计算机仿真技术范文

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摘要:采用计算机仿真技术,综合考虑建筑物结构和人员行为对疏散的影响,建立了地铁车站的疏散模型,并利用该模型详细模拟了各种不同出口条件下的人员疏散过程.通过模拟,获得了每个时刻的人员分布状态,找到了不利于人员疏散的“瓶颈”位置,分析了地铁出口条件对于人员疏散的影响.

关键词:地铁;人员疏散;疏散时间;疏散模型

0引言

地铁,被称为世界上最安全的交通工具,现代城市不可或缺的交通工具.统计资料表明,它与路面交通工具发生事故的比例是1∶100[1].但是大量的地铁火灾、爆炸及恐怖袭击事故的发生,已经给人们带来了巨大的财产损失和人员伤亡.2005年7月8日刚刚发生的伦敦地铁爆炸事件再次让世人震惊,造成56人死亡.因此,对一旦发生紧急事故,如何快速安全地将危险区域内的人员撤离到安全区域研究具有非常重要的意义.

人员疏散问题是一个涉及建筑物的结构、火灾的发展过程和建筑物内人员的行为三种基本因素的复杂问题.目前在计算疏散时间时,大部分情况下都是只考虑了疏散通道总宽度的影响,采用简单的公式法来计算[2～4].这种方法无法考虑建筑物结构和人员行为对于人员疏散的影响,从而也就没有考虑出口条件的影响.

近年来,随着计算机数值模拟技术的迅速发展,国内外研究人员开始了人员疏散模型的研究.根据Gwynne等人的统计,当前国际上已经建立和正在开发的人员疏散模型大约有22种,其中EVACNET[5]、EXODUS[6]、EXIT89[7]、Simulex[8]、HAZARD1中的EXITT模型[9]、FiRECAM程序中的人员逃生子模型[10]等受到了人们较多的注意.

探讨地铁出口条件对人员疏散的影响,本文采用计算机仿真技术,建立了地铁站台的疏散模型,对地铁站台的人员疏散情况进行了详细的模拟.

1型的建立

采用精细网格法,建立了某地铁侧式站台的计算机仿真模型.精细网格法是把建筑平面空间划分为许多小的网格节点.网格中的每一个位置称为一个节点.在不同的模型中,节点的网格大小和形状也有所不同,该地铁模型中选用0.5m×0.5m的正方形网格,与真实情况下一个人员所占的空间相符[11].每个节点可以用弧线与相邻的八个节点相连接,如图1所示.人员可以沿着弧线从一个节点到另外一个节点移动.但是在同一时间内,一个节点只能由一个人员所占据.用这种方法可以比较准确地表示建筑平面空间的几何形状及其内部障碍物的位置,并可在人员疏散的任意时刻确定每个人的准确位置[12].

对象为一单层侧式站台,车站有效长度为146.7m,宽度为96.8m,高度为4.76m,车站断面示意图如图2所示.由于侧式站台两边是对称的,所以选用站台的一侧建立疏散模型,该侧站台一共有两个疏散通道和一个正常出入口.

疏散的初始人员分布状况:有一列载着乘客(1200人)的列车停靠在站内,而站台上也随机分布有300人(其中包括工作人员和候车人员),因此该站内共有1500人.由此,建立该站台的人员疏散模型如图3所示.图中小黑点表示地铁中的人员.人员的步行速度将依据其性别、年龄、身体健康状况的不同在0.8m·s-1～1.5m·s-1的范围内随机给定.

利用该模型,可以清楚地看到每个时刻人员的分布情况,如40s后人员的分布如图4所示.从图中可以发现,在疏散通道附近出现了明显的不利于人员疏散的“瓶颈”现象.

2模拟结果及其分析

实验表明[13],人们对于出口的选择,主要与人员对于出口的熟悉程度(包括正常出口和紧急出口)、离出口的距离和紧急出口的状态(是打开还是关闭)三个因素有关.为了有效地利用每个出口,提高人员疏散的效率,下面将利用地铁的疏散模型,分析比较各种不同出口条件下人员的疏散情况.

2.1疏散通道是否打开

如果人员完全按照最近路线原则选择出口,在其它条件都相同的情况下,分别对两个疏散通道均关闭、打开一个疏散通道和两个疏散通道全部打开三种不同出口条件下的人员疏散情况进行了模拟,模拟结果如图5所示.

从图5中显示的最终疏散结果来看,图线1与图线2所显示的总的疏散时间相差不远,而图线3的疏散时间却要明显的大于前两种情况.这就表明,当人员完全按照最近路线原则来选择出口时,打开两个疏散通道与打开一个所用的总的疏散时间相差不远.但是,在同一时间内,图线1所表示的疏散出去的人数明显大于图线2.这说明,当两个疏散通道都打开时,在同一时间内比仅打开一个疏散通道疏散出去的人要多,尤其是在前160s更是明显.在160s之后,差别逐渐减小,这是因为在两个疏散通道附近出现了疏散的“瓶颈”现象,大量的人员聚集在疏散通道附近进行排队等候,导致疏散速度有所降低.同时,在图中也可以看出,如果两个疏散通道均关闭的话,人员全部疏散出去的时间却要延长75s左右.

