教学楼火灾疏散的标识认知应对规律研究*

廖慧敏,罗小娟，苏 红

(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083)

0 引言

大型高层建筑由于人员集中，疏散通道狭长，一旦发生火灾，受困人员疏散易发生拥挤踩踏，引发人员伤亡。1982年，Chalmet等[1]首次使用动态模型对建筑物疏散进行仿真研究，此后各种疏散模型和仿真技术得到了迅速发展，广泛应用于不同场所的人员疏散优化研究，如海上大型船舶[2-4]、地铁站[5-7]、商场高层建筑[8-9]等人员的疏散时间与速度研究。在这些研究中，或侧重于疏散客体场所结构的研究，或侧重于疏散主体人员疏散方法的改进，缺乏疏散客体与主体之间认知交互作用的考量。1995年，刘久文[10]提出人在疏散中会表现出恐烟、恐热性，向光、向阔性等疏散行为特征，是影响安全疏散不可忽视的重要因素，强调了人员疏散认知与环境的相互影响。在火灾这一紧急事态下，人的认知意识处于一种高度紧张和焦虑状态，认知决策能力会显著降低[11]。为探究教学楼火灾情境下人员负性情绪调整与逃生速率两者的认知应对规律，论文拟借助Anylogic疏散软件，对教学楼常规标识与增设标识2种情境下的人员疏散与疏散时长关系进行研究，为研究大型建筑火灾疏散主客体之间的认知应对规律与提高火灾疏散效率提供新思路。

1 实验流程与仿真场地概况

中南大学新校区建筑面积82.498 8万m2，有A，B，C，D共4座连体教学楼，其中A座4层，B座与C座各5层，D座是呈扇形的3层楼。4座教学通过彼此间的2条长廊相互联通，B座处于4栋连体教学楼的中部，楼道与安全出口分布错综复杂，人员分布比较集中，是火灾时人员疏散的重点与难点。论文将B座教学楼疏散通道作为研究对象，设置常规标识与增设标识2种火灾情境，通过现场调研与问卷调查的方法，运用Anylogic对人员疏散过程进行模拟研究，实验流程如图1所示。

根据烟囱效应，火灾中烟气一般往上层蔓延，很少往下层扩散，且火灾发生点位置不同，烟气和火势蔓延的速率和方向也会有所不同，从而影响人群对逃生路径的选择。考虑到运算速度与模型的复杂程度，选用B座教学楼的4楼作为人员疏散仿真场所，模拟时间点为2017—2018学年第二学期某周四上午3～4节课，当时共有16间教室在上课，其人员分布与仿真示意如图2所示。图2中增粗线条为B座4楼10个疏散出口的具体所在位置，带“■”的空心箭头表示可沿箭头方向通行，距离标注为教学楼通道的实际距离。

图1 疏散模拟与标识认知分析流程Fig.1 Flow chart of evacuation simulation and cognitive analysis of signs

图2 教学楼B座4楼平面示意Fig.2 Floor plan of fourth floor of teaching building B

2 疏散仿真实验

2.1 问卷调查与疏散步速测定

选择工作日上课的休息时段，随机对B座教学楼上课的学生进行火灾逃生路径倾向问卷调查，调查共发放200份无记名问卷，回收问卷184份，其中有效问卷数168份。根据问卷统计结果，85人选择教室前门逃生，83人选择教室后门逃生，选择前后门的比例接近1∶1；134人选择最近的疏散出口，34人选择疏散标识指示出口逃生，就近逃生与疏散标识指示逃生的比例约为8∶2。从200名学生中抽取20人测试疏散速度，男女各10人，平均年龄为19±0.92岁，所有被试者无身心健康问题史。测量时，告知被试者在火灾情境下以最快速度逃离，重复3次，用计时器记录疏散时长，得到人员平均疏散步速为0.95 m/s。

2.2 常规标识疏散情境参数设置

运用Anylogic对教学楼进行模拟空间布局设计，将上课教室作为疏散起点，教室内人员数作为疏散人数。教室前后门按1∶1的疏散比例进行逃离疏散，出教室后依据就近原则选择逃生路径，即选择1条距自己教室最近的疏散通道进行逃离，根据教学楼的疏散通道分布，每个教室有5个疏散通道可供选择，将每个教室离教室最近的2个逃离出口概率设定为0.5，其余3个通道均为0，从而设立不同的逃离路线。根据人员疏散速度测试结果，将人员的火灾疏散速度设置为(0.8，1.0)，进入下1层逃生通道的人员计为成功疏散，作为疏散结束点。用Anylogic对该疏散过程重复模拟5次，记录每次模拟疏散时间。

