北京科技大學本科生畢業設計 論文 摘 要 隨著社會的發展 建筑火災已經成為現代城市中最為嚴重的公共災害之一 針對當 前由于建筑火災導致的群死群傷事故日益增多的形勢 以大學校園建筑火災疏散為設計 背景 論文將建筑物按平面布置確定其疏散網絡 根據人員的不同網格位置的移動特性 確定其移動速度及方向 建立了描述人員疏散時間和疏散軌跡 利用ArcGIS軟件對校園 的疏散進行仿真 反映了人員疏散的流動圖案 重點闡明了災害的分析模型和系統的邏 輯層次 論文首先介紹了安全疏散救援的思路和方法 然后對北京科技大學社區道路進行分 析 在火災后作出最有效的應急預案和疏散方案 在設計中 不斷優化原有方案 并且 在方案里考慮了諸多因素和不利條件 使得方案更加趨于實際 最后對北京科技大學道路管理的現有體系和模式進行了總結 然后基于網絡技術 數據庫技術 網絡技術等高新技術提出了城市道GIS路集成化信息管理的新模式 討論 了在新模式下各部門的協同工作 數據授權訪問以及信息共享等機制 該模式便于社區 道路管理各部門共享信息和進行協同工作 從而可以提高社區道路的管理效率和管理水 平 關鍵詞 地理信息系統關鍵詞 地理信息系統 疏散疏散 設計設計 1 北京科技大學本科生畢業設計 論文 Abstract With the development of society building fire disaster is becoming one of the most serious public disasters in modern cities Aiming at the increasing trend of massive death and injury caused by building fire disaster and taking safety evacuation in a campus building fire accident as example The paper identifies the evacuation network according to the plane arrangement of the building and the evacuation speed and direction of the personnel have been identified according to their moving characteristics in different grids Then the mathematical model of describing personnel in building has been obtained by computer emulation method ArcGIS was used to emulate the evacuation in the campus and the disaster analysis model and logical steps of the system are stressed This paper firstly introduces a common method to the safe evacuation design then analyses the characteristic of the roads In the design we considered many practical factors and disadvantageous qualifications to accord to the fact At last the paper summarizes the current urban road management system of The University of Science and Technology Beijing and describes a new management model that uses the new information technologies including Web Internet GIS Geographic Information System and database The approach by the system may support the information sharing facilitate the collaborative work among the multiple departments and improve the effectiveness and efficiency of the community road Key Words GIS Geography Information System Evacuation Design 2 北京科技大學本科生畢業設計 論文 1 目 錄目 錄 摘 要 1 Abstract 2 引 言 1 