建筑结构和具体环境的限制,反过来,具体环境的演化又受到建筑结构和人的制约等,这些关系属于本质非线性关系,并且形成了等级层次结构。另一方面,人员疏散系统与外部环境有物质、能量以及信息的交换,如消防队的灭火和救援行为以及人员通过外界获知具体信息并调整自身行为等。以上特点决定了人员疏散系统不能简单地由子系统出发直接合成全系统的运动和功能,传统的思想和方法已不能得到满意的结果。

1.2　人员疏散系统是一类特殊的复杂巨系统

首先,根据复杂巨系统的概念,一个人就是一个复杂巨系统,人可以利用过去(知识)、未来(预测)和当前的信息及环境作用,作出各种复杂的反应。而现在人员疏散系统又以数量巨大的人作为子系统,并综合空间、环境组成一个巨系统。由于人的特性,该系统的子系统之间关系不仅复杂,而且随时间和具体情况有极大的易变性和随机性。

其次,人作为复杂巨系统,具有在彼此之间和与外界进行信息交换的能力,从而能够不断学习和调整自身的行为,这一特殊性导致整个系统的结构不断演化。

综上所述,依据复杂性科学理论,人员疏散系统由于其子系统数量巨大、等级层次结构、子系统之间关系的非线性、本质的开放性以及系统结构随时间不断演化等特性,可以被界定为一类特殊的复杂巨系统。

2　人员疏散系统研究方法讨论

人员疏散系统是一类特殊的复杂巨系统,复杂巨系统的研究方法论可以用于指导人员疏散的研究。

2.1　复杂巨系统研究方法论概述

钱学森等讨论了复杂巨系统的研究方法-定性定量相结合的综合集成方法,如图2所示。为解决复杂系统工程问题,一是由专家依据科学理论、经验知识和对实际问题的了解,明确问题的症结所在,对解决问题的途径和方法做出定性判断,将问题纳入系统框架,界定系统边界并明确相关变量;二是用数学模型或逻辑模型描述实际系统,通过对模型的研究反映对实际系统的研究,并借助计算机模拟仿真得出定量结果;三是对结果进行分析,

必

图2　复杂巨系统研究方法论示意图

要时对模型和参数进行调整,重复以上步骤;四是给出定性描述和定量根据,得出有足够科学根据的结论和建议以指导实际,供决策部门参考和评估。

2.2　人员疏散系统研究方法概述

参照图2,结合人员疏散研究的历史和现状,可以得出人员疏散研究的方法论框架,如图3所示。人员疏散研究早期主要着眼于火灾中的人员疏散数据资料收集,采用对真实火灾事故幸存者的调查和组织人员疏散演习两种方法。随着研究的深入和大量观测数据的收集和分析,研究者总结了人在火灾中的心理和行为特点,奠定了人员疏散行为理论体系的基础。自20世纪80年代起,借助计算机模拟,人员疏散研究取得了重大进展,建立了多种建筑物火灾时人员疏散时间的数学公式和疏散行为的物理模型,并通过与传统方法获得的数据进行对比分析,不断修正和完善相应模型,由定性描述、确定性研究逐步过渡到定量分析、考虑随机性的探索。与复杂巨系统研究方法论对比可以看出,作为一类特殊的复杂巨系统,人员疏散系统研究的方法可以概括为“基础数据收集整理-建模仿真-结果分析和实验验证-调整参数和修正模型”,基本涵盖在复杂巨系统的研究方法-定性定量

相结合的综合集成方法之中。

图3　人员疏散研究方法示意图

3　发展趋势、困难和突破口

进入21世纪,人员疏散系统研究进一步深入和完善。总体来说,人员疏散的研究正在朝着三个方向发展:

(1)研究的对象更具体。从火灾中的人员疏散到自然灾

害等多种突发事件的人员疏散研究,从单一人群的人员疏散到不同年龄的人群和残障人士的疏散,从建筑物中的人员疏散到客机、轮船甚至一个城区的人员疏散等。

(2)研究的内容更精细。出口的宽度和人流关系,照明和

标志对人员的影响,自动扶梯和电梯的作用等都成为研究的热点。(3)人员疏散模型的综合化。一是更合理地综合人、空间和环境三者相互关系的层次结构;二是整合前两个方面的具体对象和精细内容的成果,把微观和宏观统一起来;三是集中心理学、建筑学、控制论等多门学科的最新成果,更好地解释人在紧急情况下的心理和行

为规律,更全面和真实地模拟实际情况。