基于优化数学模型的应急仿真实用系统-工程-龙锦荣
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数学模型方向详解
流程图:
数学模型方向:
先建立好一栋教学楼(如华农教三、广州某中学教学楼)应急疏散模型,然后将其抽象化,建立教学楼应急疏散抽象模型,然后单独讨论各因素(如楼梯数目、楼梯位置、楼梯宽度、各层人员数目、教学楼层数等等)对安全高效地疏散的影响程度。
数学模型作用:
1、 得出“同时跑”方式的一些信息:疏散时间、疏散时(因人多密集)的风险程度,指出教学楼应急疏散可能存在的问题,便于改进设计,及利于外围救援人员掌握信息和作出决策等。
2、 分析猜想比较“调度方案”与“同时跑”的优劣。主要是从疏散时间、疏散时风险程度比较。
数学模型目标:撤离时间少与风险程度低两个目标
数学模型相关要点:
1、 最初考虑较简单的模型,如
假定该楼虽发生意外但并未封闭任一层楼梯(例如没有楼梯因火灾被封闭了),A1A2,B1B2,C1C2,D1D2,E1E2教室的人员还是从左边楼梯下楼,A3A4,B3B4,C3C4,D3D4,E3E4教室的人员从右边楼梯下楼,且假定人员疏散是有序的。下考虑左边大楼,右边大楼类似。
问题1:日常生活中,若发生意外需疏散的话,人们普遍做法是同时马上冲向楼梯口(忽略有些获知稍迟的),然后所有人挤在一起撤退。这个撤离方式暂称为“同时跑”。
对于撤离时间目标,参考文件《高层建筑人员疏散性能化评估软件的开发》可编写出相应程序计算出疏散时间。
仿真模型的时间推进方法采用周期扫描法,即使仿真时钟按一个固定时间步长向前推进,每推进一步就扫描一次临近未来时间内每一段楼梯内的人员密度D、人流移动速度,以及试图进入和离开每一段楼梯的人数,并根据D 与Dm 的大小关系来分别决定可以进入本段楼梯的人数和必须等待的人数。当全部楼层内不再有任何人的时候,仿真结束。此时仿真时钟记录的时间即为总的疏散时间。
对于风险程度目标的分析, 首先需分析人员拥挤模型(可简单引用即可),主要分为成拱现象,异向群集,异质群集等。针对具体场景分析评价风险,主要从拥挤力模型建立相应程序计算,或者应用模糊分析法计算,详细的可参考《人群拥挤踩踏事故风险理论及其在体育赛场中的应用》、《大型公用建筑火灾时人员应急疏散评价模型研究》,编写拥挤力数学模型的程序有一定难度,模糊分析评价方法不难。
1·2 人群间作用力模型
目前,对人群拥挤踩踏事故风险的研究主要集中在人群滞留和拥挤阶段,而踩踏阶段难以进行建模分析。滞留和拥挤阶段,人群之间的作用力(拥挤或挤压)达到一定阈值后能导致人员窒息而死亡,从而使事故发生。基于可见的物理相互作用(包括内力和外力),对人群移动过程中的个体行为进行建模。个体在二维平面空间的作用力见图1[34]。
由图1可以看出,个体间作用力可分为2种,即内力(内部驱动力)和外力。其中,外力包括个体之间的拥挤力、排斥力、环境作用力(墙排斥力)及群体吸引力等,并且在不同状况(正常和紧急)下各种力的表现形式也不同。本文主要对人群拥挤事故的个体间作用力进行建模分析,在模型中不考虑群体作用力和环境作用力。个体α在运动过程中受到的综合作用力和该个体与其他个体i(i=1,2,…,n)间的距离dai有关,因此个体α在拥挤阶段受到的综合作用力模型[34]为
紧急状况下、高密度拥挤人群运动过程中,依据距离不同,个体受力主要包括内部驱动力、心理排斥力和拥挤力(式(4))。内部驱动力模型的建立主要依据牛顿第二定律,心理排斥力则在“社会力”模型和Teknomo[7]模型基础上构建。本模型重点研究人群拥挤踩踏事故后果,因此只对引起人员伤亡的“拥挤力”进行建模分析。人群移动过程中,当人群密度较低时,个体由内部驱动力引导前进,而由心理排斥力决定绕行和避开行为;当人群移动到“瓶颈”区域(如狭窄通道或门)时会产生滞留,此时个体移动速度减慢,人群密度增加。对恐慌人群,因滞留过程短暂,个体减速的加速度很大,此时个体间会产生身体接触,从而产生真正力学意义上的碰撞力(本文定义为“拥挤力”)。拥挤力与内部驱动力和心理排斥力等不同,是模拟人群拥挤踩踏事故时提出的一种个体间的外部作用力。个体间拥挤力的产生过程见图2。