1 設計說明 3 1 1 GIS簡介 3 1 1 1 GIS 基本原理與基本功能 3 1 1 2 GIS的研究開發模式 4 1 2 設計原理及相關技術 4 1 2 1ArcGIS系統軟件的開發環境及主要性能 4 1 2 2ArcGIS系統軟件的在減災救助系統中的主要優勢 5 1 2 3ArcGIS軟件在疏散應急系統中的功能應用 5 1 2 4 疏散最優化模型設計 6 2 關于場館的初步疏散方案 7 2 1 車輛路線的選定 8 2 1 1 車輛行駛路線的影響因素 8 2 1 2 車輛行駛路線模擬方案 9 2 1 3 車輛行駛路線數據處理 9 2 1 4 網絡分析步驟和功能 10 2 1 5 車輛行駛路線選定 11 2 2 人員疏散路線及疏散場所 13 2 2 1 疏散場所的確定 14 2 2 2 疏散最短路線選擇 14 2 3 疏導人的布置 16 北京科技大學本科生畢業設計 論文 2 2 3 1 疏散工作量決定因素 16 2 3 2 疏散工作量 17 2 3 3 疏散人員初始分布 17 2 4 車輛撤離路線 17 3 疏散方案的檢驗和修正 19 3 1 道路防堵塞研究改造 20 3 1 1GIS中防堵塞模型 21 3 1 2 各個街道最大飽和人數統計 22 3 1 3 各個街道實際疏散方案修改 24 3 2 車輛行駛路線對疏散方案的影響 24 3 2 1 車輛行駛路線的影響線 24 3 2 2 疏散方案最優設計 25 3 3 人流疏散最優密度對疏散方案的影響 25 3 3 1 優化模型的原理 25 3 3 2 最優密度的計算 26 3 3 3 疏散方案整體優化設計 27 3 4 疏散人員的重新布置 29 3 4 1 疏散人員的前期重組 30 3 4 2 疏散人員的后期重組 31 4 對原有設施的改進建議 32 4 1 方案的重組性布置 32 4 1 1 設施的可能性拆除 32 4 1 2 道路的隨機性屬性變化 33 4 1 3 疏散空間性分析 33 北京科技大學本科生畢業設計 論文 3 4 2 對現有設施進行改進建議 34 4 2 1 停車車位選擇 34 4 2 2 地下疏散空間的利用和建議 35 4 2 3 設施拆除方案 36 結 論 37 參 考 文 獻 38 附 錄 41 摘要 56 1 概述 56 2 背景 57 2 1 Redlands大學所面臨的威脅 57 2 2 GIS對于突發事件管理帶來的益處 58 2 3 突發事件管理階段 58 3 GEMS概述 59 3 1 人口定位組件 59 3 2 災禍發生要素 60 3 3 查詢和分析要素 61 4 GEMS設計考慮 63 4 1 GIS技術的選擇 64 5 使用GEMS的一些建議 66 在 學 取 得 成 果 錯誤 未定義書簽 錯誤 未定義書簽 致 謝 67 北京科技大學本科生畢業設計 論文 引 言 隨著我國經濟建設的快速發展 城市建筑的安全與防災減災也相應提到了新的 高度 據統計 2006 年城鄉居民住宅共發生火災 50053 起 死亡 1093 人 傷628 人 直接財產損失170498730 元 1 因此 如何避免或減少這一損失是消防部門 建筑設 計和管理部門所面臨的重大課題 更是火災科研工作者所面臨的新的挑戰 2 奧運 場館是城市一流建筑 因此對它的防火設計不容忽視 北科大奧運場館建設的內部防火設計已是相當完善 但室外疏散和應急系統還 很薄弱 制定有效的應急疏散管理預案是緊急疏散成功的關鍵 3 因此 我們計劃 通過對奧運場館周邊地理人文環境的分析 尤其是對街道和人群的模擬 基于ArcGIS相 應軟件 研究校園內實時人員空間分布 避難路徑及避難場所的時空關系 在假想場館 內火災的情況下 設計避難路徑和擬定疏散方案 同時基于對災害產生后的模擬 對原 有設備和布局進行整合 預防這一災害的發生和發展 進一步減少災害發生時所帶來的 損失 從管理的角度 國內外的研究都表明 科學的疏散計劃與管理必須依賴適當的 疏散模型 目前對于疏散模型的研究 在理論上主要包括計算機仿真方法與數學分 析方法兩種 隨著計算機技術的應用與發展 計算機仿真模型也逐漸應用于疏散管 理方面 如應用于建筑物的人員疏散模型EVACNET BuildingEXODU FGRESS SIMULEX SGEM 主要對建筑物內人員的徒步疏散 機動車疏散模型有MASSVAC MEMBrain REMS CEMPS DYNEV建筑物本身消防 設施的不完善可能無法有效地控制火情發展 人們賴以生存的建筑空間和疏散時間不 斷減少 導致人們的心理平衡破壞 加重了人們對現狀的焦慮情緒 進而產生驚慌心 理 22 在疏導人員的參與下 不僅要有效對被疏散人員進行疏散 同時還要對已逃離人員 心理進行控制 以達到有備無患 首先是確定在這 3 到5 分鐘內 人群逃離的影響面和逃逸區域 從而可以計算出各 個道路上的被救援人數 在此期間 布置疏導人員 將以最快速度把他們送至避難場 所 在此 運用網絡分析系統對可能人群到達地點進行分析 運用ArcGIS 強大分析功 