2.3 增设标识情境参数设置

2.3.1 疏散标识认知反应时间

注意的是选择需要调动执行控制，在完成颜色-字词stroop任务中，被试者观看有颜色的字词，报告该字词的颜色，而忽视字词的含义或其所引起的反应。安全标识牌一般以红绿2种颜色表示，通常情况下，绿色标识牌为“安全通道”，红色标识牌为“禁止通行”，符合颜色-字词stroop任务的认知反应特征。在颜色认知反应实验中，实验图片中文字为8个，颜色-字词认知反应时间在颜色反应实验中男女同学平均反应时间为2 731.7 ms[12]。在教学楼火灾疏散模拟实验中，有部分疏散同学可能会遇到绿色的“安全通道”与红色的“禁止通行”疏散标识各1次，部分疏散同学也可能仅见到“安全通道”疏散标识1次，因此在疏散模拟实验处理过程时，均按人员遇见2个疏散标识各1次处理，即人均每字的反应时间为341.5 ms，以此作为疏散模拟时标识认知与疏散路径重评的延滞时间设置依据。

2.3.2 增设标识情境逻辑关系处理

根据B座教学楼4楼疏散模拟时间段的人数与疏散通道状态，预计出现拥堵位置主要集中在418～420教室，以及411～413教室前的走廊部分。因此增设标识是在常规疏散标识基础上，在通向E3，E8，E9出口的通道上增设了红色“禁止通行”标识，并在通向出口E2和E10的南北方向通道入口处增设绿色“安全通道”标识，将教室418,419和教室412,413的人员进行重新分流。标识增设位置如图3所示，图3中带有“×”的空心箭头代表增设标识“禁止通行”，表示沿箭头方向无法疏散；带有“■”的空心箭头代表增设标识“安全通道”，表示人员可沿箭头方向疏散。但这种疏散方式增加了疏散者在疏散过程中对标识的认知反应过程，需要逃生者根据疏散标识对自身疏散策略进行疏散路径的认知重评与决策，存在认知反应时间的延滞。因此增加了pedGoTo路径与pedWait模块，延滞时间设定为2.5，3.0 s，即人员见到疏散标识的认知反应时间。对拥堵教室的人流重新分配，并将对应疏散出口的比例设置为0.2，其他疏散模拟参数与要求同常规标识疏散。

图3 优化后的疏散平面示意Fig.3 Schematic diagram of optimized evacuation plan

3 疏散仿真结果

3.1 常规标识疏散结果

常规标识疏散仿真时，疏散过程中人流变化如图4所示。在疏散初期20 s时，人员主要集中在教室内，较多人员聚集在教室前后门，教室门口拥堵严重。在疏散中期70 s时，疏散人员通过走廊向出口疏散，人员一般依据自己的本能与经验，或同伴效应，从最近的疏散出口逃离，因此E3，E8，E9出口的人员较为密集，人员密度颜色呈红色，E2,E5,E7和E10出口人员较少，人流密度颜色呈现蓝色或绿色。在疏散后期120 s时，E2,E5,E7出口附近教室的人员疏散完成，出口处于闲置状态，而出口E4和E9以及附近教室门口还有较多人员拥堵，仍需一定时间才能疏散完全。疏散模拟重复5次的平均疏散时间为193 s.由图4可知，教学楼按常规标识进行人员疏散时，由于人员自身的本能反应与情绪慌乱，一般按就近原则或邻近疏散出口进行了疏散，造成了部分疏散出口利用不充分或闲置的现象。

图4 常规标识疏散行人密度流Fig.4 Pedestrian density flow of evacuation with conventional signs

3.2 增设标识疏散结果

增设标识后疏散过程中的人流变化情况为图5所示。在疏散前期，人员仅聚集在教室门口还未向走廊疏散，此时主要制约因素是教室门的宽度，疏散情况与标识增加前相同。到了疏散中期，在增设标识的引导下，教室418和419的部分人员开始沿着通向出口E2的南北通道进行疏散，教室412和413的部分人员开始沿着通向出口E10的南北通道进行疏散，人员分布不再局限于教室门口和出口处，部分人员分散在通道中，出口E3和E4拥挤程度有所缓减。疏散后期，模拟区域中未疏散人数较少，每出口均无明显拥堵现象，整体疏散情况良好。增设标识后的平均疏散时间为174.8 s，较常规标识疏散时间节省了10%。由此可知，增设疏散标识提高了出口利用率，加快了教学楼整体的疏散速度，并且改善了疏散过程中出口处的拥挤情况，一定程度上降低了疏散引发的踩踏等潜在风险。

