基于分片化多目标疏散算法的人员疏散方案设计
2018-05-16费熹
费熹
【摘要】本文围绕露天体育场的人员疏散路径规划问题展开研究，以西北民族大学民康体育场为例，基于分片网络和体育场特点构建了人员疏散模型，并提出了基于该模型的分片化多目标疏散路径优化算法.另外，本文对分片化多目标疏散路径优化算法的模型运行机理等进行了系统的分析，最后利用Pathfinder软件模拟的方法来求出相应的指标.
当人员满座时，首先考虑在最理想状况时即忽略一切因素的影响，只考虑每个疏散口可以出入的人数，通过分析得到其疏散人数的总和趋于等差数列，通过计算，疏散时间为140.0 s；然后依据体育馆的对称性将其均分为八个区域，每个区域依据楼梯出口的位置把人员分为两个片，对一个区域的数值来求解出其总疏散时间为144.0 s.最后通过分片化多目标疏散路径优化算法得出的时间（144.0 s）与最理想状况下的情况相比，本文得到的模型基本接近于理想状况，因此，疏散分区方案可认为是人员满座时的最优方案.
在比赛期间，观众有集中于某一区域和分散于整个看台两种情况.对此，本文建立体育场局部模型和整体模型，通过对比，体育场模型疏散时间少于单区域，在人员不满座并集中于某一区域时，疏散时间与人员总量成正比例关系；在人员不满座并分散于整个看台时，疏散时间与人员总量呈线性关系.最终得出，两个方案的最优分区方案均是以疏散口为中心，均分为14个区域.
【关键词】分区域；多目标；Pathfinder软件模拟
一、背景介绍
随着我国体育事业和经济文化的快速发展，体育场的建设呈现出愈渐复杂的趋势.由于体育场自身拥有人员大量聚集、密集度高、使用时间较为集中的特点，所以一旦发生紧急情况，往往会造成严重的人员死伤.因此，进行体育场馆内人群疏散研究具有重要的现实意义.
分区疏散策略运用在体育场上时，首先要考虑到其建筑结构与人员的分布情况，接着，通过对人员所在的体育场进行区域划分，从而确定不同区域人员的疏散路线及对应的疏散出口.在座位固定的体育场中，由于观众持有的入场券上标示着具体的座位号，所以观众均明确知道自己所在的位置，因此，可以利用出入口的不同来将人员划分到不同的区域，并把分区结果标识在入场券上，这样就可以让在体育场的观众在遭遇突发事件时，能够按照入场券上指示，高效、均衡利用各个疏散出口，迅速撤离现场.
本文从实际出发，以西北民族大学中的“小鸟巢”体育场为例，分析其在遭遇突发事件的人员疏散分析.
二、对模型的建立进行假设
1.假设灾难发生时体育场看台内部逃生通道不受影响，且疏散人员有足够的身体条件疏散到安全地点；
2.假设发生的灾难为常见灾难，例如，火灾等，且各部分同时疏散；
3.假设在疏散过程中，人流量与疏散通道的宽度成正比分配.
三、体育场馆人员疏散影响因素
人员的安全疏散所要满足的要求分别为：第一，保证体育场内所有人員在可允许的时间内均能到达避难场所；第二，在疏散的过程中不会由于人群的滞留和通道的拥挤堵塞等引起事故的发生.
人流流量系数是单位时间内单位宽度通过的人数，经计算，体育馆散场人流流量系数为1.5人/（m·s），体育馆散场下楼梯的人流流量系数为1.3人/（m·s）.
而人群的疏散速度在大多数情况下取决于人群密度：密度越大，人与人的间距越窄，疏散的速度就会越慢；反之若密度变小，那么疏散速度也会相应变快.研究表明，当密度小于0.5人/m2时，人们可以按较为舒适的速度疏散；而当密度超过5到7人/m2时，人们的移动将变得十分困难.而行走速度与其密度之间的关系如下：
五、以西北民族大学民康体育场为例进行体育场人员疏散问题的解决
（一）考虑人员满座时的情况
1.满座时人员平均分配（最理想的状况下）
首先考虑在最理想的状况下进行人员疏散，并对情况进行以下的假设：
（1）假设每个人都从距离自己最近的那个出口进行疏散，且不考虑个体之间的差异.
（2）假设在第一个人从自己的位置到达离自己最近的出口的时候，所有从这个出口出去的人员都已经到达该出口，其间无时间差.
