楼梯台阶约束下密集人群三维疏散特性及管控策略研究

The public safety of dense crowd is of great importance in emergency management, and the issue of occupant evacuation in staircase is more complex and dangerous with attracting more attentions. This project will focus on the issues concerning the vertical evacuation on staircase with different structure features, analyzing the characteristics of three-dimensional crowd movement and the dynamics evolution feature of space-time distribution. The objective of this project is to present a new evacuation strategy based on analyzing the factors limiting the evacuation efficiency and safety. To achieve this scientific goal, we will firstly carry out experiments to study the three-dimensional evacuation characteristics and typical self-organized behaviors, including field observations, controlled experiments and evacuation drills. The controlled experiment is to study the merging process at the entrance of stairs. Then, we will develop a lattice gas model considering the turning behavior and merging process which will be used to study the effect of the factors of staircase structure and the entrance method on the pedestrian flow on staircase, and the occurrence and spread of blockage. Finally, we will develop a new method of improving the evacuation efficiency based on changing the entrance method of different floor for staircase with multi-entrance and single exit. Based on above systematical studies, we hope to present some suggestions and scientific basis for the safety management of dense crowd in case of the emergency evacuations.

城市密集人群的公共安全问题在应急管理中具有重要地位，其中突发事件下楼梯通道内的人员疏散因台阶约束而变得更为复杂和危险，也受到更多关注。本项目针对（高层）建筑楼梯通道内人群疏散问题，通过分析人群三维疏散特性和人流时空演化规律，探究制约群体疏散效率和安全性的因素及影响机制，为改善楼梯通道内疏散拥堵提供新的解决方法。基于此，首先实验研究台阶约束下群体运动特性和典型群集行为，包括楼梯上行人流的实地观测、楼梯入口处汇流实验以及疏散演习时人流时空演化的视频采集；随后建立综合考虑楼梯结构、转弯行为和汇流等瓶颈因素的楼梯疏散仿真模型，蒙特卡洛研究行人流的时空演变特性及堵塞形成机理、蔓延规律；最后，基于上述研究，针对多入口单出口楼梯通道，探索通过协同诱导不同楼层疏散人群进入楼梯间时序从而实现整体优化楼梯疏散效率的管控方法。上述人群三维疏散特性的系统研究，能够为密集人群的安全管理提供科学依据和建议。

随着对地上与地下空间的充分利用，城市内涌现出越来越多的高层建筑和地下深埋建筑，楼梯仍然是目前所公认的最为重要的竖直方向上的疏散通道。由于其结构的特殊性，突发事件下楼梯通道内的人员疏散因台阶约束而变得更为复杂和危险，也受到更多关注。本项目针对楼梯上的行人与疏散动力学相关科学问题开展基础研究，综合运用实地观测、受控实验和问卷调查等手段，对高层建筑内的双跑楼梯、地铁站内的长直楼梯，以及公共场所常见的转角楼梯，持续地进行了不同类型楼梯上行人运动特性和疏散行为的实验研究，采集并分析了能够反映个体疏散性能的运动速度、步频、血压和心率等基本参数，积累了具有中国特色的人群在不同类型楼梯上疏散运动的基础数据；基于传统的离散格子模型，融合启发式运动规则，建立了综合考虑结构和行为特性的楼梯疏散仿真模型，对模型进行对比验证后，模拟研究了不同工况下楼梯疏散时的行人时空演化，重点分析了紧急疏散时楼梯上同时存在救援人员和疏散人群时而发生的具有运动偏好冲突的相向行人流；基于上述的实验和模拟研究，为不同类型楼梯结构的安全设计和人群楼梯疏散的安全管理提供了一定的建议。本项目的研究成果，有助于深入理解楼梯上行人与疏散动力学的内部规律，为密集人群的安全管理提供科学依据和技术支撑。项目执行期间，项目组与本领域内国内外知名研究团队开展了广泛的交流与合作，积极参加相关领域内的学术活动，在国际国内核心学术期刊总计发表学术论文14篇，其中SCI检索12篇，培养硕士研究生8人，其中3人已获得硕士学位，建立并形成了稳定的研究团队，围绕楼梯上行人与疏散动力学开展深入的科学研究。