拥挤力模型[1]为
问题2:请猜想出较合理调度方案,使撤离时间少与风险程度低两个数学目标尽可能最好。下仅列出一些简单方案,当然还有更多方案,试求出哪个最优。当然,若要猜想出最优方案较难的话,可考虑先列出一些普通的方案,从中挑选最优的即可。
调度方案1:A1A2的在一楼,暂忽略。B1B2的先下,其k%(如80%)人数下完后,C1C2马上下;然后其k%(如80%)人数下完后,D1D2马上下;然后其k%(如80%)人数下完后,E1E2马上下。撤离所需总时间t1,试论证是否t1大于T。
调度方案2:A1A2的在一楼,暂忽略。B1B2的先下,其a%(如50%)人数下完后,C1C2马上下;然后其b%(如60%)人数下完后,D1D2马上下;然后其c%(如70%)人数下完后,E1E2马上下。撤离所需总时间t2,试论证是否t2大于T。(与上方案类似)
调度方案3:A1A2的在一楼,暂忽略。B1B2的先下,D1D2同时下,然后C1C2的跟着D1D2下。最后E1E2的下。撤离所需总时间t3,试论证是否t3大于T。
。。。。。。
先分析疏散时间方面:
直观上,如果各层人数都少的话,是“同时跑”的快,若人数较多时,采取合适的调度方案会更快。
从数学上理解,根据情况不同(如各层人数不同、楼梯宽度不同、楼层数目不同等等),人员流量会有变化,撤离时间会有不同,见人员流量与密度的关系图:
传统的“同时跑”,当密度较小,处在自由流状态时,会较有优势,当然本系统也会采用。当各种情况(如人员较多,楼梯宽度较小等等)造成密度较大时,会使教学楼人员处于阻塞流状态,即流量下降,反而更慢。(更多资料,请参见《人员密集场所风险评估理论与标准化方法研究》P39)
对于风险程度方面,主要是以上提到的两种方法,作适当修改即可应用。
问题3:对实际教学楼(暂为华农教三或某一中学教学楼)进行建模,之前的简单模型进行拓展,需考虑的因素更多,如楼梯的数目、楼梯的位置、楼梯宽敞程度、走廊宽敞、走廊离楼梯口距离等等。试建立数学模型,目标也是应急疏散时撤离时间少与风险程度低。(对前面的稍作更改,也可考虑先理想化,然后逐步增加参数变量,使其接近实际)。
根据实际课题制作进度情况再决定模型的模拟程度。
当某一栋教学楼分析成功后,可考虑将数学模型稍作修改后应用于其他更多教学楼,以作验证和拓展。
问题4:拓展要求:考虑加入如哪间教室发生意外,该教室及相邻的须优先撤离的问题,或者某层楼处走廊被封、某层楼楼梯被封等意外,考虑怎么数学目标得更理想。有较大难度,适当做。
可参考《火灾发生位置对安全疏散影响的研究》
问题5:拓展要求:抽象为一普通教学楼模型,分析各单变量对模型目标(撤离时间和风险程度)的影响程度(也可考虑用层次分析法做)。
例如其他量为理想简单模型时的参数,分析增加楼层数对模型目标的影响程度。
再将各变量综合分析,确定各单变量的权值。
此难度甚大,视时间和精力而拓展,看能做到什么程度。
可参考《火灾发生位置对安全疏散影响的研究》、《建筑物火灾时人员行为规律及疏散时间研究》
注:其实还有很多可以拓展的,分析的角度和方法也很多。以上仅列出一些较简单的做法,水平有限,写了一点而已,请指正。对于参考资料,首先是懂得去借用,难度可以控制。
上文中提到的参考资料可参见“紧密相关的资料”文件夹,更多其它的资料可参考“参考资料1208”文件夹。或上网(中国知网等)查看相应论文。
序号:
编码:
“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛决赛
作品申报书
作品名称:《基于优化数学模型的应急仿真实用系统》
学院名称: 工程学院、理学院
申报者姓名 龙锦荣 陈寅
(集体名称): 林映丹 李作栋
类别:
□自然科学类学术论文
□哲学社会科学类社会调查报告和学术论文
□科技发明制作A类
□科技发明制作B类
说 明
