人群疏散出口障碍物对疏散效率的影响规律研究

可能并非完全负面，为了更全面、正确地认识障碍物对疏散效率的影响规律，在已有研究基础上，采用控制变量的方法，着重考虑

障碍物位置和尺寸2个条件，通过构造不同条件的疏散场景，运用Pathfinder软件进行模拟仿真，分析获得障碍物位置和尺寸对

疏散效率的影响规律：其他条件不变的情况下，障碍物距离出口由近到远变化，疏散效率呈现先降低后升高再降低的趋势；障碍

物尺寸也对疏散效率有显著影响#效率曲线的趋势和极值为进一步的应急策略研究提供了参考和依据#关键词:人群疏散；Pathfinder；疏散效率；障碍物中图分类号：X913.4

文献标志码:A

文章编号：1673 - 193X(2020) -01 -0141 -05Study on nnf euence eaws of obstac ee nn evacuat non ex nt on evacuat non e fnc nencyLYU Hui1'2 , LIN Xianyyuan1 工,WANG Yinglony1'2 , ZH0U Rui1'2(1. Institute of Public Safety Research , Departwent of Engineering Physics , Tsinghua University, Beijing 100084 , China ；2. Beijing Key Laboratoe of City Inteyrated Emervency Response Science, Tsinghua University, Beijing 100084, China)Abstract: It is yenerally considered that the evvcuation exit should be kept clear to aveid the obstacles blockiny the passaae

thus reduciny the evvcuation efficiency. However, some studies have found that the influence of obstacles on the evvcuation eO

ficiency may not be completely neyative. In order to understand the influence laws of obstacles on the evvcuation eticiency

more fully and correctly, on the basis of previous research, the method of control wriables was used to focus on two conditions

of obstacle position and size. Through canstructiny the evvcuation scanarios under dileent conditions , the simulation was cys1

ried out by using the Pathfinder software, and the infuenco laws of obstacle position and size on the evvcuation efficiency were

analyzed and obtained. With other conditions remaininy unchanged , when the distance between obstacle and exit changed fem near to fas, the evacuation efficiency decreased first and then increased and decreased again. The size of obstacle also had

vious influence on the evvcuation eticiency. The tendency and extreme vvlues of the evvcuation efficiency curves provide ba1 sosand ee ee een ce eo ethe eu ethe estudy o eeme egen cy st eateg oes.Key wors: crowd evvcuation ； Pathfinder ； evvcuation efficiency ； obstacle响应较为困难，是严重威胁人民生命安全并且破坏程度 大、预防性差的事故类型。例如2014年上海的跨年夜，

0引言随着经济社会快速发展和城市化进程加快，各种大 型公共场所、高层建筑和新型综合体建筑越来越多，人

外滩公园人群在单行线路发生人流对冲，最终引发拥挤 踩踏事故。因此，研究人群疏散规律、提升人群疏散能

们对物质文娱生活需求愈发增强，人群聚集程度也越来 越高，大型群体性活动过程中的人群拥挤踩踏事故风险

力对于城市安全发展具有重要意义#很多学者开展人群疏散模拟研究并建立了相关理 论模型“5] #其中，出口障碍物对人群疏散效率的影响

加大。这类事故往往事发突然，事故前兆不显著，应急

收稿日期：2020 -01 - 14

*基金项目：国家‘然科学基金项目(71603146，91646101 &作者简介：吕惠，硕士研究生，主要研究方向为城市公共安全科学与技术。通信作者：周睿，博士，助理研究员，主要研究方向为城市公共安全科学与技术-142 -中国安全生产科学技术第16卷是疏散研究的重要内容之一#长期以来，疏散出口保持

