火场人员疏散模拟平台设计研究

林灵 刘果

摘要：新时代下，建筑公共空间在高度集成化和规模化的发展过程中，逐渐产生一系列已知和未知风险，主要表现在公共空间流线复杂，行人密集，一旦发生突发事件，极易造成拥堵、踩踏等重大事故。所以需要研究搭建火场人员疏散模拟平台，自由预设场景，添加随机火源、环境元素、人员分布等;模拟火灾的发展蔓延以及人员智能疏散，结合虚拟现实技术可投身于预设疏散场景中进行逃生演练。此研究有利于提升突发事件下的科学疏散机制，为火场疏散实践提供最优的人群疏散方案。

关键词：人员行为;火场模拟;疏散模型

《应急管理部关于加快编制地方应急管理信息化发展规划的通知》（应急函〔2018〕272号）中的智能业务就包含了预案管理与培训演练。如何将全部人员安全有效地疏散不仅是建筑设计时要考虑的问题，也是事故应急预案中应当重点考虑的问题。而其中，对人员能否安全疏散起决定性作用的因素之一就是火灾发生时产生的烟气，烟气对人体造成的伤害是不可逆的，以及突发事件下行人心理状态。相关研究表明：突发火灾下，疏散过程中多数人将表现出明显的竞争（约69%）、避让（约62%）、合理的冒险认知（约85%）、恐慌（约90%）和“自私”行为（约71%）。在性别方面，女性比男性更愿意相信疏散指示标识，也更容易表现出从众行为;在疏散教育培训影响方面，疏散培训频率越高，人员疏散意识越好。

研究了火场人员疏散平台，模拟建筑火灾烟气的运动路线及规律，并将恐慌心理对疏散人员的影响引入到仿真实验中，优化了安全疏散仿真模型，丰富扩展建筑空间内公共安全理论和人群疏散模型，能为消防救援部门、企业安保部门提供强有力的参考，为疏散演练提供了理论依据。

一、火场模拟环境建立

火灾的发生过程包含着旧物质的湮灭和新物质的产生，是一个十分复杂的反应。而且火灾中也常常伴随着热量的传递，大致分为三种形式：热对流、热传导、热辐射。实际情况下，火灾过程中热量的传导往往不是通过单一的形式，而是几种传导形式结合，或者以一种传导形式为主，伴随其他形式共同进行热量的传导。因此，单单靠实验的手法得出火灾发生时的产物、火灾蔓延走势，烟气扩散规律等可谓困难重重，然而利用數值模拟的方法就简单多了。

使用模拟软件对烟气这种流体进行模拟要遵循流体的基本方程，模拟过程中主要是将所建模型的空间划分成若干个网格，在各个网格内运用Navier-Stokes方程对网格内各参数进行求解。它不仅可以对火场中的烟气的扩散轨迹进行跟踪，还能对烟气的浓度、火场温度、CO等有毒有害气体的浓度进行监测并且形成数据。而Smokeview模块可以在模型建立并模拟之后对模型进行可视化处理，直观地看到建立的模型中烟气的流动轨迹、温度等影响因素的变化。

火场模拟环境的设置需要考虑到温度监控装置、烟气探测装置、有毒有害气体监测装置等，改变模拟参数、设定火灾热释放速率、控制燃烧反应等，并建立参数化的调整方案。

二、疏散人员模型建立

在安全疏散的过程中，由于人体个性、社会背景、生长环境的文化底蕴等，都会对疏散的风险程度产生影响。通过分析问卷以及结合个体的疏散行为特点，可以把突发情况下影响人恐慌行为的因素划分成以下几点：疏散人群个体差异特征、紧急情况下的客观因子特征、建筑物理环境的变化因子以及群众对个体行为的影响因子。

在建筑疏散模型设计中，需要将建筑二维平面转化为疏散模型，疏散模型需要真实地反映出建筑空间模型，包括房间尺寸、位置和与走廊的连接等问题。这里建筑疏散模型没有单元网格的模数限制，建筑疏散模型在房间尺寸和安全出口位置和宽度设计上更精确，其各个参数的修改余地也更宽泛。

仿真设计中考虑到的人员行为，在整个系统内行人能够个性化设计，包括行人疏散行为特性和行人生理特征。在疏散模型中，行人的行为对疏散效果的影响是非常直观的，所以在疏散过程中，行人行为特征差异和心理影响因素需要在模拟过程中体现。在疏散开始前，系统内不仅仅可以自定义疏散行人位置特性，还能够自定义生理特征，例如行人肩宽决定其占据空间大小，行人年龄、身高等特性决定了行人平均步速。行人疏散行为特征的设计对疏散开始以后也有相当的影响，突发事件下，行人心理活动对行为决策起着决定性作用。

