开放型公共场所应急疏散标识优化设计方法研究

赵国敏,张青松,赵云凤,戚瀚鹏

(1.天津城建大学能源与安全工程学院，天津，300384；2.中国民航大学安全科学与工程学院，天津，300300)



开放型公共场所应急疏散标识优化设计方法研究

赵国敏1*,张青松2,赵云凤1,戚瀚鹏2

(1.天津城建大学能源与安全工程学院，天津，300384；2.中国民航大学安全科学与工程学院，天津，300300)

摘要：为优化设计开放型公共场所的应急疏散标识，根据最短疏散时间、出口匹配原则建立两步优化模型，利用计算机仿真技术及数学优化模型，对开放型公共场所的疏散方案进行优化，合理分配各出口的疏散人数，对区域进行划分并设置相应的疏散标识。以某广场为例，运用上述方法进行疏散标识的优化设计，验证了该方法的可行性和适用性。优化结果表明，各出口的疏散人数分别调整至为282、143、152和424人后，疏散时间较初始状态降低了45.3%。该优化设计方法不仅可为开放型公共场所应急疏散标识的设置提供支持，还可为其他场所制定疏散方案、设置疏散指引标识提供参考。

关键词：开放型公共场所；应急疏散标识；疏散仿真；优化设计

0引言

随着城市化进程的加快，开放型公共场所的数量急剧增加，在此类区域发生的公共安全事件中，人员疏散面临的风险日益凸显。就在2014年12月31日23时35分左右，上海外滩陈毅广场发生了严重的踩踏事件，造成36人死亡，49人受伤，这令人哀痛逝者的骤然离去，更令每个人警醒。外滩之殇，折射的是城市安全治理规则的不健全和执行不力，同时城市居民的安全意识也亟待强化。由于开放型公共场所人群高度聚集，发生事故后波及的人员较多，事故后果较为严重，因此此类区域的应急疏散问题成为了公共安全领域的热点问题之一。

为在突发事件中指导位于开放型公共场所中人群的应急疏散，设置合理的应急疏散标识是最为简单有效的方法。Lo等[1]建立了博弈疏散模型，证明了应急标识对于疏散的重要性。Mantovani等[2]通过虚拟环境研究了不同环境和不同出口间距离条件下应急标识的效果，结果显示移动的箭头在出口指示方面稍具优势。Wong 和 Lo[3]通过对出口标识的图形、颜色、光照条件和观测者的年龄这四个方面的考察，发现绿色标识有非常高的可见度，光照条件差的情况下反而标识的辨识度高。Tang等[4]通过虚拟现实构造了一个疏散实验空间，通过比较没有应急标识、旧版本应急标识和新版本应急标识的三种情景，得出应急标识对于紧急疏散的影响。赵[5]通过分析应急标识的疏散距离、疏散宽度等设计指标和参数，得到了低处的标识比高处标识更容易被辨别的结论。杜[6]基于疏散过程中逃生者和应急疏散标识的交互模式，研究应急疏散标识的有效性问题和作用距离问题。另外，还有一些关于疏散方案优化的研究。李等[7]提出时空拥挤度的概念来描述时间与空间维上的移动对象的拥挤程度，并以此提出一种基于拥挤度的应急疏散路径优化方法，该方法能够为大型公共场所的人员疏散提供从建筑物内部经由路网离开危险区域的一个完整疏散路径方案。王[8]对复杂多功能区域人员疏散方案优化设计进行探讨，采取模拟仿真措施为疏散方案提供重要的数据信息，完善应急消防系统和疏散引导设施的设置，设计出与工程相匹配的疏散引导优化方案。然而，以上研究多关注于应急疏散标识的设置位置、颜色、图形等物理特征以及建筑物内的疏散方案优化，鲜有利用疏散标识指导多出口场所内人员选择适当疏散出口的研究。为此，通过建立应急疏散标识优化设计方法，利用计算机仿真技术及相应数学优化模型，对开放型公共场所的疏散方案进行优化，确定选择各出口进行疏散的合理人数，并对区域进行划分，设置相应的疏散标识，以最大限度降低疏散时间，保证应急疏散得以安全、高效地完成。

