火灾情景下客轮人员应急疏散行为仿真研究毕业论文

 2020-04-03 11:04

摘 要

客轮火灾是一种危害极大的事故,不仅会造成物质财产损失,还会对人类生命造成巨大威胁。对客轮进行火灾情景下的人员应急疏散行为模拟仿真研究,有助于改进客轮结构及指导人员疏散,从而提高人员疏散效率,保护船上生命财产安全。

本文针对火灾情景下客轮人员应急疏散这一问题,基于Pyrosim软件及Pathfinder软件对客轮火灾人员疏散行为进行仿真模拟。首先对Pyrosim软件及Pathfinder软件进行介绍;然后基于Pyrosim软件建立客轮火灾场景模型,对温度上升及烟气扩散进行仿真和分析;其次基于Pathfinder软件,在设置客轮结构、人员参数的基础上建立客轮人员疏散模型,对人员疏散过程进行仿真和分析,并根据仿真结果研究了温度上升、烟气扩散对人员疏散过程的影响。另外,基于Pyrosim软件和Pathfinder软件,本文也分析了在减少人员数量、增加障碍物及减小火势等情况对人员疏散效率的影响。本文研究结果表明,在客轮这种空间狭小的区域,烟气能快速扩散至各处,出口及楼梯等人流量较大的区域容易出现拥挤现象,人员数量、障碍物数量及火势大小对人员疏散效率均有一定影响。

关键词客轮;火灾;应急疏散;Pyrosim软件;Pathfinder软件

Abstract

Passenger ship fire is an extremely hazardous accident, which will not only result in the loss of ship property, but also pose a great threat to human life. Simulation on the emergency evacuation behavior of passengers under fire scenarios can help to improve the structure of passenger ships and guide the evacuation of personnel, which will further improve the efficiency of evacuation and protect the safety of life and property on board.

This paper aims at the emergency evacuation of passengers under fire scenarios, adopting the Pyrosim software and Pathfinder software, the evacuation behaviors of passenger under fire are simulated. Firstly, the Pyrosim software and Pathfinder software are introduced, and then passenger ship fire scene model based on Pyrosim software is established to simulate temperature rising and smoke diffusion processes under fire. After that, the evacuation model of passengers based on Pathfinder software is established after finishing the configurations of passenger ship structure and personnel parameters, and the evacuation processes are simulated and analyzed. Furthermore, on the basis of the simulation results, the effects of temperature rising and smoke diffusion on the evacuation process are studied. Finnally, this paper also analyzes the impacts on the crowd evacuation efficiency onboard in reducing the number of personnel, increasing obstacles and minimizing the fire. Research results show that in the passenger ships, the smoke can quickly spread to everywhere, the area with large human flow such as exit and stair is easier to be crowded, and the number of passengers, the number of obstacles and the fire situation have comprehensive effects on the evacuation efficiency.