1.申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。
2.申报者在填写申报作品情况时只需根据个人项目或集体项目填写A1或A2表,根据作品类别(自然科学类学术论文、哲学社会科学类社会调查报告和学术论文、科技发明制作)分别填写B1、B2或B3表。所有申报者可根据情况填写C表。
3.表内项目填写时一律用钢笔或打印,字迹要端正、清楚,此申报书可复制。
4.序号、编码由竞赛组委会填写。
5.学术论文、社会调查报告及所附的有关材料必须是中文(若是外文,请附中文本),请以4号楷体打印在A4纸上,附于申报书后,字数在8000字左右(文章版面尺寸14.5×22cm)。
A2申报者情况(集体项目)
说明:1.必须由申报者本人按要求填写;
2.申报者代表必须是作者中学历最高者,其余作者按学历高低排列;
3.本表中的学籍管理部门签章视为申报者情况的确认。
申报者代表情况
姓名
龙锦荣
性别
男
出生年月
1986年11月
学院
工程学院
系别、专业、年级
华南农业大学工程学院06机制专业
学历
本科
学制
4年
入学时间
2006年
作品名称
《基于优化数学模型的应急仿真实用系统》
毕业论文题目
通讯地址
华南农业大学华山生活区4栋
邮政编码
510642
办公电话
13632425087
常住地
通讯地址
广州市白云区江高镇新楼
邮政编码
510450
住宅电话
其他作者情况
姓 名
性别
年龄
学历
所在单位
陈寅
女
本科
华农大理学院05级数学与应用数学
林映丹
女
本科
华农大理学院07级数学与应用数学
李作栋
男
本科
华农大工程学院06级电科专业
资格认定
学院学籍管理部门意见
以上作者是否为2009年7月1日前正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的高等学校中国籍专科生、本科生、硕士研究生或博士研究生。
□是 □否 (部门签章)
年 月 日
院系负责人
或导师意见
本作品是否为课外学术科技或社会实践活动成果
□是 □否
负责人签名:
年 月 日
B3.申报作品情况(科技发明制作)
说明:1.必须由申报者本人填写;
2.本部分中的科研管理部门签章视为对申报者所填内容的确认;
3.本表必须附有研究报告,并提供图表、曲线、试验数据、
原理结构图、外观图(照片),也可附鉴定证书和应用证书;
4.作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报。
作品全称
《基于优化数学模型的应急仿真实用系统》
作品分类
( B )A.机械与控制(包括机械、仪器仪表、自动化控
制、工程、交通、建筑等)
B.信息技术(包括计算机、电信、通讯、电子等)
C.数理(包括数学、物理、地球与空间科学等)
D.生命科学(包括生物、农学、药学、医学、健
康、卫生、食品等)
E.能源化工(包括能源、材料、石油、化学、化
工、生态、环保等)
作品设计、发明的目的和基本思路,创新点,技术关键和主要技术指标
设计制作目的:
日常生活中,若发生意外人们需要从建筑物疏散时,人们普遍做法是同时马上冲向楼梯口(忽略有些获知稍迟的,且不考虑用电梯疏散),然后所有人挤在一起撤离。这个撤离方式暂称为“同时跑”。现在人们经常进行的消防演习就是让人们更协调快速安全地“同时跑”。但不是完美的。根据数学分析知,当人员密度较小,人员“同时跑”更好,当然本系统也会采用。当各种情况(如人员较多,楼梯宽度较小等等)造成人员密度较大时,会使教学楼人员在楼梯拥挤难以快速撤离,反而更慢,而且发生意外的可能性更高。本系统主要针对以上存在的问题进行研究,设计出一个系统。
本系统是通过建立一个模拟程度较高的数学模型,以疏散时间和风险程度较少为目标,实现人员在应急情况下的优化调度,并能评价疏散意外的风险,能提供对人员进行疏散指导教育,在一定程度上能仿真模拟出紧急情况下可能存在的问题的指挥软件系统。(详见附带文件《系统介绍》)