能制作出人群的時間影響面 從而在疏散方案中更能直觀將所要疏散的人群分布和道路 狀況進行系統分析 隨著時間的增長 人數和位置也在不斷變化 見圖2 7 圖2 7 人員逃離影響區域 圖中深色區域是 1 分鐘下人員可能逃離區域 另兩個區域是 3 分鐘和5 分鐘的逃離 區域 在此期間 逃離人員在各個道路的適時分布就輕而易舉的表現出來 從而結合地 理屬性數據和災害發生數據來分析 支持 記錄和追蹤突發事件的不同階段 23 對于最短逃生路徑可以根據K最短路的求解當第一最短路線行不通時 可選用第 二 第三最短路線 故求解多路救避災路線的問題屬于網絡理論中的K最短路問題 K最短路的求解方法大都采用 雙向掃視 法 雙向掃視 法可用來同時計算從 15 北京科技大學本科生畢業設計 論文 一個特定節點出發到網絡所有其它節點的K條最短路 但在求解救避災路線時 人們 關心的是救避災人員所在的地點與應到達的安全地點 無需對救避災人員到整個網 絡各個節點的K條最短路進行 掃視計算 本文根據K條最短路基本定理 設計了簡 便 適用 計算速度快的 循環迭代 算法 24 之后 就運用最優路線分析功能將各個街道人群進行疏散和控制 這些則相對就輕 松很多了 將此路線中的最短疏散路線傳達給疏散人員 就可以完成對街道上的疏散人 群的應急和管理了 2 3 疏導人的布置 2 3 疏導人的布置 在建筑物火災疏散中 要減少人的失誤 提高人的可靠性 制訂正確的疏散預案顯 得尤為重要 25 疏散方案里 對人群的疏散從實際中是靠疏散人員的現場指揮來完成 的 如果沒有疏散人的布置 疏散方案往往變得不再理想和可行 疏散有序 規則 可 控 關鍵在人員的到位和科學的分析 總而言之 疏導方案最理想的可控點是疏散人員 的布置 而這也最為可行 2 3 1 疏散工作量決定因素 2 3 1 疏散工作量決定因素 疏導人在各個階段所作的工作不盡相同 要隨著時間的改變而改變 因此 在對疏 導人員的布置上 也要跟隨火災發生情況做出相應變動 而各個街道的工作任務和工作 量的多少主要由道路三個方面來決定 第一 被疏散人群的數量 人員的疏導在疏散中往往是重中之重 人員的成功撤離 往往是決定疏散方案成功與否的關鍵所在 因此 被疏散人群的數量往往是決定疏散工 作量的一個基礎 并與之成正比關系 第二 街道的復雜程度 在街道中 街道的地形和路況也往往給疏散帶來難度 比 如施工或是過多的臨時性停車等 這在疏散工作所帶來的困難也是顯而易見的 第三 街道的危機程度 在疏散中 人員的心理及火勢往往會在不同街道出現很大 差異 在近火街道中 人員的撤離面臨很大危險 煙塵 火勢 建筑物倒塌等 和壓 力 因此這些街道的安全疏散也要擺在疏散方案的考慮之內 并要引起相當重視的 16 北京科技大學本科生畢業設計 論文 2 3 2 疏散工作量 2 3 2 疏散工作量 疏散工作量的確定是根據疏散人數以及街道復雜程度來確定的 具體可以由當前危 險街道的受害人群的總量有關 建筑火災的情況是相當復雜的 在火災中的行為也是多樣的 有差異的 甚至是復 雜的 一般的講 人們一旦感知火警信息 要先查證 確認 判斷火災的危險性 再選 擇離開的火災的路線 而這一階段的行為反應受諸多因素的影響 是一個復雜的過程 若一旦掌握逃生運動分析規則 則有利于GIS 模擬疏散 并進行科學分析 在進行多次調查問卷 26 和相關心理資料對人群數據的統計 27 我們可以大體得出在 各個時間內所需要疏散的人數以及成本和難度 在各個時間內所要疏散人數詳見表2 1 時間 園丁路 學子路 奧運場館西路 圖書館路 1 分 0 0 250 0 3 分 116 79 555 0 5 分 232 148 702 128 表2 1 被疏散人群的前期適時分布 2 3 3 疏散人員初始分布 2 3 3 疏散人員初始分布 根據疏散工作量可以確定在第一時間內各個街道所需要的疏散人數的分布 在最初 設計中 第一應急時間內能迅速出動的是20 人 這就需要科學布局 在最需要的路段 第一時間布置可以保證疏散的順利 將損失降到最低 從疏散成本控制和任務量上講 在火災發生時5 分鐘內 被疏散人員分布在GIS 網 絡分析中清楚得演示出來 同時可將疏散人的布置按各個街道的任務量來進行分配 從 第一時間迅速行動的人員分布來看 其中12 人應當分配至奧運場館西路 北段分配 1 人 南段分配 1 人 其余均在中段進行疏導 學子路分配3 人 園丁路 4 人 圖書館路 分配 1 人即可 2 4 車輛撤離路線 2 4 車輛撤離路線 由于社區街道的有效寬度和人員分布比較復雜 對于消防車輛來說很難掉頭和做U 型轉 對于其返回路線則需要再進一步分析和測定 17 北京科技大學本科生畢業設計 論文 圖2 8 東門撤離路線分析 圖2 9 南門撤離路線分析 18 北京科技大學本科生畢業設計 論文 圖2 10 北門撤離路線分析 根據分析可知 從場館到東門所用時間最短 僅為2 分鐘 而從南門和北門撤離則 需要 3 分鐘 因此 僅以計算撤離時間的效果來看 從東門撤離則是最佳的選擇 3疏散方案的檢驗和修正 