人员应急疏散行动开始前的决策行为

文章编号:100523026(2005)0220179204

人员应急疏散行动开始前的决策行为

张培红1,陈宝智1,卢兆明2

(1.东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳　110004;2.城市大学,)

摘　　　要:对特区三综公屋火灾案例中的人员疏散行为进行了问卷调查・利用自适应性模糊神经网络和BP机制,将采集到的数据样本用于基于模糊推理机的网络训练和校验,建立了人员疏散行动开始前决策行为的预测模型PERM・该模型的预测结果和问卷调查的结果基本吻合・研究表明,火灾状态下,人员应急疏散行动开始前的决策行为与人员火灾经验、人员的初始状态与居住条件等因素有关・公屋居住人员在得到火警信息后,约占半数的人将会首先采取进一步确认火灾信息等行动,最终在10～20min以后才开始撤离・四分之一左右的人会做出立刻开始疏散行动的决策・关　键　词:人员行为;决策;自适应模糊神经网络;应急疏散;火灾;问卷调查中图分类号:TU976.9;X928.7　　　文献标识码:A

重大灾害或事故等突发性紧急状态下,人员

疏散行动开始前的行为反应对于整个疏散系统的安全性和可靠性的影响非常重要・1993年世贸中心爆炸事件之后的调查表明[1],110层的超高层建筑物中,全部人员完成安全疏散大约需要1～3h,其中疏散行动开始前的决策时间竟占总时间段的三分之二以上・

受到生理、心理状态以及安全教育背景和应急经验等因素的影响,人的疏散行为具有一定的内在规律・然而,由于重大灾害或紧急事故的突发性、随机性和不确定性,以及人员行为的随机性和模糊属性,对于人员应急疏散行为进行定量的分析和实验模拟是非常困难的・目前主要的研究方法基本仍处于小样本观察和定性分析的层次上,难以利用传统的统计学方法对影响人员疏散行为的各因素进行科学的量化分析・基于人工智能技术的机器学习方法可以很好地弥补传统统计学方法的不足,但是,数据噪音问题造成传统的ANN技术难以在人员疏散行为预测问题中正常发挥作用・

利用自适应性模糊神经网络(ANFIS)[2,3],建立了紧急状态下人员疏散行动开始时间的预测模型PERM・在大量关于火灾状态下人员疏散行为反应数据的基础上,利用BP机制,对于采集到的数据样本进行训练和检验,获得了一系列关于火灾状态下人员疏散行动开始前的行为反应的模

糊推理规则・模型对于紧急状态下人员疏散行动开始时间的预测结果可用于建立火灾时人员应急疏散行为反应专家系统,这对于重大灾害或紧急事故状态下人员疏散行为的预测和应急救援辅助决策系统的建立有着积极的指导意义・

1　人员应急疏散行动开始前决策行为的预测模型PERM

自适应模糊神经网络(ANFIS)最初由Takagi和Sugeno[2,3]提出,现已经广泛应用于控制、预测和推理等领域・一般来讲,ANFIS将数据样本集分为训练样本集和校验样本集两个部分・在预先假设的模糊推理规则的基础上,ANFIS对训练样本集中具有预先设定的某种隶属函数的模糊输入信号赋予一定的模糊权系数,经过模糊逻辑运算和网络训练,得到经过网络模糊推理的实际输出信号,然后,通过对于输出信号和期望输出的误差比较,以及校验样本集的检验,达到网络学习的目的,并实现对预先设定的隶属函数和模糊规则的优化、调整和补充・

1.1　PERM模型的输入变量

人员对于灾情的认知和反应首先受到外界信息的刺激,如警钟、烟气、气味以及嘈杂声等等・重大灾害或突发事故发生前人员的生理状态、心理状态、活动状态、火灾经验等因素对其决策行为反

收稿日期:2004203211

基金项目:国家自然科学基金资助项目(70303016);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目・