在模拟过程中发现,当疏散通道关闭时,对人员疏散造成的影响不仅仅是减少了出口的数量,更为严重的是会导致大量的人员聚集在出口附近,大大增强了疏散的“瓶颈”现象,从而降低了疏散的效率.另外,由于乘客并不知道疏散通道是否是打开的,如果人们到达疏散通道附近发现其关闭再返回来寻找其它出口的话,就会造成“反向流”的现象,导致疏散效率降低.­

2.2疏散通道打开是否及时

在其它条件都相同的情况下,对在发生火灾等紧急情况时,两个疏散通道及时打开、其中一个延迟60s打开以及两个都延迟60s打开三种不同的出口条件下的人员疏散状况进行了模拟,模拟结果如图6所示.

从图中可以看出,在同一时间内,3条图线所显示的从所有出口疏散出去的总人数的关系:图线1>图线2>图线3.也就是说,当延迟打开疏散通道时,由于没有及时有效地利用每个出口,所以导致在同一时间内,疏散出去的总人数减少,疏散的总时间明显增加.

值得注意的是,如果疏散通道没有及时打开,会导致大量的人员滞留在疏散通道附近造成拥挤现象.由于拥挤造成人员伤亡惨案的教训是非常惨痛的.例如,1971年发生在苏格兰的格拉斯哥体育场的66名足球球迷在楼梯上被踩死的惨剧;1980年发生在辛辛那提市的摇滚音乐会会场入会过程中11名人员被挤踩死的惨案[14]等.

2.3正常出口与疏散通道的有效利用

前面的模拟都是假设人员完全按照最近路线的疏散原则来选择出口的.然而,实验结果表明[13]:即使人们离熟悉的正常出口的距离比最近的紧急疏散出口远一些,人们仍然倾向于选择比较熟悉的正常出口.但是,如果紧急疏散出口的门是开着的并且人们可以看到外面的话,紧急疏散出口就变得更加受欢迎,大部分人将会选择紧急疏散出口.另外,一般在发生紧急事件之后,地铁中的工作人员或者消防人员也会指导人员进行疏散.为了便于分析这些因素对于人员疏散的影响,笔者用出口吸引力来表示出口受欢迎的程度,某出口的吸引力越大,则表示该出口越受欢迎,人员选择该出口的可能性也就越大,反之亦然.笔者对各个出口在不同吸引力情况下的人员疏散状况进行了模拟,模拟结果如图7所示.

在图7中,图线1为正常出口与疏散通道具有相同吸引力,人员完全按照最近路线的疏散原则选择出口时的模拟结果.在模拟过程中发现,在这种情况下,在疏散通道附近出现“瓶颈”现象,疏散时间较长.图线2为降低疏散通道吸引力时的模拟结果.可以发现,当降低疏散通道的吸引力,即更多的人员选择正常出口进行疏散时,疏散的总时间减少,尤其是在160s之后更是明显.但是如果进一步降低疏散通道的吸引力(如图线3)时,则会发现疏散的总时间反而会有所延长.反过来,当增大疏散通道的吸引力时,由于加重了疏散通道附近的“瓶颈”现象,增加了人员排队等待的时间,从而会导致疏散时间更长.而且,疏散通道的吸引力越大,则所用的疏散时间就越长,如图线4和5所示.这就说明,疏散通道的吸引力存在一个最佳值.

3结论

本文在分析某地铁侧式站台疏散模型的基础上,采用计算机仿真技术,综合考虑了建筑物结构和人员行为对疏散的影响,对不同地铁出口条件下的人员疏散过程进行了模拟,得出了如下结论.

(1)疏散通道关闭时所用的人员疏散时间要比打开时延长75s左右.这不仅是因为减少了出口的数量,更为严重的是会导致大量的人员聚集在出口附近,大大增强了疏散的“瓶颈”现象,从而降低了疏散的效率.另外,还可能造成不利于人员疏散的“反向流”现象.

(2)及时打开疏散通道比其中一个延迟打开60s要少用20s左右的时间,而比两个都延迟60秒打开节省约60s的时间.而且发现,延迟打开疏散通道,不仅延长了疏散时间,而且在出口附近造成了严重的拥挤现象,很容易造成人员伤亡.因而,在地铁发生火灾等紧急事故时应及时打开疏散通道.

(3)出口的吸引力不同,则人员疏散所用的时间也有所不同.正常出口与疏散通道的吸引力存在一个最佳值,如果通过指导人员有序的进行疏散,使每个出口的人员分配取得最佳值,将会有效地避免出口的“瓶颈”现象,减少人员疏散的时间.

(4)采用计算机仿真技术,可以直观地观察到人员的整个疏散过程,得到每个时刻的人员分布状况,从而可以找出地铁站台中不利于人员疏散的“瓶颈”位置,进一步优化地铁站台的布局.因而,地铁站台人员疏散的计算机仿真模拟具有广阔的应用前景.

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