初步設計方案雖然可行 但作為動態數據庫來說 并不見得合適 很多時候在突發 實踐的影響以及人群的變化和車輛行時路線的影響 也需要對整體方案進行修改 使其 最大效率發揮優勢 見圖 3 1 為疏散計劃優化設計提供了具體框架 19 北京科技大學本科生畢業設計 論文 圖 3 1 疏散計劃優化設計框架 3 1道路防堵塞研究改造 作為道路來說 有其最大飽和人數限制 在一條道路上不可能無限多的疏散受害人 群 因為很多時候 設計脫離實際 將會帶來網絡堵塞問題 網絡堵塞問題在很多研 究領域都有涉及 如運輸網絡 通信網絡等 傳統的方法 基于網絡最大流對網絡進 行分析 認為流量的流動方向是可控制的 可以按照人們的需要來分布 實際生活 中 尤其是在緊急疏散網絡 流量的流動是隨機的 盲目的 在網絡的結構堵塞點極 易發生堵塞 此時網絡中的最大流并不是人們所期望的最大流 這個堵塞流的最小 值就是我們這里所說的最小飽和流 對網絡的堵塞結構進行改造至關重要 使網絡 中的各點達到平衡 即除源點和匯點外的各點容差為零 這是網絡防堵塞的 理 20 北京科技大學本科生畢業設計 論文 想 狀態 3 1 1GIS中防堵塞模型 3 1 1GIS中防堵塞模型 考慮一個網絡N V E s t c 指定的源點和匯點是s 和t 點集是V 邊集是E 對每一條弧e vi e 是弧e 的始點 而vj e 是弧e 的終點 c 表示網中各 邊容量的集合 對網絡N 有如下假設 1 各弧的容量是非負的正整數 且相互獨立 2 給定每條弧的最大容量限制 每條弧的容量可以在0 和最大容量限制范圍內變 化 3 給定網絡的最大流量要求 4 網絡中的流量遵守流量守恒準則 28 在網絡 N 中當存在結構上的堵塞點 即點的容差 A 0 e E b e c e c e 0 e E 3 2 約束條件 1 對負容差點 v c e vi e v c e vj e v v 0 Pv V 3 3 21 北京科技大學本科生畢業設計 論文 2 對非負容差點 v c e vi e v c e vj e v 0 Pv V 3 4 網絡的最大流限定 f sj F Pvj V 3 5 其中 s 是網絡的源點 網絡中各弧流量及容量限制 f e c e e E 3 6 0 c e mc e Pe E 10 給定網絡的最大流要求為 F mc e 是弧 e 的最大容量限制 目標函數中弧增加和 減少容量的單位費用取值不同 會影響弧的改造方式 且對目標值有影響 針對緊急疏 散網絡的改造 根據費用取值的不同可以分以下3 種情況討論 b ei b ei 3 7b b ei b ei 3 7c 3 1 2 各個街道最大飽和人數統計 3 1 2 各個街道最大飽和人數統計 在受害人群進入各個街道開始逃生時 其中第一時間能影響疏散方案的制定的正是 道路的最大人流量 因為網絡防堵塞是 GIS 分析中最為重要的一環之一 從計算結果來分析 網絡中弧減少容量的單位費用小于增加容量的單位費用 時 網絡進行改造所需的最小費用最小 如圖3 2所示 將弧AB截斷 不僅使網絡的 最大流值不變 且最小飽和流值也變大 等于最大流了 所以在緊急情況下 對疏 散網絡的實時控制往往是采用截斷某些弧段的方法更為有效 22 北京科技大學本科生畢業設計 論文 圖3 2 網絡最大流和網絡最小飽和流 將數據存放至GIS主據庫中 查詢網絡流是否超過最大值 一般作模擬的時候往往 會將具體疏散人數輸入道路屬性中 在動態模擬中將其表現出來 GIS 是一個有力的 空間與屬性數據綜合分析 管理及應用的工具 為充分發揮其作用 還需要專門的 應用模型 在城市災害信息系統中 既要有宏觀的空間查詢分析與管理功能 也要 有詳細的承災體資料及其疏散最小飽和流評估數據 本文工作通過GIS平臺ARCVIEW 得到示范性的實現見圖3 3 而有關評估指數通過調查問卷和相關資料的方法確定 并選擇幾個典型道路進行了危險性分析 結果表明網絡最大流對疏散方案的評估比 較適合 進一步的研究將著重于對建筑群的危險性分析 圖 3 3 GIS 平臺 ARCVIEW 的最大網絡流分析圖 23 北京科技大學本科生畢業設計 論文 3 1 3 各個街道實際疏散方案修改 3 1 3 各個街道實際疏散方案修改 通過ArcGIS 平臺中Animation 操作功能的介入 得出在實際疏散中 各個道路實 際人數均小于網絡最小飽和流 因此 原有方案在此不做改變 3 2車輛行駛路線對疏散方案的影響 由疏散方案可知 南門為消防車輛進入學校的最短路線 因此 車輛在進入學校 前 最遲是在車輛在進入校門時 車輛路線上的疏散人群應當及時轉移 以使消防車能 夠快速進入現場 控制火勢 3 2 1 車輛行駛路線的影響線 3 2 1 車輛行駛路線的影響線 在應急疏散過程中 單位時間交通流的產生遠遠大于路段的單位交通通行能 力 顯然地 如果所有的交通同時加載到路網上 這會導致整個路網擁擠不堪而使 疏散時間延長 另一方面 如果疏散車輛過多的延長準備時間 亦會導致疏散時間 的無限期增大 29 合理的疏散時間安排可以有效地減輕道路的擁擠程度 