（3）当人们经楼梯到门口出去时，由于人员较多不可能同时出去，肯定会有等待的人，因此，假设在下楼梯后由于等待的人员存在，在下楼梯时考虑为已经到达最终的出口位置.
西北民族大学民康体育场共有四个大门，每个门口并排可以通过11人，第一个人到达大门的距离为90米；看台上面到操场大门出口的楼梯有2个，每个楼梯可以并排通过2个人，楼梯的总长度为4米；看台中间的楼梯口共有14个，每个楼梯可以并排通过4个人.根据疏散过程的基本情况说明，本文根据疏散的时间与人员的关系，进一步得出人员疏散的人数与时间（t）的关系：当t<10时，疏散人数为14×4×t；当10
t=14 00014×4×t+11×4×（t-10）+2×2×（t-14）.
根据该公式可以求出：t≈140 s.
最后，本文把按照分片化多目标疏散路径优化模型所得出的时间（144）与最理想状况下的疏散时间（140）进行比较，得出以上的分区方案是较为科学合理的较优方案.
2.满座时按照出口的位置对体育馆分区
首先对学校体育馆的图形进行采集，本文分别选取了学校体育馆的俯瞰图和二分之一图.由于民康体育场是东西南北完全对称的椭圆形状，因此，本文首先把其分为东西两个区域，然后再把东西两个区域平均分为南北两个分区，接着在每一个区域按照楼梯口位置分为左右两个区域，最后，本文把体育馆整体平均分为8个区域，共16个子区域.对看台其中一个区域的两个子小区（A，B表示）进行人员疏散分析.
体育场有4个大门，场内人员可以由此快速疏散，看台人员也可以先进入场内再通过大门疏散.
通过地图软件对体育场场内进行测距，本文得到民康体育场东西长182 m，南北长215 m，通过实地测量，看台座椅主要有30×10座、50×10座两种集中分布形式，此外还有楼梯周围，看台上部曲线区域的不规则部分座椅，对此，本文在用Pathfinder软件进行体育场四分之一区域模拟时，设定场内为长100 m，宽90 m的三角形区域，大门位置为对角线上距顶点40 m处，人数250人.经模拟，最小疏散时间为50.02 s.故在紧急情况下体育场场内人员可在50.02 s内全部疏散，同时，看台少数人员可在看台楼梯拥挤时通过场内楼梯从大门疏散.
体育场看台共有16个楼梯出口，看台人员主要由此疏散，其中两个通往场内，但由于楼梯宽度仅为1 m，少数人员通过迅速，但大量人员通过易形成堵塞，故不详细说明.通过测量，14个看台楼梯间距平均为45.04 m，樓梯宽度为3 m，平均每个看台楼梯可疏散1 000人，对此我们设定楼梯周围区域长45 m，宽15 m，楼梯周围1 000人（座椅高度同台阶高度相近，在疏散时可视为台阶，模拟时忽略座椅和台阶，设为平面），经模拟测试，该区域最小疏散时间为144.03 s.故在人员满座情况下，可在144.03 s内全部经看台楼梯疏散，同时，经过场内楼梯从大门也可疏散部分人群，实际疏散时间少于144.03 s.
（二）考虑人员不满座时的情况
在大多数时间，体育场看台处于无人或有少量人员状态，在比赛期间，体育场看台会有大量人员观看比赛，这时观众会有集中于某一区域和分散于整个看台两种情况.对此，本文利用Pathfinder软件建立体育场局部模型和整体模型.
接着，进行体育场模拟测算.在体育场举行活动时，人员常常是为了最好的视觉体验而选择座位，这就会产生某一区域人员密集而其他区域稀疏的情况.这种情况下，疏散时间主要取决于此区域下的人员总数.
通过Pathfinder软件进行模拟测试，设定在45 m×15 m的平面上有100-900人通过一个3 m宽的楼梯疏散，测试疏散所需时间.并得到某一区域人员总数不同时的疏散时间，得出在人员不满座并集中于某一区域时，疏散时间和人员总数呈正比例关系.
根据体育场测量参数，运用Pathfinder软件，建立长210 m，宽180 m的体育场模型，将体育场内出口进行适当简化，设定看台人员为1 000～10 000人，进行模拟测试，从测试结果可以得知，体育场看台人员不满座并分散于整个看台时，疏散时间和人员总数呈线性关系.
【参考文献】
[1]梅季魁.现代体育馆建筑设计[M].哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，2002.
[2]曾涛.体育建筑设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.
[3]谢大勇，唐海，李涛.人员疏散分析在体育场馆设计中的应用[J].消防科学与技术，2005（3）：301-305.