1开放型公共场所应急疏散标识优化设计方法

在对应急疏散标识进行优化设计之前，首先要制定科学合理的疏散方案，随后根据疏散方案在适当的位置设置疏散指引标识。为合理优化各出口对应的疏散人数，传统的方法为进行全尺度疏散实验，但大规模的人员疏散不但耗资巨大，容易发生事故，同时还无法获得重复数据[9]。为解决以上问题，目前的大规模人群疏散通常采用计算机仿真方法进行研究。国内外较为成熟的疏散仿真软件包括Pathfinder、Steps、EXODUS、SIMULEX等[10]。

为了科学合理地设置应急疏散标识，首先对开放型公共场所的人员疏散方案进行优化，根据最短疏散时间、出口匹配两条原则确定了一个两步优化模型，根据疏散优化模型所确定的疏散方案，在相应位置设置适当的应急疏散标识，指导开放型公共场所的人员疏散。应急疏散标识优化设计流程如图1所示。

1.1　初始疏散状态

图1　开放型公共场所应急疏散标识优化设计方法流程图Fig.1　Flowchart of optimum design method for emergency evacuation signs at open public places

在无引导疏散情况下，人群会倾向于遵循最短路径原则，即选择距其自身最近的出口进行疏散[11]。为此，基于最短路径的疏散情景即为优化前的初始疏散状态。通过疏散软件建立相应的疏散模型进行仿真，可以得到初始条件下的各出口所用疏散时间等参数。但由于仿真时所有人员均基于最短路径原则进行疏散，因此由于其位置原因导致个别出口的疏散数量过少甚至为零，使得仿真得到的疏散参数不准确。因此为确定各出口的疏散参数，依次单独开放一个出口，使全部人员使用该出口进行疏散，通过仿真得到各出口的首次进入时间ti，最后离开时间Ti和疏散人数Ni。利用上述疏散参数可计算出各出口的疏散效率ηi(per/s)，如式(1)中所示：

(1)

1.2　第一次优化

由于场所的地理条件及人员位置等原因，基于最短路径的人员疏散会导致大多数人均使用距离最近的出口进行疏散，引起该出口的过分拥挤，而一些距离较远的出口则利用率很低，最终导致人员分配的极度不均衡。为将人群合理的进行分配，最大限度的降低疏散所用时间，根据各出口最后离开时刻相近原则对疏散方案进行第一次优化，缩短疏散所用时间，优化模型如式2所示：

(2)

1.3　第二次优化

第一次优化在保证所有出口最后离开时刻相同的情况下合理的分配了各出口的疏散人数，使得所需疏散时间大幅降低。然而，通往各出口的道路条件及外部避难场所的条件会对人员疏散情况产生影响，如较多的通道转折处数目和岔路口数目都会影响到人员疏散时的判断，增加疏散时间，而这些因素在疏散仿真中并没有考虑。为此，设定出口匹配参数αi对疏散方案进行第二次优化。

经第二次优化后分配给各出口的人数如下所示：

(3)

(4)

式中，N″i为经二次优化后分配给出口i的疏散人数，αi为出口i的出口匹配参数，aij表示出口i对应上述三个因素中因素j的权值，r1、r2、r3分别为通道转折处数目、岔路口数目及出口外避难场所条件对疏散影响的权重。经专家打分确定判断矩阵，最终计算出r1、r2、r3分别为0.105、0.637和0.258。而aij可根据开放型公共场所的具体特征通过层次分析法获得。