同時也可 以保證車輛在最短的時間疏散完整 城市發生火災時 通常從起火至發現火災4min 報警 2 5min 接警出動 1min 消 防車行車時間 4min 因此 車輛進入校園前的時間總計為11 5min 因此 需要疏散人 員在 10min 以內清除道路及車輛影響線上的滯留人群 同時在不影響疏散質量的情況 下 禁止人群在此道路上做出疏散 如圖3 4 所示 南門車輛行駛的影響線清晰顯現出來 在此條線上需要對原有滯留 人群進行疏散 同時還要在人群向南疏散的方案中進行改進 避免車與人的沖突和升 級 24 北京科技大學本科生畢業設計 論文 圖3 4 南門車輛行駛影響線 3 2 2 疏散方案最優設計 3 2 2 疏散方案最優設計 因為在體育館西面的體育館西路的中段和南段要在事故發生后10 分鐘到達 因此 要進行合理的規劃和對方案的再調整 在10 分鐘后 禁止受害人群向南疏散 全部應 改為向北疏散 同時需要在6 7 分鐘內對體育館西路的人群做出相應疏散 避免車與 人的沖突 疏散方案是將南段的滯留人群向四周建筑物附近疏散 對于中段已逃離人群 的疏散則應疏導至學子路中段 3 3人流疏散最優密度對疏散方案的影響 3 3 1 優化模型的原理 3 3 1 優化模型的原理 優化模型是假定被疏散人員具有相同疏散能力的整體 按照規定疏散計劃以一定的 平均流動速度 在社區街道中從一個空間向另一個空間轉移 不考慮被疏散個體的疏散 行為 30 優化模型一般采用粗網絡模型的方法 按照道路空間位置及屬性不同來確定網絡 道路網絡通常有 節點 和 連接 組成 網絡點表示道路的連接點 與實際空間大小 無關 連接 即被疏散人群由一個節點向臨近節點進行疏散的道路 但這種疏散無法 25 北京科技大學本科生畢業設計 論文 對局部疏散中任何一刻所處具體位置 因此在對局部疏散流動細節的描述 疏散過程中 的障礙程度以及疏散者相互影響的表達等方面 存在一定困難 但是 優化模型在計算 時運行最快 適用于人員密度較大 被疏散人無須自行決策的疏散行動的場合 目前研究的疏散模型建立在用戶對被疏散人群個體特征進行定義 或用隨機數方法 產生 然后采用啟發式規則 描述社區街道對人員疏散行為的刺激和約束作用 以及人 與人之間 人與車之間的互相影響和作用力 而這些規則定義在普通狀態下 一般人員 的疏散應急選擇方面的一般規律 因此行為模型從整體表達上有邏輯推理的科學性和實 用性 3 3 2 最優密度的計算 3 3 2 最優密度的計算 一般而言 人員的疏散收街道寬度 人員密度等因素的影響較大 同時與人們心理 素質 行為反應 教育程度 生活習慣等密切相關 在對疏散最優密度的計算時 采取 的是網格計算方法 具體方法是首先將道路劃分網絡單元 路口等作為節點 一般而言 人們總是由危 險等級高的幾點流向危險等級低的節點 并最終到達疏散避難場所 根據人員移動方向 確定網絡之間的關系 將每個單元劃分比較小的網格 每個網格容納一人 每個人向前 的速度大小取決于所在空間一定范圍內的人口密度 而其方向則與前面的網格是否被占 據有關 一般而言 人員前進遇到障礙時 則會調整其方向以獲得最大的前進速度 31 通常 每個人在不同的位置 時刻所移動的速度是不同的 但在人口密度比較大的 社區街道 人們群聚效應明顯增加 個體比較難獨立行動 因此我們可以忽略其他一些 次要因素以及個體的心里反應 假定人們的移動速度只與他所處的幾何位置以及該位置 一定范圍內的人員密度兩個因素有關 根據人們在前進時受前后和左右兩個方向的阻 力 以及考慮其他因素的影響 人們逃生的速度表示為公式 3 8 32 Uj Um a A B 3 8 其中 A 1 32 0 82 ln B 3 0 0 79 式中 Um 自由移動時的速度 m s a 為三要素權重系數 33 分別為 0 35 0 01 和0 2 26 北京科技大學本科生畢業設計 論文 要達到整體最優 就要使得最終疏散人群達到理論最大值 最終疏散人群總數由3 9 式可知 M Uj B 3 9 要使得M 為理論最大值 需要對公式兩邊求導 得出在Mmax最大時的最優密度 即使公式3 10 成立即可 M 0 3 10 最終得出整體最優密度為 2 3 人 m 2 將公式中相關數據公式所得數據輸入GIS 網絡分析層中 可以得出在每個街道中能 最有效輸出密度 這個密度的確定可以對原先的方案作出改動 使得方案最優 效率最 好 3 3 3 疏散方案整體優化設計 3 3 3 疏散方案整體優化設計 最佳的疏散密度 不僅可以提高疏散速度 還可以兼顧到整體的疏散成果 在疏散 中 尤其是在疏導人的參與下 疏散的效率成為疏散計劃和危機管理方案中最大的主導 因素 將人員的疏散方案作動態模擬 對于每個網絡單元都要進行檢驗 使得在每個節 點 每條道路線都符合最優疏散密度 在對于實際疏散密度大于最佳密度的道路中 要 適當作出調整和分流 避免疏散中存在整體性分析的不足 在對人群進行模擬的同時 可以根據街道有效疏散面積 見圖3 5 得出其實際疏散 密度 街道的有效疏散面積可以根據公式3 