考虑恐慌影响的高校食堂应急疏散仿真研究

2020-09-23李辉鹏柳善耀范铃铃

武汉理工大学学报(信息与管理工程版) 2020年4期

李辉鹏，柳善耀，刘丹，范铃铃

(1.武汉理工大学研究生院，湖北武汉 430070；2.武汉理工大学中国应急管理研究中心，湖北武汉 430070；3.武汉理工大学安全科学与应急管理学院，湖北武汉 430070)

随着高等教育的扩招，高校学生人数越来越多，且校园内人群密集场所较多，若发生地震、火灾、爆炸等突发事件时，容易导致人员踩踏事件，如2012年南非约翰内斯堡大学踩踏事件、2015年上海同济大学踩踏事件等，严重危害学生的人身安全和高校正常的教育教学秩序。2016年，教育部发布的《普通高等学校学生管理规定》，强调规范普通高等学校学生管理行为，维护普通高等学校正常的教育教学秩序和生活秩序[1]。相比于其他人群密集的场所，学校食堂是学生日常生活的必经之处，目前高校食堂规模较大，当发生突发事件时，安全、合理、高效地实现食堂应急疏散，可为建设平安校园提供应急管理的参考和依据。

针对人员疏散问题国内外学者已开展大量研究，从人员疏散模型看，主要分为连续模型和离散模型[2-3]。HELBING等[4]通过对房间的疏散过程进行实验研究和数值模拟，发现出口能力存在行人疏散动力学影响。ISOBE等[5]开展了步行实验模拟仿真，发现疏散过程中熟悉环境和不熟悉环境下的人员疏散行为存在明显差别。宋英华等[6]建立了考虑避让行为的元胞自动机模型，建立了一种考虑避让行为的元胞自动机模型。YANG等[7]研究了疏散过程中建筑楼梯的汇流行为对疏散过程的影响。CUESTA等[8]模拟了教学楼人员疏散过程，分析建筑物的疏散性能。吕伟等[9]运用EVACNET4建立建筑网络疏散模型，并以大型购物中心为对象开展疏散过程模拟。陈一洲等[10]考虑突发事件发展对疏散人群产生的动态伤害作用，模拟分析突发灾害发展过程与人群疏散过程。张立红等[11]通过出口距离和出口人群密度因素进行应急疏散模拟，选择最优疏散方案。上述研究主要考虑了客观建筑物的疏散设施，较少考虑应急疏散时人员可能产生的恐慌心理。近年来，考虑恐慌影响的应急疏散逐渐成为研究热点，如王春雪等[12]建立地铁应急疏散恐慌程度模型，并在北京地铁军博站进行应急疏散模拟试验。孙金龙等[13]构建恐慌条件下的人群疏散模型，并运用Anylogic仿真软件进行模拟。梅艳兰等[14]运用Pathfinder软件构建地铁站密集人群应急疏散能力仿真系统，并以武汉某地铁站为对象开展仿真实验。陈长坤等[15]考虑恐慌情绪对行人决策的影响，建立了基于元胞自动机的恐慌状态下人群疏散模型。考虑恐慌影响的应急疏散研究大多聚焦于公共场所的避让行为，鲜有研究考虑高校应急疏散恐慌带来的从众行为。

为此，笔者以高校食堂为研究对象，考虑疏散时恐慌影响导致的从众行为，引入群体恐慌系数改进社会力模型，建立考虑恐慌影响的高校食堂疏散模型，运用Anylogic仿真软件，对高校食堂的应急疏散进行仿真分析。

1 恐慌影响下的行人运动模型

1.1 高校食堂人群恐慌心理行为分析

在突发事件(如地震、火灾、爆炸、暴力伤人等)中，恐慌心理是一种极易发生的非适应性心理。高校食堂人群恐慌受食堂设备设施、师生安全意识和行为、校园安全管理制度等影响，使个体心理发生非理性变化，进而体现在生理、情绪和认知3个方面，如图1所示。

图1 高校食堂人群恐慌心理应激模型

(1)当突发事件发生时，个体会产生心理紧张，心理状态由冷静转变成了恐慌潜伏。

(2)当个体心理状态处于恐慌潜伏时，受环境和其他人员影响，心理紧张达到一定程度后，则引起恐惧，引发恐慌心理。当恐慌潜伏人群中出现恐慌者时，恐慌情绪由恐慌者开始传播到恐慌潜伏人群，导致恐慌大面积传播。

(3)随着对食堂疏散环境的熟悉和对突发事件的了解，部分人群由恐慌逐渐恢复冷静，但若突发事件态势突变(如火灾火势突然猛烈增大或引发爆炸)或疏散时间过长，将又变回恐慌人群，产生焦虑心理和盲从现象。

1.2 符号参数说明

1.3 恐慌影响的行人出口选择

(1)紧张程度(从众行为权重)。恐慌对人的直接影响表现为面对突发事件时的运动速度变化，紧张程度的定义如式(1)所示。

(1)

“紧张程度”表示正常状态下人群的行为与恐慌影响下人群不合理的行为之间存在一个临界点，该参数可以直接影响个人行为的理想速度、从众行为等。当人的紧张程度大于临界值时，人的心理将变为“恐慌”，行为也将从众。当ni(t)无限趋近于0时，表明个体处于常态，表现出完全理智的行为，不受他人的影响，直接寻找距离最近的目标方向；当ni(t)无限趋近于1时，表现出严重的心理恐慌状态，行为上会盲目从众。

(2)出口选择概率。距离越近的出口，个体选择该出口的概率越大。采用个体到第k个出口的距离与个体到各出口距离总和的比值表示出口选择概率，如式(2)所示。

(2)

