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【摘要】利用網絡優化計算方法建立地鐵火災人員安全疏散的模型,結合南京地鐵的具體情況進行了疏散模擬分析,并將模擬結果與南京地下鐵道有限責任公司組織的站臺實地火災演練進行了比較、分析,從而驗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計提供了參考,也為地鐵防火救災工作提供科學依據。該模型與地鐵火災數值模擬相結合可以評估地鐵火災疏散設計的安全性。

0引言

隨著城市地鐵的迅速發展,地鐵災害問題也愈來愈引起人們的重視。據統計,在所調查的地鐵災害事故中,火災次數最多,約占30%,說明在地鐵建設與運營過程中,地鐵火災是不容忽視的問題。

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

我國地鐵自1969年相繼投入運行以來,因變電所、地鐵車輛內的電氣設備和線路出現故障以及違章電焊和電氣設備誤操作等,共發生火災156起,其中重大火災3起,特大火災1起。其中,北京地鐵幾年來先后幾次發生火警和火災,造成36人死亡,遇難者主要是因為火災產生的毒煙氣和二氧化碳導致窒息身亡的。2005年8月26日北京地鐵1號線一列列車在運行中由于車輛老舊,導致風扇短路失火,著火異味之后冒起濃煙,火苗躥起半米高,列車司機呼吸道灼傷,內環地鐵停運近50分鐘,導致環線地鐵地面交通部分路段出現了較嚴重的擁堵。

一組組驚心動魄的數據和慘痛的教訓給人們敲響了警鐘:地鐵火災對生命財產以及生態環境都造成巨大損失,是一個不容忽視的潛在危害,在當前地下軌道交通系統飛速發展、地鐵引起高度重視的年代,地鐵火災方面的研究成為科技工作者們刻不容緩的任務。

地鐵內部一旦發生火災,后果將十分嚴重,地鐵火災容易形成濃煙和熱氣浪,同時產生大量的有毒氣體,由于地鐵處在地面以下,火災時煙氣擴散方向與人員疏散方向一致,對火災場景人員逃生都十分不利。再加上地鐵具有密閉性、火災荷載大、人員密度高等特點,人員安全疏散難度很大,所以地鐵火災人員疏散是一個十分重要的課題[1—2]。

筆者針對地鐵火災的特點,在前人研究的理論基礎上利用網絡優化計算原理建立了地鐵火災人員安全疏散的模型,通過計算機軟件開發來模擬地鐵火災人員疏散情況。該疏散模型與火災模擬軟件相結合可以為地鐵的疏散設計方案提供參考,也可作為地鐵性能化防火設計的風險評估工具,同時在實現人員安全疏散目標的基礎上,大大發揮地鐵的效能指標,保證人員的生命安全具有重要的意義。

1地鐵火災疏散模型

1.1火災疏散模型簡介

安全疏散是一個非常復雜的問題,有很多的影響因素,一直受到國際上眾多科研機構的關注。各國在該領域的研究取得了一定的成果和進展,并建立與開發了很多模型與程序。例如:英國的CRISP,EXODUS(基于行為準則的模型),STEPS,SIMULEX(復雜行為模型);美國的ELVAC,EVACNET4(無行為準則模型),EXIT89(復雜行為模型),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域。

我國對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,隨著我國對消防安全的逐漸重視,才出現了一些關于建筑物火災中安全疏散模型的研究。例如:香港城市大學與武漢大學合作,提出了利用計算機虛擬現實的技術收集人員在火災中行為量化數據的調查方法,并結合火災后的問卷調查及疏散演習等手段收集了大量有關火災中人員行為的數據,建立了局部細網格和個體描述的疏散模型(SGEM),并采用該模型對香港的一些實際工程進行了較為成功的疏散模擬。

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

公安部四川消防科學研究所等在“十五”期間,開展大空間公共建筑火災疏散評估技術的相關研究[2]。研究人員準備建立疏散綜合系統動態模型。模型包括評估部分及相關的評判標準.綜合模型的簡述如圖1所示。綜合系統動態模型,包括4個子模型:

1)逃生前期人員行為系統動態模型;

2)逃生中人員行為系統動態模型;

3)疏散人流系統動態模型;

4)疏散人員能力系統動態模型。

近年來,人們對元胞自動機模型的興趣大增,原因是該類簡單的模型能十分方便的復制出復雜的現象或動態演化過程中的吸引子、自組織和混沌現象。因此,目前元胞自動機被廣泛應用于模擬各種物理系統和自然現象。

中國科技大學火災科學國家重點實驗室研究了一種基于精細網格的元胞自動機模型,該模型在火災安全疏散方面被廣泛應用。元胞自動機是在均勻一致的網格上由有限狀態的變量(或稱元胞)構成的離散的動力系統。元胞自動機可以看成為無窮維動力系統中的一類,其特點是空間、時間和狀態都離散,同時每一個變量只取有限多個狀態。其運行規則主要有:所有元胞的狀態是同時發生變化的;同時,在時刻t+1的第i個元胞的狀態是由時刻t的第i個元胞以及相鄰的有限個元胞的狀態決定的。一般可以通過制定不同的規則來滿足實際應用的需要。另外一類常用的疏散模型是采用網絡模擬方法,原理是將建筑物的房間、走廊作為網絡中的節點來考慮,把眾多的人群作為一個整體來考慮。該群體具有相同的移動特性,通過考察建筑物每個單元內的群體人員的移動進而確定建筑物的疏散時間。例如:東北大學提出了一種火災中群集疏散的模型,并采用了計算機仿真的方法計算疏散行動時間;中國建筑科學院建筑防火研究所提出利用網絡控制原理對地下商業街建筑人員疏散行為進行模擬,建立了相應的疏散預測模型[2]。

