地铁火灾人员疏散的研究

【摘　要】　利用网络优化计算方法建立地铁火灾人员安全疏散的模型,结合南京地铁的具体情况进行了疏散模拟分析,并将模拟结果与南京地下铁道有限责任公司组织的站台实地火灾演练进行了比较、分析,从而验证了疏散模型的有效性。该模型的建立为地铁性能化防火设计提供了参考,也为地铁防火救灾工作提供科学依据。该模型与地铁火灾数值模拟相结合可以评估地铁火灾疏散设计的安全性。

【关键词】　地铁火灾;　疏散模型;　安全疏散评估;　网络优化;　火灾演练

0 引　言
随着城市地铁的迅速发展,地铁灾害问题也愈来愈引起人们的重视。据统计,在所调查的地铁灾害事故中,火灾次数最多,约占30%,说明在地铁建设与运营过程中,地铁火灾是不容忽视的问题。
1986年11月19日英国伦敦地铁君王十字车站由于木质自动扶梯轰燃导致32人死亡,100多人受伤;1903年巴黎地铁火灾导致84人死亡;1995年10月28日阿塞拜疆首都巴库地铁发生火灾,最终造成558人死亡,269人受伤;1999年10月,韩国汉城郊外的地铁发生火灾事故,造成55人死亡;2003年2月18日韩国东部城市大邱市地铁发生人为纵火案,人员伤亡巨大至少造成138人死亡,99人失踪;2004年莫斯科地铁发生严重的地铁列车爆炸案造成近50人死亡,100多人受伤。
我国地铁自1969年相继投入运行以来,因变电所、地铁车辆内的电气设备和线路出现故障以及违章电焊和电气设备误操作等,共发生火灾156起,其中重大火灾3起,特大火灾1起。其中,北京地铁几年来先后几次发生火警和火灾,造成36人死亡,遇难者主要是因为火灾产生的毒烟气和二氧化碳导致窒息身亡的。2005年8月26日北京地铁1号线一列列车在运行中由于车辆老旧,导致风扇短路失火,着火异味之后冒起浓烟,火苗蹿起半米高,列车司机呼吸道灼伤,内环地铁停运近50分钟,导致环线地铁地面交通部分路段出现了较严重的拥堵。
一组组惊心动魄的数据和惨痛的教训给人们敲响了警钟:地铁火灾对生命财产以及生态环境都造成巨大损失,是一个不容忽视的潜在危害,在当前地下轨道交通系统飞速发展、地铁引起高度重视的年代,地铁火灾方面的研究成为科技工作者们刻不容缓的任务。
地铁内部一旦发生火灾,后果将十分严重,地铁火灾容易形成浓烟和热气浪,同时产生大量的有毒气体,由于地铁处在地面以下,火灾时烟气扩散方向与人员疏散方向一致,对火灾场景人员逃生都十分不利。再加上地铁具有密闭性、火灾荷载大、人员密度高等特点,人员安全疏散难度很大,所以地铁火灾人员疏散是一个十分重要的课题[1—2]。
笔者针对地铁火灾的特点,在前人研究的理论基础上利用网络优化计算原理建立了地铁火灾人员安全疏散的模型,通过计算机软件开发来模拟地铁火灾人员疏散情况。该疏散模型与火灾模拟软件相结合可以为地铁的疏散设计方案提供参考,也可作为地铁性能化防火设计的风险评估工具,同时在实现人员安全疏散目标的基础上,大大发挥地铁的效能指标,保证人员的生命安全具有重要的意义。
1 地铁火灾疏散模型
1.1 火灾疏散模型简介
安全疏散是一个非常复杂的问题,有很多的影响因素,一直受到国际上众多科研机构的关注。各国在该领域的研究取得了一定的成果和进展,并建立与开发了很多模型与程序。例如:英国的crisp,exodus(基于行为准则的模型),steps,simulex(复杂行为模型);美国的elvac,evacnet4(无行为准则模型),exit89(复杂行为模型),hazardi;澳大利亚的egresspro(基于人工智能的模型),firewind;加拿大的fierasystem和日本的evacs等。种种模型都各具特色,各自适用于特定的领域。
我国对安全疏散的研究起步较晚,大都还停留在定性分析阶段。近些年来,随着我国对消防安全的逐渐重视,才出现了一些关于建筑物火灾中安全疏散模型的研究。例如:香港城市大学与武汉大学合作,提出了利用计算机虚拟现实的技术收集人员在火灾中行为量化数据的调查方法,并结合火灾后的问卷调查及疏散演习等手段收集了大量有关火灾中人员行为的数据,建立了局部细网格和个体描述的疏散模型(sgem),并采用该模型对香港的一些实际工程进行了较为成功的疏散模拟。
“九五”期间,公安部天津消防科学研究所也建立了一个地下商场人员疏散模型[1]。
公安部四川消防科学研究所等在“十五”期间,开展大空间公共建筑火灾疏散评估技术的相关研究[2]。研究人员准备建立疏散综合系统动态模型。模型包括评估部分及相关的评判标准.综合模型的简述如图1所示。综合系统动态模型,包括4个子模型:
1)逃生前期人员行为系统动态模型;
2)逃生中人员行为系统动态模型;
3)疏散人流系统动态模型;
4)疏散人员能力系统动态模型。

