出口通道障碍物布局对人员疏散的影响

郑天芳，曲 娜，张 帅，胡从强，冮 震

(沈阳航空航天大学 安全工程学院，沈阳 110136)

随着经济社会的快速发展和城市化进程的不断加快，各种大型公共场所的数量也在逐年递增[1]。为了美观或者吸引人群，往往会在公共场所的出口通道设置景观区、休息椅和展示台等障碍物。一旦发生紧急情况，这些障碍物都将影响人员的疏散。因此，研究大型公共场所出口通道障碍物布局对人员疏散的影响具有重要意义。

有关障碍物影响人员疏散的问题，国内外学者已经取得了一定的研究成果。陈溢彬等[2]通过研究城中村自建房通道障碍物对人员疏散的影响，发现楼道内障碍物的阻塞比越小越容易疏散。益朋等[3]研究了购物通道中心出口障碍物的形状、尺寸、布局方式对疏散时间的影响，发现方形障碍物更有利于疏散，两侧布局的障碍物比中心布局的障碍物更有利于疏散；郭海林等[4]运用Pathfinder软件模拟研究了楼梯间障碍物对人员疏散的影响，发现楼梯间存在障碍物会影响人员对疏散路径的选择，会延长疏散时间，易形成疏散瓶颈，造成严重拥堵；吴浩等[5]通过分析商场通道的特点，用计算机仿真得出出口中心线上障碍物的宽度越小，阻碍作用越小；陈思媛等[6]基于多格子模型发现对于行人而言，通道内障碍物凹型布局更有利于疏散；宋英华等[7]建立考虑跨越障碍物行为的元胞自动机模型，研究出当障碍物可跨越时，跨越障碍物的人越多疏散时间越短；高冉[8]考虑单室内障碍物对人员疏散的影响，对单室内影响人员疏散的主要因素展开研究，为单室设计布局提供了建设依据。王群等[9]采用数值模拟研究了公共场所出口处不同障碍物的设置对疏散时间、出口流量系数等的影响，得出障碍物与出口间距离为0 m时可以有效提高疏散效率；吕惠等[10]对出口障碍物对疏散效率的影响进行研究，发现一些障碍物能减少人群疏散时间，疏散效率随着障碍物离出口距离的增大呈现出先降低后升高再降低的趋势。

通过相关研究可以看出，大多数情况下障碍物都阻碍人员的疏散，但有时也有利于人员疏散。因此，本文采用控制变量法，研究出口通道障碍物布局对人员疏散效率的影响规律，考虑障碍物的位置和间隔距离，建立疏散场景，运用Pathfinder软件进行疏散模拟。

1 出口通道障碍物布局调查

公共建筑出口通道设置障碍物已成为普遍现象，合理布局下的障碍物不但不会阻碍人群运动，反而能减少人员疏散时间[11]。因此，为了能够全面了解公共建筑出口通道障碍物的布局，共选取30处公共建筑，主要为购物商场、游乐园、医院、办公楼、餐饮楼等大型公共场所，对其出口通道障碍物进行调查统计。

通过调查发现，这些公共建筑出口通道中共有87种障碍物，主要为货架、休息椅、展示台、宣传台等。从形状来看，正方形障碍物出现的次数最多，其次为长方形障碍物；从布局方式来看，大致可分为3类：单个障碍物位于出口中心，两个障碍物并列位于通道中心，两个障碍物列队位于通道中心；障碍物到出口的距离为0～4.5 m,障碍物间的距离为0～6 m。障碍物布局情况如图1所示。

图1 出口通道障碍物布局

2 疏散模型

2.1 控制变量法

物理学中对于多因素(多变量)问题，常常采用控制因素(变量)的方法，把多因素的问题变成单因素的问题。每次只改变其中的某一个因素，而控制其余几个因素不变，从而研究被改变的这个因素对事物的影响。先分别加以研究，最后再综合解决，这种方法叫控制变量法[12]。它是科学探究中的重要思想方法，被广泛地应用于各种科学探索和实验中。

为了消除其他因素给实验结果带来的误差，将每个实验模型中Pathfinder软件的人员参数设置为固定值，疏散人员的位置保持不变，只使障碍物的位置发生变化。

2.2 模型建立2.2.1 参数设置

Pathfinder软件利用计算机软件图形仿真和游戏角色邻域的技术对多个群体中的每个个体运动都进行图形化虚拟演练，从而可以准确确定每个个体在灾难发生时的极佳逃生路径和逃生时间模拟[13-14]。合理设置Pathfinder软件中的参数有助于模拟实验的顺利进行。由于Steering模式能够更好地描述人群运动特征，且更加贴近真实运动情况，故实验选取此模式[15]。将指导更新时间设置为0.1 s，碰撞处理时间设置为1.5 s，舒适距离设置为0.08 m。为减少由人员不同而带来的实验误差，设置人员参数为默认值，参数设置如表1所示。

2.2.2 实验模型

疏散场地为一个矩形的单空间，房间大小为12 m×8 m,仅有一个安全出口，位于房间短边的中央，宽度为4 m；共设有3个障碍物，分别编号为障碍物1、2、3，尺寸分别为2 m×2 m、1 m×2 m、1 m×2 m。

表1 Pathfinder中人员参数

为了研究单个障碍物到出口中心的到对疏散时间的影响，建立实验模型如下：(1)无障碍物，疏散人数分别设置为40、80、120、160人；(2)将障碍物1置于出口中心位置，使其顶端距离出口从0 m开始，以0.1 m的幅度增至5 m,疏散人数分别设置为40、80、120、160人。模型如图2所示。

图2 障碍物距离出口疏散模型

为了研究通道中心两并列障碍物间的距离对疏散时间的影响，建立实验模型如下：(1)将障碍物2、3并列置于距离出口1 m处的中心位置，使两障碍物间的距离从0 m开始，以0.1 m的幅度增至6 m,疏散人数分别设置为40、80、120、160人；(2)将障碍物2、3并列置于距离出口3 m处的中心位置，使两障碍物间的距离从0 m开始，以0.1 m的幅度增至6 m,疏散人数分别设置为40、80、120、160人。模型如图3所示。

为了研究通道中心两列队障碍物间的距离对疏散时间的影响，建立实验模型如下：(1)将障碍物2、3列队置于距离出口1 m处的中心位置，使两障碍物间的距离从0 m开始，以0.1 m的幅度增至2.4 m，疏散人数分别设置为40、80、120、160人；(2)将障碍物2、3列队置于距离出口3 m处的中心位置，使两障碍物间的距离从0 m开始，以0.1 m的幅度增至2.4 m，疏散人数分别设置为40、80、120、160人。模型如图4所示。

图3 并列障碍物疏散模型

图4 列队障碍物疏散模型

3 结果分析

运用Pathfinder软件对上述建立的疏散模型进行数值模拟，可以分别获得不同疏散人数下随着中心障碍物到出口距离变化的疏散时间曲线，如图5所示；不同疏散人数下，距离出口1、3 m处两并列障碍物间的距离与疏散时间曲线，如图6所示；在不同疏散人数下，距离出口1、3 m处两列队障碍物间的距离与疏散时间曲线，如图7所示。

从图5可以看出，疏散时间与障碍物到出口距离并非简单的线性关系，而是上下波动。在障碍物距离出口0～0.2 m内，疏散时间随着障碍物距离出口距离的增加而增加；在障碍物距离出口0.2～2 m内，疏散时间基本随着障碍物到出口距离的增加而减少；在障碍物距离出口2 m以后，疏散时间随障碍物距离出口的距离保持微小变化，趋于稳定，接近于无障碍物时的疏散时间。与以往结论不同，障碍物并非对疏散效率都是负面作用，在障碍物距离出口2 m后，障碍物多次呈现有助于人员疏散的效果，在图5a中尤为明显。从图5e中可以看出，当疏散人数越多时，在障碍物距离出口0～2 m内，疏散时间对障碍物距离出口的距离越敏感；在障碍物距离出口2 m后，疏散时间对障碍物距离出口距离的敏感度几乎不受疏散人数的影响。

从图6a可以看出，当两障碍物并列设置在距离出口1 m处中心位置，疏散人数为40人时，两障碍物间的距离对疏散时间影响不大；当疏散人数超过40人，两障碍物间的距离不小于2.4 m时，人员疏散时间都将小于无距离疏散时间，两障碍物间的距离大于3.7 m时，人员疏散时间不会随着两个障碍物间的距离增大有大幅度变化。从图6b可以看出，当两障碍物并列设置在距离出口3 m处中心位置时，两障碍物间的距离对于人员疏散影响不大，当疏散人数为40、80人时，不论两障碍物间的距离为多少，疏散时间分别在13.5、17.5 s，上下幅度不超过1 s；当疏散人数为120、160人时，不论两障碍物间的距离为多少，疏散时间分别在22.5、28.5 s，上下幅度不超过2 s。

图5 疏散时间随障碍物距离变化曲线

图6 疏散时间随并列障碍物间距离变化曲线

从图7a可以看出，当障碍物设置在距离出口1 m处中心位置时，同等面积的长方形障碍物比正方形障碍物更有利于疏散；当疏散人数为40人时，同等面积的长方形障碍物比正方形障碍物的疏散时间减少约6.9%，80人时可减少22.5%，120人时可减少33%，160人时可减少22.7%。整体上疏散时间随着两障碍物间距离的变化不规律波动，但波动幅度都较小。从图7b可以看出，在距离出口中心3 m处，疏散人数为40、80、120人时，同等面积的长方形障碍物比正方形障碍物更有利于疏散；疏散人数为160人时，同等面积的正方形障碍物比长方形障碍物更有利于疏散。两图对比可以看出，距离出口3 m处障碍物的形状没有距离出口1 m处障碍物的形状对疏散时间的影响大，距离出口3 m处的疏散时间减少率大幅下降，80人时疏散时间仅可减少6.9%，120人时疏散时间减少5.3%，160人时疏散时间反而增加3%；整体来看疏散时间随着障碍物间的距离变化上下波动，但波动幅度较小。

图7 疏散时间随列队障碍物间距离变化曲线

4 结论

为了探究出口通道障碍物布局对人员疏散的影响，通过调查大型公共建筑出口通道障碍物的布局,采用控制变量法和Pathfinder软件研究了障碍物的位置、障碍物间的距离、不同形状的障碍物对疏散时间的影响，可得到如下结论：

(1)障碍物并非在任何位置对人员疏散都是负面作用，中心障碍物距离出口距离存在一个临界值，在该值之前障碍物对人员疏散的阻碍作用显著，在该值之后障碍物几乎对人员疏散无阻碍，甚至在多处有促进人员疏散的作用。

(2)距离出口中心较近处两并列障碍物间的距离的增大有利于疏散，但增大到一定距离值后，疏散时间随着距离的变化趋于稳定；距离出口中心较远处并列两障碍物间的间距增大时，疏散时间波动不大。

(3)距离出口中心较近处，同等面积的正方形障碍物比长方形障碍物更有利于疏散；距离出口中心较远时，在疏散人数较少时，同等面积的长方形障碍物比正方形障碍物更有利于疏散；在疏散人数较多时，同等面积的正方形障碍物比长方形障碍物更有利于疏散；列队障碍物间的距离对疏散时间影响不大。