创新点:1、接近实际:本系统数学模型主要着眼于在紧急情况下人员如何更合理地从教学楼疏散,做出具体的人员调配方案,建立数学模型时考虑的因素较多,较接近实际情况。
2、有别前人:当前国内外应急数学疏散模型虽有不少,但大多数通过数学计算和计算机模拟疏散时间、疏散速度、疏散可能造成的拥挤、人员之间作用力等等的方式,或仅是对建筑物疏散风险的评价而已。本系统突破性地考虑如何适当调度人员,来达到人员疏散时间短和出意外风险小的目标。
3、本系统除了用作应急指挥调度外,还可以用作对建筑物应急疏散风险的评价,指出建筑物应急疏散中可能存在的问题。
4、本系统能提供对人员进行疏散指导教育,让人们理解并接受系统的调度安排的科学性,训练提高了人们的自救能力。
技术关键:1、实现优秀的更具有实际价值的数学模型
2、做出科学合理的调度方案,及意外的风险评估
3、程序算法优良,实用性好
主要技术指标:
1、数学模型对真实情况模拟程度
2、调度方案的实际可操作性,及对践踏挤压等等风险评估的合理性
3、相应程序优良性和实用性问题
作品的科学性先进性(必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料)
1、科学性。对于“同时跑”,根据数学分析知,当人员密度较小,处在自由流状态时,人员“同时跑”更好,当然本系统也会采用。当各种情况(如人员较多,楼梯宽度较小等等)造成人员密度较大时,会使教学楼人员处于阻塞流状态,即流量下降,反而更慢,而且发生意外的可能性更高。这时采用合理的“调度方案”会更好。系统中涉及的主要数学模型就是分析在应急情况下怎样更合理地安排“调度形式”的疏散方案。详见附带的《数学模型方向简介》。
2、先进性。当前国内外应急数学疏散模型虽有不少,但大多数都是通过数学计算或计算机来模拟疏散时间、疏散速度、疏散可能造成的拥挤力等等,或仅是对建筑物疏散风险的评价而已。很少考虑如何建立调度机制,来达到人员疏散时间短和出意外风险小的目标。本系统借鉴前人优秀的分析方法,并突破性地分析如何通过“调度方案”合理疏散人员,实现疏散时间小和风险程度低的目标。
3、 系统能提供对人员进行疏散指导教育,在一定程度上能仿真模拟出紧急情况下可能存在的问题(如人群挤压等)。
4、可行性。当采用调度方案时,首先需解决人员服从调配问题和如何通知调度方案等。解决办法详见附带文件《问题与思考》。
5、功能多样性。本系统除了用作应急指挥调度外,还可以用作对建筑物应急疏散风险的评价,还能对人员应急疏散进行培训等。
作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果
2009年1月通过华南农业大学挑战杯校内选拔赛
作品所处
阶 段
( )A实验室阶段 B中试阶段 C生产阶段
D 制作中 (自填)
技术转让方式
作品可展示的
形 式
□实物、产品 □模型 □图纸 □磁盘 □现场演示 □图片 □录像 □样品
使用说明及该作品的技术特点和优势,提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测
1. 本系统借鉴前人优秀的分析方法,并突破性地分析如何通过“调度方案”合理疏散人员,实现疏散时间小和风险程度低的目标。选题方向领先,使用的技术较先进。
2. 系统能提供对人员进行疏散指导教育,在一定程度上能仿真模拟出紧急情况下可能存在的问题(如人群挤压等)。
3. 可以拓展为一个不是局限于某一栋教学楼的系统,可以将其拓展为一个更抽象化的教学楼应急疏散模型,以适应不同的学校教学楼。不同的教学楼只需输入相应参数,或者稍作修改后,即可变为不同状况下的疏散系统。远期有着广泛的应用前景,经济效益预期良好。
4、 本系统除了用作应急指挥调度外,还可以用作对建筑物(此时建筑物不局限于教学楼)应急疏散风险的评价,指出建筑物应急疏散中可能存在的问题。这个方向也是有着广泛的应用前景和良好的经济效益的。
专利申报情况
□提出专利申报
申报号
申报日期 年 月 日
□已获专利权批准
批准号
批准日期 年 月 日
□未提出专利申请
科研管理部门
签 章