1.2地鐵火災疏散模型的建立

筆者利用網絡優化計算原理建立了地鐵火災人員安全疏散的模型,該模型將地鐵各功能單元當作網絡中的一個個節點,利用節點之間存在一定的流量限制原理來計算地鐵火災整體疏散所需時間Trset,可以與火災模擬軟件相結合確定疏散可用時間Taset,從而評估地鐵設計及其火災疏散的安全性。具體網絡優化計算原理如圖2所示。

1.2.1地鐵火災疏散流動模式化

1)空間模式化:采用網絡(network)型控制方法,將各個車廂、站臺、站臺至站廳的疏散樓梯、通道出入口和地面安全地點作為網絡的節點(node),它們之間的聯系為連接(link),該連接為各個空間節點互相聯系的假象空間,該處既無面積,也無距離,亦不存在用于移動的時間[2]。如圖2所示為空間模式化圖。

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

3)流動的處理:在疏散過程中,人的流動以單向型人流對待,在地鐵車門口、站臺至站廳的樓梯口、出入口等處由于瓶頸因素人流可能出現滯留,在此情況按照排隊理論處理。

1.2.2地鐵火災中人員移動速度計算

地鐵火災人員移動速度主要受地鐵結構布

置以及人員特征的影響。地鐵結構布置決定了疏散通道類型,人員疏散時經過不同的通道具有不同的移動速度。根據地鐵特征,可以把通道分為水平通道、樓梯通道和門等3類。各種情況下移動速度的計算如下所示[4—6]:

1)人員在水平通道的移動速度。通常每個人在不同的位置、時刻所移動的速度是不同的,但在人口密度較大的公共場所,人們的群聚效應是明顯的,個體比較難以獨立采取行動,因此,可以忽略個體心理反應等次要因素,而假定人們的移動速度只與他所處的幾何位置以及該位置一定范圍內的人員密度兩個因素有關,根據人們在前進時受前后和左右兩個方向阻力,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[3]:

uj(ρ)=um(αA+βB+γ)

A=1.32-0.82ln(ρ)

B=3.0-0.76ρ

式中,um———自由移動時的速度(m/s);

α,β,γ———人員幾何位置、人員密度、其他方面3個因素的權重系數;

ρ———研究對象所處位置的人員密度(人數/m2),即單位面積內承載的人數。

2)人員通過樓梯和門的移動速度。根據DongkonLee的論文中所做的大量研究表明,人員流量F、移動速度V與通道類型、人員密度D有關,如下表所示[9]:

1.2.3地鐵火災疏散模型的程序框圖

新建立的地鐵火災疏散模型如圖3所示。

2地鐵火災疏散模型的驗證與分析

2.1站臺火災實地演練

南京地鐵一號線的三山街站為地下二層島式車站,總建筑面積為12880m2。車站總長度226.60m,主體寬度62.49m。標準段寬度為21.60m,車站頂板覆土平均厚度3m,車站底板平均埋深約14.91m。三山街站是雙層島式車站,每層有效空間長142m,寬12m,高3m。其中地下一層為站廳層,共有4個人行出入口與外界相連,每個出入口寬4m,高2.5m。地下二層為站臺層,站臺左右兩端分別有通往隧道的兩個隧道口,每個開口寬5m,高5m。站廳與站臺之間靠3個寬分別為4m的樓梯連接,樓梯水平開口長度7.3m,每個樓梯之間間距為17.2m。

2005年5月5日上午,南京地下鐵道有限責任公司在三山街站組織了一次站臺火災演練。放煙人員于9時26分28秒在三山街站臺B端扶梯與電梯中部開始點煙,車控室行車值班員在FAS屏上發現火災報警信號并向值班站長報告,9時28分站務人員停止電梯運行,通知旅客疏散到2#出入口,9時29分車站廣播啟動緊急疏散預案,9時29分42秒,車站排煙系統開啟,9時30分站臺站廳共計150名乘客全部疏散至2#出入口。9時32分15秒上行線由中華門站開到三山街站的列車跳站運行。9時34分30秒車站工作人員疏散到2#出入口待命,將滅火工作交給消防人員。9時36分06秒停止排煙,各系統恢復正常功能。9時36分26秒廣播通知火已撲滅。演練時三山街站有100名乘客在站臺候車和上下車,站廳層有50名乘客,三山街站實地演練的實地結構框架及人員疏散方向分布圖如圖4所示。超級秘書網

3結論

1)筆者針對地鐵火災的特點,將網絡優化計算方法應用于地鐵這種特殊的地下建筑,建立了針對地鐵火災特點的疏散模型。

2)根據南京地下鐵道有限責任公司提供的多組實地演練數據對該模型進行了完善和有效性驗證,在地鐵火災安全疏散研究方面進行了創新性探索。

3)該模型可以結合地鐵火災數值模擬軟件,評估地鐵火災中人員疏散安全性問題,從理論上保證了發生火災時人員能夠安全疏散,同時也可以為地鐵防火救災工作提供科學依據。

由于地鐵火災的隨機性和人員行為的不確定性,基礎數據資源的不足,公共安全實驗條件的限制,現有模型還存在一些不足之處,有待在以下方面進行深入研究:

首先,考慮不同人員對火災的心理反應,個體間的相互作用,地鐵環境的影響,以求真實具體地反應人們在疏散逃生過程中的運動狀態。

其次,地鐵實地火災疏散演練與實際發生突發火災的真實情況尚有差距,以后應在盡可能接近實際火災條件下進行新的地鐵實地火災疏散演練,獲得盡可能多的數據,不斷修正、完善所建模型。

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