基于Pathfinder的医院人群疏散仿真研究

陈岩

摘 要：本文以某医院住院楼为研究对象，利用Pathfinder人群疏散软件对其进行数值模拟，根据人数的不同分别设定了5种疏散场景，分别计算出疏散时间，随后在5个场景中加入使用电梯这一疏散方式。结果表明，疏散時间随着人数的增加而延长;一部分疏散人群利用电梯疏散可提高人群疏散效率。本文得出的结果可为医院人群疏散设计提供参考依据，因此具有重要的意义。

关键词：医院;人群疏散;Pathfinder;数值模拟

中图分类号：TU998.12文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）29-0107-03

Abstract： This paper took a hospital inpatient building as the research object， and used Pathfinder crowd evacuation software to numerically simulate it. According to the number of people， five evacuation scenarios were set， and the evacuation time was calculated separately. Then the elevator was added to the five scenarios. The results showed that the evacuation time was prolonged with the increase of the number of people， so that some evacuation people could use elevator evacuation to improve the evacuation efficiency of the crowd. The results can provide a reference for hospital evacuation design， so it has important significance.

Keywords： hospital;crowd evacuation;Pathfinder;numerical simulation

随着我国国民经济的飞速发展，医院的功能不断趋于多元化，高层建筑成为大型医院建筑的主要形式。医院作为病患的集中场所，一旦管理不善，发生火灾，就会导致大量人员伤亡与财产损失。因此，对医院人群疏散进行研究有利于保障人民的生命安全和减少财产损失。

国外对人群疏散的研究比国内起步早。随着计算机技术的不断发展，多数学者将网络技术、虚拟现实技术和最优化技术运用于人群疏散的研究中[1]。这些技术弥补了以往利用数学模型计算量大且复杂的缺点，因而得到广泛应用。例如，ZY Li等利用Pathfinder软件对地铁车站进行了人群应急疏散模拟，并对模拟结果进行分析。研究表明，人群在疏散楼梯与出口处出现瓶颈现象[2]。党会森和赵宁宇利用人群疏散软件Pathfinder对不同出口条件的房间进行数值模拟，分析了出口宽度对人群疏散时间的影响。研究得出了最适宜的出口宽度，为建筑设计提供了理论依据[3]。

1 Pathfinder人群疏散软件简介

Pathfinder是由美国Thunderhead Engineering公司开发的一款人员进出与运动的模拟器，运用游戏角色领域技术，通过设置相关参数，能使疏散人群中每个个体的移动进行图形化的虚拟演练，从而准确计算出每个个体的疏散时间，且能观察每个个体的疏散过程。Pathfinder软件中包括两种模式，分别为SFPE与Steering。在SFPE模拟场景中的人会以流量为依据来选择最近的出口，且人与人之间维持合理的距离，此模式更适合于队列情景。而在Steering模式中，则会运用路径规划、碰撞处理和指导机制处理疏散人员的移动，充分考虑人与人之间的作用，若是人与人之间的距离与最近的路径超过一定的阈值，那么人员就会改变其原有的路径。因而，Steering模式更加贴近疏散时的真实场景。

2 模型的建立

2.1 建筑物概况

本文的模拟对象为某医院住院楼，该建筑共有15层，首层为药房、库房及各类化验室，二层至十五层为各科室病房。其中，首层共有四个疏散出口，两个疏散楼梯，除此以外该建筑共配有六个电梯，其中两部为消防电梯。图1为该医院Pathfinder模型结构。

2.2 模拟参数设置

医院中的病患较多。通过调查，笔者将人群类别、所占总人数的比例及行走速度设定为如表1所示的值。

3 疏散场景设置

本文主要研究不同人群数量状况下的疏散过程，因而分别设置了5个疏散场景。其中，一层的人流量大，因此，将一层的人数设置为1 000人，人群密度为0.57人/m2。除此之外，五个场景中其余各个楼层的人数设置均不同。其中，场景一的疏散人数设置为6 298人，场景二疏散人数设置为5 199人，场景三的疏散人数设置为3 799人，场景四疏散人数为2 396人，场景五的疏散人数设置为1 697人。

