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【摘要】利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化計(jì)算方法建立地鐵火災(zāi)人員安全疏散的模型,結(jié)合南京地鐵的具體情況進(jìn)行了疏散模擬分析,并將模擬結(jié)果與南京地下鐵道有限責(zé)任公司組織的站臺(tái)實(shí)地火災(zāi)演練進(jìn)行了比較、分析,從而驗(yàn)證了疏散模型的有效性。該模型的建立為地鐵性能化防火設(shè)計(jì)提供了參考,也為地鐵防火救災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)。該模型與地鐵火災(zāi)數(shù)值模擬相結(jié)合可以評(píng)估地鐵火災(zāi)疏散設(shè)計(jì)的安全性。

0引言

隨著城市地鐵的迅速發(fā)展,地鐵災(zāi)害問(wèn)題也愈來(lái)愈引起人們的重視。據(jù)統(tǒng)計(jì),在所調(diào)查的地鐵災(zāi)害事故中,火災(zāi)次數(shù)最多,約占30%,說(shuō)明在地鐵建設(shè)與運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,地鐵火災(zāi)是不容忽視的問(wèn)題。

1986年11月19日英國(guó)倫敦地鐵君王十字車(chē)站由于木質(zhì)自動(dòng)扶梯轟燃導(dǎo)致32人死亡,100多人受傷;1903年巴黎地鐵火災(zāi)導(dǎo)致84人死亡;1995年10月28日阿塞拜疆首都巴庫(kù)地鐵發(fā)生火災(zāi),最終造成558人死亡,269人受傷;1999年10月,韓國(guó)漢城郊外的地鐵發(fā)生火災(zāi)事故,造成55人死亡;2003年2月18日韓國(guó)東部城市大邱市地鐵發(fā)生人為縱火案,人員傷亡巨大至少造成138人死亡,99人失蹤;2004年莫斯科地鐵發(fā)生嚴(yán)重的地鐵列車(chē)爆炸案造成近50人死亡,100多人受傷。

我國(guó)地鐵自1969年相繼投入運(yùn)行以來(lái),因變電所、地鐵車(chē)輛內(nèi)的電氣設(shè)備和線路出現(xiàn)故障以及違章電焊和電氣設(shè)備誤操作等,共發(fā)生火災(zāi)156起,其中重大火災(zāi)3起,特大火災(zāi)1起。其中,北京地鐵幾年來(lái)先后幾次發(fā)生火警和火災(zāi),造成36人死亡,遇難者主要是因?yàn)榛馂?zāi)產(chǎn)生的毒煙氣和二氧化碳導(dǎo)致窒息身亡的。2005年8月26日北京地鐵1號(hào)線一列列車(chē)在運(yùn)行中由于車(chē)輛老舊,導(dǎo)致風(fēng)扇短路失火,著火異味之后冒起濃煙,火苗躥起半米高,列車(chē)司機(jī)呼吸道灼傷,內(nèi)環(huán)地鐵停運(yùn)近50分鐘,導(dǎo)致環(huán)線地鐵地面交通部分路段出現(xiàn)了較嚴(yán)重的擁堵。

一組組驚心動(dòng)魄的數(shù)據(jù)和慘痛的教訓(xùn)給人們敲響了警鐘:地鐵火災(zāi)對(duì)生命財(cái)產(chǎn)以及生態(tài)環(huán)境都造成巨大損失,是一個(gè)不容忽視的潛在危害,在當(dāng)前地下軌道交通系統(tǒng)飛速發(fā)展、地鐵引起高度重視的年代,地鐵火災(zāi)方面的研究成為科技工作者們刻不容緩的任務(wù)。

地鐵內(nèi)部一旦發(fā)生火災(zāi),后果將十分嚴(yán)重,地鐵火災(zāi)容易形成濃煙和熱氣浪,同時(shí)產(chǎn)生大量的有毒氣體,由于地鐵處在地面以下,火災(zāi)時(shí)煙氣擴(kuò)散方向與人員疏散方向一致,對(duì)火災(zāi)場(chǎng)景人員逃生都十分不利。再加上地鐵具有密閉性、火災(zāi)荷載大、人員密度高等特點(diǎn),人員安全疏散難度很大,所以地鐵火災(zāi)人員疏散是一個(gè)十分重要的課題[1—2]。