11 所示 S 3 11 0 Li Bi i 而由公式2 12 可得所在道路的實際人群密度 M S 3 12 27 北京科技大學本科生畢業設計 論文 圖3 5 各個街道所在GIS 數據庫中的有效疏散面積 根據具體當前被疏散人數與道路中的比值可以得出實際疏散密度 對于大于理論密 度的情況 要對這一圖型重新進行分析 而這需要重新核算工作量 并進行新的分析 因為并非所有的道路都需要分流和調整 對于流量超標的才作出新的路線調整和計算 對于每條路線都要進行最佳人群密度的驗算 對于非主干道的路線進行分析和指 導 將人流分離和重新布置 經過計算 非主干道上人群密度均小于2 3 人 m2 因此不 用重新計算 28 北京科技大學本科生畢業設計 論文 3 4疏散人員的重新布置 各地可根據適時人員疏散任務布置疏散人員的人數 在前期自主疏散條件下布置人 員的情況 在中后期已基本不合時宜 首先是自主疏散狀態下的疏散并不能使疏散達到最優 及其有可能完不成疏散的任 務 因為很多情況比如從眾心理 如圖3 6 它是一種社會性的傳播行為 即從個人到 群體心理的轉移過程 在這種心理作用下 個人行為轉化為其他人的行為 這種 從 眾 行為是非理性的 因為它通常會導致嚴重的后果 如過分擁擠 疏散速度降低等 最終導致死亡人數增加或損失劇增的嚴重后果 34 圖3 6 人群疏散中的從眾行為 其次是疏散方案的落實和實施需要每個疏散人員的現場調節和指揮 每一點的差錯 和疏漏將會使疏散功虧一簣 而對這些關鍵點的控制上 要做到適時 有效和安全 而 疏散關鍵點的選擇亦會隨時間變化而變化 不能簡單的落實在同一點上 29 北京科技大學本科生畢業設計 論文 最后是疏散后續人員的加入 前期能快速進入現場的有20 人 之后隨著緊急調用 和支配 中期參與疏散工作的將有54 人 總計 74 人 和后期參與后勤保障和醫療服務 的 50 人 共計124 人 這些人的分配將會導致疏散人員位置和任務的重組 3 4 1 疏散人員的前期重組 3 4 1 疏散人員的前期重組 圖3 7 前期疏散人員分布示意圖 在GIS中的人員適時分布可由Tracking Analyst 功能進行模擬 能有選擇地使它們 的計算能力用于給定的空間 時間域 并有效地支持實時交互的虛擬環境可視化 35 見圖3 7 為前期疏散人員在各個疏散狀態下的人員分布示意圖 30 北京科技大學本科生畢業設計 論文 3 4 2 疏散人員的后期重組 3 4 2 疏散人員的后期重組 圖3 8 后期疏散人員在動態模擬下最后的效果平面圖 隨著人員的進一步補充和調整 在后期 加入新的疏散人員對道路的方案進行重分 配 如圖3 8 為具體人員在動態模擬下最后的效果平面圖 31 北京科技大學本科生畢業設計 論文 4對原有設施的改進建議 校園街道疏散方案的設計往往針對校園現有設施進行分析和設計 缺少相應對設施 作出改變的建議 因為很多時候的設施在人群疏散中往往是很不利的 而對這些設施的 拆除與改進相應也會對疏散有很大益處 因為在疏散方案中存在一些不利因素 往往這 些不利因素并不是永久性或不可改變的 在這種情況下 在應急狀態下對現有設施的改 建是可以對疏散提供有力支持的 并能最終影響疏散的效率和成敗 4 1方案的重組性布置 方案中只是基于原有設施進行分析 缺乏主動性的方案的設計和改進 一般來講主 要有以下幾點 首先 設施的可能性拆除 在火災發生后 能否有效提供疏散方案關鍵在于是否能 快速有效的將被疏散人群疏散至安全疏散區域 相比較而言 對于能有效的拆除關鍵線 路的建筑和設施將會是使疏散走向有利的方向發展 其次 對于隨即性問題的制約 對于有些人們習慣性隨即行為 可能在疏散中成為 問題焦點 對這些問題能否處理得當 或是在火災發生前做到防范于未然 將成為疏散 方案的另一主題 第三 疏散方案的空間性分析 未來的疏散絕對不會僅僅維持在地面 天空和地下 同樣會成為疏散的最佳空間條件 對于地下停車場的有力使用將會成為疏散方案中的另 一條有利途徑 總之 只要能使人群傷害降至最低 疏散時間最短 危險性最小 我們將無所不用 其極 疏散中的每一分每一秒對于被疏散人員來講都是危機 如何有快的疏散將成是評 價疏散方案是否最優的直接證據 而這 僅憑對原有設施所產生的疏散方案往往并不是 最佳 不僅能夠將疏散的問題解決掉 還要在適當時間 適當時候引導至最佳 4 1 1 設施的可能性拆除 4 1 1 設施的可能性拆除 在疏散中 往往并不是簡單的在原有設施上進行分析 還要對設施進行整合和改 進 同時還可以適時拆除 在對于主干道上的人員密度來看 能在期間直接制約疏散效 率的關鍵因素是主干路 即奧運場館西路中段的人群密度 而在疏散方案的評價中 對 32 北京科技大學本科生畢業設計 論文 它的改變并不能作出有效的改進 主要是這條路是主干路 沒有其他道路可以分散其人 流量 這在疏散中成為阻礙疏散的一大瓶頸 為了方案的有效和最佳 我們不得不另辟蹊徑 對這條路作出可行性分析 針對現 場和疏散成本控制上的要求 有效的疏散就要從奧運場館的正門直接西行穿越護欄 