结合初步研究，在既定场景中火灾交互环境需要设置的参数包括：

（一）火场可燃物布局

（二）空气流通路径（烟、火蔓延路径）

（三）受灾人行为模块（生命属性、随机目的、逃避路线导引）

（四）动态仿真效果（爆炸物、可燃物延时点燃、可燃物燃烧传递）

三、校园交互式消防虚拟训练场景

近年来高校火灾时有发生，由于高校是人员密集场所再加之人员火灾意识淡薄，导致火灾事故往往造成很大的人员伤亡和财产损失。首先要了解典型高校火灾的发展蔓延规律，并针对火灾具体特点和建筑物特点为学生提供最佳疏散路线指导;同时还需了解学生疏散能力水平现状，针对学生存在的问题有针对性地锻炼学生疏散能力，提高学生疏散速度，使学生能够在火灾情形下安全逃生，保障人员安全。

如图2所示，该平台包括两种模式，一是训练场景配置模式，二是训练场景体验模式，场景配置模式用于训练任务管理人员对场景内环境进行个性化配置，针对不同的训练目标对训练场景中的着火点、爆燃点、空气流动路径、体验人员着陆点以及全局的运行参数进行配置，配置结果将在训练场景体验模式中生效，在场景体验模式下，由烟雾火焰仿真模块自动根据配置模式下的配置结果在对应着火点位置真实模拟火焰及其烟雾的特效，烟雾火焰在根据气流动力学仿真模块进行真实的流动仿真，场景中人流也将根据着火点分布进行智能化的逃生行为（寻路、避火、避障等）。同时，体验人员可以在场景中与消防基础设施进行互动和模拟使用，对火点进行灭火处理。角色生命周期管理负责对每一个角色进行生命值的计算和管理。

火焰烟雾特效仿真：当用户以体验模式进入已经配置过的场景，场景将根据配置内容自动生成已经粒子化的火焰烟雾，同时根据其各自的动力学模型并解析空气流场在其所在位置的受力情况，再结合现场火势情况和受力情况，根据当前速度值计算下一帧粒子所在的位置，从而模拟出真实的烟雾和火焰的特效。

火焰烟雾动力学仿真：火焰烟雾将根据场景中的空气流通路径的走向进行动力学仿真，本系统将烟雾受力情况简化为浮力、空气流场压力、重力、空气阻力、碰撞力等五个力的相互作用，其中空气阻力与当前速度的平方成正比关系。在这几个力中，空气流场压力起到主导作用，如图6所示，空气流通路径由地铁站台沿着电梯指向二楼，产生的实际效果是火焰和烟雾沿着该路径慢慢扩散，逐渐向二楼蔓延。

智能寻路行为模块：场景中的角色都受到智能寻路模块的驱动，寻路模块基于场景的布局和着火点、爆炸点的燃烧情况实时生成一张角色可行走的激活区域图，当火焰发生以后，每个角色都尝试以最优路径在激活区域图范围内逃跑至特定的安全目标点，在逃跑过程中能智能识别道路的障碍物，并能智能逃避火焰燃烧区域，在按既定路线逃生的过程中，遇到着火点开始燃烧，能够实时重规划新的逃生路径。角色的逃生速度也会受到其年龄特征、心理因素等原因的影响。

消防设备交互模块：在体验场景中，预设了各种消防灭火设备在逃生的路径中，用户可以与之进行交互并能模拟灭火操作，通过用户的灭火操作、用户的逃生激活区域图也会实时得到更新，用户逃生可选择的路径也会更多，从而减少了因为拥堵导致逃生效率低下的情况。

四、结语

在突发事件下，公共空间内疏散行人快速高效地从危险建筑环境疏散至安全环境已经成为建筑公共安全的熱点研究内容。建筑空间物理环境的变化引起建筑内行人不适应反应，将会使得建筑安全疏散变成非常复杂的问题，而建筑房间安全出口的设计，作为整个建筑疏散路径的重要节点，对于疏散效率的影响尤为重要。

设计研究火场人员疏散模拟平台，重点在于灾害场景的模拟以及人员行为的模拟。火场疏散过程不只是个人行为，还牵涉到人与人之间的关系，如何在火场中趋利避害，第一时间撤离成功或力所能及地帮助他人，需要一个“活”的场景来做演练。既有随机性又符合自然规律，才能真正把应急预案落实到位。

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作者简介：

林灵（1989.9—），男，汉族，浙江温州人，研究实习员，硕士学历，主要从事消防安全与科普教育训练方向的研究。

刘果（1988.8—），男，汉族，四川南充人，工程师，硕士学历，主要从事多媒体交互技术及虚拟现实、增强现实技术的研究以及相关产品的研发与设计。