人员疏散软件EVACANET4 应用技巧 — 建筑网络模型的建立_技术特区

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人员疏散软件EVACANET4 应用技巧 — 建筑网络模型的建立

作者：王志刚倪照鹏 2005-1-18 14:17:00

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    摘要：EVACNET4 是一个被广泛使用的人员疏散网络模拟软件，由美国佛罗里达大学开发。该软件将建筑物结构以网络的形式描述，模拟人员在这一网络内的流动，直至所有人员最终到达规定的安全地点为止。应用该软件进行人员疏散模拟的关键是建立建筑的网络模型，该模型应能如实地反映建筑物的内部结构布局。本文从节点划分、路径设置两个方面详细描述了建筑网络模型的建立以及某些特殊情况处理的一些技巧，目的是更加方便软件用户的使用。
    关键词：人员疏散；疏散模拟；网络模型

    一．人员疏散模拟程序－EVACNET4 简介
    EVACNET4 是一个水力疏散模型，它模拟人员在建筑物内行走并最终疏散至安全地点的全过程，由美国佛罗里达大学开发，是目前世界上被广泛采用的人员疏散模型之一。
    1．模型的功能
    该模型能够得到如下计算结果：
    1) 整个建筑内所有人员疏散完毕所用的时间；
    2) 各个楼层内人员疏散完毕所用的时间；
    3) 各个节点内人员疏散完毕所用的时间；
    4) 人员在各个疏散出口的分配情况；
    5) 疏散过程中的瓶颈状态；
    2．模型所基于的假设
    EVACNET4 将人群在建筑内的走动模拟为水在管网内的流动，它对人员的个体特性没有考虑，而是将人群的疏散作为一个整体运动处理，并对人员疏散过程作了如下保守假设：
    1）疏散人员具有相同的特征，且均具有足够的身体条件疏散到安全地点，一般不考虑残疾人员的疏散；
    2）疏散人员是清醒的，在疏散开始的时刻同时井然有序地进行疏散，且在疏散过程中不会中途返回选择其它疏散路径；
    4）在疏散过程中，人流的流量与疏散通道的宽度成正比分配，即从某一出口疏散的人数按其宽度占出口总宽度的比例进行分配；
    5）人员从每个可用的疏散出口疏散且所有人的疏散速度一致并保持不变。
    以上假设是人员疏散的一种理想状态，与人员疏散的实际过程可能存在一定的差别，为了弥补疏散过程中的一些不确定性因素的影响，在采用该类模型进行人员疏散的计算时，通常保守地考虑一个安全系数，一般取1.5~2，即实际疏散时间为计算疏散时间乘以安全系数后的数值。
    二．建筑网络模型的建立
    EVACNET4 对建筑物的结构布局以网络的形式描述，模拟人员在这一网络内的流动，直至所有人员最终到达规定的安全地点为止，因此模拟之前首先要建立建筑的网络模型。
    建筑网络模型由一系列的节点以及连接各个节点的路径组成。节点代表建筑物内的不同的厅、室、通道、楼梯间、安全出口以及其他的空间部分，模型将室外或建筑内的其他安全地点定义为目标结点，人员疏散以人员到达目标结点算作结束。空间上相邻的节点通过虚拟的路径来连接，这些路径在空间上并不实际存在，只是通过它们来反映各个节点之间的连接关系，还需要设定路径的方向，以反映人员在网络内的流动方向。
    对于每个节点，需要定义两个参数：1)模拟开始时节点内的初始人数；2)节点所能够容纳的最多人数。对于目标节点，初始人数可设为0，能够容纳的最多人数缺省值为无穷大。
    对于每条路径，也需要定义两个参数：
    1)人员通过该路径所用的时间，由下面的公式确定：
           T=DIST/V           (1)
    其中：T: 人员通过路径所用的时间，s；
          DIST: 路径的长度，为所连接的两个节点中点之间的距离，m；
          V：人员通过该路径的行走速度，m/s。
    2)单位时间通过该路径的人数，可由下式确定：
           N=W_e×q(2)
    其中：N: 单位时间通过该路径的人数，人/s；
          W_e：路径的有效宽度，m；
          q:单位宽度路径上的人流流量，人/m.s。
    下面举一个例子说明建筑网络模型的建立。图1 所示，是一个两层建筑，第二层有两个房间、两个楼梯及走道，在首层有一个房间、两个安全出口及走道。将房间、走道及楼梯间划分相应的节点，房间与走道之间、走道及楼梯间通过路径联系起来，图中的箭头即为路径，箭头的方向表示人员疏散的方向，可以看出，在二层，人员从房间首先进入走道，然后由走道进入楼梯间，并通过首层的安全出口到达室外。对于首层内的人员，人员从房间首先进入走道，然后从安全出口到达室外。
    将图1 中节点的划分、路径的设置抽象化，并赋予各个节点、路径的特性参数，就得到图2所示的建筑网络模型示意图。图中N1，N2...N12 为节点编号，其旁边的数字为节点的最大容纳人数，括号内的数字为节点的初始人数。路径由连接两节点的箭头表示，箭头方向表示人员疏散的方向，其旁边括号内的数字分别表示单位时间通过该路径的人数、人员通过该路径所用的时间。
    三．建筑网络模型建立时的一些技巧
    1．节点的划分
    在进行节点划分时，原则上是根据建筑物内部的结构布局进行，比如可以将一个房间、一条走道分别划分为单独的节点。但在某些情况时，还需要进行节点的合并与拆分。