Keywords: Passenger ship;Fire;Emergency evacuation;Pyrosim;Pathfinder

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3研究内容 3

第2章 仿真模拟软件介绍 5

2.1Pyrosim软件介绍 5

2.2Pathfinder疏散仿真软件介绍 6

2.3本章小结 7

第3章 基于Pyrosim软件的客轮火灾场景模型建立及仿真分析 8

3.1客轮火灾场景模型建立 8

3.1.1客轮模型建立 8

3.1.2火源点设置 9

3.2客轮火灾场景仿真模拟结果分析 11

3.2.1温度分析 11

3.2.1.1上甲板层火灾场景温度分析 11

3.2.1.2主甲板层火灾场景温度分析 13

3.2.1.3机舱层火灾场景温度分析 15

3.2.2烟气扩散分析 16

3.2.2.1上甲板层火灾场景烟气扩散分析 16

3.2.2.2主甲板层火灾场景烟气扩散分析 18

3.2.2.3机舱层火灾场景烟气扩散分析 18

3.3本章小结 19

第4章 基于Pathfinder软件的客轮人员疏散模型建立及仿真分析 20

4.1客轮人员疏散模型建立 20

4.1.1人员参数设置 20

4.1.1.1人员类别 20

4.1.1.2人员体型尺寸 20

4.1.1.3人员数量 20

4.1.1.4人员步速 21

4.1.2设置客轮结构 22

4.2人员疏散过程分析 23

4.3火灾情景下客轮人员疏散情况分析 26

4.3.1温度上升对人员疏散的影响分析 26

4.3.2烟气扩散对人员疏散的影响分析 27

4.3.3火灾场景下客轮人员疏散统计 28

4.4不同场景人员疏散结果对比 28

4.4.1减少人员数量 28

4.4.2增加障碍物 29

4.4.3减小火势 30

4.5本章小结 31

第5章 结论与展望 32

参考文献 33

致 谢 34

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

近年来,随着我国经济快速发展以及人民生活水平不断提高,水上旅游业逐渐升温。根据《2017年交通运输行业发展统计公报》,我国水路全年完成客运量2.83亿人,比上年增长3.9%,旅客周转量77.66亿人公里,比上年增长7.4%。全国港口完成旅客吞吐量1.85亿人,比上年增长0.2%,其中,沿海港口完成0.87亿人,内河港口0.98亿人。我国港口全年邮轮旅客运输量243万人,同比增长11.6%。在我国水路客运量规模增大的同时,客轮安全事故也屡有发生。与其他类型船舶相比,客轮载员较多,一旦发生事故,会造成巨大人员伤亡和财产损失。例如,2008年6月21日,菲律宾“群星公主”客轮遭遇热带风暴“风神”而发生沉没事件,船上共862人,仅生还57人;2014年4月16日,韩国“世越号”客轮由于发生浸水事故而下沉,死亡304人,受伤142人,失踪9人;2017年1月一艘载200人的客船在首都雅加达水域航行时发生火灾,造成至少23人死亡,17人失踪,损失十分惨重。

客轮发生事故后,及时的应急疏散可使事态避免进一步扩大,减少事故造成的人命财产损失,但客轮不同于陆上建筑,事故发生后乘客只能通往紧急集合点进行逃生,由于客轮空间狭小且逃生路线有限,乘客在逃跑过程中容易造成拥挤、踩踏等现象,加剧人员疏散的难度,而船上火灾是一种破坏性极大的恶性事故,燃烧会导致大量有毒气体产生,空间能见度降低,乘客逃生途中容易出现晕厥及难以找到出口等现象,导致疏散难度进一步加大。但是,若采取合适的措施,如合理设计客轮内部结构、加强乘客火灾安全教育及定期举行火灾消防演练等,客轮人员应急疏散效率能得到极大提升。因此,本文基于Pyrosim软件及Pathfinder软件,对客轮进行火灾人员疏散的仿真,分析火源位置、温度、烟气扩散等对人员疏散的影响,对改进客轮结构及指导人员疏散提出参考意见。

1.2国内外研究现状

20世纪早期,国内外学者开始对人群疏散进行研究,并取得了丰富的研究成果。当前关于人员疏散的研究主要可以分为宏观和微观两大类。

宏观研究把整个人群作为仿真和建模对象,较少关注单个个体的运动行为,比较常见的宏观模型有气体动力学模型、流体力学模型、排队网络模型等。Henderson[1]于1971年基于传统流体理论,在行人满足动量守恒和能量守恒的前提下,使用Maxwell-Boltzman分布,利用概率分布公式来描述行人在疏散过程中的运动,但该模型将人群作为整体进行研究,忽略了个体差异,导致结果与实际相比误差较大。

微观研究把每个个体作为仿真和建模的对象,重视每个个体的行为及其相互之间的作用,常见的微观模型有元胞自动机模型、格子气模型、社会力模型等。社会力模型出现最早,Helbing [2]以自驱动力、朋友间相互影响力、附近障碍物对行人的影响这三个方面来刻画行人的受力状态,并由此提出了社会力模型,此模型能够很好模拟一般情况下的人群运动状态;元胞自动机模型在对空间进行均匀化网格划分的基础上,将行人运动描述为受到限制状态的变量(或称元胞)构成的离散、分离及可扩展的动力系统,该模型比较直观、灵敏及扩展性强[3];格子气模型则是元胞自动机模型的一种特殊形式,主要用来描述一些在时间及空间上都是离散的人群运动行为。

