基于仿真技术的人口密集地下空间消防应急疏散建模及优化研究

朱苓榛 张道康 潘荟全 彭宏志 杜沐

摘要：随着城市建设的发展，地下空间也逐渐被开发利用。以地铁为代表的城市地下空间具有人口高密度、封闭性等特征，相关的安全问题亦十分突出，公共安全隐患亟待解决。本文系统性的阐述了我们结合仿真建模、社会力模型等新技术和行为心理学、城市安全学等多学科交叉的全新解决方案，旨在为城市地下空间公共安全问题的解决提供新的思路。

关键词：城市安全;地下空间;仿真技术;行为心理学;消防疏散

1 引言

随着我国城市人口急速膨胀，开发利用地下空间已成为未来城市发展的重任。地下空间具有封闭性，尤其在人口密度较高的功能型地下空间，安全事故时有发生，公共安全存在巨大风险。

本研究着眼于人口高密度地下空间应急疏散需求，以成都春熙路地铁站为例，利用仿真模拟技术，构建智慧疏散模型和人流数据库，结合行为心理学等多学科交叉知识，建立具有实证性的疏散效能评估体系并提出面向该地区的普适改进解决方案，提升紧急情况疏散效率和处置专业化水平。

2 研究背景

2.1城市地下空间概述

2.1.1发展现状

城市地下空间是一个巨大而丰富的空间资源，可量化为可供开发的面积、合理开发深度与适当的可利用系数之积。2012年我国城市建设用地总面积为32.28万公顷，按照40%的可开发系数和30米的开发深度计算，可供合理开发的地下空间资源量就达到3873.60亿立方米。

目前中国城市地下空间开发利用的目标是：加快开发利用规划编制、制定政策法规、理顺管理体系、推进地下空间建造技术创新与进步，初步形成与地面建筑相结合的地下人流、物流的公共空间体系以及构筑城市综合防灾综合体系，这与我们的研究息息相关。

2.1.2现有地铁站的安全隐患

地铁建设的快速推进促进了城市交通便利，但也为公共场所应急管理埋下了新的安全隐患。地铁安全事故频繁发生，几乎每次都引起了大量伤亡。

2.1.3公众安全意识淡薄

前期走访和问卷调研显示，地铁运营者和乘客双方均存在安全意识淡薄的问题。地铁运营方很少进行安全知识和注意事项普及，本身也缺乏科学有效的应急基础设施和疏散预案。从乘客角度来看，绝大多数人并不了解安全注意事项，对地铁相关应急疏散设施和逃生路线感到陌生。

2.2春熙路地铁站概述

春熙路位于成都市锦江区春熙路街道，是成都乃至中西部地区最为繁华的商业街。它坐落在商圈核心位置，毗邻大型商业广场，是成都地铁2、3号线的换乘站，站内建有美食街，连接多个商业区。

目前春熙路站发生的安全事故并不多，但安全隐患依然存在。地铁区域突发事件极易导致短时间内人员高度聚集或产生恐慌，扰乱正常秩序，增加公共安全事故风险。

3 文献综述

3.1国内外已有研究成果

20世纪初，英美等国就在关于应急疏散的研究报告中规定了楼梯单元的宽度、疏散的有效时长等具体标准。上世纪70年代，英国John J，Fruin提出了人群的平均行走速度与人群的密度之间的关系曲线，并且引入“服务水准”的概念。其后Sanddberg、Helbing等人分别借助类比、数学分析等技术手段对疏散时间、人员移动速率和疏散影响因素进行研究。

国内的应急疏散研究始于上世纪90年代，起步较晚。因相关研究数据较少，对于火灾、地震等突发性安全事故的疏散研究仍处于定性阶段，以吴鹏志、卢兆明等人的研究为代表。

3.2已有成果的优缺点

方法层面，我国处于技术落后阶段。而国外利用仿真技术的研究缺乏针对疏散影响因素中关于人员心理作用及周围环境影响的分析研究与详细数据支撑，多局限于描述性表述研究，缺乏定量分析。

另外，目前缺乏解决实际问题方案的深度研究。优化方案多采用服务设施优化配置以控制人员疏散效率，并以疏散路径的最短几何长度作为最优疏散路径，缺乏对疏散影响因子的整体把握，忽略了应急情况下人员心理行为。因此，需要进一步研究地铁站应急疏散模型的适用规则。

4 方法设计

4.1技术路线

4.2研究框架

4.2.1收集数据

一手资料主要来源于文献阅读和已完成的实地调研。本研究具有独占性，需要我们对春熙路地铁站开展实地调研，探究社会应急疏散意识现状以获取一手资料。问卷调查主要研究两方面内容：社会应急疏散意识现状、实际影响因子数据。

二手资料主要指春熙路地铁站平面图以及春熙路地铁站人流量数据等，我们与相关部门合作，获取了准确数据。

4.2.2个体行为特征与影响因子

个体疏散行为遵循“感知-心理-决策-行为”模式，突发情况时，恐慌心理影响个体决策导致其行为表现为应急状态，使群体行为处于无序的状态，导致群体移动速率、疏散行为不一致。

疏散时各种因素导致个体移动速率变化率不同，本研究归纳为以下几种。

4.2.3建立模型

我們将社会力模型作为对象，使用仿真软件Anylogic进行建模。

社会力模型认为行人运动同时受自身和外界的影响，两者共同作用于产生行人的运动力，可以视为是系统合力作用的结果，符合真实应急疏散状况。我们可以利用软件的行人库创建行人设施，通过参数控制行人的行为和设施通过能力，也可用JAVA编程定义数据。

从模型匹配、仿真效果等多方面考虑，社会力模型与Anylogic仿真软件符合研究需求。

4.2.4疏散效能评估

疏散时间是指将乘客从站台层疏散至站厅公共区域或其他安全区域的时间。我国《地铁设计规范》《铁路旅客车站建筑设计规范》《建筑防火设计规范》均对评估提出了具体标准。

研究显示，此站设计导致区域群体运动速率不同。研究提供了人员密度分布图，可直观体现每个时刻各个地方的人流密度，用于评估春熙路地铁站疏散效能。

4.2.5制定优化策略

优化策略主要分为三个部分：1.通过改造不合理建筑设计进行空间优化设计;2.增加工作人员疏导能力达到应急管理优化;3.通过算法实现疏散路径优化。

4.3研究难点

本项目难点在于春熙路地铁站物理层、逻辑层的构建。该站出口、闸机、楼梯等众多，在CAD平面图、物理层构造方面需尽量符合真实标准。而人流众多又要求我们在逻辑层面尽量考虑更多情况，模型搭建难度高。

5 结论与改进

研究发现，地下空间的安全隐患切实存在，印证了研究的必要性。在总结国内外先进经验和已有研究成果的基础上，我们认为可利用仿真技术实现低成本的模拟演练。而结合行为心理学、问卷调查等实证数据进行建模，不仅可行，模型也更具真实性，是解决封闭空间优化设计的最佳解决方案。

目前研究局限于春熙路地铁站，所有的模型和参数来源的样本也仅限于此，存在样本较小的问题，后续将扩大研究范围。另一方面，我们做得还不够。未来应是致力于建立一个基于人流大数据实时进行疏散云决策的系统，精准保证公共安全，实现智慧化调节。这依赖更多算法和技术的配合，后续我们会加大相关的功能性研究。

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