近年来,人们对元胞自动机模型的兴趣大增,原因是该类简单的模型能十分方便的复制出复杂的现象或动态演化过程中的吸引子、自组织和混沌现象。因此,目前元胞自动机被广泛应用于模拟各种物理系统和自然现象。
中国科技大学火灾科学国家重点实验室研究了一种基于精细网格的元胞自动机模型,该模型在火灾安全疏散方面被广泛应用。元胞自动机是在均匀一致的网格上由有限状态的变量(或称元胞)构成的离散的动力系统。元胞自动机可以看成为无穷维动力系统中的一类,其特点是空间、时间和状态都离散,同时每一个变量只取有限多个状态。其运行规则主要有:所有元胞的状态是同时发生变化的;同时,在时刻t+1的第i个元胞的状态是由时刻t的第i个元胞以及相邻的有限个元胞的状态决定的。一般可以通过制定不同的规则来满足实际应用的需要。另外一类常用的疏散模型是采用网络模拟方法,原理是将建筑物的房间、走廊作为网络中的节点来考虑,把众多的人群作为一个整体来考虑。该群体具有相同的移动特性,通过考察建筑物每个单元内的群体人员的移动进而确定建筑物的疏散时间。例如:东北大学提出了一种火灾中群集疏散的模型,并采用了计算机仿真的方法计算疏散行动时间;中国建筑科学院建筑防火研究所提出利用网络控制原理对地下商业街建筑人员疏散行为进行模拟,建立了相应的疏散预测模型[2]。
1.2 地铁火灾疏散模型的建立
笔者利用网络优化计算原理建立了地铁火灾人员安全疏散的模型,该模型将地铁各功能单元当作网络中的一个个节点,利用节点之间存在一定的流量限制原理来计算地铁火灾整体疏散所需时间trset,可以与火灾模拟软件相结合确定疏散可用时间taset,从而评估地铁设计及其火灾疏散的安全性。具体网络优化计算原理如图2所示。

1.2.1 地铁火灾疏散流动模式化
1)空间模式化:采用网络(network)型控制方法,将各个车厢、站台、站台至站厅的疏散楼梯、通道出入口和地面安全地点作为网络的节点(node),它们之间的联系为连接(link),该连接为各个空间节点互相联系的假象空间,该处既无面积,也无距离,亦不存在用于移动的时间[2]。如图2所示为空间模式化图。
　　2)人的处理:采用集团型处理,即将地铁中的乘客按照其行为能力不同化分为正常人、活动不便的人以及由儿童及其家长组成的家庭等3个集团。按照其构成比例,综合确定人员疏散特性及整体疏散能力[2]。
3)流动的处理:在疏散过程中,人的流动以单向型人流对待,在地铁车门口、站台至站厅的楼梯口、出入口等处由于瓶颈因素人流可能出现滞留,在此情况按照排队理论处理。
1.2.2 地铁火灾中人员移动速度计算
地铁火灾人员移动速度主要受地铁结构布置以及人员特征的影响。地铁结构布置决定了疏散通道类型,人员疏散时经过不同的通道具有不同的移动速度。根据地铁特征,可以把通道分为水平通道、楼梯通道和门等3类。各种情况下移动速度的计算如下所示[4—6]:
1)人员在水平通道的移动速度。通常每个人在不同的位置、时刻所移动的速度是不同的,但在人口密度较大的公共场所,人们的群聚效应是明显的, 个体比较难以独立采取行动,因此,可以忽略个体心理反应等次要因素,而假定人们的移动速度只与他所处的几何位置以及该位置一定范围内的人员密度两个因素有关,根据人们在前进时受前后和左右两个方向阻力,以及考虑其他因素3部分的影响,人们的逃生的速度表示为下列函数[3]:
uj(ρ)=um(αa+βb+γ)
a=1.32-0.82ln(ρ)
b=3.0-0.76ρ
式中,um———自由移动时的速度(m/s);
α,β,γ———人员几何位置、人员密度、其他方面3个因素的权重系数;
ρ———研究对象所处位置的人员密度(人数/m2),即单位面积内承载的人数。

