高校学生宿舍楼火灾逃生仿真研究

龙圣杰，朱　彬，唐鸣静，周雅琴

（遵义师范学院a.数学与计算科学学院，b.化学化工学院，贵州遵义563002）

高校学生宿舍楼火灾逃生仿真研究

龙圣杰a，朱彬b，唐鸣静a，周雅琴a

（遵义师范学院a.数学与计算科学学院，b.化学化工学院，贵州遵义563002）

高校学生宿舍火灾事故时有发生，严重地威胁着学生的生命财产安全，因此研究如何在火灾时发生时尽快让学生逃离火场，对于保障学生的安全意义重大。为了研究高校学生宿舍楼火灾逃生，以当前贵州地区高校典型的学生宿舍楼为研究对象，按社会力模型，用Anylogic仿真软件模拟火灾下的学生逃生场景。结果表明，有组织的逃生能够大大缩短整体逃生时间，同时避免拥堵现象；自上而下的逃生方式能更有序、更快地逃离火灾现场。根据仿真结果，对高校学生宿舍消防安全工作提出了相应的建议。

社会力模型；仿真；火灾；逃生

学生宿舍作为大学生校园生活的主要活动场所之一，人员密集且存在大量易燃的生活用品，属于火灾事故易发区域。校园火灾不仅严重威胁师生的生命财产安全，同时也会对社会造成不良影响［1，2］。学生宿舍一旦发生火灾事故，火势很容易呈现蔓延趋势。火灾产生的高温、浓烟会给火场中的人员带来极大的伤害，据统计在火场中人员滞留3分钟就会失去自控能力，5分钟就会死亡［3］。在人员密集的学生宿舍，一旦发生火灾，如果学生不能及时撤离，很容易造成群死群伤的严重事故。因此在火灾发生时，有效组织学生撤离火场意义重大。然而采用演习的方式研究火灾逃生具有很大的局限性，首先，研究数据的获取需要进行多次反复的演习，需要动员大量的人力物力；其次，在演习过程中，由于人员密集，容易发生意外事故；再次，在火灾逃生过程中人员心理因素对安全逃生的影响很大，而演习时很难再现火灾的真实情景。随着计算机技术的发展，仿真模拟技术由于具有安全、经济、可重复性的优势已经被研究者广泛应用于人员逃生的研究［4］。Anylogic是当前备受关注且应用广泛的研究交通行人流的仿真软件，其依据社会力底层算法开发的行人库模型能够很好地反映人员在运动过程中所受到的有形与无形的作用力对其行为的影响。本文选取贵州省高校典型的学生宿舍为研究对象，运用Anylogic仿真软件构建逃生模型，研究逃生方式对人员疏散的影响，并结合仿真研究结果对高校学生宿舍楼的消防安全提出了相应建议。

1　火灾逃生研究场景设定

首先通过查阅相关信息并结合系统动力学方法构建模拟环境，用仿真技术模拟高校学生宿舍火灾发生场景。以下将从火灾逃生研究对象、火灾场景以及构建仿真模型底层算法三个方面进行介绍。

1.1火灾逃生研究对象

本文以贵州地区典型的L型无电梯多层宿舍楼为研究对象，这种宿舍楼建筑结构单一、布局相对简单、人员聚集程度高。L型宿舍楼长边楼道为40米，短边楼道为20米，楼道宽度为2米。每层楼25间寝室，每间寝室4名学生，宿舍楼具体布局情况如表1所示。

表1　学生宿舍楼布局情况

高校学生宿舍为空间封闭的人员聚集场所，大量人员聚集时无法进行快速移动。在封闭空间中人员较快的步行速度为 1.49m/s，在放松状态下为1.1m/s，整体平均速度1.24m/s［5］。据统计中国男性肩宽为38.3cm～48.6cm，女性肩宽为34.7cm～45.8cm［6］，因此可将人体在地面的投影近似地看作一个圆，其直径为人体肩宽。在进行仿真实验时，可设定人体投影的直径为0.4～0.5m，人员行走速度为0.9～1.5m/s。

1.2火灾场景

在火灾时间上，本文选择最极端的情况，即火灾发生在凌晨，这时候宿舍中所有学生都已就寝。假设火源位于不利逃生的主出口，此时主要逃生通道不能使用，所有学生只能通过紧急通道逃生。火灾发生后学生有30秒的逃生反应时间，火灾发生30秒后所有学生开始逃生，学生逃离宿舍楼一楼即可脱离火灾威胁。宿舍楼平面图如图1所示。

