基于系统动力学模型的影剧院人员疏散策略

ＣＨＥＮ Ｊｉｎｌ，ＺＨＡＮＧ Ｐａｎ－ｊｕａｎｌ，ＹＡＮＧ Ｗｅｉｌ，ＬＩ Ｑｉａｎ９２
（１．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｃｈａｎｇｅ ａｎｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｄｉｓａｓｔｅｒ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ ｏｆＣｈｉｎａ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ；Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＤｉｓａｓｔｅｒ ａｎｄ Ｐｕｂｌｉｃ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ，Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００８７５，Ｃｈｉｎａ；２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ。Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００８７５，Ｃｈｉｎａ）
种原因聚集在一起，当灾害发生时，其中的个体易受周围人的感情及行动所影响，人员流动表现出从众等集 体行动特征¨ｌ，１ ２１。根据本文的研究目标，忽略人群内个体特征和行为的差异，将所有疏散人员按空间位置 的差异划分成多个整体来研究。即将人员疏散过程理解为多个空间内的人员流动的网络系统，并将人员疏 散网络系统抽象为人员疏散的粗网络模型（ｎｏｄｅ—ｌｉｎｋ ｍｏｄｅｌ或ｃｏａｒｓｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｍｏｄｅｌ）Ｈ１。本文采用人员疏 散的粗网络模型具有简单、模型输入要求低、计算量小及易于实现的优点。
收稿日期：２００５～０９—１０；修订Ｅｌ期：２００５—１１—２０
基金项目：科技部社会公益性研究专项资金资助项目（２００４ＤＩＢ２Ｊ０４９）；国家科技攻关计划资助项目（中国风险综合管理战略研究）
作者 万简介方：数陈晋据（１９６７一），男，四川西昌人，教授，主要从事遥感、ＧＩＳ及城市灾害研究．
、
自然灾害学报
根据研究目标，在建模过程中对影剧院人员疏散粗网络模型作以下基本假设口５＇１６】。
（１）疏散人员具有相同的体质和精神状态特征，都能够到达安全区域，且在同一空间内人员均匀分布；
（２）疏散人员同时开始疏散，在通道中某一时刻人员流动只有一个方向，并且在疏散过程中人员不会中
途退回或选择其他路径。
（３）本文的研究重点是研究在灾害发生过程中影剧院人员疏散策略，因此，模型不考虑灾害的发生发展
一般而言，刻画人员疏散过程的粗网络模型可通过下列特征量表征：人员所处的空间（房间、通道、出ＩＳｌ 等）对应于模型中的节点（ｎｏｄｅ），人员数量或密度、空间面积等定义为节点的属性特征量；人员在各空间之 间的流动方向对应于节点之间的流向（１ｉｎｋ），其人员移动能力由流动速度和空间内人员密度所决定，而所耗 费的时间取决于移动距离和移动能力。基于上述原则，根据影剧院的布局特点，可以将影剧院内部划分为若 干节点（座位区、通道、出口），通过各节点与出口节点的连接表现人员从座位区经由通道最终到达安全口的 疏散过程，而本文研究的疏散策略在粗网络模型中特指各节点与安全出口节点的连接方式，即如何引导不同 空间内的避难人员选择合适的出口和疏散路线达到尽快逃生的目的。
作为大型公共场所的影剧院由于其特殊的功能，它具有人群高度聚集、流动性大的特点，同时，建筑结构 和建筑使用也有其独特性，表现为：（１）在建筑形式上为封闭式结构，占用面积大，疏散出口少；（２）屋顶、舞 台幕布、地板等建筑构件大部分为可燃易燃物，为火灾发生埋下隐患；（３）用电设备多，连接的电气线路复 杂，使用不当易引发火灾。由于以上特点，影剧院已成为我国群死群伤恶性事故易发场所。如：１９９４年１２ 月８日，新疆维吾尔自治区克拉玛依市友谊馆，中小学生正在做汇报演出时，由于光柱灯烤燃特殊材质的纱 幕而引发了火灾，造成３２６人死亡、１３０人终身残疾，更令人痛心的是其中有２８８名花季少年。２０００年３月 ２９日，河南焦作天堂音像俱乐部发生火灾，造成７４人死亡。分析以往的影剧院火灾事故，可以发现不正确 的疏散逃生行为所引起的通道堵塞是导致人员大量伤亡的主要原因之一。显然，合理地设计疏散路线，优化 建筑物出口和通道结构，对于减少人员的伤亡数量具有重要意义。
系统动力学方法（ｓｙｓｔｅｍ ｄｙｎａｍｉｃｓ，ＳＤ）是用于研究与处理具有反馈行为的动态复杂系统的计算机仿真 方法。它通过信息反馈的控制原理与因果关系的逻辑分析的结合，有效地模拟系统结构、功能和行为之间的 动态变化关系¨３｜。系统动力学的方法非常适合于快速方便地实现人员疏散粗网络模型¨４。，因此，本文利用 美国 万Ｈｉ方ｓｈ数Ｐ据ｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ公司所开发的系统动力学工具软件ＳＴＥＬＬＡ系统来实现影剧院人员疏散粗网
筑物的出口与通道结构具有一定的实用价值。
关键词：系统动力学；粗网络模型；人员疏散模拟；影剧院火灾；疏散策略
中图分类号：ＴＰ３９１．９；Ｘ４
文献标识码：Ａ
Ｐｅｒｓｏｎｎｅｌ ｅｖａｃｕａｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ ｔｈｅａｔｅｒ ｂａｓｅｄ
ｏｎ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｍｏｄｅｌ
口ｓＩｏｃｋ．描述座敞走道等节点的变最
ｃｏｎｎｅｃｔｅｒ）来控制人员移动能力等变量。得到 人员流动网络图后，对其中的参数输入必须的 数据，如影剧院内初始人数、通道宽度值、出口 宽度等，完成对模型的初始化。人员从受灾空 问经由通道最终到达安全区域过程中移动速
召胁ｖ．靛阶触拥从蝴腋馘栩数
Ｏ ｃ０…ｒｔｅ蟛晌节点或Ｆｌｏｖ的参数，常数或动态变化
———◆ Ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ：表示变量与变量或者函数之间的关系
度是动态变化的，由影响人员移动能力的多个
图Ｉ 基于系统动力学（ＳＴＥＬＬＡ）的人员避难疏散模型示意图
因子共同控制。