2)人员通过楼梯和门的移动速度。根据dongkonlee的论文中所做的大量研究表明,人员流量f、移动速度v与通道类型、人员密度d有关,如下表所示[9]:
1.2.3 地铁火灾疏散模型的程序框图
新建立的地铁火灾疏散模型如图3所示。

2 地铁火灾疏散模型的验证与分析
2.1 站台火灾实地演练
南京地铁一号线的三山街站为地下二层岛式车站,总建筑面积为12880m2。车站总长度226.60m,主体宽度62.49m。标准段宽度为21.60m,车站顶板覆土平均厚度3m,车站底板平均埋深约14.91m。三山街站是双层岛式车站,每层有效空间长142m,宽12m,高3m。其中地下一层为站厅层,共有4个人行出入口与外界相连,每个出入口宽4m,高2.5m。地下二层为站台层,站台左右两端分别有通往隧道的两个隧道口,每个开口宽5m,高5m。站厅与站台之间靠3个宽分别为4m的楼梯连接,楼梯水平开口长度7.3m,每个楼梯之间间距为17.2m。
2005年5月5日上午,南京地下铁道有限责任公司在三山街站组织了一次站台火灾演练。放烟人员于9时26分28秒在三山街站台b端扶梯与电梯中部开始点烟,车控室行车值班员在fas屏上发现火灾报警信号并向值班站长报告,9时28分站务人员停止电梯运行,通知旅客疏散到2#出入口,9时29分车站广播启动紧急疏散预案,9时29分42秒,车站排烟系统开启,9时30分站台站厅共计150名乘客全部疏散至2#出入口。9时32分15秒上行线由中华门站开到三山街站的列车跳站运行。9时34分30秒车站工作人员疏散到2#出入口待命,将灭火工作交给消防人员。9时36分06秒停止排烟,各系统恢复正常功能。9时36分26秒广播通知火已扑灭。演练时三山街站有100名乘客在站台候车和上下车,站厅层有50名乘客,三山街站实地演练的实地结构框架及人员疏散方向分布图如图4所示。

3 结　论
1)笔者针对地铁火灾的特点,将网络优化计算方法应用于地铁这种特殊的地下建筑,建立了针对地铁火灾特点的疏散模型。
2)根据南京地下铁道有限责任公司提供的多组实地演练数据对该模型进行了完善和有效性验证,在地铁火灾安全疏散研究方面进行了创新性探索。
3)该模型可以结合地铁火灾数值模拟软件,评估地铁火灾中人员疏散安全性问题,从理论上保证了发生火灾时人员能够安全疏散,同时也可以为地铁防火救灾工作提供科学依据。
由于地铁火灾的随机性和人员行为的不确定性,基础数据资源的不足,公共安全实验条件的限制,现有模型还存在一些不足之处,有待在以下方面进行深入研究:
首先,考虑不同人员对火灾的心理反应,个体间的相互作用,地铁环境的影响,以求真实具体地反应人们在疏散逃生过程中的运动状态。
其次,地铁实地火灾疏散演练与实际发生突发火灾的真实情况尚有差距,以后应在尽可能接近实际火灾条件下进行新的地铁实地火灾疏散演练,获得尽可能多的数据,不断修正、完善所建模型。

参考文献
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