图1　宿舍楼平面图

建筑物发生火灾后火势会很快蔓延，人员在火场中停留的时间越长越容易受到火焰及浓烟等有害物质的伤害。尽快逃离火场是火灾逃生成功的关键，因此本文选择逃生时间作为评判火灾逃生的指标［7，8］。

1.3社会力模型概述

1995年赫尔本（Helbing）等人在流体动力学方程基础上，构建了社会力行人交通流模型［9］。社会力行人模型包括行人向着目标运动因素、行人之间作用因素、行人与边界等障碍物之间的相互作用因素等，通过流体动力学将各种因素进行量化。社会力模型的动力学方程为：

驱动力是促使人员以期望速度向目标位置运动的力，表达式为：

模型中如果其他作用力没有干扰，人们会以固定的速度向目标位置方向移动。然而在现实中由于受到周围环境因素的影响，实际速度会与期望速度有一定的偏差。社会力模型中排斥力因素包括人员相互之间的作用力和周围环境障碍物对人员的作用力，人员相互之间的作用力又包含社会力和物理力，表示如下：

人体与墙壁等障碍物之间的作用力与人体之间的作用力类似，用B表示墙壁，则人与墙壁之间作用力可表示为：

在火场中人员在移动时会受周围环境其他人员或物体的影响，其中人员之间的吸引力可以用向量与一个常数的乘积来表示：

社会力模型能很好地模拟出人员在环境中的行走状况，因此被广泛应用于应急疏散研究中［10］。

2　高校学生宿舍楼火灾逃生仿真分析

高校学生宿舍发生火灾时，宿舍楼中的学生在30s反应时间后立即向楼下安全区域逃生。本文以社会力底层算法构建火灾逃生模型并分别对不同逃生方式的疏散场景进行模拟。

模型参数设置如下：发生火灾的宿舍楼中学生人数为满员情况下的600人，火灾发生30s后被发现。火灾发生在主通道位置，宿舍楼中学生都需要通过应急通道逃生。学生逃生速度为0.9～1.5m/s的均匀分布，人体投影直径为0.4～0.5m的均匀分布，人与障碍物之间的距离不小于0.4m。

2.1多层宿舍同时逃生

本实验假设火灾发生初期即被发现，火灾还未对宿舍中的学生造成伤害，火灾发生后学生有30s的反应时间，30s后宿舍楼中的学生同时逃生。当学生完全撤离宿舍楼后，逃生结束。仿真实验结果如图2所示。

图2　仿真逃生实验一

仿真实验结果显示，在30秒的反应时间后六层宿舍楼中的学生同时涌向应急通道，在2分钟时每个楼层都有大量学生拥堵在通道前。火灾发生7分钟后，仍然有相当数量的学生聚集在一、二楼层的通道前。火灾发生7.8分钟后所有学生经过紧急逃生通道撤离着火宿舍楼，整个逃生过程结束。

2.2按从高到低的顺序依次逃生

实验场景设置与实验一基本相同，区别在于火灾发生后，按楼层从高到低的顺序，依次组织学生通过紧急逃生通道逃生，当宿舍楼中的学生完全撤离后，逃生结束，仿真实验结果如图3所示。

图3　仿真逃生实验二

仿真实验结果显示，火灾发生2分钟后，第六层的学生基本撤离，然而仍有部分学生在低楼层楼梯通道内，第五层的学生开始进入紧急逃生通道。低楼层的学生在此期间可呆在寝室内，以避免火焰及烟气的伤害。火灾发生5.5分钟后，宿舍楼中只有第一层还有少部分学生未逃生，其他楼层学生均已撤离完毕。火灾发生5.7分钟后，所有学生撤离完毕，逃生过程结束。相对于仿真实验一，仿真实验二的逃生时间缩短了2.1分。

2.3按从低到高的顺序依次逃生

实验场景设置与实验一基本相同，区别在于火灾发生后，有序组织宿舍楼中的学生按楼层从低到高的顺序依次逃生，宿舍楼中的学生完全撤离后，逃生结束。仿真实验结果如图4所示。