作者简介:张培红(1969-),女,河南南阳人,东北大学博士,沈阳建筑大学副教授;陈宝智(1943-),男,辽宁铁岭人,东北大学教

授,博士生导师・

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受到警钟、烧焦气味或火焰/烟气等刺激直接、亲

自发现火警的话,则人们会根据自己对火灾的认知水平、初始状态、火灾知识和经历,以及在团体中的职位和责任等迅速做出反应・如果间接地被告知或得到火灾警报,进一步搜集资料取证将是人们通常会采取的第一个反应・并且,人们的侥幸心理也极易造成在疏散决策上的迟缓现象[7]・本文定义了变量x4以反映火警信息获得途径对人员的疏散决策行为的影响・(5)人员所处的初始位置人们对于警报信息的认知和关于疏散行为的决策,将直接受到火灾发生时人员在建筑物中所处初始位置的影响・作为一个大概率事件,距离起火点越近,直接受到火焰、烟气等火灾异常能量的刺激越大,越有利于对于火警信息的早期认知和确认,易于迅速做出决策・相反,距离起火点越远,受到外界“噪音”信息的干扰越强,越会影响人们对于火警的早期认知和决策能力・以往关于人员疏散行动的模拟中,一种做法是假设建筑物内所有人员同时开始疏散行动・日本的有关研究则首先将人员在建筑物内所处的初始位置分为火灾室、火灾层、非火灾层三种情况,并据此假设火灾室人员开始疏散行动的时间为30s,处于火灾层的人员开始疏散行动的时间为60s,他们认为非火灾层的人员开始疏散行动的时间最为迟缓,因此假定为120s・本文定义了模糊变量x5以进一步讨论人员所处的初始位置因素对于人员疏散行为决策能力的影响・1.2　PERM模型的结构

模糊推理系统的逻辑计算中,逻辑“与”采取模糊乘运算,逻辑“或”采用概率方法・模型的输出变量即人员疏散行动开始前的决策行为・预测模型的网络结构如图1所示・

应的影响非常显著・

本文结合大量关于人员应急疏散行为的调查数据,归纳出了5个输入变量,用于模糊神经网络的训练和校验,这5个变量分别为年龄、火灾经验、人的初始活动状态、灾害信息的获得途径、人员所处的初始位置・

(1)年龄

人员的行为反应是一个认知的过程,包括感知、记忆和思考・通过认知过程,人们可以了解周围发生的情况[4]・年龄的增长伴随着经验和知识的积累,将对人的认知能力有非常重要的影响,同时,人的生理状态也会直接影响其认知水平;因此,定义变量x1以表述人的年龄对人员应急疏散行为反应的影响・(2)火灾经验通过对火灾时人的行为的研究,Bryan[5]认为人们在做出决策之前,往往首先将即时获得的信息或线索与记忆中的场景相匹配,潜意识中常倾向于依赖过去的经验积累对现在状态得出乐观的期望、判断和决策・Canter[6]认为因为自信能够应付这种灾情,有过火灾经验的人员做出开始疏散行动决策的时间往往有滞后现象・与没有经历过火灾的人相比,他们更多的会首先自行采取灭火行动,而不是即时报警或尽快开始疏散行动・另一方面,如果人们常常受到火警误报困扰的话,受这样负面经验影响的人可能会对火警警报麻痹大意,严重影响其相关的疏散行动决策・结合灾后调查收集到的数据,定义x2,以进一步探讨火灾经验与疏散行动开始前人的疏散决策行为之间的关系・

(3)初始状态

火灾发生前处于清醒状态的人对特殊的噪音或烧焦的气味等比较警觉,因此可能会做出更为理智和高效的决策・对于那些在熟睡中被异常惊醒的人来说,他们本能的反应通常是首先进一步搜集信息以确认发生的状况,或者表现出较强的趋众性,即模仿别人的行动・Canter[6]认为对于火灾信息和状态的认知能力是人员初始状态的函数,并且对于初始状态的专心程度也是影响人员疏散决策行为反应的一个重要因素・当人们沉浸于某个状态中时(如玩电子游戏、看电视等),他们往往首先将手头的工作告一段落以后,才会对周围环境状态的变化进行查证・本文定义了变量x3,以进一步讨论火灾初期人员的初始状态对其疏散行为决策的影响・

(4)信息获得途径

火警信息的获取有直接、间接两种方式・如果

2　模型的验证

由于重大灾害或事故的突发性和危险性,目

前来讲,灾后调查仍不失为一种行之有效的数据采集手段・本文选择建筑物火灾进行了大量的灾后案例调查和数据采集,对人员疏散行动开始前的决策行为的预测模型PERM进行验证・通过对特区三综公屋火灾案例进行调查,共采集到了150份有效答卷,其中男女比例各占65%和35%・将采集到的数据样本一部分用于模糊推理机的网络训练,一部分用于网络校验・PERM模型预测的部分结果如表1所示・之所以选择这三综火灾进行网络训练,是因为这三栋建

