城市轨道交通车站行人疏散与火灾演变综合仿真

Research on passenger evacuation under fire in the urban rail transit station is of great significance for high pedestrian density and confined conditions in stations. Current research mainly focuses on pedestrian simulation to evaluate evacuation due to lacking of methods. Furthermore, only a constant egress time is provided in national standard without considering the location of fire, the smoke control system and the expanding of smoke. This research will establish and emerge the space-continuous pedestrian evacuation model and fire developing model based on Lattice Boltzmann method according to the behavior features of pedestrian under fire circumstance. First, a space-continuous particle pedestrian model will be formulated based on agent method. The concentration is to describe the interactive mechanism between the pedestrian agent and smoke, temperature, so as to make sure the pedestrian can perceive the smoke and choose egress route. And also, the compress force in high density evacuee flow will be also reflected with particle squeezing model. Second, double-distribution function model will be developed to describe the temperature and velocity of smoke in the station with lattice Boltzmann method to provide fire information for pedestrian model. Finally, using C++ program language, integrated visual tool capable of modeling the dynamic process of pedestrian egress and smoke spreading in the station will be developed with the pedestrian model and fire model established.

城市轨道交通车站行人密集，空间封闭，研究其火灾状况下的逃生问题意义重大。由于理论方法的局限性，当前研究主要从行人疏散仿真的角度展开，而国家规范仅给出统一的疏散时间要求，没有考虑火灾位置、烟控措施和烟火扩散过程等对行人疏散的动态影响。本研究拟根据火灾条件下行人行为特性及其与火灾发展的关系，构建并融合连续空间行人疏散模型和基于格子Boltzmann方法的火灾发展模型。首先基于智能体方法，建立火灾状况下的连续空间粒子行人疏散模型，重点构建行人智能体与烟火、温度的互动机制，实现行人动态感知烟火并调整逃生策略的方法，利用粒子受压模型模拟拥挤人群的挤压力；然后采用格子Boltzmann方法，构建包含温度、速度信息的双分布函数模型描述车站火灾的动态发展，为行人模型提供实时的火灾场景信息。最后基于两个模型采用C++语言开发综合仿真工具，实现对车站行人疏散和烟火发展的动态可视化综合仿真。

地铁系统作为城市公共交通的骨干系统承担了大量的日常出行客流。地铁车站作为客流的集散场所，设施复杂，环境封闭，容易发生安全事故；其中火灾事故占了一半以上，使得火灾条件下车站内人员疏散成为领域研究热点。然而，目前地铁车站火灾疏散评价标准仅采用单一固定指标进行评价，忽略了车站特性，与实际情况差异较大。相关研究尝试采用单独进行火灾演变仿真，再将仿真数据导入人员疏散仿真软件中进行疏散评价的方法；但是，该方法存在重复建模的缺点，甚至可能由于模型不匹配导致较大的计算误差。同时，目前研究偏重人员疏散模型完善，对于火灾演变模拟方法探究较少。因此，本文采用新方法构建了易于融合的火灾仿真模型，与人员疏散模型进行结合以实现综合仿真。.首先，对地铁站内火灾演化的流体动力学特点进行了分析，并分析了仿真模拟需要满足的基本控制方程以及较为复杂的湍流现象的模拟，为模型的建立及完善提供理论基础。结合地铁车站内火灾特点对格子Boltzmann基础模型从微观层面进行了理论分析和多方面的修正完善，包括构建双分布函数模型实现热传递模拟、建立亚格子模型实现大瑞利数流体模拟、添加障碍物绕流边界处理条件，实现障碍物绕流的模拟、加入了采用半拉格朗日方法实现的烟雾扩散模拟方法。.然后，基于经典人员疏散仿真模型特点的分析，确定社会力模型为本文人员疏散模拟的基础模型。总结分析了火灾环境对疏散人员产生的影响；基于这些影响，从疏散人员与环境交互的角度构建了智能体模型：包括感知外界信息的感官模型，反映自身生心理状态的心理模型和生理模型，以及外界信息对疏散人员生理状态的影响模型。.最后，基于Microsoft Visual Studio 2008的MFC编程平台，实现了本文构建的火灾演变模型和人员疏散模型的融合，并对模型的输入、输出进行了可视化。分别构建了简化的地铁车站火灾仿真模型和火灾环境下的人员疏散仿真模型，利用开发的仿真工具进行了模拟计算，验证了模型和仿真工具的有效性。