Ｆｉｇ．１ Ｐｅｒｓｏｎｎｅｌ ｅｖａｃｕａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ ｄｙｎａｍｉｃｓ
１．２模型的假设
关于大型公共场所的人员疏散研究，一般通过现场询问、事后调查和“实战演习”等传统方法来实现，定 性总结事故原因及提出若干疏散原则¨－３］，而使用人员疏散模型进行验证和事前模拟方面的研究较为薄弱。 随着现代建筑复杂程度及智能化水平的提高，对于人员安全的分析仅仅停留在定性分析上已远远不能满足 要求。另一方面，近年来，以计算机模拟技术（数字摄像、计算机仿真、虚拟现实技术等）为基础的人员疏散 模型（如：ＥＧＲＥＳＳ，ＢＧＲＡＦ，ＥＸＯＤＵＳ，ＭＡＧＮＥＴＭＯＤＥＬ，ＳＩＭＵＬＥＸ，ＶＥＧＡＵＣＲＩＳＰ ＩＩ，ＥＸＩＴ８９，ＤＯＮＡＧＡＮ ＥＮＴＲＯＰＹ ＭＯＤＥＬ。ＰＡＸＰＯＲＴ。ＴＡＫＡＨＡＳＨＩ ＭＯＤＥＬ，ＷＡＹＯＵＴ等）Ｈ卅叫研究发展迅速，这些模型将疏散过 程的许多特征量进行量化，以各特征量之间的关系为基础进行场景分析模拟，为大型公共场所的人员疏散策 略提供了事前模拟和验证的可能。但目前大多数研究成果并没有直接应用于具体的某类大型公共场所的人 员疏散工作，缺乏理论与实践结合，限制和影响了人员疏散模型的研究。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｏｃｉｅｔｙ，ｔｈｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｐａｉｄ ｔｏ ｌｉｖｅｓ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ．Ｉｔ ｉｓ ｃｒｕｃｉａｌ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｅｖａｃｕ— ａｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ｐｕｂｌｉｃ ｐｌａｃｅｓ．Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｐａｓｔ ｆｉｒｅ ａｃｃｉｄｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅａｔｒｅ，ｉｔ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｊａｍ ｏｆ ａｉｓｌｅｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｉｎｃｏｒｒｅｃｔ ｅｖａｃｕａｔｉｏｎ ｉｓ ｔｈｅ ｏｎｅ ｏｆ ｍａｉｎ ｃａｕｓｅｓ ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｇｒｅａｔ ｌｏｓｓ ｏｆ ｌｉｖｅｓ．Ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ，ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｏｐｔｉｍａｌ ｅｖａｃｕａｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｏｆ ｐｅｒｓｏｎａｌ ｉｎｊｕｒｙ ａｎｄ ｄｅａｔｈ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｙｓ— ｔｅｒｎｓ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ａｎ ｅｖａｃｕａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｏａｒｓｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｍｏｄｅｌ．Ａ ｔｈｅａｔｒｅ ｗａｓ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｃａｓｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ．Ｆｉｖｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｖａｃｕａｔｉｎｇ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｖａｃｕａｔｉｏｎ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｎｅｗ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉｓ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｏｎｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｏｔｈｅｒ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｅｖａｃｕａｔｉｏｎ ｔｉｍｅｓ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｉｓ ｈｅｌｐｆｕｌ ｔｏ ｆｕｒｔｈｅｒ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｅｖａｃｕａｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｐｔｉｍｉｚａ—
鉴于现实的迫切需要和理论技术的可行性，本文以影剧院发生火灾为例，试图建立基于系统动力学的人 员疏散模型，重点分析采取不同的疏散策略所产生的疏散效果差异，找出最佳的疏散路线，以期达到尽可能 减少人员伤亡的目的。
１基于系统动力学的影剧院人员疏散粗网络模型
１．１模型选择与建立 大型公共场所中人员密度大，当灾害发生时人员的群集性特征比较明显。所谓群集性是指人员由于某
６期
陈晋等：基于系统动力学模型的影剧院人员疏散策略
络模型。图１为利用系统动力学方法的 ＳＴＥＬＬＡ系统建立的人员避难疏散模型简单示
受灾空间
中间通道
安全出口 安全区域
意图，根据影剧院的布局特点，把座椅区、通
道、安全出口等作为网络节点（ｓｔｏｃｋ），从一个
节点向另一个节点的流向代表疏散过程中人 员的流向（ｆｌｏｗ）。用控制因素（ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ和