基于多因素出口选择的建筑疏散指示优化设计

 陈海涛，贾南，刘占，杨光，张立红

（1．中国人民武装警察部队学院，河北廊坊065000；

2．灭火救援技术公安部重点实验室，河北廊坊065000）

摘要：建筑疏散指示标志关系到人们的生命安全，为了寻找一种更为有效的引导疏散的思路，实现紧急疏散时合理、有效地引导人员逃生，提出了以疏散人员到出口的距离、出口宽度和出口区域人员密度三个因素为基础的出口选择模式作为建筑疏散指示标志的设计规则；研究了仅考虑距离因素选择出口时疏散人员分配失衡的现象，展示了以人员到出口的距离、出口宽度、出口区域人员密度三个因素为基础的出口选择引导模式对建筑疏散的优化效果。研究结果表明：根据距离、出口宽度和出口区域人员密度三个因素来确定疏散指示标志设计的规则，避免了人员密集建筑场所“就近出口”带来的不利因素，实现了疏散资源的高效利用。

关键词：公共安全；疏散；出口选择；疏散指示标志；优化设计

0  引言

 元胞自动机的理论和方法已经在交通流和行人流的研究中成功模拟出自组织现象，同时也被广泛应用到物理学、生命科学、经济学等领域研究中，而且对于建筑疏散和建筑性能化设计的研究均具有重要的意义。建筑内部的人员疏散具有向安全出口聚集、并通过竞争安全出口离开疏散空间的特征；如何实现快速有效的逃生已成为建筑疏散的一个研究热点。本文将通过元胞自动机程序模拟，实现考虑多因素的出口选择，并在此基础上对建筑疏散进行分析研究。

 目前《建筑设计防火规范》中对于疏散指示标志的规定还是处于定性的描述状态。《建筑设计防火规范》第11.3.4条：公共建筑、高层厂房（仓库）及甲、乙、丙类厂房应沿疏散走道和安全出口、人员密集场所的疏散门的正上方设置灯光疏散指示标志，并应符合下列规定：①安全出口和疏散门的正上方应采用“安全出口”作为指示标志；②沿疏散走道设置的灯光疏散指示标志，应设置在疏散走道及其转角处距地面高度1.0 m以下的墙面上，且灯光疏散指示标志间距不应大于20 m；对于袋形走道，不应大于10 m；在走道转角区，不应大于1.0m，其指示标志应符合现行国家标准《消防安全标志》GB13495的有关规定。进一步调查研究发现目前建筑指示标志的设计大多采用“就近出口”的原则，这种设计原则对于低密度人员情况是合适的，但对于高密度非单一出口的情况却存在着很大的局限性。由此可见，建筑疏散指示标志的设计规范有待进一步完善，完全考虑“就近出口”的原则进行疏散设计难以满足人员密集建筑场所快速高效疏散的需求。为了提高建筑指示标志的设计水平需要通过进一步研究提供一套更为准确、合理的设计规则。为此，本文提出了利用提出的考虑疏散人员到出口的距离、出口宽度和出口区域人员密度三个因素的出口选择模式作为建立人员密集建筑场所疏散指示标志设计的基本依据，并以双出口、多房间为例进行疏散仿真分析，探讨提高建筑疏散效率的疏散指示标志设计思路。

1  疏散模型分析

1.1  疏散模型的建立

 目前，对于建筑疏散的研究大多采用软件模拟仿真的方式实现，在众多的实现方法中元胞自动机的方法是被广泛使用的一种有效的方法，关于元胞自动机疏散模型基本规则已经在诸多国内外研究文献中得到了阐述，本文不做详细介绍。多房间人员疏散与单房间人员疏散原理基本一致，其基本的思想是从危险的区域逐步移动到出口外的安全区域（如图1所示）。建筑危险度的表示分为两个步骤计算：一是走廊区域相对于走廊出口的危险度，二是各个房间相对于房间出口的危险度。具体的危险度包括由距离出口远近而引入的危险度和动态因素（人员分布、障碍物等）造成的危险度。

图1中显示建筑共包括10个房间（可以拓展到任意数量的房间和结构），一个中央走廊，每个房间设有一个出口，走廊左右两侧均设有出口，左侧出口宽度大于右侧出口宽度。此时房间内的人员紧急疏散时可以分为两个过程，首先以房间出口为第一运动目标，按照疏散理论和动力学特征来描述；进入走廊的人会根据出口选择模型和行人运行规则处理，合理地选择安全出口进行逃生，从而实现成功的疏散。