年 月 日
C.当前国内外同类课题研究水平概述
说明:1.申报者可根据作品类别和情况填写;
2.填写此栏有助于评审。
挑战杯水平:
类似课题:西安理工大学 《基于视频监控技术与虚拟现实技术融合的城市智能交通信息处理系统》 荣获第十届挑战杯的全国一等奖
一方面运用视频分析技术辅助交警分析当前的交通状况,同时计算多条道路的拥堵程度,并可以自动发现违章车辆并报警,代替繁重和不准确的人工的监视;另一方面可以精确告诉司机哪条路最畅通,而对于陌生的地点,通过3D虚拟城市和电子地图的结合显示,也会让司机顺利到达指定目的地。
北京交通大学《奥运应急物流保障系统的构建及可靠性分析》 三等奖
北京奥运会的举办既为我国物流业带来了一次难得的跨越式发展机会,也是一次高难度的挑战。对2008年北京奥运应急物流进行规划,是一项重要的不可忽视的工作。本作品从应急物流保障系统不确定性因素分析入手,在确保应急系统可靠性的基础上,根据系统动力学和协同学理论构建出物资供应系统、交通运输系统、仓储系统、配送系统和信息系统,进而通过对子系统分析及系统主因素分析,最终创建奥运应急物流保障系统模型并给出运算和运作方法,为有关部门提供相关理论支持和实际运作技术。
广州大学 大型居住区突发事件预警与应急机制研究 区慧莹 二等奖
华南理工大学 洪水应急救助体系 二等奖
国内外相关应急系统水平和侧重点:
黄希发; 《大型场馆内突发事件情况下人员应急疏散仿真研究》黄希发; [D];哈尔滨工程大学; 2005年
对人员疏散动态学建模和理论和基于Agent的人员疏散仿真建模方法分析较好
《高层建筑垂直应急疏散系统的仿真研究》作者: 张鹏, 朱昌明, 杨广全 系统仿真学报 2005/05
该文对楼梯和电梯两种撤离方式,人撤离速度和疏散时间有较深入的分析和研究,不过也都是主要针对传统“同时跑”撤离方式的一些仿真。撤离策略、疏散风险未考虑。
《群集理论在酒店应急疏散中的应用》作者: 林亮, 沈斐敏 中国安全生产科学技术 2006/05
运用群集理论,分析情况较好。但未涉及时间最小等分析,未有虚拟仿真分析。
《大型公用建筑火灾时人员应急疏散评价模型研究》作者: 伍爱友, 宋译 中国公共安全(学术版) 2007/02
模糊综合评判的方法可以借鉴,可用于相应风险分析。
《对学校教学楼疏散人数及疏散速度的调查研究》 吕雷; 程远平; 王婕; 高宇飞; 刘静; 安全 2006/01
用实际数值的调查结果分析疏散人数和疏散速度
《火灾发生位置对安全疏散影响的研究》 顾伟芳; 沈阳航空工业学院; 2007
单因素分析方法可以借鉴,启发人们如何将教学楼更加抽象化,适应性更好
《拥挤人群疏散数学模型的研究现状探讨》 肖双喜; 周星火 中国安全生产科学技术 2007/02
文中指出国内针对拥挤人群的疏散模型研究也取得一些进展,但大多还是建立在火灾和建筑物的紧急疏散模型上,而针对更广义的拥挤人群的疏散模型如前面第一起事故中的类型研究较少。国内研究主要方向是:1. 人员疏散行为数学模型及仿真,如人流密度- 人流速度关系曲线( 人员移动速度与人员拥挤密度呈对数的关系)、出口条件对疏散的时间影响研究、疏散速度与密度的关系研究等。
《人群拥挤踩踏事故风险理论及其在体育赛场中的应用》 张青松 南开大学 2007-05-01
该论文详尽解释了人群拥挤的产生原因,研究方法,风险评价,相应的数学模型等等,比较深入,值得借鉴和学习。
事实上,当前国内外应急数学疏散模型虽有不少,但大多数通过数学计算和计算机模拟疏散时间、疏散速度、疏散可能造成的拥挤、人员之间作用力等等的方式,或仅是对建筑物疏散风险的评价而已。本系统借鉴前人优秀的分析方法,并突破性地分析如何通过“调度方案”合理地疏散人员,实现疏散时间小和风险程度低的目标。当然有些方面是国内外学者研究得相当专业,本系统会挑选其中与本系统较紧密相关的技术,首先做到如何借鉴应用,然后再适当钻研拓展。更重要的是,虽然我们的系统不是完美的,存在很多问题,但希望我们的系统能带给人们以启发和借鉴作用,或者能够将其拓展为一个更抽象化的教学楼应急疏散模型,以适应不同的学校教学楼。不同的教学楼只需输入相应参数,或者稍作修改后,即变为应用不同状况下的疏散系统,其应用前景是广阔的。