图1 建筑物平面布置、节点划分及路径设置

图2 建筑网络模型示意图
    1.1 节点的合并
    由于计算机运行速度的限制，EVACNET4 只能对一定规模的网络进行计算。当建筑物规模很大时，可能划分的节点数目过多，建立的网络模型过大，最终造成程序无法运行，此时需要将有关节点合并，从而将网络简化。节点合并的原则是：将与同一节点连接且路径方向均指向该节点的所有节点合并，仍以图1 中的建筑为例，其中房间201 和202 都通向中间的走道，两个房间分别对应着图2 中的节点N1 和N2，走道对应着图2 中的节点N3，可以看出，N1 和N2均与N3 相连，且路径方向指向N3，这种情况下节点N1 和N2 可以合并为一个节点，当然合并后形成的新的节点与路径的特性参数也需要作相应的改动，这里不再详述。
    1.2 节点的拆分
    如上，一般将单独的一个建筑结构单元划分为一个节点，但有时该单元的面积过大，若将其划分为一个单独的节点，则无法反映其内部人员流动的具体细节，此时需要将该节点进一步拆分为更多个节点。例如在一个放映厅内，可以将走道之间的座位区划分为相应的节点。
    有时建筑内的走道过长，而且走道的宽度在整个长度上会经常发生变化，同时通向该走道的节点非常多，若仍将该走道划分为一个单独的节点，则无法具体反映它同周边各节点的连接关系，此时可以将该走道划分为几段，将各段分别作为不同的节点。对走道进行详细划分的原则：a)当走道中途分叉或拐弯时，在分叉或拐弯位置处作为划分节点的边界；b)当走道的宽度发生变化时（扩大或缩小），在宽度发生变化的位置处作为划分节点的位置。
    2. 路径的设置
    根据路径所连接的两个节点的类型，路径可划分为以下类型：
    1)房间节点-房间节点；
    2)房间节点-走道节点；
    3)走道节点-走道节点；
    4)走道节点-楼梯间节点；
    5)楼梯间节点-目标节点。
    对于路径，需要根据人流流动的方向来设定路径的方向，按路径方向的不同，路径可分为单向路径和双向路径两类,见下图3 和图4。如果模型用户想人为控制人流的流向，则可以将路径设为具有特定流向的单向路径；如果模型用户不清楚在疏散时某条路径上人流的具体流向，则可以先将该路径设为双向路径，在进行实际模拟计算时，模型会根据建筑内各区域的人员密度、建筑布局及安全出口的设置情况，来最终确定该路径上人流的流向。