 目前，建筑的疏散指示标志设计通常仅考虑距离出口远近因素，这样的设计对于疏散人员较少时是合理的，因为出口不会造成拥堵；但是对于人员密集场所却不能满足紧急疏散的要求，行人对出口的选择应该由单纯的考虑距离出口远近的因素，过渡到综合考虑出口距离、出口宽度和即时的出口区域人员密度等因素。下面对疏散人员的出口选择进行分析。

1.2  出口选择因素分析

 经研究发现，出口选择由房间内行人的状态和房间自身的属性两个方面的因素确定。房间内行人的状态有两个：一是疏散人员到出口的距离，通常距离越近，出口被选择可能性越大；二是疏散过程中出口的即时人员密度，出口人员密度越大、越拥挤，选择这个出口的可能性越小。房间属性主要是指出口宽度，出口越宽疏散能力越强，行人选择的可能性越大。下面便给出到出口的距离、出口人员密度和出口宽度三个因素对应的行人出口选择的公式。

设到出口的距离用r表示，r。为行人到第n个出口的距离。由于行人选择第n个出口的可能性随行人到出口的距离的增加而减小，将距离因素对出口选择的可能性表示如下：

 式中：p -为距离因素对应的第n个出口被选择的可能性；N。为出口数目；k，为距离指数，其作用是调节距离因素对出口选择影响强弱，取大于等于零的数值。

由于出口区域行人密度越大行人成功疏散的可能性越小，而后面行人则会尽力避开密度大的出口，所以出口密度越大行人选择的可能性越小；基于此，出口密度因素产生的选择可能性可表示为如下公式：

 式中：p。-。为出口密度因素产生的第n个出口被选择的可能性；k。为密度指数，是一个调节出口密度因素对出口选择的强弱的参量，取大于等于零的数值。

假设出口宽度用w表示，由于出口被行人选择的可能性随出口宽度的增加而增大，可以将出口宽度的选择的可能性表示为如下公式：

 式中：Pn-w为第n个出口被选择的可能性；w。为第n个出口的宽度；k。为宽度指数，作用是调节出口宽度作用的强弱。

综合以上分析结果，可以得到考虑三种因素后的出口选择可能性的量化表示公式：

 式中：p。为出口模型决定的行人选择第n出口的可能性，a、B、y分别为行人到出口距离、出口人员密度和出口宽度的权重系数。如果利用出口选择模型得到了行人在某一时间步选择两出口的可能性大小，计算数值大的出口成为选择目标，然后利用人员疏散演化规则进行疏散。

 由于计算机仿真在疏散研究中具有经济成本低、便捷、可重复性强等优势，被广泛地应用于建筑性能化设计和疏散性能评估中。本部分提出的疏散模型将在下一步的疏散仿真研究中使用。

2  疏散研究仿真与结果分析

 通过编制程序语言实现对人员疏散的仿真，并利用仿真结果发现不同出口选择策略下疏散效果的异同。具体研究内容是：通过仅考虑距离因素和考虑多种因素两种选择出口方式对比分析疏散情况，分析得出考虑多因素出口选择对优化疏散效果。目的是通过研究寻找最佳的疏散效果，并以此确定合理的疏散指示标志设计规则。