D.推荐者情况及对作品的说明
说明:1.由推荐者本人填写;
2.推荐者必须具有高级专业技术职称,并是与申报作品
相同或相关领域的专家学者或专业技术人员(教研组
集体推荐亦可);
3.推荐者填写此部分,即视为同意推荐;
4.推荐者所在单位签章仅被视为对推荐者身份的确认。
推荐者情况
姓 名
性别
年龄
职称
工作单位
通讯地址
邮政编码
单位电话
住宅电话
推荐者所在
单位签章
(签章) 年 月 日
请对申报者申报情况的真实性作出阐述
请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价
其它说明
推荐者情况
姓 名
性别
年龄
职称
工作单位
通讯地址
邮编
单位电话
住宅电话
推荐者所在
单位签章
签章日期 年 月 日
请对申报者申报情况的真实性作出阐述
请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价
其它说明
14
基于优化数学模型的应急仿真实用系统
——系统介绍
日常生活中,若发生意外人们需要从建筑物疏散时,人们普遍做法是同时马上冲向楼梯口(忽略有些获知稍迟的,且不考虑用电梯疏散),然后所有人挤在一起撤离。这个撤离方式暂称为“同时跑”。现在人们经常进行的消防演习就是让人们更协调快速安全地“同时跑”。
当建筑物楼层数不多、楼梯数目够多时、楼梯够宽敞、各层人数较少等等情况有利时,人员“同时跑”基本上能够快速安全地疏散出来。然而当建筑物楼层数较多、楼梯数目较少时、楼梯较狭窄、各层人数较多等等情况不利时,人人都想快点下楼,人员密度较大,同时过去挤也未必能加快,反而出意外(发生推挤受伤、践踏事件等)的风险较大。这是无论怎么消防演练都很难解决的问题。
特别针对第二种不利情况,既然传统的“同时跑”不是很理想,可以试着考虑怎么安排调度各层人数快速安全地撤离。如第二层楼的下了80%然后第三层楼开始下,第三层楼的下了80%然后第四层楼开始下,如此往上类推(这仅是其中一个调度方案猜想,更多方案请参见附带文件《数学模型方向简介》)。我们的系统最初研究出发点就在于此,而国内外很少涉及这个方向研究,课题方向是很有价值的。
我们的系统主要以疏散时间小和风险程度低为目标,分析怎样合理地有先后计划地安排人员撤离调度的问题。当涉及各层人员调度问题时,首先需考虑人员服从问题,请参见附带文件《问题与参考》。第二就是怎么将调度方案告知给建筑物内人员,也请参见《问题与思考》。第三就是系统的实时性,即当意外发生时,系统要能够很快地算出疏散方案,同时可以马上发布出来,也请参见《问题与思考》。以上问题都在《问题与思考》文件中有一定的分析和解决办法,虽未很完善,也基本解决了前述三个问题。
《问题与思考》文件中已经说明原因,本系统暂只针对教学楼模型。其实,对于有些教学楼应急疏散方面设计不太合理的学校(如广州不少中学),或者出现情急疏散情况可能性较大的地方,特别是如地震易发地区(如四川地区),分析如何更高效安全疏散的问题意义还是很深远的,应用前景很好。
本系统涉及较多数学模型问题。其可行性和科学性请参见《数学模型方向详解》。虽然未完善,而且不少只是给出大概方向,但经分析是可行的。数学模型的主要作用是对实际问题分析,运算出撤离方案,还有就是可以对建筑物疏散安全性做出评价(如指出某栋教学楼疏散安全系数为x1,另一栋则为x2等等)。
本系统能在一定程度上模拟现实中紧急情况下可能遇到的障碍和问题等,能对人员进行应急疏散指导教育。
在总体系统实现上,考虑编写一个软件界面,使用数学模型提供的相关算法,编写相应程序,指出比较合理的疏散方案。