(3)从众行为概率。从众行为概率为个体考虑不同出口经过的人数决定自己运动方向的概率。目标运动方向选择与疏散总人数、从各出口疏散的人数相关，则从众行为概率用式(3)表示。

(3)

(4)行人出口目标选择。综合考虑出口选择和从众行为确定最终的行人出口目标，个体i在时刻t选择出口k作为目标方向的概率P(t,i,k)如式(4)所示，通过比较选择P(t,i,k)最大的出口作为行人i的目标方向，如式(5)所示。

P(t,i,k)={[1-ni(t)]×P1(xi,yi)+

ni(t)×P2(NK)}

(4)

P出=max[P(t,i,k)]

(5)

1.4 社会力模型改进

HELBING等[16]提出的初始社会力模型如式(16)所示，该模型在一定程度上可以模拟大规模人员疏散，但在突发事件发生时，人们对于受灾建筑物出口的选择并非完全理智，即在危急情况时，并非会选择距离自己最近的出口，可能会受其他疏散人群的影响，即从众心理的影响，从而选择大多数人选择的出口方向。因此，应急疏散下需要对行人的自驱动力fi的期望速度方向做一定改进。初始社会力模型自驱力如式(6)所示[16]。

(6)

行人i对于出口的选择为P出=max[P(t,i,k)]，因此考虑恐慌影响下，期望速度的方向改进为ei(P出)，则改进社会力模型自驱力如式(7)所示。

(7)

2 实验分析

2.1 食堂模型

以武汉某高校学生食堂为例，食堂总面积为2 890 m2，内部结构分为两层，上下两层相距3.7 m，共设有800个座位，可容纳800人同时就餐，每层均有取餐口和就坐的餐桌，有3个楼梯和5个疏散出口，左右侧楼梯为旋转下降式楼梯，中间为直梯。二楼通往一楼的3个楼梯分别为二楼西楼梯、二楼中楼梯和二楼东楼梯。一楼的5个出口分别为一楼西楼梯出口、一楼中楼梯1出口、一楼中楼梯2出口、一楼东楼梯出口和一楼后出口。

基于Anylogic仿真软件，分别采用“目标性”“线服务”“吸引子”等功能实现食堂内的学生进出口、学生排队取餐、寻找座椅就坐等，建立的食堂一楼模型和二楼模型分别如图2和图3所示，基础环境3D效果如图4所示。

图2 食堂一楼模型

图3 食堂二楼模型

图4 基础环境3D效果

2.2 疏散速率分析

设食堂疏散总人数为600人，二楼人数为226人，一楼人数为374人。考虑恐慌影响和不考虑恐慌影响的疏散效率分别如图5和图6所示，可看出第450 s开始疏散，在应急疏散前期，食堂内人数快速下降，疏散效率较高，在75 s左右时，食堂内约一半人完成疏散，但是两种情况的疏散速率变化相差较大。

图5 考虑恐慌影响的疏散速率

图6 不考虑恐慌影响的疏散速率

由图5可知，总体人数疏散速率在开始疏散100 s后大幅降低，其原因在于二楼疏散人员由于受到恐慌影响产生从众行为，对于楼梯口的选择偏向于大多数人的选择，导致从二楼通往一楼的楼梯口聚集人数剧增，引发拥堵。由于人员下楼梯时的速度较慢，导致二楼疏散速率较慢，开始疏散后200 s时二楼人员才疏散完毕。一楼虽然有从众行为，但由于出口较多，疏散速率相对二楼疏散更快。

由图6可知，不考虑恐慌影响时，人群能够迅速撤离，总体人数快速下降。二楼人员虽然存在拥挤，但群体会寻找最优路径进行疏散，开始疏散后150 s时二楼人员完成了疏散。一楼疏散速率在疏散前中期较高，随着二楼疏散人员通过楼梯到一楼后，一楼的疏散人员增多，产生拥挤，疏散速度减缓。

综上可知，考虑恐慌影响的疏散时间为200 s，不考虑恐慌影响的疏散时间为150 s，前者是后者的1.3倍。

2.3 出口选择分析

考虑恐慌影响和不考虑恐慌两种情况下，从各出口疏散的人数如表1所示。恐慌影响导致从众行为，人群在食堂疏散过程中对于出口的选择更加偏向于人数多的出口，各出口疏散人数比例相差较大，大量人员集中在二楼中楼梯口、一楼东楼梯出口，而一楼后出口被疏散群体忽略，造成其他出口人员过度拥挤。不考虑恐慌影响下，每个出口处人员分布较为均匀，个体能够寻找最优路径进行疏散。

表1 各出口疏散人数

2.4 人群密度分析

考虑恐慌影响和不考虑恐慌影响两种情况下，左楼梯口、中间楼梯口、右楼梯口处人群密度变化分别如图7和图8所示，对比分析可得：①不考虑恐慌影响时，左楼梯口行人密度的最高值最大，为0.82人/m2，中间楼梯口和右楼梯口的最大值均为0.71人/m2。考虑恐慌影响时，中间楼梯口行人密度最高值最大，达到了1.16人/m2，拥挤程度远大于不考虑恐慌情况下的中间楼梯口行人密度。考虑恐慌影响峰值的人群密度是不考虑恐慌影响的1.4倍。②考虑恐慌影响时，楼梯口处于拥挤状况的时间较长，行人密度超过0.7人/m2的时间为120 s，而不考虑恐慌影响的行人密度超过0.7人/m2的时间仅为50 s。可知考虑恐慌影响瓶颈处的拥挤时间是不考虑恐慌影响的2.4倍。③由于恐慌影响产生的从众效应，疏散群体在右楼梯的密度较小，最大值未超过0.6人/m2，而不考虑恐慌影响的疏散群体在右楼梯的密度超过0.6人/m2的时间约为60 s。