進 入操場 這條路的開辟首先可以彌補主干路不能分流的不足 其次可以在車輛到達時 在不影響疏散效率的同時 分流出向南疏散的人群以便救援車輛順利到達指定位置 4 1 2 道路的隨機性屬性變化 4 1 2 道路的隨機性屬性變化 在社區道路中 與城市大公路相比存在很多不同之處 需要在疏散中規避社區道 路中的不利因素 首先 社區街道存在隨機性停車點 造成了道路狹隘性寬度的不足 這不僅影響車 輛的行駛速度和救援時間 同時在關鍵道路上會使得疏散人員在疏散途中的擁擠和慌 亂 道路在疏散設計時要避免口徑減小的情況 喇叭口要朝外 這樣是減少踩踏事件有 效方法 人逃離的路寬應該是越走越寬 如果越窄 從人的心理和逃離速度上來說是個 危險 一旦在此停滯 慌亂情緒是主導 對疏散及其不利 如果越寬 則驚恐的情緒就 會舒緩 進一步有力疏散 所以車輛的停放應避免在人潮集中處 遠離主路線或停放在 寬敞路面 至少不小于之前路寬的寬度 其次是社區道路有其本身特有屬性 如限制標高 轉彎視距限制 最小轉彎半徑 等 在一定程度上這些因素會成為疏散車輛進入學校的最大障礙 所以在車輛行駛路線 上一定要做好這方面的檢驗工作 在GIS 系統中 這些可以在后來的驗算中得到分析和 制定 最后是社區道路的穩定性分析 社區道路存在很多沖突 包括車與車之間的沖突 這些沖突遠比城市級公路要嚴重的多 因為消防車輛時與其他車輛的沖突在社區疏散中 屢見不鮮 除此之外 還包含車與人 人與人之間的沖突 因此對社區道路模擬的時候 一定要分析全面 才能將一切隱患排除之外 4 1 3 疏散空間性分析 4 1 3 疏散空間性分析 疏散關鍵在人 人員的安全撤離是疏散成功與否的關鍵 在以人為本的號召下 我 們更應設計的更加人性化 這樣才能在奧運場館的綜合評價中占得先機 北科大奧運場 33 北京科技大學本科生畢業設計 論文 館頂層為鋼結構 耐火性不好 在20分鐘成功撤離是個極限時間 而場館并非高層建 筑 雖說時間有限 但一旦路口被堵 地下停車場可以作為另一個疏散路徑 而地下的 場所在防火方面有很大利用前景 一旦上層建筑倒塌 往往波及地上疏散 而且帶來不 必要的人員傷亡 而地下則在此期間可以安全疏散 利用地下室的承載力打時間差 能 更大空間減少人員傷亡 同時疏散效果也會更加明顯 4 2對現有設施進行改進建議 針對上述原則 我們可以針對上面所指示進行控制 這些早并非都在疏散方案中考 慮 但是平時的規定和原則加以應用的話將會使疏散的成功性更高一些 4 2 1 停車車位選擇 4 2 1 停車車位選擇 對于疏散方案來講 疏散路線的關鍵線路應在平常禁止停車 路邊停車車位的設 置 很容易造成路面階段性寬度不夠 給人群的疏散帶來不便 同時這些地方還可 能使消防車可行寬度減小 消防車道寬度應不小于 4 米 36 這使救援時間大大增 加 增大了災害的損失 經過GIS 中對道路屬性及危險性分析 可以得出在所有道路 中對車輛停放系統的影響 可知 如圖中所示危險性分析 奧運場館西路等路段應該禁 止停放車輛 其他綠顏色的道路是可以停放少許車輛的 黃色是原則上不允許停放的道 路 在疏散中應該對其進行檢驗 停放在其中的車輛進行調走 以免影響疏散 從而最 終運用動態網絡流模型分析疏散網絡 從整體上對系統進行優化 37 見圖 4 1 34 北京科技大學本科生畢業設計 論文 圖4 1 道路停車危險指數示意圖 4 2 2 地下疏散空間的利用和建議 4 2 2 地下疏散空間的利用和建議 在建筑物火災疏散中 目前普遍采用的疏散方式主要有兩種 38 直接把受災人員 疏散至建筑物外的疏散方式 在建筑物內設避難間或避難層 火災中的人們疏散至規 定的避難間或避難層的疏散方式 在疏散場所的選擇上 有兩層含義 一是具有良好的疏散性能的空間結構和形 態 39 二是具有防災功能的物質空間包括外部空間 地下空間與建筑物空間 因此 城市疏散空間不僅僅是地上疏散空間 也包括在城市發展因素與疏散要求綜合作用 下形成的新型防災空間結構與形態 這兩者的結合才是疏散活動的物質載體 因此對于地下室的人防工程 應當在疏散中起到關鍵性作用 而不是簡單廢棄 地 下室最好出口與操場相通 能在第一時間打開疏散通道 對內部離門口較遠的被疏散人 群進行疏散 在奧運場館內的疏導人員 應該盡快將地下室及人防工程的安全出口設施打開 以 盡快疏散被疏散人群 從而實現實現建筑火災結構安全的一體化分析 40 35 北京科技大學本科生畢業設計 論文 4 2 3 設施拆除方案 4 2 3 設施拆除方案 在疏散方案中 對于主干路的調整并不是沒有方法進行改變 在對于新路徑的調整 上 運用現場追蹤和定位可以在奧運場館西門與操場之間直接設置一條安全通道即可 這條通道在疏散中并不可見 因為平常很少開放 影響這條路線疏散的障礙是操場東側 的兩道護欄 在緊急疏散中 這些護欄的拆除 將會直接影響并改善主干路的疏散環 境 同時還可以分流在車輛行入學校后南段的疏散任務 使得疏散更加可行有效 正如 圖 4 2 所示 該路線的使用將會使 得疏散效率更加有效 