2.1  仅考虑距离因素出口选择的疏散效果分析

 本部分讨论仅考虑距离因素选择出口的疏散情况，观察此时两个出口的利用效率和人员分配情况，并分析疏散过程中人员之间摩擦、竞争等作用力对疏散的具体影响。

首先分析不考虑作用力的情况下人员疏散情况。图2给出了不考虑疏散过程中的作用力时两个出口的疏散时间随房间人员数量之间的关系图，定义左侧走廊出口为出口1，右侧走廊出口为出口2。从图中可发现两个出口的疏散时间随着房间人数的变化可分为两个阶段，第一阶段，房间人数相对较少，此时两出口疏散时间基本相等，且随房间人数的改变疏散时间变化微弱；第二个阶段，两个出口的疏散时间随房间人数逐渐增加，且基本呈线性关系，左侧较宽的出口明显比右侧较窄的出口疏散时间短。具体原因分析如下：单个房间人数小于20时，由于建筑内部人员数量相对较少，行人疏散过程中和出口处均未出现拥堵现象，此时出口的疏散时间与疏散人员数量和出口宽度无关，仅取决于最远处疏散人员的距离。因此，两个走廊出口各自疏散时间均不随时间变化，而且相互之间基本相等。单个房间人数大于25时，在每个房间出口和走廊出口会出现拥堵现象，此时出口宽度对疏散有明显的阻碍作用，因此会大大延缓疏散进程；同时由于走廊出口的宽度差异人员数量越多则在较窄的右侧出口的剩余人员数量就越多，造成两个出口越来越大的疏散时间差。从疏散结果发现：人员数量较多时（单个房间人数等于或多于25人），疏散人员在两个出口的配置严重失衡、极不合理；这是由于疏散仅考虑距离出口的远近问题两个出口疏散的人员数量基本一致，而两个出口的宽度不等，必然会造成疏散时间的差异和疏散人员配置的不合理不均衡。根据房间人数和对应的时疏散时间差发现，人员数量较少时疏散时间差接近为零，当每个房间人数大于25时逐渐增加（图3所示），而且显示出线性增加的趋势。利用计算数据进行曲线拟合可以得到如下拟合函数：

式中：x为房间人数，y为疏散时间差；利用拟合函数作相应的数据曲线发现，此拟合函数能够很好的符合模拟计算数据。由此可以预测更多的疏散人数时疏散时间差。

以上为不考虑疏散过程中的作用力时疏散模拟结果，下面分析考虑作用力的疏散情况，研究作用力对疏散的影响，并从疏散动力学规律来揭示其内在的联系。图4给出了考虑疏散人员之间相互作用力后走廊两个出口的疏散时间图。比较发现两个走廊出口的疏散时间的走势与图2情况具有一定的相似之处，单个房间人数小于等于15人，两走廊出口疏散时间基本保持不变，且两者基本相等；随后疏散时间均随着房间人数的增多而逐渐增加，增加趋势呈现线性关系。进一步对比分析图2和图4发现人员较多时，考虑作用力后延缓了疏散过程，且随着总人数增加，延缓效应就越明显，这是因为人员较少时行人疏散过程中人的作用力基本消失，人员较多时作用力效果明显，人员间的竞争和摩擦等对疏散有延缓作用。

同样对图4的数据进行处理可以得到图5所示的疏散时间差随房间人数的变化情况。可以发现，单个房间少于15人时，疏散时间差接近于零，这是由于人员较少时疏散过程中没有拥堵和其它作用，行人疏散过程顺畅，因此两个出口疏散时间相当；此时利用仅考虑距离因素的疏散指示标志的设计方式仍能够很好的实现合理高效的疏散。单个房间多于20人时，疏散时间逐渐增大，对比图5和图3发现，相同房间人数的条件下考虑作用力后的疏散时间差会明显增加，疏散不同出口的失衡现象更加明显。同样利用曲线拟合得到人员数量较多时疏散时间差基本满足线性关系，得到的拟合函数为：

利用拟合曲线可得图5实线曲线，曲线能够很好的符合已经计算的数据。同时与式(5)对比可知式(6)的斜率偏大，这是由疏散过程中的相互作用力造成的。同时，分析发现，不考虑作用力时单个房间人员数量达到25人时疏散时间出现差异；而考虑作用力后单个房间人员数量达到20人时就开始出现疏散时间的差异，这一现象充分说明了在向出口运动的过程中和出口附近人员之间的作用力对疏散造成的影响是明显的。同时研究中疏散人员取值是以5为最小单位的离散值，结论具有定性分析的局限。

 由上面的讨论可知，不论是否考虑行人疏散过程中的作用力，出口宽度不同的两个走廊出口在人员数量较多时都会出现明显的疏散时间差，只有当行人数量较少时疏散路径和出口都不会发生拥堵现象，此时两个出口才能够基本达到同时疏散的目的。由此可见，仅考虑距离因素的疏散指示设计规则不能够很好的解决出口宽度不等时的建筑疏散优化引导问题。为此，应进一步考虑多因素的出口选择模式，期望获得合理的疏散引导和人员配置模型。

