嵌入式消防疏散标志立体结构对疏散影响的研究

季 涛, 牛慧婷, 苟铭义, 张吉友, 代张音

(贵州大学矿业学院,贵州 贵阳 550025)

0 引言

火灾一直是安全领域学者研究的热点问题之一。据应急管理部消防救援局公布数据显示,2021年全国消防救援队伍共接报火灾74.8万起,火灾起数较2020年上升9.7%[1],火灾整体形势不容乐观,表明我国的基础消防设施有待改进与完善。嵌入式消防疏散标志作为基础消防设施中的重要组成部分,普遍应用于公共场所和住宅建筑等高密度人群场所。GB 50016—2014《建筑设计防火规范》(2018年版)[2]更是明确规定,公共建筑、高度大于54m的住宅建筑、高层厂房(库房)等场所应设置灯光疏散指示标志。目前,市面上的嵌入式消防疏散标志均平行墙面安装,当逃生人员在贴近墙面或距标志较远时,其空间信息指示能力具有一定的局限性。因此,研究发挥嵌入式消防疏散标志的指示作用,对提高疏散效率具有重要意义。

国内外学者从不同视角对消防疏散标志进行研究。在人员生理及视听方面,廖慧敏等[3]基于人的认知生理反应规律,提出增设局部疏散标志的建议;董文辉等[4]通过引入基于音频信息的声音导向技术,克服疏散指示标志仅依赖视觉信息的局限性;宋英华等[5]建立视野受限情况下行人疏散元胞自动机模型,发现盲目运动区有指示标志时行人的疏散效率要高于墙壁可见区有指示标志的情况;马晓辉等[6]的虚拟眼动感知实验则表明眼动注视点大多在安全门而非安全出口标识上,安全出口标识的视觉吸引力有待提升。在技术及材料方面,孔云科[7]运用Zigbee技术,让疏散指示标志能准确、及时地发挥作用;温芳等[8]研究长余辉材料的发光机理和应用形态,为消防疏散标志荧光材料的制作提供新思路。在疏散标志的设置及布局方面,马明明等[9]借助虚拟眼动实验分析实验区指向型疏散标志布局的不合理之处,并创建一套新的指向型疏散标志布局优化方法和流程;廖慧敏等[10]的研究表明在疏散过程中,增设标志能使各疏散出口的疏散时间相对持平,避免常规疏散中通道过早闲置的现象;张凌菲等[11]在分析疏散标志布局与历史街区疏散效率相互关系后,对支路内部和拥堵区周边疏散标志进行针对性优化;万展志等[12]梳理不同位置疏散标志可视性作用及其可视性量化研究现状,提出疏散标志布局的研究展望。在结构设计方面,Kubota等[13]对疏散标志的交互角度进行研究,结果表明相互作用的角度能影响撤离者所选择的方向;刘盛鹏[14]针对复杂建筑空间内疏散通道的特点,设计一款具有良好指示效果的通道交叉口诱导标志;范芮雯等[15-16]从空间角度入手,对消防安全疏散标志空间方向信息传递效能进行研究,结果表明适当空间角度可增强消防安全疏散标志空间方向信息传递效能,并设计一种空间立体嵌入式消防疏散标志。上述研究虽从各个方面对消防疏散标志进行探究与优化,在一定程度上增加了消防疏散标志方向信息指示效果,但目前国内外对于嵌入式消防疏散标志立体结构的研究仍较少。

本文通过嵌入式消防疏散标志空间角度模拟实验,分析不同空间角度的嵌入式消防疏散标志对人员择向反应时的影响,并运用Pathfinder进行数值模拟,进一步分析嵌入式消防疏散标志因空间角度变换所致凸出距离对疏散的影响,以期在立体结构上对现有嵌入式消防疏散标志进行优化设计,充分发挥其在疏散中的指示作用。

1 空间角度对择向反应时的影响

1.1 实验平台

本次实验基于PsyLab心理实验系统,通过C#语言进行编程,开发适用于本实验的反应时计时系统,实时记录被试看到刺激图片后的选择反应时。实验地点为一间安静的教室,实验时被试位置固定,与显示器距离约600mm,显示器为22寸,分辨率为1920×1080,利用设计的实验软件呈现实验刺激。软件界面,如图1;操作流程,如图2。

图1 反应时计时软件界面示意图Fig.1 Schematic diagram of reaction time recording software interface