    发生火灾时，人流从总体上表现出的疏散方向是一致的，即：房间->走道->疏散楼梯间->室外或其他安全地点，但在局部区域也表现出一定的随机性。人员在找到疏散楼梯间后，疏散方向是确定的，也就是走道->楼梯间、楼梯间->安全地点，因此，第4)、第5)类路径为单向路径。但人员在找到楼梯间之前，人流的流动方向有一定的不确定性。例如，人员由于对疏散路径不熟悉，在走道内有可能向这个方向疏散，也有可能向相反方向疏散，在这种情况下需要将路径设定为双向路径，上面第3)类路径就是这种情况。第1)、第2)类路径可以是单向路径，也可以是双向路径，需要根据建筑物的布局及疏散设施的具体设置情况来加以确定。
    3. 特殊形式走道的处理
    许多超大型的建筑物(如大型商业购物广场、商业街)内，经常会出现丁字路口、十字路口等走道布置形式，人员在这些位置汇集、分散、寻找新的疏散路径，因此，这些位置在建筑内起着交通枢纽的作用，在建立建筑网络模型时，尤其要注意在这些位置处进行细节处理，合理地划分节点和设置路径，从而能够客观地反映人员在这些位置的流动状况。本文分丁字路口、十字路口两种有代表性的情况讨论如何划分节点及设置路径，其他情况可以根据这两种情况的设置原则来灵活设定。
    3.1 丁字路口
    节点划分：可以按图5 来对丁字路口进行节点的划分。为了清楚地表明节点之间的连接关系，这里在两条走道的交叉点划分了一个节点，见图中的节点①，通过节点①，可以把节点②、③、④很好地联系起来。
    路径设置：图6 为各节点之间的路径及其方向，根据上述路径设置一节的分析，这里的三条路径均属于走道-走道类路径，因此为双向路径，实际疏散时，在某段时间内，人流在路径上沿一个方向行进，可能在另一时间段内又转换为另一个方向，当然也存在疏散的整个过程中人员始终沿某一固定方向行走的情况。路径的实时方向则是由模型通过对人员疏散整个过程进行模拟计算得到。图6 中设定的路径方向只是路径的可能方向，在运行软件后可以通过检查模拟计算结果得到不同时间段内的实时路径方向。图6 中共有3 条路径，每条路径有两种可能的方向，因此人员在这4个节点内共有：2³=8 种可能的流向，模型计算得到的只是其中的一种或几种流向。
    如果想要达到减少节点数目的目的，考虑将节点①省略掉(与节点②、③、④中的一个节点合并)，则得到图7 所示简化后的节点及路径设置情况。但是图7 的设置方式具有如下缺点：它无法描述节点②、③、④内的人流向节点①汇集以及节点①中的人员向节点②、③、④扩散的情形，而且还有可能造成人员在节点②、③、④内的循环流动。因此，本文还是主张采用图6中的节点划分及路径设置方式。

    3.2 十字路口
    对于十字路口，采用类似的方法划分节点与设置路径，见图8-10，图10 中虽然节点数目减少了，但却增加了两条路径，而且节点之间的连接关系略显杂乱，因此本文主张采用图9 中的节点划分及路径设置方式。

    对于以上两种情况，还可以按其他的方式进行节点划分及路径设置，但本文推荐的两种方式能够最好地反映人员在这些位置的流动状况。总的来说应该注意两点：1)走道的交叉点起着联系周边节点的作用，应将其划分为一个单独的节点；2)在诸如丁字路口、十字路口这样的交叉路口，人流的流向不确定，不宜进行相关节点和路径的简化。

    参考文献:
    [1] T. Kisko, R. Francis, and C. Nobel. EVACNET4 User’s Guide[R], University of Florida, 1998.
    [2] T. Kisko, R. Francis. EVACNET+: A Computer Programe To Determine Optimal Building Evacuation Plans[J]. Fire Safey Journal, Vol. 9, No. 2, 1985.
    [3] 倪照鹏，王志刚，性能化消防设计中人员安全疏散的确证[J]，消防科学与技术，2003 年第5期.

【文章出处：王志刚倪照鹏】

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