筆者針對(duì)地鐵火災(zāi)的特點(diǎn),在前人研究的理論基礎(chǔ)上利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化計(jì)算原理建立了地鐵火災(zāi)人員安全疏散的模型,通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)來(lái)模擬地鐵火災(zāi)人員疏散情況。該疏散模型與火災(zāi)模擬軟件相結(jié)合可以為地鐵的疏散設(shè)計(jì)方案提供參考,也可作為地鐵性能化防火設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工具,同時(shí)在實(shí)現(xiàn)人員安全疏散目標(biāo)的基礎(chǔ)上,大大發(fā)揮地鐵的效能指標(biāo),保證人員的生命安全具有重要的意義。

1地鐵火災(zāi)疏散模型

1.1火災(zāi)疏散模型簡(jiǎn)介

安全疏散是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題,有很多的影響因素,一直受到國(guó)際上眾多科研機(jī)構(gòu)的關(guān)注。各國(guó)在該領(lǐng)域的研究取得了一定的成果和進(jìn)展,并建立與開(kāi)發(fā)了很多模型與程序。例如:英國(guó)的CRISP,EXODUS(基于行為準(zhǔn)則的模型),STEPS,SIMULEX(復(fù)雜行為模型);美國(guó)的ELVAC,EVACNET4(無(wú)行為準(zhǔn)則模型),EXIT89(復(fù)雜行為模型),HAZARDI;澳大利亞的EGRESSPRO(基于人工智能的模型),FIREWIND;加拿大的FIERAsystem和日本的EVACS等。種種模型都各具特色,各自適用于特定的領(lǐng)域。

我國(guó)對(duì)安全疏散的研究起步較晚,大都還停留在定性分析階段。近些年來(lái),隨著我國(guó)對(duì)消防安全的逐漸重視,才出現(xiàn)了一些關(guān)于建筑物火災(zāi)中安全疏散模型的研究。例如:香港城市大學(xué)與武漢大學(xué)合作,提出了利用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)收集人員在火災(zāi)中行為量化數(shù)據(jù)的調(diào)查方法,并結(jié)合火災(zāi)后的問(wèn)卷調(diào)查及疏散演習(xí)等手段收集了大量有關(guān)火災(zāi)中人員行為的數(shù)據(jù),建立了局部細(xì)網(wǎng)格和個(gè)體描述的疏散模型(SGEM),并采用該模型對(duì)香港的一些實(shí)際工程進(jìn)行了較為成功的疏散模擬。

“九五”期間,公安部天津消防科學(xué)研究所也建立了一個(gè)地下商場(chǎng)人員疏散模型[1]。

公安部四川消防科學(xué)研究所等在“十五”期間,開(kāi)展大空間公共建筑火災(zāi)疏散評(píng)估技術(shù)的相關(guān)研究[2]。研究人員準(zhǔn)備建立疏散綜合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型。模型包括評(píng)估部分及相關(guān)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn).綜合模型的簡(jiǎn)述如圖1所示。綜合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型,包括4個(gè)子模型:

1)逃生前期人員行為系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型;

2)逃生中人員行為系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型;

3)疏散人流系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型;

4)疏散人員能力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型。

近年來(lái),人們對(duì)元胞自動(dòng)機(jī)模型的興趣大增,原因是該類(lèi)簡(jiǎn)單的模型能十分方便的復(fù)制出復(fù)雜的現(xiàn)象或動(dòng)態(tài)演化過(guò)程中的吸引子、自組織和混沌現(xiàn)象。因此,目前元胞自動(dòng)機(jī)被廣泛應(yīng)用于模擬各種物理系統(tǒng)和自然現(xiàn)象。

中國(guó)科技大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究了一種基于精細(xì)網(wǎng)格的元胞自動(dòng)機(jī)模型,該模型在火災(zāi)安全疏散方面被廣泛應(yīng)用。元胞自動(dòng)機(jī)是在均勻一致的網(wǎng)格上由有限狀態(tài)的變量(或稱元胞)構(gòu)成的離散的動(dòng)力系統(tǒng)。元胞自動(dòng)機(jī)可以看成為無(wú)窮維動(dòng)力系統(tǒng)中的一類(lèi),其特點(diǎn)是空間、時(shí)間和狀態(tài)都離散,同時(shí)每一個(gè)變量只取有限多個(gè)狀態(tài)。其運(yùn)行規(guī)則主要有:所有元胞的狀態(tài)是同時(shí)發(fā)生變化的;同時(shí),在時(shí)刻t+1的第i個(gè)元胞的狀態(tài)是由時(shí)刻t的第i個(gè)元胞以及相鄰的有限個(gè)元胞的狀態(tài)決定的。一般可以通過(guò)制定不同的規(guī)則來(lái)滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。另外一類(lèi)常用的疏散模型是采用網(wǎng)絡(luò)模擬方法,原理是將建筑物的房間、走廊作為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)來(lái)考慮,把眾多的人群作為一個(gè)整體來(lái)考慮。該群體具有相同的移動(dòng)特性,通過(guò)考察建筑物每個(gè)單元內(nèi)的群體人員的移動(dòng)進(jìn)而確定建筑物的疏散時(shí)間。例如:東北大學(xué)提出了一種火災(zāi)中群集疏散的模型,并采用了計(jì)算機(jī)仿真的方法計(jì)算疏散行動(dòng)時(shí)間;中國(guó)建筑科學(xué)院建筑防火研究所提出利用網(wǎng)絡(luò)控制原理對(duì)地下商業(yè)街建筑人員疏散行為進(jìn)行模擬,建立了相應(yīng)的疏散預(yù)測(cè)模型[2]。