图2 反应时计时软件操作流程示意图Fig.2 Schematic diagram of reaction time recording software operation process

嵌入式消防疏散标志以一定角度α凸出墙面,为避免凸起较大影响疏散,选择0°、3°、5°、10°进行实验,空间角度俯视图,如图3。

3D模拟场景选取被试相对熟悉的某高校综合办公楼。为使实验更贴近实际,依据GB 13495.1—2015《消防安全标志》[17]、GB 15630—1995《消防安全标志

设置要求》[18]等的相关规定,3D模拟场景中嵌入式消防疏散标志尺寸与实际尺寸基本相同,确定为359mm×149mm×23mm,其上边缘与地面的高度接近1m。此外依据GB/T 10000—1988《中国成年人人体尺寸》将被试的眼高定为1500mm,距嵌入式消防疏散标志2000mm。确定所有条件后,利用3DMAX软件绘制不同角度的3D模拟图,如图4。

图4 不同角度3D模拟图Fig.4 3D simulation images from different angles

1.2 实验步骤

本次实验招募58名被试,均为中国籍学生,年龄在18～23岁,要求被试完成反应时计时实验及相关的调查问卷,具体实验步骤如下:

(1)研究人员引导被试到指定位置就座,并讲解本次实验的内容、流程和操作步骤,在确保被试理解后,开始实验。

(2)被试想象自己正处于火灾疏散场景中,开始阅读电脑屏幕出现的指导语并双击空白处,随后电脑屏幕开始随机呈现不同空间角度嵌入式消防疏散标志的3D模拟图,被试需根据所看到的嵌入式消防疏散标志第一时间选择要逃生的方向,同时快速按下与之对应的方向按键。

(3)测试结束,该被试立刻填写调查问卷,通过“完全不自信”“不确定”“自信”“非常自信”4个选项,来描述自己在模拟场景中的择向自信程度。

(4)实验结束,由研究人员导出数据,将被试带至休息室休息。

具体实验场景,如图5。

图5 被试参与实验场景Fig.5 S ubjects participate in the experimental scene

1.3 实验结果及分析

1.3.1 前期数据处理

为探究嵌入式消防疏散标志空间角度与反应时之间是否存在相关性,对实验中不同空间角度的反应时数据进行正态性检验,检验结果,见表1。

表1 反应时数据正态性检验结果Tab.1 Normality test results of reaction time data

由表1可知,4种不同空间角度被试的反应时数据正态显著性均<0.05,表明实验数据不服从正态分布。目前,统计学中常用相关系数有皮尔逊和斯皮尔曼。由于反应时数据不符合正态分布,因此,在对嵌入式消防疏散标志空间角度和反应时进行双变量相关分析时,选用斯皮尔曼相关系数,见表2。

表2 空间角度的反应时相关性分析结果Tab.2 The results of correlation analysis of reaction time in spatial angle

由表2可知,嵌入式消防疏散标志实验数据在0.01和0.05水平上呈显著相关,整体上两者之间存在一定正相关关系,这表明改变嵌入式消防疏散标志空间角度会影响人员逃生反应时,从而影响整个疏散过程。

1.3.2 反应时对疏散影响的分析

为进一步探究嵌入式消防疏散标志空间角度对疏散的影响,对被试的择向反应时进行分析,具体实验结果,如图6。

图6 空间角度对被试择向反应时的影响Fig.6 The influence of spatial angle on the directional response time of participants

图6反映被试择向反应时数据分布情况,利用中值线对数据分布水平进行分析。在0°、3°、5°和10°中,10°中值线最高,较0°数据分布上移,表明嵌入式消防疏散标志空间角度为10°时,被试择向反应发生了一定程度迟滞;5°中值线最低,较0°数据分布下移,表明嵌入式消防疏散标志空间角度为5°时,对被试择向反应有一定促进作用;0°和3°中值线位置相差不大,数据分布相近,表明两者的被试择向反应相差不大。为进一步精确分析3°和5°对被试择向反应时的有益影响,统计58名被试的择向反应平均时间,如图7。

图7 不同空间角度下的人均择向反应时Fig.7 Per capita reaction time of directional responseat different spatial angles