4 疏散过程分析

从实际来看，无论哪种疏散情景，人群均在疏散楼梯中大量堵塞。其中，情景一中所需疏散人数最多。同时，单一的疏散方式使得众多人群只得利用疏散楼梯进行疏散，因此所用的疏散时间最长，并且大量的人群在两个疏散楼梯上拥堵，最终在3 321s疏散完毕。情景一300s时的疏散状态如图2所示。在情景二中，疏散楼梯中同样存在严重的拥堵问题，整栋建筑完全疏散所用的时间为2 793s。情景三中设置的疏散人员总数为3 799人，楼梯拥堵现象较前两种情景稍有改善，人群在楼梯停滞的时间较短，在1 920s疏散完毕。而情景四和情景五中，疏散人数较少，因而所用的疏散时间也较为短暂，分别用了1 006s与540s。由此可得出，在此建筑中，疏散人数越少，所用的疏散时间就越短，反之所用疏散时间就越长。情景一至情景五疏散人数随时间变化如图3所示。

5 使用电梯情境下的人群疏散模拟

以往在发生火灾的紧急情况下，电梯要在第一时间降至首层，同時要切断电梯电源，疏散人员不得使用非消防电梯进行人员疏散，因而处于高层的人员全部都要通过疏散楼梯进行逃生。20世纪90年代，建筑的防火设计技术逐渐成熟，大多数电梯都配备有防烟前室，防火防烟功能较好，因而安全性高，因此利用电梯疏散也不是不可行的。目前，国外已经有不少利用电梯成功疏散的案例，比如：1974年，巴西圣保罗市一栋25层的大楼起火，在火灾发生初期，超过300名疏散人员通过4部电梯成功逃生 。电梯疏散具有缩短疏散距离、减少疏散时间等优点，吸引了大量研究人员加入电梯疏散的探讨与研究中。因而，在此疏散场景中，加入了电梯疏散这一疏散方式，重新设置疏散模型中的人群疏散行为，以探究使用电梯疏散的情况下人员疏散状况。其中，第二层、第四层、第六层、第八层、第十层、十二层与十四层的人员共使用6部电梯疏散，其余楼层人员使用疏散楼梯疏散。6部电梯的参数设置如下：额定负载人数21人，电梯的运行方向由一层至十五层，加速度为1.2m/s2，最大速度为2.5m/s2，电梯门打开与关闭之和为7s。情景一至情景五使用电梯疏散人数随时间变化如图4所示。

从图4可知，使用电梯这一疏散方式后，五种情景的疏散时间大大缩短。这是因为一部分人通过电梯逃生，减少了人群疏散楼梯中的拥堵，提高了疏散效率。各个情景下是否使用电梯进行疏散的时间对比如表2所示。

从表2可以看出，疏散人数越多，使用电梯疏散取得的效果就越显著，尤其在情景一人数最多的情况下，总共节省了1 236s，大大缩短了疏散时间。而在疏散场景五中，由于每个楼层疏散人数较少，因而疏散楼梯中人群拥堵的状况不太严重，是否使用电梯疏散对疏散时间的影响并不大。

6 结论

本文以某医院住院楼为研究对象，运用人群疏散软件Pathfinder对其在不同的疏散场景下进行数值模拟，通过模拟得出以下结论。

①在此建筑中，疏散人数会影响疏散时间，疏散人数越多，疏散时间就越长。同时，在所设定的5个疏散场景中，单一疏散方式使得疏散人员均在疏散楼梯上大量停滞、拥堵，人数越多，拥堵情况就越明显。

②电梯疏散具有疏散距离短、疏散速度快等优点。因而，本文加入了电梯疏散这一疏散方式，对不同疏散人员数量下的人员疏散进行数值模拟。结果发现，加入电梯疏散这一方式可减少疏散楼梯中的人数，减轻拥堵，使疏散时间大大缩短，疏散效率提高，并且疏散人数越多，缩短的时间就越长。

为了提高疏散效率，应有效控制该住院楼的入住人数，同时应对医院医护人员进行消防演习，进而使疏散有序进行。此外，还应增加人群疏散方式，如在火灾中使用消防电梯疏散等。

参考文献：

[1]方星，黄培清，霍良安，等.大型活动中人群的应急行为研究综述[J].中国安全科学学报，2011（11）：22-28.

[2]ZY Li，M Tang，D Liang， Z Zhao，et al. Numerical Simulation of Evacuation in a Subway Station[J].Procedia Engineer-ing，2016（135）：615-620.

[3]党会森，赵宁宇.基于pathfinder的人员疏散仿真[J].中国公共安全（学术版），2011（25）：46-49.