減 少主干路的壓力從而使得 疏散時間大大縮短 圖4 2 設施拆除后的疏散路線示意圖 36 北京科技大學本科生畢業設計 論文 結 論 本文以設計思路對奧運場館的周邊方案進行分析和整合 對方案進行多次優化和檢 驗 最終使得方案能更加科學有效的運用到實際 并能指導實際 疏散方案是一個宏觀 的指導性方案 要緊密聯系實際 同時還要防范于未然 做到十全十美 而要做到這一 點 就需要大量事實和理論作為指導 同時還要適時分析特殊環境和條件 不斷修正和 改進 因此 方案在多次審核和調整中 不斷做到效率 速度 整體性優化設計 并在 動態中變化和因時間不斷更新相關方案 可以對校園應急系統的制定和建筑設施安全疏 散設計提供有力的指導作用 ArcGIS 是一個良好的平臺 它不僅能做到防火疏散的設計 還能運用到學校其他 諸如教學 管理等各個方面 而這在國外早已司空見慣 國內的數字化學校還未開始研 究 因此這正是一個發展的契機 雖然在前期會投入較大的人力物力 但之后對于無論 是在校園管理還是在災害預防上來說 都將一勞永逸 并且地理信息系統在學校使用中 有著成熟的軟件和硬件條件 相信在不久的將來中國也會誕生出一批運用ArcGIS 進行 數字化管理的高校 37 北京科技大學本科生畢業設計 論文 參 考 文 獻 1 1 2 2 肖國清 溫麗敏 陳寶智 建筑物火災疏散中人的行為研究的回顧與發展 J 中國 安全科學學報 2001 11 3 50 54 3 3 Lakha R Moore T Handbook of Disaster and EmergencyManagement Princip les and Practice M Tolley Lexisnexis 2002 4 4 張青松 劉茂 趙國敏 體育賽場人群疏散過程滯留人數定量模型研究 J 安 全與環境學報 2006 6 3 5 5 Lakha R Moore T Handbook of Disaster and Emergency Management Principles and Practice M Tolley Lexisnexis 2002 6 6 金磊 中國城市安全空間的研究 J 北京城市學院學報 2006 2 33 37 7 7 Chalmet L Francis R Saunders P Network model for building evacuation J Management Science 1982 28 86 105 8 8 周成虎 地理信息系統的透視 理論與方法 J 地理學報 第50 期增刊 1 12 9 9 陳寒墅 數字化校園建設與提高高校管理工作效率 J 北京教育學院學報 2005 19 4 79 82 10 10 況頤 李國梁 校園 GIS 建設與實踐 J 信陽師范學院學報 自然科學版 2004 17 3 341 344 11 11 張培紅 岳麗紅 陳寶智 最優應急疏散路線動態模擬的研究 J 人類工效學 2001 7 1 10 13 12 12 袁建平 方正 盧兆明 黃河潮 城市災時大范圍人員應急疏散探討 J 自然 災害學報 2005 14 6 116 119 13 13 14 14 王國慶 現代化商場安全疏散若干問題的分析與對策 J 沈陽航空工業學院 學報 2006 6 73 75 38 北京科技大學本科生畢業設計 論文 15 15 Chalmet L Francis R Saunders P Network model for building evacuation J Management Science 1982 28 86 105 16 16 Choi W Network flow models of building evacuation problems with flow dependent arc capacities R University of Florida 1987 17 17 Choi W Hamacher H Tufecki S Modelling of building evacuation problems by network flows with side constraints J European Journal of Operational Research 1988 35 98 110 18 18 王國慶 現代化商場安全疏散若干問題的分析與對策 J 沈陽航空工業學院學 報 2006 6 73 75 19 19 周天穎 簡甫任 緊急避難場所區位決策支持系統建立之研究 水土保持研究 2008 8 1 17 24 20 20 周進 城市公共空間建設的規劃控制與引導 塑造高品質城市公共空間研究 J 北京 中國建筑工業出版社 2005 10 62 21 21 柳友榮 現代心理學基礎 M 合肥 安徽人民出版社 2003 22 22 董慶杰 權高峰 邵力 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