由图7可知,空间角度为5°时被试平均择向反应时最低,约为1.31ms,较0°降低约0.07ms,这意味着在实际过程中,人员在每个疏散标志处可以用更短时间对逃生方向做出反应,从而降低疏散时间。虽然0.07ms的时差对单人的实际疏散用时影响较小,但在建筑结构复杂、逃生人数较多的情况下有叠加效应,会进一步增大差距,最终对整体疏散用时产生较大影响。空间角度为3°时,较0°的平均择向反应时小,但两者仅相差约0.004ms,可忽略不计。综上所述,嵌入式消防疏散标志空间角度为5°时,能有效提高被试择向反应效率,其空间信息指示作用较0°更显著。

2 凸出距离对疏散的影响

由于嵌入式消防疏散标志空间角度变化时,其距墙面的凸出距离也会随之变化,影响疏散效率。为进一步研究嵌入式消防疏散标志凸出距离对疏散效率的影响,利用Pathfinder进行模拟实验。

2.1 模型构建

对综合办公楼进行实地测量,并运用Pathfinder进行场地模型构建,如图8。

图8 Pathfinder场地模型图Fig.8 Pathfinder site model Diagram

该模型共5层楼,166个房间,6个安全出口,其中5个出口位于1层,1个出口位于2层(该出口虽位于2层但和外界相连通),楼层总面积达3733.5m2。同时走廊、过道、楼梯等地设置嵌入式消防疏散标志,通过改变厚度模拟不同空间角度下嵌入式消防疏散标志凸出距离H,如图9(a)。实际上嵌入式消防疏散标志呈三棱柱形,如图9(b)。其与墙面的夹角为α,长为L,则该嵌入式消防疏散标志空间凸出距离为:

H=L×sinα

(1)

图9 嵌入式消防疏散标志模型简化及构想图Fig.9 Simplified and conceptual diagram of embedded fire evacuation sign model

2.2 相关参数选取

该综合办公楼实际可容纳500人左右,因此在模拟实验中将人数定为500人,其中,男、女各占一半。人员模型相关参数选取和设定依据GB/T 10000—1988《中国成年人人体尺寸》和李利敏等[19]对在校大学生肩宽的研究结果,男性身高和肩宽分别设置为1.69m、46.5cm;女性身高和肩宽分别设置为1.58m、43.2cm。此外,由于男性和女性体质不同,使得男性逃生速度往往要比女性快,参照谢玮等[20]的研究结果,选取2.37m/s作为模型中男性的逃生速度,2.14m/s作为模型中女性的逃生速度,以期模拟实验接近真实状态。同时,为使模拟场景更真实,初次模拟实验时,将500人随机分布在模拟场景的各个地方并固定该人员位置,以确保后续模拟实验变量一致。嵌入式消防疏散标志尺寸为335mm×145mm,其L确定,H可依据空间角度计算。嵌入式消防疏散标志空间角度以0°、3°、5°、7°为基础,逐步递增10°,以50°为上限。Pathfinder软件支持SFPF和Steering 2种人员运动模式,本模拟实验选择更加智能与真实的Steering模式进行,模拟实验场景,如图10。

图10 模拟实验疏散场景图Fig.10 Simulation experiment evacuation scene diagram

2.3 模拟实验结果及分析

2.3.1 前期数据分析

嵌入式消防疏散标志模拟实验结果,如图11。

图11 不同凸出距离下人员疏散用时Fig.11 Scatter diagram of evacuation time at different protruding distance

由图11可见,凸出距离和人员疏散用时之间存在正相关关系,即随着凸出距离增大,人员疏散用时增加。为探讨两者间的相关程度,对模拟实验数据进行检验,具体结果,见表3。

表3 凸出距离与人员疏散用时相关性Tab.3 Correlation between protrusion distance and personnel evacuation time

由表3可知,两者在0.01水平上相关性显著,且皮尔逊相关系数为0.887,呈现明显的正相关关系。即随着嵌入式消防疏散标志空间凸出距离的增大,疏散时间也相应增加,愈不利于人员疏散。

2.3.2 函数曲线拟合分析

为进一步分析嵌入式消防疏散标志凸出距离对疏散的影响程度,以曲线拟合的方式对模拟实验数据进行分析。借助SPSS数据分析软件选取线性、二次和三次函数模型进行方程拟合检验,其中以标志牌凸出距离为自变量,以人员疏散用时为因变量,见表4。

表4 函数曲线方程拟合检验统计表Tab.4 Statistical table for fitting test of function curve equation