2.2  考虑多因素出口选择的疏散效果分析

本部分重点讨论考虑多因素出口选择的疏散在优化疏散方面的合理性，解决仅考虑距离因素的疏散引导所导致出现的人员失衡现象。为了更好的说明此时的疏散演化过程，图6给出了仅考虑距离因素时疏散演化图，每个房间初始人员为30人，共300人。从第10、30、40疏散时间步的图形中可以看出房间人员进入走廊后按照距离出口的远近选择出口，而没有考虑其他任何因素；因此，左右两侧的人员数量相当。由于左右两侧出口的宽度不同导致疏散能力的差异，所以左侧出口疏散较快，导致出现了左侧疏散结束右侧仍有人员等待疏散时的现象，图中第80时间步所示。

 图6所示的演化图充分证明了人员数量较多时仅考虑距离因素确定出口选择会造成疏散人员分布的失衡现象，严重干扰正常的疏散进程。下面仿真考虑多因素的出口选择模型进行疏散对人员快速逃离所起到的积极作用。

图7给出了考虑多因素出口选择的疏散演化图。对比图6可以发现在进入走廊的人员当中有更多的人选择较宽的左出口，图中第30、40时间步所示。图中第40时间步所示，走廊中间区域人员根据当时实际情况对出口选择作了重新调整，改变了原来的出口选择目标。

 综上所述，通过对比发现仅考虑距离因素的出口选择不能够有效地配置和引导疏散人流，会造成疏散时间的延长；而利用考虑距离、出口宽度、出口区域人员密度三个因素来确定出口选择，可以更为合理的引导人员疏散，合理分配疏散人员配置，非常明显地提高了疏散效率。因此，基于考虑多因素的出口选择来进行疏散指示设计更为实际、可取。

2.3  建筑疏散引导规则优化设计思考

 建筑疏散的计算机仿真具有评估建筑设计优化疏散性能的作用。通过利用疏散模拟仿真可有效地实现建筑疏散性能的评估，并根据疏散情况分析疏散的优化策略设计。本文在2.1部分中针对疏散指示标志“就近出口”的原则模拟了多出口、多房间建筑的疏散情况，发现了人员密度达到一定值后“就近出口”的原则会导致出现疏散失衡的现象，这大大降低了建筑出口的疏散效率，浪费了疏散资源。

  为解决“就近出口”带来的问题，在2.2部分充分考虑了影响出口选择的各种因素，指出了人员密集时疏散人员选择出口目标应充分考虑人员到出口的距离、出口宽度和出口区域人员密度三个因素，并且研究发现考虑以上三个因素来确定疏散指示标志会平衡各出口的疏散，最大限度地发挥现有疏散资源的潜能，提高疏散效率。

  以上研究结果显示疏散指示标志设计仅考虑距离属性的“就近出口”的原则有很大的局限性，难以满足动态、即时变化的疏散要求。特别是对于复杂的城市建筑综合体更应该开发一种适应疏散具体情况的疏散指示系统。同时研究发现，疏散指示标志设计如果充分考虑疏散人员选择逃生出口的三个影响因素，建筑疏散将会更为合理有效、并极大地提高现有建筑的疏散效率和水平。

3结论

  研究分析了仅考虑距离因素进行出口选择和疏散引导存在的问题，建议使用考虑距离、出口宽度、出口区域人员密度三个因素的出口选择模型来确定疏散指示标志设计的思路。利用疏散模型和出口选择模型对比分析了双出口、多房间行人疏散情况，得到了如下结论。

 1)对于仅考虑距离因素的出口选择，计算发现人数较少时两出口的疏散时间基本一致，而随着人员数量的增多两个出口的疏散时间差距越来越大，而且考虑疏散人员间作用力后的疏散时间更长，两出口的疏散时间差更大；人员密度较大时，考虑作用力前后的疏散时间差均随房间人数呈线性增长的趋势，并拟合得到了相应的函数。

  2)利用考虑多因素的出口选择模型研究发现，充分考虑人员到出口的距离、出口宽度、出口区域人员密度三个因素进行出口选择能够有效平衡不同出口之间的疏散人员，最大限度的提高疏散效率。

  3)提出了摒弃“就近出口”的原则，建议在人员密度较高的建筑场所充分考虑距离、出口宽度和出口区域人员密度三个因素进行疏散优化，以及改进疏散指示标志设计的思路。

 本研究为实现更加高效的建筑疏散指示引导和建筑性能化设计提供了必要的理论依据。