畅通、避免障碍物阻碍通行进而降低疏散效率已成为安

全管理常识#但近年来有研究发现,困在容器中的蚂蚁

群体通过出口时会遭遇瓶颈、造成堵塞；如果出口前设

有障碍物，蚂蚁就会自动分成2队，而总的疏散时间将

会减少#另有学者在人群身上重复了同样的实验，结果

显示：在60人的疏散实验中,如果出口前设置障碍物,

疏散开始时人群将分开，形成2道人流通往出口 ,人流

迅速从出口的2边通过，全部疏散用时17 s；如果出口

前没有设置障碍物，人群会在门口放慢速度，像蚂蚁一

样遭遇瓶颈、造成拥堵，全部疏散用时20 s，慢了将近

18%。这与人们的经验认知和直观判断并不一致，因此

国内外学者纷纷对该现象开展研究# Zuriyuefl发现，

在筒仓出口附近合适位置放置障碍物可通过减少出口

附近的压力来提高粒子流率；Alonso-Marroquin［7）模拟了

漏斗中放置障碍物对粒子流率的影响，发现最优的障碍

物直径可使流率提高5% ； Helbiny［8］用社会力模型模拟

出人群在恐慌状态下的疏散过程,并提出在特殊位置设

置一些交通设施（障碍物），可以引导正常和恐慌状态

下的人群运动；Nishinari等［9］用基于CA模型的扩展场

模型模拟，发现障碍物在房间中摆放位置的不同会对疏

散模拟结果带来很大影响；刘天扬［10］用小白鼠代替人 群做了集群疏散实验，实验结果显示出口形式对疏散时

间有显著影响；Tian（11）等分析了教室座位的不同摆放形 状对人群疏散的平均疏散时间和最长疏散时间的影响#通过对已有研究的调研分析，出口处障碍物对人群

疏散效率可能具有正面影响已有足够证据，但对于不同

条件障碍物影响疏散效率的多变量研究仍不够深入#

因此，本文考虑障碍物的位置和大小2个因素,通过控

制变量的方法研究其对人群疏散效率的影响规律，并分

析探讨其中的物理机制#1疏散模型1. 模拟软件Pathfndvs 是一-款 2009 年 由美国 Thunderhexd Enyil neeniny公司研发、直观易用的新型智能人员紧急疏散

逃生模拟评估系统软件（12］ #其基于Agent智能体技术，

通过定义每1个模拟运动个体的各种参数%如：数量、行

走速度、位置、所占体积等）来实现模拟过程中各自相对

独立的行走路径和运动模式；同时,利用计算机仿真技

术进行图形化展示#Pathfinder内置2种人群运动模拟计算仿真模型，分

别为SFPE模式和Steeriny模式［13）# SFPE模式下,行人

以路径长度作为路径选择的主要标准，其运动速率由房

间人群密度来决定；Steeriny模式下，每个个体的自身运

动行为由路径规划机制、转向机制和碰撞处理3个模块

来控制,人员疏散时根据路径及人员距离确认行进

路线（“-15）#1.2参数设定模拟环境参数主要是设定软件模拟的数据输出、模

拟行为模型等# Steeriny模式能更好地描述人群运动特

征，并且更加贴近真实运动情况，将转向更新时间设定

为0.1 s,碰撞响应时间设定为1J s,舒适距离设定为

0.08 m#由于本文主要研究

物 对于人群疏散的普适性影响，故不考虑人群内部年龄、性别、体型等个 体差异，将所有待疏散人员统一化，减少由不同人员构 成而引起的模拟结果差异，使得到的结果更具有普适

性#本文选定软件默认的人员特征参数，设定个体最大

移动速度为1. 19 m/s,个体肩宽为45.58 cm#参数设置

如表1所示#表1 Pathfinder中运动行为模型设定Table 1 Setting of motion befavior model in Pathfinder参数取值转向更新时间/s0.1碰撞响应时间/s1.5舒适距离/m0.08个体最大移动速度/（m - s-1 ）1.19个体肩宽/ cm45 .581.3障碍物设置一般的矩形障碍物包括长度和宽度2个几何变量,

障碍物与出口的位置关系包括前后和左右2个自由度#

多变量组合条件及相互影响复杂，为了便于控制变量提

取科学规律，本文对障碍物设置进行适当的理想简化#1） 几何形状方面：障碍物宽度远小于长度，将近似

于纵向隔墙；长宽尺寸相当，将近似于方形障碍物#因

此，本文选取纵向隔墙和方形2种典型障碍物作为研究

对象，可以看作矩形障碍物几何形状的极限情况，一般

的矩形障碍物将介于2者之间#2） 位置关系方面:本文对出口和障碍物的左右自由

度进行对称约束，均设置于房间的左右对称中心，仅控

制障碍物到出口的前后（平面图的上下）距离变化，进研究 应变化对疏散

的影响#2纵向隔墙2.

场景设置考虑纵向隔墙距离出口位置对疏散时间的影响,建

立模型工况如下：矩形房间大小为10 m_6.5 m;初始疏第1期中国安全生产科学技术・143・散人数为60人；出口位于中央位置，宽度为0.8 m；纵向 隔墙设置于出口的中央，保持其长 变，移动其上端点位置。模型如图1所示。0.8 单位：m'

出口 11纵向隔墙一 10 、图1纵向隔墙模型Fig. 1 Mode of vertical partition waH2・2 结果分析纵向隔墙上端点的位置，得到其与疏散时间的关系，如图2所示#图2 疏散时间随纵向隔墙上端点位置的变化Fig. 2 Change of evacuation time with location ofendpoint on vertical partition wall可以看出,随着纵向隔墙距离出口距离的增加，疏

散时间 为 波动的曲线#其中，A\"B\"C为3个明的转折点。1）当纵向隔墙与出口

与A之间时，纵向隔墙

口太近， 疏散作用，一方面，纵向隔墙的边界削减了出口有效宽度；另一方面，疏

散过程 壁面处人群行

低的规律， 纵向墙

影响隔墙两侧行人的行

，2方面 ]作用使疏散变慢，疏散时间 。2）当纵向隔墙与出口的距离在A与B之间时，隔墙逐渐 口，到达与出口宽度相同的距离时，在两边斜向形成更宽的等效出 口，使疏散变快，疏散时间减少，如图3所示。3 ）当纵向

