火场安全疏散方案优化探讨

摘要：本文提出了一种基于运输模型和最短路问题的火场安全疏散方案优化方法，可得到针对某特定建筑在各种场景下疏散而不出现人群滞留现象的最优疏散方案。该方法考虑了所有疏散路径在疏散中的使用和各疏散路径最不利通行段及共用通行段的疏散能力大小，以及某个疏散初始位置所容纳疏散人员的个性特征。

关键词：安全疏散方案优化运输模型最短路问题

1引言

近年来，随着我国人民物质文化生活水平的提高，各类建筑越来越多地涌现，随之而来的发生火灾情况下安全疏散问题显得越来越重要。目前，我国的建筑设计防火规范对安全疏散方面，比如疏散楼梯的数量、到达楼梯的距离、楼梯的宽度、防排烟设施、内部装修材料等都有明确规定。但是现行标准中缺少与之配套的性能指标、评价方法。所以，对人员疏散安全性的评价方法研究显得很重要。在人员疏散安全性评价方法中，对于某一特定建筑的安全疏散方案的优化问题亟须研究。

研究疏散主要解决的是如何在最短时间内使得疏散人员全部到达安全区域，使火灾发生情况下伤亡事故减少。火灾发生后确保人员安全疏散的条件可用如下公式表示[1]：

ASET≥RSET

其中ASET表示可用安全疏散时间，RSET表示需要疏散时间。

ASET是指从开始着火至火灾发展到安全疏散临界条件的时间。临界条件的判定已经有了较多的研究，该文中不作叙述。RSET包括三个部分：一是火灾探测报警时间（DT）；二是疏散准备时间（PMT）；三是人员疏散时间(FT)。火灾探测报警时间DT对于某一特定建筑是可以估算的；疏散准备时间PMT的估算方法也有很多研究，在此不作具体阐述，人员疏散时间FT的估算方法有很多种，但是现有的方法大都是将空间分为多个单元，考虑临近的单元相关参数从而对疏散进行模拟计算的，而本文提出的基于运输模型的疏散方案优化方法站在整个疏散方案的高度，将疏散方案进行优化。

2 运输模型在安全疏散方案优化问题中应用的可行性探讨

运输模型解决单一货物从多个产地向多个目的地输送的计划安排问题。与运输问题进行对比可以发现，在疏散问题中，人员疏散前所在位置可看成是运输问题中的产地，安全区域可看成是运输问题中的销地，某条疏散路径的通过时间

可看做是运费。从疏散的个体来说，疏散方案期望每个疏散人员都用最短时间抵达安全区域，所以每个疏散人员抵达安全区域的最短时间对于整体疏散方案的设计是有着极其重要的意义的，它从某种意义上表征了某个特定建筑发生火灾的情况下安全疏散的最优方案。所以，本文提出的优化方法确定初始解的过程便是求解每个疏散人员抵达安全区域的最短时间。

3 安全疏散方案的设计与优化方法

3.1 初始可行解的确定

首先应当对所有疏散路径一一列出，并将每个疏散路径分割成若干个通行段，例如将一个路径分割为若干个楼梯通行段，走廊通行段，大厅通行段。然后对每个通行段的疏散能力进行评估，将最不利通行段和两条或两条以上路径共用的通行段的通行能力（人/s）标出，作为求出可行方案后进行再次赋值的依据。

确定疏散各个人员初始位置分布情况即每个初始位置实际容纳的疏散人数和安全区域的位置以及该区域的最大容纳人数以及沿每条路径的疏散时间。

在确定好所有通行段的通行时间后，将整个建筑的通行段用图的形式画出，并确定权矩阵，以便于利用图论中的Floyd算法对其最短路进行求解。Floyd算法是借助于图的权矩阵直接求出任意两点之间的最短路。在这里用表示从点到点的通过时间，将所有的点与点之间的通过时间列成德矩阵就是初始权矩阵。在这里用Floyd算法就可以算出任意一个疏散初始位置到任意一个安全区域所需要的最短时间。

3.2 初始安全疏散方案的优化

按照上述方法求出的方案并不能代表该疏散方案的最优方案。因为在这个方案中每个疏散路径的通行段不能保证不出现人群滞留现象，也就是说对于某个疏散通行段有可能在某个时间段内疏散人数大于疏散能力，从而导致危险地发生。对此问题需要对每个疏散路径的最不利通行段和共用疏散通行段进行检验，看在整个疏散时间内是否出现人群滞留现象。如果出现人群滞留现象，则需要对该疏散通行段所在的疏散路径进行再次赋值，即根据疏散通行段的位置等具体参数适当增加所在疏散路径的疏散时间，增加的幅度为不应太大以保证达到疏散方案优化的目的。

在再次赋值后，需要重新计算的问题随之列出，按照Floyd算法可求出新问题的最优解。再对此解按照最不利通行段以及共用通行段的疏散能力进行检验。以此类推，多次调整不同疏散路径的疏散时间后，可得到一个对于此建筑的不出现人群滞留的最优疏散方案。

4 利用该方法进行疏散方案优化的若干技巧

该方法可以对人员的个性特征进行量化。在疏散过程中，不同人群的疏散速度是不一样的。对于一个疏散初始位置可以按照人员年龄、性别等因素进行分组，并将该疏散初始位置扩展为个子疏散初始位置，这些子疏散初始位置与原先的初始位置是具有相同意义的，他的设定是为了将同一疏散初始位置中的人员个性特征进行量化，使得此方法所得的疏散优化方案更加可行。

该方法还可以用于火灾场景下的疏散方案优化。在设定各个疏散通行段的疏散时间过程中，火灾发生位置所在疏散通行段和受火灾影响而不能通过的疏散通行段的疏散时间设定为一个很大的值。根据疏散时间的最短这一优化目的可以知道，这样设定是将这个疏散路段不予考虑，即人员不从这条路径进行疏散。

5 结论与前景展望

本文提出了一种基于运输模型的安全疏散方案优化方法。这种方法可得到针对某特定建筑在各种场景下疏散而不出现人群滞留现象的最优疏散方案。该方法考虑了所有疏散路径在疏散中的使用和各疏散路径最不利通行段和共用通行段的疏散能力大小，以及某个疏散初始位置所容纳疏散人群的个性特征。

该方法还需要改进的地方有：（1）疏散时间的确定是根据疏散速度的经验公式求得，实用性有待加强。在估算通过疏散路径的疏散时间中，需要一个比较精确的算法。（2）再次赋值的具体量化方案有待深入研究。

参考文献：

[1] 田玉敏,梁强.歌剧院火灾场景下人员安全疏散安全性的检验.消防科学与技术.2007.03.26;

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。