对于火灾情景下的人员应急疏散行为研究,国内外学者也做了大量深入的工作。例如,格林威治大学的消防安全工程组创建了EXODUS疏散模型,用于对火灾的人群疏散过程进行仿真[4];Silviu等[5]利用Pyrosim软件对公路隧道发生火灾的情况进行研究,获得了隧道内温度随时间的变化数据,并设置喷头精确模拟了灭火过程;Piotr等[6]对逃生楼梯的逆流效应进行研究,为人群疏散过程建模和计算提供数据,并将实验结果与疏散软件模型的结果进行对比;SiHui Dong等[7]基于Pyrosim软件构建超市的三维物理模型,分析火灾危险时间及安全出口时间,为改善超市的安全疏散状况提供了依据;朱安驹[8]基于社会力模型,增加了一些社会力模型未涉及的影响因素,如紧张因子以及人员之间相互吸引等,进而研究出新的火灾情景下的社会力模型;刘梦洁[9]以某个地铁站为参考对象,基于FDS及Pathfinder软件对车站火灾人员疏散仿真模型进行构建,探究该车站对人流量和火源功率的容纳能力;张江涛[10]对办公大楼火灾场景下的烟气扩散情况进行了研究,并且基于Pathfinder人员疏散仿真软件对疏散过程进行仿真模拟,为类似办公大楼建筑的防火措施和消防模拟训练提出了合理建议;马骏驰[11]将实验观测与计算机仿真进行结合,提出一种新的思想,即将人员行动模拟与火灾模拟相结合,从而对影响人群疏散的参数进行定量研究并对各参数间的关系进行反映,发展了求解安全疏散可靠度的概率密度演化方法;陆卓谟等[12]通过分析人员不同的火灾响应时间及人员选择不同逃生出口等因素对人群疏散的影响建立了人群疏散模型,该模型基于个人行为特征与元胞自动机构建;谢灼利等[13]通过分析火灾情景下地铁站台达到临界危险的因素和人员疏散的特征,确定了计算人员安全疏散时间的方法;陈淼等[14]对大型客轮的人员疏散能力和集合能力进行了评估,并通过使用动态仿真模拟技术对相关过程进行了展示。

总的来说,国内外学者在人群疏散方面的研究众多,对于提高人群疏散效率有巨大的参考价值,但多数研究是针对陆上建筑,如地铁站、办公大楼等,针对客轮的研究较少。

1.3研究内容

本文针对火灾情境下的客轮人员疏散行为进行仿真研究,主要研究内容如下:

(1)仿真模拟软件介绍

对Pyrosim软件及Pathfinder软件的功能及使用方法进行介绍,并分析客轮火灾场景模型及人员疏散模型的建立步骤。

(2)基于Pyrosim软件的客轮火灾场景建立及仿真分析

基于Pyrosim软件建立客轮火灾场景模型,在不同位置设置火源点、温度切片装置及烟层高度测量装置,对火灾中温度上升及烟气扩散进行仿真,并从温度上升及烟气扩散两方面对仿真模拟结果进行分析。

(3)基于Pathfinder软件的客轮人员疏散模型建立及仿真分析

首先基于Pathfinder软件设置客轮结构、人员参数并对每层甲板随机分配人员,建立客轮人员疏散模型,并对人员疏散仿真模拟结果进行分析;然后基于温度上升、烟气扩散及人员疏散模拟结果在时间及空间上的对应关系,分析温度上升、烟气扩散对人员疏散的影响;最后分析减少人员数量、增加障碍物及减小火势三种场景对人员疏散效率的影响。