图4　仿真逃生实验三

仿真实验结果显示，火灾发生2分钟后，宿舍楼第一层的学生撤离完毕，第二层的学生开始撤离，在此期间第二层以上的学生可呆在寝室内，以避免火焰及烟气的伤害。火灾发生5.5分钟后1～5层的学生撤离完毕，第六层的学生已经开始进入紧急逃生通道。火灾发生6.1分钟后，所有学生撤离宿舍楼。

2.4学生宿舍火灾逃生方式分析

根据以上仿真实验结果，可得出如下结论：（1）在没有组织的疏散中，大量学生同时涌向应急逃生通道，会造成逃生通道和楼梯间严重拥挤，这种逃生方式花费时间最多，而且在拥堵中学生很容易发生踩踏事故；（2）实验二与实验三由于有序组织学生逃生，相对于无组织的逃生方式大大节约了逃生时间，同时也缓解了楼梯间的拥堵程度；（3）有组织的逃生方式中，采用自上而下的逃生方式逃生时间最短。

3　结束语

本文采用社会力底层算法构建模型，对贵州地区高校典型无电梯宿舍楼火灾逃生过程进行了仿真模拟与分析。实验结果表明，运用仿真技术可以很好地模拟逃生过程，既能够节省真实演习的花费又能够获取实验数据，可以很好地应用于人员逃生。实验结果还表明，组织有序自上而下的逃生方式能够缩短逃生时间。

基于实验结果，本文对高校学生宿舍安全管理提出以下建议：（1）尽早发现火情，缩短火灾反应时间，尽快组织学生逃生；（2）有序组织学生逃生，避免拥挤踩踏事故；（3）高校要经常组织自上而下的疏散演练，才能保证发生灾害时学生能快速有序地撤离。

［1］霍然，胡源，李元洲.建筑火灾安全工程导论［M］.合肥：中国科学技术大学出版社，1999.

［2］伍颖，李卓球.高层建筑火灾人群疏散模型研究［J］.安全与环境工程，2008，15（3）：87-89.

［3］李昂，邸超，左一鸥.高校宿舍火灾评估体系构建［J］.灾害学，2004，19（10）：77-82.

［4］周文科，赵欢，周慧娟.基于AnyLogic仿真的高校宿舍火灾疏散研究［J］.消防科学与技术，2014，33（12）：1383-1386.

［5］何怡婧，曾坚，王子寒，等.高层学生宿舍火灾疏散模拟与逃生行为研究［J］.消防科学与技术，2013，32（1）：15-18.

［6］徐高.人群疏散的仿真研究［D］.成都：西南交通大学，2003.

［7］徐永莉.大型商场火灾与人员疏散数值模拟分析［J］.消防科学与技术，2014，33（5）：510-514.

［8］黄有波，吕淑然，杨凯.大型办公场所火灾与应急疏散研究［J］.消防科学与技术，2015，34（8）：1005-1009.

［9］Helbing D，Farkas I，Vicsek T.Simulating dynamical features of escape panic［J］.Nature，2000，407（6803）：487-490.

［10］黄鹏，刘箴.一种面向人群仿真的改进型社会力模型研究［J］.系统仿真学报，2012，24（9）：1916-1919.

（责任编辑：朱彬）

Research on Simulated Evacuation from Dormitory during the Conflagration

LONG Sheng-Jiea，ZHU Binb，TANG Ming-jinga，ZHOU Ya-qina
（a.College of Mathematics and Computational Science；b.College of Chemistry and Chemical Engineering，Zunyi Normal College，Zunyi 563002，China）

Frequent fire disasters happened in colleges have always been serious threats to students'property and life.To protect students from fire disasters，researches on ways of guiding students evacuating are significant.This paper focuses on simulation of evacuation from students'dormitory in conflagration.Based on social force model，this paper uses anylogic to build fire scenarios，and take dormitories in Guizhou for example.Results show that organized guide can avoid congestion and shorten evacuation time sharply，and an updown evacuation way performs better.In the end，by analyzing all results，this paper offers a proposal on universities'fire control.

social force model；simulation；fire accident；evacuation

X913.4

A

1009-3583（2016）-0102-04

2015-12-11

遵义师范学院基础教育研究项目（13ZYJ023）

龙圣杰，男（土家族），贵州凯里人，遵义师范学院数学与计算科学学院教师，硕士。研究方向：系统仿真。