本系统方向很好,前人似乎未考虑到很多,可以说比较空白,技术含量较高,应用前景广阔,市场价值很好。我们系统的市场应用价值主要是:1、引进了通过调度方式的撤离疏散数学模型,是较领先的,可以给专家学者们以启发和借鉴,我们可以将我们的分析建模等方法免费或有偿推广出去,让人们去学习和借鉴,然后他们再结合自己的教学楼,对我们的数学模型稍作修改,既可以做出一个他们自己教学楼的应急疏散系统。2、疏散风险的评价分析,如指出某栋教学楼疏散安全系数为x1,另一栋则为x2等等。这个应用是很广的,不仅局限于教学楼,其他建筑物如写字楼、小区楼盘等等都可以分析。这个要做得好是很复杂的,这仅是我们的一个副产品,我们不一定深入做。这也说明我们系统功能很多,实际应用价值前景很好。简单说,假设生活中当出现意外需要撤离疏散时,我们想知道这一栋或那一栋建筑物疏散时是否会比较危险,出现意外的可能性较高(发生推挤受伤、践踏事件等),我们能用我们的系统分析后可以指出这栋建筑物安全系数为多少,楼梯宽度可能太少了,楼梯数目太少了,楼梯位置不太合理等等。
至于整个系统,我们发现,首先实际生活需求性很大。大学的教学楼中应用价值可能不是太突出,大学里的教学楼大都在应急疏散方面设计合理,但不排除有些不合理的地方,而且当出现极端情况(如四川地区5.12地震学生需要快速撤离教学楼和宿舍等、可能有空袭需要快速安全疏散等),也是需要考虑怎样更高效安全疏散的。而对于中学,就如广州而言,教学楼人员应急疏散问题比较严重,学校一般较小,人数又多,有中学一个年级就有二三十个班,需要紧急疏散时容易出问题,分析其应急疏散问题很有必要和很迫切。再放远看,试想中国有那么多教学楼,尤其是有那么多问题突出的中学教学楼,然后还有就是对于发生地震灾害可能性较高的四川、唐山等地区,以及极端一些就是若发生空袭事件,恐怖袭击等(当然可能性较低),我们很有必要考虑怎么更安全和快速地撤离疏散的问题。眼光放开了,就会发现生活中很有需要的,系统很有应用价值的。
本系统有一定难度,但可根据情况先做出简单的成果,然后再深入拓展,灵活性较好。
系统运作过程:
文字说明:
楼下监控指挥人员每天上班时输入当天的教室使用情况,在我们的系统通过软件界面输入每个时段每间教室的人数。当某一天该栋教学楼发生了意外需要疏散,指挥人员即时通过摄像头获知有没有某层楼楼梯被封闭,哪间教室比较危险需要优先疏散,然后在我们的系统通过数学模型运算,以人员疏散时间少和疏散危险性小为两个目标,经过分析后决定是①让人员同时一起跑去下楼梯,还是②有计划分先后安排调度下楼。可以马上应用通知机制通知各教室调度方法。
注1:在我们的系统通过软件界面输入当天每个时段每间教室的人数
注2:对于有些教学楼应急疏散方面设计不太合理的学校(如广州不少中学等),或者出现情急疏散情况可能性较大的地方,特别是如地震易发地区(如四川地区),分析如何更高效安全疏散问题还是很有意义的。
注3:主要是指挥人员即时通过摄像头获知有没有某层楼楼梯被封闭,哪间教室比较危险需要优先疏散等
注4:疏散方法总体上有两种做法:A、人员同时冲向楼梯挤在一起下楼;B、通过适当的调度方法(调度方法有很多种,不同情况其最优调度方法也许也不同,本系统将研究并讨论)指挥人员有计划下楼,详见《数学模型方向简介》
注5:人员通知机制。详见《问题与思考》。
《问题与思考》
1、 当人员采取“同时跑”方式时,本系统的作用主要是做出分析和评价。如指出相应教学楼人们“同时跑”风险程度,即指出出现紧急情况时的拥挤践踏的可能性和危险性。
“同时跑”条件合适时,比同条件下“调度方案”更优。
2、 当考虑使用“调度方案”时,首先需解决人员服从调配问题。解决方法:
A. 该方案主要还是针对教学楼,小学生、中学生、大学生等集体意识较高,便于安排调度。其他如办公楼、居民住宅楼,目前人员的素质等参差不齐,未必服从调度。当然将来人员素质调高了,也会认同调度安排的合理性,服从调度安排。
B. 本系统是综合“同时跑”和“调度方案”的做法,当条件合适时(如各层人数不多,楼梯够多和宽敞等等),本系统会采用“同时跑”方案。当条件不合适时(如如各层人数较多,楼梯较少和狭窄等等,“同时跑”风险较大),本系统会采用“调度方案”。所以并不是一定就要采用“安排调度”方案,视情况考虑用“同时跑”。