隔墙与出口 B与C之间时，距离太远的纵向隔墙对出口构型影响 ，出口

成180构，

的 成使人群 口处大量拥堵， 疏散变慢，疏散时间

，如图4所示。3方形障碍物对封闭空间出口处方形障碍物影响疏散效率的关

%位置\"尺寸等）进行模拟分析，研究单变

汀牛图3新出口Fig. 3 New exC图4拱形结构Fig. 4 Arch seucthre下的变化规律，进而探寻多因素共同作用下的影响规 律，

优或非 ，同时为机理研究提供模拟数据支撑。3. 场景设置考虑方形障碍物的位置\"尺寸对疏散时间的影响，

建立模型工况如下：矩形房间大小为10 mx6.5 m；出口

位于房间长边的中央位置， 为1.2 m；方

物设置于出口的中央，方 物边长从0. 2 m开始，以0.2 m的幅度增至1.0 m，方形障碍物顶端距出口距离

从0.2 m开始，以0.2 m的幅度增至1.2 m；疏散人数从

50人

200人。模如图5 -7所示。图5三维疏散模型Fig. 5 Three-himensional evacuation model3.2 结果分析运用Pathfinder对上述建立的疏散模型进行数值模 拟，可以获得方形障碍物边长分别为0.2，0.4，0.6，0.8，

1.0 m 况下的疏散时间-

物位置曲线，即疏散时间随 物位置变化的曲线，如图8所示；还得方形障碍物距离出口 0.4，0.6，0.8,1.0，1.2 m情况・144・中国安全生产科学技术第16卷o o n o 、•图6考虑障碍物位置的疏散模型图7考虑障碍物尺寸的疏散模型Fig. 6 Evacuation model consirerirg obstacle locationFig. 7 Evacuation model consirerirg obstacle size下的疏散时间-障碍物尺寸曲线，即疏散时间随着障碍 物尺寸变化的曲线,如图9所示。图8表明,随着障碍物距出口距离逐渐增大,疏散时间 大 小再增大的 ，与纵向隔墙的 1(b)方形障碍物(0.4 m边长)(c)方形障碍物(0.6 m边长)

疏散人数/人*50-<-75100-nA- 125Y-150-d-175-O-200(e)方形障碍物(1.0 m边长)图8疏散时间随障碍物距离变化曲线Fig. 8 Cfange of evacuation time with distancc between obstacle and exit障碍物边长/m障碍物尺寸/m(a)方形障碍物(距出口 0.4 m)(b)方形障碍物(距出口 0.6 m)(c)方形障碍物(距出口0.8 m)疏散人数/人-4^50〜75*100-a-1250 150-0-175障碍物尺寸/m障碍物尺寸/m-0-200(d)方形障碍物(距出口 1.0 m)(e)方形障碍物(距出口 1.2 m)图9疏散时间随障碍物尺寸变化曲线Fig. 9 Cfange of evacuation time with obstacle siee第1期中国安全生产科学技术-145 -趋势基本一致，可推测机理正是障碍物的存在约束了人 群的运动轨迹，影响了成拱现象，从而影响疏散效率和 疏散时间。定量方面，在本例给定工况下，将在方形障

碍物距离出口 0.8 ”时取得使疏散时间最小的极值点， 对应为最优的障碍物距离，相比无障碍物条件下，可使 疏散时间减少约10% #随着初始待疏散人数增多，曲线

变化趋势越明显，说明方形障碍物对疏散效率的影响对

越密集的人群效果越显著#图9表明，在距出口不同位置的前提下，随着方形 障碍物尺寸逐渐加大，疏散时间的增减趋势不尽相同， 使疏散时间最小的极值点不同，对应为最优的障碍物尺

寸不同。说明障碍物尺寸的影响亦与位置密切相关#4结论1) 不同的障碍物条件将显著影响人群疏散过程和

结果，一些障碍物条件不但不会阻碍人群运动，反而能

减少人群疏散时间#2) 对于纵向隔墙，其上端距离出口的位置直接影响

疏散效率的快慢#随着隔墙到出口的距离由近到远，疏

散效率先降低后升高再降低连续变化，存在极大值与1 个极小值，极大值对应的条件可指导优化疏散策略，而

极小值为规避不利工况提供了参考#3) 对于方形障碍物，距离出口的位置与纵向隔墙存

在类似的影响规律和机理，由此推测该结论对一般长宽

比的矩形障碍物也具有参考价值；此外，方形障碍物尺

寸也显著影响疏散效率，影响规律同时与位置密切 相关。4) 通过研究控制变量条件下的障碍物影响规律，分

析探讨其中的机理,认为可能是由于障碍物对人群运动 轨迹的约束作用，导致拱结构的消解或形成，从而影响

疏散效率与疏散时间#未来可进一步考虑非矩形障碍 物形状、非对称位置等复杂因素对疏散效率的影响规律 及多因素耦合影响规律，在定量基础上开展更加深入的

机理分析和障碍物优化布置策略研究，为疏散设施的设 置提供支持#参考文献(1 ] MURAMATSU M，NAGATANI T. Jamming transition of pedestrian

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