1.2地鐵火災(zāi)疏散模型的建立

筆者利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化計(jì)算原理建立了地鐵火災(zāi)人員安全疏散的模型,該模型將地鐵各功能單元當(dāng)作網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn),利用節(jié)點(diǎn)之間存在一定的流量限制原理來(lái)計(jì)算地鐵火災(zāi)整體疏散所需時(shí)間Trset,可以與火災(zāi)模擬軟件相結(jié)合確定疏散可用時(shí)間Taset,從而評(píng)估地鐵設(shè)計(jì)及其火災(zāi)疏散的安全性。具體網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化計(jì)算原理如圖2所示。

1.2.1地鐵火災(zāi)疏散流動(dòng)模式化

1)空間模式化:采用網(wǎng)絡(luò)(network)型控制方法,將各個(gè)車(chē)廂、站臺(tái)、站臺(tái)至站廳的疏散樓梯、通道出入口和地面安全地點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)(node),它們之間的聯(lián)系為連接(link),該連接為各個(gè)空間節(jié)點(diǎn)互相聯(lián)系的假象空間,該處既無(wú)面積,也無(wú)距離,亦不存在用于移動(dòng)的時(shí)間[2]。如圖2所示為空間模式化圖。

2)人的處理:采用集團(tuán)型處理,即將地鐵中的乘客按照其行為能力不同化分為正常人、活動(dòng)不便的人以及由兒童及其家長(zhǎng)組成的家庭等3個(gè)集團(tuán)。按照其構(gòu)成比例,綜合確定人員疏散特性及整體疏散能力[2]。

3)流動(dòng)的處理:在疏散過(guò)程中,人的流動(dòng)以單向型人流對(duì)待,在地鐵車(chē)門(mén)口、站臺(tái)至站廳的樓梯口、出入口等處由于瓶頸因素人流可能出現(xiàn)滯留,在此情況按照排隊(duì)理論處理。

1.2.2地鐵火災(zāi)中人員移動(dòng)速度計(jì)算

地鐵火災(zāi)人員移動(dòng)速度主要受地鐵結(jié)構(gòu)布

置以及人員特征的影響。地鐵結(jié)構(gòu)布置決定了疏散通道類(lèi)型,人員疏散時(shí)經(jīng)過(guò)不同的通道具有不同的移動(dòng)速度。根據(jù)地鐵特征,可以把通道分為水平通道、樓梯通道和門(mén)等3類(lèi)。各種情況下移動(dòng)速度的計(jì)算如下所示[4—6]:

1)人員在水平通道的移動(dòng)速度。通常每個(gè)人在不同的位置、時(shí)刻所移動(dòng)的速度是不同的,但在人口密度較大的公共場(chǎng)所,人們的群聚效應(yīng)是明顯的,個(gè)體比較難以獨(dú)立采取行動(dòng),因此,可以忽略個(gè)體心理反應(yīng)等次要因素,而假定人們的移動(dòng)速度只與他所處的幾何位置以及該位置一定范圍內(nèi)的人員密度兩個(gè)因素有關(guān),根據(jù)人們?cè)谇斑M(jìn)時(shí)受前后和左右兩個(gè)方向阻力,以及考慮其他因素3部分的影響,人們的逃生的速度表示為下列函數(shù)[3]:

uj(ρ)=um(αA+βB+γ)

A=1.32-0.82ln(ρ)

B=3.0-0.76ρ

式中,um———自由移動(dòng)時(shí)的速度(m/s);

α,β,γ———人員幾何位置、人員密度、其他方面3個(gè)因素的權(quán)重系數(shù);

ρ———研究對(duì)象所處位置的人員密度(人數(shù)/m2),即單位面積內(nèi)承載的人數(shù)。

2)人員通過(guò)樓梯和門(mén)的移動(dòng)速度。根據(jù)DongkonLee的論文中所做的大量研究表明,人員流量F、移動(dòng)速度V與通道類(lèi)型、人員密度D有關(guān),如下表所示[9]:

1.2.3地鐵火災(zāi)疏散模型的程序框圖

新建立的地鐵火災(zāi)疏散模型如圖3所示。

2地鐵火災(zāi)疏散模型的驗(yàn)證與分析

2.1站臺(tái)火災(zāi)實(shí)地演練

南京地鐵一號(hào)線的三山街站為地下二層島式車(chē)站,總建筑面積為12880m2。車(chē)站總長(zhǎng)度226.60m,主體寬度62.49m。標(biāo)準(zhǔn)段寬度為21.60m,車(chē)站頂板覆土平均厚度3m,車(chē)站底板平均埋深約14.91m。三山街站是雙層島式車(chē)站,每層有效空間長(zhǎng)142m,寬12m,高3m。其中地下一層為站廳層,共有4個(gè)人行出入口與外界相連,每個(gè)出入口寬4m,高2.5m。地下二層為站臺(tái)層,站臺(tái)左右兩端分別有通往隧道的兩個(gè)隧道口,每個(gè)開(kāi)口寬5m,高5m。站廳與站臺(tái)之間靠3個(gè)寬分別為4m的樓梯連接,樓梯水平開(kāi)口長(zhǎng)度7.3m,每個(gè)樓梯之間間距為17.2m。

2005年5月5日上午,南京地下鐵道有限責(zé)任公司在三山街站組織了一次站臺(tái)火災(zāi)演練。放煙人員于9時(shí)26分28秒在三山街站臺(tái)B端扶梯與電梯中部開(kāi)始點(diǎn)煙,車(chē)控室行車(chē)值班員在FAS屏上發(fā)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警信號(hào)并向值班站長(zhǎng)報(bào)告,9時(shí)28分站務(wù)人員停止電梯運(yùn)行,通知旅客疏散到2#出入口,9時(shí)29分車(chē)站廣播啟動(dòng)緊急疏散預(yù)案,9時(shí)29分42秒,車(chē)站排煙系統(tǒng)開(kāi)啟,9時(shí)30分站臺(tái)站廳共計(jì)150名乘客全部疏散至2#出入口。9時(shí)32分15秒上行線由中華門(mén)站開(kāi)到三山街站的列車(chē)跳站運(yùn)行。9時(shí)34分30秒車(chē)站工作人員疏散到2#出入口待命,將滅火工作交給消防人員。9時(shí)36分06秒停止排煙,各系統(tǒng)恢復(fù)正常功能。9時(shí)36分26秒廣播通知火已撲滅。演練時(shí)三山街站有100名乘客在站臺(tái)候車(chē)和上下車(chē),站廳層有50名乘客,三山街站實(shí)地演練的實(shí)地結(jié)構(gòu)框架及人員疏散方向分布圖如圖4所示。超級(jí)秘書(shū)網(wǎng)

3結(jié)論

1)筆者針對(duì)地鐵火災(zāi)的特點(diǎn),將網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化計(jì)算方法應(yīng)用于地鐵這種特殊的地下建筑,建立了針對(duì)地鐵火災(zāi)特點(diǎn)的疏散模型。

2)根據(jù)南京地下鐵道有限責(zé)任公司提供的多組實(shí)地演練數(shù)據(jù)對(duì)該模型進(jìn)行了完善和有效性驗(yàn)證,在地鐵火災(zāi)安全疏散研究方面進(jìn)行了創(chuàng)新性探索。

3)該模型可以結(jié)合地鐵火災(zāi)數(shù)值模擬軟件,評(píng)估地鐵火災(zāi)中人員疏散安全性問(wèn)題,從理論上保證了發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員能夠安全疏散,同時(shí)也可以為地鐵防火救災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)。

由于地鐵火災(zāi)的隨機(jī)性和人員行為的不確定性,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源的不足,公共安全實(shí)驗(yàn)條件的限制,現(xiàn)有模型還存在一些不足之處,有待在以下方面進(jìn)行深入研究:

首先,考慮不同人員對(duì)火災(zāi)的心理反應(yīng),個(gè)體間的相互作用,地鐵環(huán)境的影響,以求真實(shí)具體地反應(yīng)人們?cè)谑枭⑻由^(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

其次,地鐵實(shí)地火災(zāi)疏散演練與實(shí)際發(fā)生突發(fā)火災(zāi)的真實(shí)情況尚有差距,以后應(yīng)在盡可能接近實(shí)際火災(zāi)條件下進(jìn)行新的地鐵實(shí)地火災(zāi)疏散演練,獲得盡可能多的數(shù)據(jù),不斷修正、完善所建模型。

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