对于运用层次分析法(AHP)[12]计算aij时要针对每一要素分别建立判断矩阵，而判断矩阵的标度及含义与传统AHP方法有所变化，如表1所示。

表1　判断矩阵标度及其含义Table 1　Scale and implication of judgment matrix

2实例分析

2.1　场景设置

以某大型露天广场为例，运用上述应急疏散标识优化设计方法指导标识的安置。该开放空间公共场所可能集聚大量人群的场所主要是中心区域的该广场。同时，4号出口通向地形特征相当复杂的某道路。

表2　场景和参数设置Table 2　Scenario and parameter setting

利用疏散仿真软件Pathfinder[13]建立相应区域的仿真模型，如图2所示。

图2　广场中小型活动疏散仿真模型Fig.2　Evacuation simulation model for small activities in the square

2.2　疏散方案优化

2.2.1初始疏散状态模拟

设置广场中的人员在无指导情况下自动选择距其最近的出口进行疏散(初始疏散状态)，通过仿真得到的疏散过程见图3，这4幅图以时间为序从俯视角度描述了在广场举办活动时发生突发事件后人群从疏散开始至完成过程中的各种形态。

图3　广场小型活动疏散仿真过程俯视图Fig.3　Plan view of evacuation simulation procedure for small activities in the square

通过仿真结果可以看出，2号和4号出口对广场内近80%的人进行了疏散，但其所用疏散时间(最后离开时刻即总疏散时间-首次进入时刻)是最长，分别到达了65.3 s和43.2 s。由于1号和3号出口距广场中心较远，因此其中通过人数只占总人数的20%，但所用疏散时间很短，分别为16.7 s和20.6 s。综上可以看出，2号和4号出口由于位置靠近人群而导致人流量很大，1号和3号虽然距离相对较远，但疏散利用率非常低，应将2号和4号出口的人群适当向1号和3号出口分流，降低疏散时间。

2.2.2第一次优化

依次单独开放一个出口，使全部人员使用该出口进行疏散，通过仿真得到个出口的首次进入时间ti，最后离开时间Ti和疏散人数Ni，并计算出各出口的疏散效率ηi，根据各出口最后离开时刻相近原则利用式(2)对疏散方案进行第一次优化。其中，M为1000人，ti依次分别为29.48 s、29.35 s、35.53 s和20.90 s，ηi依次分别为17.2、8.6、16.1和16.1。

经过第一次优化后，所有出口的最终离开时间为46.04 s，同时分配给个出口的人数分别为290人、147人、162人和404人。

2.2.3第二次优化

考虑通道转折处数目、岔路口数目及出口外避难场所条件，在第一次优化的基础之上，基于出口匹配的原则对疏散方案进行第二次优化。通过专家打分确定以上三个因素的判断矩阵如下：

经计算，以上三个判断矩阵均通过了一致性检验，得到的特征向量的转置即为aij。随后根据式(3)、(4)计算第二次优化后分配给各出口的疏散人数。

(5)

(6)

经第二次优化，分配给各出口的疏散人数分别为282人、143人、152人和424人。

2.3　应急疏散标识的优化设计

2.3.1疏散标识的安置

通过对疏散方案的两次优化，确定了匹配给各出口的合理疏散人数，同时假设广场中的人群密度分布一致为0.65 m2/per，将中心广场划分为25×40的网格，每个网格代表一个人所占的区域，则可根据优化后的疏散方案将中心广场划分为A、B、C、D四个区域，分别对应四个出口，如图4所示。

图4　广场分区网格图Fig.4　Grid chart of square partition

为此，在以上四个区域内的路边或建筑外墙上设置指示疏散方向的标识，同时在广场地面上也要安置疏散指引地标。此外，由于在通往出口1、2、3的道路中存在岔路口，因此还需在岔路口设置指引标识。该广场的应急疏散标识优化设计情况如图5所示。