C. 有一个游戏,一个瓶子装着六个球,瓶的出口很小,每个人拉一个球,然后看哪队可以在最短时间内拉出那个球,这个比赛在全世界的儿童中做过实验,很多人都同时拉自己的球,导致所有球都卡在瓶口出不去,但是如果一个一个地把球拉出瓶口的话,所用的时间是最短的。当楼道人员密度大时,人人都想快点下楼,同时过去挤也未必能加快,反而出意外风险较大。
D. 可通过数学模型计算出总体疏散时间和风险程度,与采用“同时跑”方式时的总体撤离时间和风险程度,作出对比教育。也可计算出每层楼从大楼有人员开始撤离到本层开始撤离需要等待的时间。
E. 编写疏散过程仿真软件,能对人员进行指导教育,告诉其在应急情况下如何走,人员会更乐于接受,也更理解其中的合理性。
F. 加强实际演练和教育,会使人员更认识到有时采用合理的“调度方案”会更好。减少在实际应急情况下有些人偏偏不服从调度的概率。
G. 在实际应急疏散中,要充分发挥如团员、党员、学生干部等作用(这是实际协调的一些机制,还可以考虑更多),稳定局面,即使出现有些人不服从调度,自己单独去跑,也不是很多。大多数人还是服从调度。
总的来说,主要是加强演练和教育,再思考更多其中的协调机制细节,也是可以用调度方案的。
3、 协调通知机制。
考虑了一下,我们的调度方案前期已经通过虚拟现实模拟出来,并对人员进行了培训(有助于人员服从调度)。假定撤离过程中人员均服从调度方案。
当出现意外时,系统通过(一)针对各教室通过音箱通知不同的指令(当然因灾害而断电等就不能用啦);(二)各层楼甚至各教室均有一个事前指定的指挥人员,可通过手机等联络指挥人员,让其指挥;(三)外面的救援人员通过声音、旗帜标志等信号指示(如楼下值班指挥人员马上电喇叭(用干电池即可)大声通知楼上人员。
4、 系统的实时性
教学楼模型(有多少楼梯,楼梯宽度是怎样,楼层数是多少,楼层教室布置是怎样等等)是确定的,主要还是需要实时知道各层人数(其实大概可以从每天教室上课安排可以提前获知)、有没有楼梯被封闭等变量。所以从获知到险情,然后数学运算,到作出指挥调度安排计划所需时间不多。楼下指挥人员可以马上通知调度计划。实时性较好。
5、 系统针对性
本系统初步计划是主要特别针对1到2栋教学楼(如华农教三和某一中学教学楼)来为其建立人员应急疏散系统,不是一开始就全面抽象化,即涉及单因素对教学楼疏散模型的影响等(参见《数学模型方向简介》的问题5)。因为各教学楼情况不同(楼层结构不同,各层人数不同,楼梯宽度不同,发生意外的位置等等),若来的太抽象,将教学楼模型太变量化抽象化(参见《数学模型方向简介》的问题5),首先难度是很大的,另外会令人觉得可能不是太实用,教学楼一变数学模型就可能变化很多。因为挑战杯是比较讲求实用性和市场价值的,我们的作品应该尽量让人觉得是很有实用价值的。所以我们先暂时考虑只对1到2栋教学楼建模,开始不打算适应所有教学楼的,因此可以仅先对这1到2栋教学楼进行应急调度疏散分析,还可以对应急疏散风险作评价(如指出某栋教学楼疏散安全系数为x1,另一栋则为x2等等,这是数学分析中可以顺便完成的),另还有就是对通过虚拟场景进行应急方面的疏散培训。当然本课题小组队员优秀,数学基础很好,可能还能做很深入的分析,将教学楼模型抽象化。对于数学模型,我们还是很有信心。
至于建立了数学模型后,需要编写一些相应程序,本小组编程基础还可以,能够做好。
最后,我们的课题方向很好,前人似乎未考虑到很多。我们做的系统不是完美的,还有很多问题,仅是希望我们的系统能带给人们以启发和借鉴作用,有更多专家学者更改和完善数学模型,以适应其他不同的教学楼模型,以作专门针对某一栋教学楼应用等(如前述,不同教学楼模型可能数学模型差别很大,但也有较多相似处,可以适当变更即可)。或者能够将其拓展为一个更抽象化的教学楼应急疏散模型,以适应不同的学校教学楼。不同的教学楼只需输入相应参数,或者稍作修改后,即变为应用在不同状况下的疏散系统,其应用前景是广阔的。
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