图1.1所示为本文研究的技术路线图。

图1.1 技术路线图

第2章 仿真模拟软件介绍

2.1Pyrosim软件介绍

Pyrosim是由美国国家标准技术研究所(NIST)基于FDS(Fire Dynamics Simulator)发展过来的,FDS是由NIST研发的一种计算流体动力学的软件,它以火灾中流体运动为主要模拟仿真对象。FDS着重计算火灾中的烟气扩散和温度变化过程,主要用于解决消防中的现实问题,也可以作为火灾科学理论研究的指导。通过对FDS的模拟可以得到有关烟雾高度、温度、能见度、毒气浓度等相关数据,然后设计实际工程,以保证火灾发生后,其烟气层能够维持在一定的高度,温度保持在一定的范围内,进而不会威胁到疏散人员的生命安全。

Pyrosim是FDS进行处理的一种图形用户界面,也可以进行三维图形化前处理,编辑效果可视化。相比较FDS的命令,Pyrosim构建的模型更加直观简洁,模块的辅助构建功能可直接调用FDS计算核心,实现SmokeView视频并输出数据。Pyrosim是FDS的仿真建模工具,被广泛使用于建筑工程和消防工程中。本次研究主要使用Pyrosim对客轮进行建模,最后调用FDS实现SmokeView,并对火灾中烟气扩散、温度等进行分析。

Pyrosim界面如图2.1所示。图中左侧为模型组件目录,包括Meshes(计算网格)、Zones(区域)、Reactions(反应)、Materials(材料)、Surfaces(表面)、Devices(装置)、Controls(控制)、Results(结果)、HVAC以及Model(实体模型)。在上部菜单栏“Model”中,通过新建Obstruction(障碍物)、Slab(平板)、Hole(孔洞)和Vent(开孔)并设置相应的Materials、Surfaces以及Appearances(外观),可以建立火灾实体模型;在“Devices”中可以创建Thmercouple(热电偶)、Layer Zoning Device(层分区装置)、Flow Measuring Device(流量测量装置)等来获得火灾发生过程中的各类数据。

图2.1 Pyrosim操作界面

通常在建立火灾场景模型时,可分为以下几个步骤:

(1)编辑网格空间(Meshes)。根据目标场景的几何特性确定相应的网格空间大小并设置合适的元胞(cell)数量;

(2)创建Materials以及Surfaces。Materials用于定义室内家具、地毯等可燃物体内部的材料性质;Surfaces用于定义物体表面的一些特性,,可用于创建燃烧器(Burner)、加热或制冷器(Heater or Cooler)、通风口(Open)等;

(3)通过绘制障碍物(Obstruction)、平板(Slab)、空洞(Hole)并选择相应的Materials和Surfaces,建立墙体、门窗等结构。通过选择合适的Surface在指定位置设置Vent,可以创建诸如燃烧器、通风口、网格边界出口等平面物体;

(4)在合适的位置添加Devices以观测模拟数据;添加Results中的Slices则可以获得和保存指定平面上的实验数据;

(5)设置模拟时间,运行;模拟结束后,运行SmokeView,查看模拟结果。

2.2Pathfinder疏散仿真软件介绍

Pathfinder是由美国Thunderhead engineering公司基于人员进出和运动而研发的一个模拟器。它提供了图形用户界面的模拟设计和执行,以及以二维和三维形式出现的可视化分析结果。为了配合实际方面的构建模式,该运动的环境是一个完整的三维三角网格设计。Pathfinder可以引入FDS、CAD、Pyrosim等文件,以其为基础构建人员疏散模型,在设置好模拟时间、行为模式和时间间隔后便可开始仿真实验,运行结束后会得到疏散结果数据图表和人员疏散视频。

Pathfinder支持两种人员运动模式:一种为“指导(Steering)”模式,待疏散人员使用指示系统来行动并且与其他人员互动,该模式能尽量模拟人类的行为和运动;另一种为SFPE模式,待疏散人员不用考虑避免和其他人员相撞,但是门会限制人流最大值且速度由人流密度控制[15]

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