图5　应急疏散标识设置图Fig.5　Setup diagram of emergency evacuation signs

2.3.2优化效果分析

为分析该广场应急疏散标识优化设计的有效性，运用仿真软件Pathfinder对两次优化后的疏散方案进行仿真，将其疏散结果与初始疏散状态进行比较，如图6所示。

图6　优化效果分析图Fig.6　Analysis chart for effectiveness of optimization

由图6可以看出，在没有设置应急疏散标识(初始状态)时，使用各出口进行疏散的人员数量极度不均衡，出口3由于距广场相对较远而导致利用率极低，仅有40人经该出口疏散。同时，出口2的总疏散时间高达90.9 s，显著超出其它出口的疏散时间。在进行第一次优化时，将使用出口2和出口4的部分人员分配给出口1和出口3，最终使所有出口的疏散时间均在47±2 s，将疏散时间降低了近50%。随后根据疏散通道通行条件和出口外避难场所条件，在第一次优化的基础之上进行了第二次优化。经第二次优化后，由于出口4的疏散条件较好，因此增加了匹配给其的人员数量，导致其疏散时间小幅增加；而其它3个出口疏散人数略有减少，随之也造成的疏散时间的微量降低。虽然经第二次优化后的疏散时间较第一次优化略有增加，但其考虑了仿真中无法量化的影响因素，较第一次优化后的方案更为合理，同时还将初始状态的疏散时间降低了45.3%以上。为此可以表明，在两次优化后按出口人员匹配数量对广场进行分区，在不同区域安置相应的应急疏散标识后，人员可根据疏散标识向不同出口进行疏散，广场在发生突发事件时的人群疏散效率得到明显改善，疏散时间显著缩短。

3结论

本文根据最短疏散时间、出口匹配两条原则建立了一个两步优化模型，结合疏散仿真对开放型公共场所的疏散方案进行优化，随后根据疏散方案中各出口人员匹配情况划分区域，在相应区域设置应急疏散标识，指导人员疏散。以某广场为例，运用该方法对疏散标识进行优化设计，结果表明，各出口人数根据疏散通道通行条件和出口外避难场所条件得到了良好的配备；经两次优化后，分配给各出口的疏散人数分别为282人、143人、152人和424人，疏散时间自90.9 s降至49.7 s，降低了45.3%。此优化设计方法避免了现实疏散实验容易导致人员伤亡及耗资巨大的缺陷，不仅可为开放型公共场所应急疏散标识的安置提供支持，还可为其他场所制定疏散方案、设置疏散指引标识提供参考。

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Optimal design method of emergency evacuation signs at open public places

ZHAO Guomin1, ZHANG Qingsong2, ZHAO Yunfeng1, QI Hanpeng2

(1. School of Energy and Safety Engineering, Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China;

2. College of Safety Science and Engineering, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300,China)

Abstract:The emergency evacuation of open public spaces has become one of the hot issues of public safety. In this paper, a two-step optimization model is established to optimize the emergency evacuation signs at open public places, based on principles of shortest evacuation time and exit matching. The evacuation planning of open public places is optimized via computer simulation technology and mathematical optimization model. By this model, the numbers of evacuees for each exit are reasonably distributed, and the regions are divided, with the emergency evacuation signs set up accordingly. An example of a certain square is presented by which the feasibility and applicability of the model are verified. The results show that when the numbers of evacuees for each exit are adjusted to 282, 143, 152 and 424, the evacuation time decreases by 45.3% compared to the initial state.

Keyword: Open public place; Emergency evacuation signs; Evacuation simulation; Optimal design

DOI:10.3969/j.issn.1004-5309.2015.04.07

文章编号：1004-5309(2015)-00235-08

通讯作者：陈仪洋，E-mail:1552398645@qq.com

作者简介：汪和平，安徽安庆人，(1970.10- )，教授，博士，研究方向为工程管理。

基金项目：教育部人文社会科学青年 (14YJC630119)；安徽省教育厅自然科学基金重点项目(KJ2010A056)。

收稿日期：2015-04-10；修改日期：2015-05-25

中图分类号：X93；X932

文献标识码：A