第2期　　　　　　　张培红等:人员应急疏散行动开始前的决策行为筑物均为房屋署在相同年代承建并管理的,

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并且建筑物的结构和建筑设备情况基本一致・

图1　PERM模型的网络结构

Fig.1　ConfigurationofPERMmodel

表1　人员疏散决策行为总结

Table1　Differentresponsetodecisiononemergencyevacuation疏散行动开始前人的疏散行为反应马上开始疏散行动(1min左右)

过一段时间才开始疏散(5min左右)

较长一段时间以后才开始疏散(10～20min)待在原地等待救助

作出相应初期反应的人员占校验样本总数的比例

调查结果

28.59.652.49.5

PERM预测结果

25.010.055.010.0

表1为PERM系统模糊预测结果和调查结果的统计分析和对比・可以看出,一旦得到火灾发生的警报,四分之一左右的人会立刻开始疏散行动(1min左右)・十分之一左右的人会在约5min左右开始疏散・其余约半数(5510%)的人将会在相对较长一段时间(10～20min)以后才开始撤离,这部分多会首先采取进一步确认火灾信息或搜集一些必要的个人物品等行动・另有一部分人(10%)会采取原地等待救助的方式,而不离开火灾现场・

经过大量的调查研究,Paul[8],Sime[9]等人认为“马上开始疏散行动”并不一定是处于火灾等紧急事故状态下人员所做出的第一种行为反应,人们往往更加趋向于首先确认自己所处的危险状态・Wood[7]的研究结果表明,接受调查的人员当中,大约15%的人会首先采取一定的灭火行动,13%的人会首先报警,只有9.5%的当事者会首先选择疏散・可以看到,国外学者的研究结果与我们在地区的调查和预测推理的结果有一定的差距・这样的结果与接受调查的居民的居住条件和人员行为特点有关・值得注意的是,本文采

集的样本是公屋火灾的情况・对于居住在公屋内的居民而言,相对封闭的居住空间和多业主的建筑物现状,使得居民之间直接的信息交流比较困难・除非居民直接得到火灾警报信息或亲眼看到

火灾的危险状态,人们一般不会马上采取疏散行动或马上采取灭火行动・

3　结　　语

由于目前收集到的可以用于网络训练的数据样本还比较有限,因此在建立人员疏散决策行为预测模型的时候进行了大量的简化・网络训练的结果表明,ANFIS方法可以用于对人员疏散决策行为进行预测・

随着样本数据的不断积累,可以将与人员应急疏散决策行为相关的其他因素[10],例如疏散人员之间的社会关系,以及个人的工作职责或家庭中的责任等包含在输入参数集中,进行网络学习・并且,可以对输入和输出变量预设定的隶属函数,以及模糊推理规则等做进一步的改进和调整,以达到进一步完善PERM预测模型的目的・通过对人员疏散决策行为的推理和把握,对制定城市公

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(ZhangPH,ChenBZ.Behaviorrulesofhumanevacuationinfire[J].JournalofNortheasternUniversity(NaturalScience),2001,22(1).-57.)

共安全管理和应急救援预案,具有重要的指导意义・参考文献:

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[10]PersonalDecisionBehaviorBeforeEmergencyEvacuation

ZHAGNPei2hong1,CHENBao2zhi1,LOSiu2ming2

(1.SchoolofResources&CivilEngineering,NortheasternUniversity,Shenyang110004,China;2.CityUniversityof,HK,China.Correspondent:ZHANGPei2hong,associateprofessor,E2mail:bczhangph@sina.com)

Abstract:Questionnaireinvestigationwasprogressedonthreefirecasesinpublicdomesticbuildingin.Basedontheadaptiveneuro2fuzzyinterferencesystemandBPfunction,datatrainingandcheckingwereprogressedtoenforcethenetworklearninguponthe150setsofcollecteddata.Asaresult,apersonalemergencyresponsemodelonevacuationdecisionbehavior,PERM,wasestablished.ThepredictionresultofPERMandthequestionnaireresultwerealmostcoincident.Itshowedthatpersonaldecisionbehaviorbeforeemergencyevacuationisrelevanttowhatshe/heexperiencedinfire,initialstatus,residentialconditions,etc.Forinstance,amongtheresidentsinpublicdomestichousingin,halfwouldnotstartevacuationfor10～20minutesuntiltheyconfirmthefirealarm/information.Onlyaquarteroftheresidentsdecidedtoevacuateimmediately.Keywords:personalbehavior;decision;adaptiveneural2fuzzyinterferencesystem;emergencyevacuation;fire;questionnaire

(ReceivedMarch11,2004)