由表4可知,3种函数模型的概率P值均小于显著性水平0.05,说明所选取的函数模型对模拟实验数据的拟合均有统计学意义,均可描述嵌入式消防疏散标志凸出距离与人员疏散时间的关系。3种模型中三次函数模型R2最高,即三次函数模型曲线拟合效果最好,故选取三次函数拟合曲线进行分析。

三次函数拟合曲线,如图12。从图12可知,嵌入式消防疏散标志凸出距离小于75mm时,曲线近乎平行,即在这一范围内,嵌入式消防疏散标志凸出距离对人员疏散用时几乎无影响;嵌入式消防疏散标志凸出距离大于或等于75mm时,随凸出距离的增加,疏散时间呈指数递增,即嵌入式消防疏散标志凸出距

图12 函数模型拟合曲线图Fig.12 The function model fitting curve

离在75mm以内时,不会影响疏散效率,当凸出距离超过75mm时,会阻碍疏散,且随着凸出距离的增大,其阻碍作用会愈发显著。

结合表4中三次函数参数值,设嵌入式消防疏散标志凸出距离为H,人员疏散时间为y,则可得到两者间的函数关系,从而预测该模拟楼层在不同嵌入式消防疏散标志凸出距离下的人员疏散时间。

y=8.970×10-7H3-1.509×10-5H2+108.314

(2)

为确定式(2)预测人员疏散时间的可行性,将其计算所得的疏散时间同Pathfinder软件所模拟的疏散时间进行比较,得出在不同的凸出距离下两者之间的误差范围,如图13。

图13 误差范围Fig.13 Error range

由图13(a)可见,Pathfinder软件模拟的疏散时间分布于式(2)计算所得疏散时间与嵌入式消防疏散标志凸出距离关系曲线的上下两侧,分别将两侧散点拟合曲线,得出2条误差边界线,其中虚线代表函数计算式计算的疏散时间低于Pathfinder软件模拟疏散时间的误差界限,点划线则与之相反,两者之间形成一条误差带,表明式(2)计算的疏散时间明显存在正负误差。如图13(b)所示,两者正负误差率均小于2%,表明式(2)计算的疏散时间和Pathfinder软件模拟所得的数据契合度较高。由于式(2)中常数为模拟楼层在嵌入式消防疏散标志无凸出距离时人员所需的疏散时间,将常数用a代替,a为所计算楼层嵌入式消防疏散标志无凸出距离时人员全部疏散所需的时间,将其变为通用公式,使其可预测嵌入式消防疏散标志不同凸出距离在各种建筑中的人员疏散时间,增强公式的普适性。为将其推广,则嵌入式消防疏散标志凸出距离与人员疏散用时函数模型为:

y=8.970×10-7H3-1.509×10-5H2+a

(3)

3 提升疏散效率的措施

结合嵌入式消防疏散标志空间角度和凸出距离模拟实验结果,提出以下措施提高疏散效率:

(1)可设计一种空间角度为5°的嵌入式消防疏散标志。当嵌入式消防疏散标志与安装墙面夹角为5°时,能在一定程度上增加人员对逃生方向上信息接收的速度,从而降低人员在火灾逃生时的择向反应时间,提高疏散效率。空间角度为5°时,嵌入式消防疏散标志凸出距离小于75mm,不会对人员疏散效率起阻碍作用。因此,将嵌入式消防疏散标志按照空间角度为5°安装于墙面,能够在一定程度上提高疏散效率,在人员逃生过程中起到积极作用。

(2)可依据嵌入式消防疏散标志凸出距离与人员疏散用时函数模型,选取制作5°嵌入式消防疏散标志的最优规格。考虑到市面上嵌入式消防疏散标志有多种规格,制作5°嵌入式消防疏散标志时,以常数a为基础,依据最短疏散时间选择制作5°嵌入式消防疏散标志的最优规格,以进一步从消防疏散标志立体结构层面提高人员的疏散效率。

4 结论

(1)嵌入式消防疏散标志空间角度会影响人员择向反应时。空间角度为3°时,对人员的择向反应基本无影响;空间角度为5°时,对人员的择向反应产生积极影响;空间角度呈10°时,对人员的择向反应产生消极影响。

(2)嵌入式消防疏散标志凸出距离与人员疏散用时呈显著正相关。凸出距离在75mm以内时,对疏散无显著影响,超过这一范围后,对疏散有消极影响。

(3)嵌入式消防疏散标志凸出距离与人员疏散用时函数模型,可为设计建筑物楼层安设5°嵌入式消防疏散标志时选取最优的规格。