图5 增设标识疏散行人密度流Fig.5 Pedestrian density flow of evacuation with adding signs

4 火灾疏散与标识认知应对模型

建筑物发生火灾后，人员疏散主要取决于可用和所需的安全疏散时间[13]，受困人员须在短时间内及时逃生，这时，每个逃生者都是决策者，他们需要根据自己的判断选择逃生的路径。为了更加直观反映建筑物火灾疏散中疏散标识与人的认知反应决策之间存在的规律，基于上述教学楼火灾疏散模拟过程，将疏散过程中的外界刺激-情绪-标识增置-认知反应对逃生路径选择的作用关系进行分析，得到其相互作用模型如图6所示。

由图6可知，在常规标识情境中，逃生者大脑器官与神经系统会产生相应的生理反射弧，受灾人员首先倾向于无意识的认知。在火灾警报、烟雾等外界刺激作用下，人体的视听神经等接收刺激并将信号传入脑区，前脑岛、前扣带回皮质和镜像神经系统被激活[14]，唤醒逃生者已有的相关火灾经验及逃生场地通道的记忆。他们会基于经验和记忆而非实时火灾情境对风险进行评估，评估结果往往高于真实风险。教学楼是视线受限空间，逃生人员无法得知火势的整体态势及蔓延速度、可用逃生时间及潜在危机，恐惧、悲伤等负面情绪极易出现并相互感染，处于这种情境中的人员，易出现风险规避行为[15]。因此，在常规标识疏散时，大多数人在负面情绪作用下，无法判断哪条逃生路线最有效，并高估常规认知以外路线的风险，根据以往认知向最近的疏散出口疏散。随着疏散的进行，人员拥堵又成为新的刺激，加深个体负性情绪，人员认知决策能力进一步降低，因而造成人数多的教室附近的疏散出口过度拥挤、疏散缓慢，而人数少的教室邻近疏散出口疏散密度偏低，过早处于闲置状态，降低了疏散出口的平均疏散能力，影响了整体疏散效率。

图6 火灾疏散与标识认知应对模型Fig.6 Model of fire evacuation and cognitive coping of signs

增设标识情境中，教学楼走廊中增设的标识在逃生者视网膜输入文字信息刺激，这种刺激在视网膜的输入不会发生变化，但意识到的视觉内容需要进行意识加工，是一种高级的神经机制。其对逃生人员是一种二次视觉刺激，“禁止通行”排除了该通道的逃生可能性，同时“安全通道”提供了“可逃生方向”及“通道可靠性高”等线索，使疏散人员确切了解自身环境。原来常规标识时由于负面情绪较高，盲目跟随人群疏散的人员，在增设“禁止通行”的“黑暗”与“安全通道”的“光亮”刺激下，对火灾情境有了新的认知，对逃生风险进行重新评估，激活了脑区中恐惧情绪反应中枢杏仁核[16]，对负性情绪进行调节，因此常规认知以外的路线风险评估有所降低，更接近实际风险大小。在伏核、壳核、前岛叶等[17]以及运动神经元的作用下人员更容易积极主动地选择沿着“安全通道”指向的疏散距离较远的出口疏散。因此，由火灾疏散不确定性引起的负面情绪会有所降低，所做的疏散决策会更准确，疏散出口拥挤可得到明显改善，常规标识引导下过早闲置的出口被得到有效利用。

5 结论

1)2种火灾标识疏散情境的疏散过程中，前期两者疏散情况差异不明显。疏散中后期，常规标识情境下临近人数多的教室疏散出口人员密度大，出现了部分出口拥堵，部分出口闲置的现象，而在增设标识情境下，各疏散出口拥挤程度有所降低，各疏散出口疏散情况持平，出口利用率提高。在整个疏散过程中，增设标识情境疏散出口的利用效率均优于常规标识情境。

2)在教学楼火灾疏散模拟中，以人数最多的教室作为疏散位点，常规标识与增设标识2种情境的平均疏散时长分别为193和174.8 s，增设标识后疏散平均时长节约了10%，若采用同楼层其他教室作为疏散位点，增设标识的位置将不会发生变化，其1层楼节约的疏散时间应≥10%，因此在教学楼疏散通道中合理增设疏散标识，可显著缩短整栋教学楼的火灾疏散时间。

3)在常规标识与增设标识情境中，逃生者根据外界线索刺激引发了大脑生理反射作用，常规标识与增设标识对逃生者情绪刺激有所差异，从而引发逃生者逃生方向与逃生路径的认知反应决策差异，提出了建筑物火灾外界刺激-情绪-标识-认知-决策间的火灾疏散与标识认知应对模型。