突发事件下羊群行为对疏散效率的影响研究

唐艺璇，常波峰，孙璐瑶，王启睿，田水承

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 安全与应急管理研究所，陕西 西安 710054；3.陕西煤业化工集团神木红柳林矿业有限公司，陕西 榆林 719300)

0 引 言

随着社会的不断发展，各类突发事件频现，疏散是保证人员生命财产安全最快速、高效的途径，对时间、空间的充分利用显得尤为重要。突发事件本身具有的突发性、普遍性和不确定性等特点，使人必须在极短的时间内作出判断和决策，这会导致人直面此类危险的威胁时，由于危险而产生的恐惧、焦虑等心理干扰人的决策行为，进而对疏散效率产生影响[1-3]。疏散效率是保证人员安全疏散的关键。

由此，国内外众多学者针对疏散效率的影响因素进行了大量的论证研究。对于外部环境因素的影响，田水承、XIA、宋洋等借助仿真模拟的方法，认为合理的应急出口位置分布、室内布局与有效的智能消防联动装置是提高疏散效率的重要因素，对疏散效率的影响较大[4-7]；罗凌燕、ENRICO、王彦雲等以地铁站为研究场景，认为能见度、出口形状、人体疲劳度、人的心理变化等都会影响乘客的疏散效率，而安全疏导员的增加在一定程度上有助于平衡各个出口的使用效率[8-11]；益鹏等认为在紧急疏散过程中，当人员环境熟悉度较高时，习惯是影响人员出口选择与疏散总时间的重要因素[12-13]；陈一洲等通过构建人群疏散模型，得到与Pathfinder一致的模拟结果，得出疏散效率由人员密度、移动速度、疏散时间三者相互控制[14]。除环境因素对疏散效率带来影响之外，部分学者从心理层面出发，袁春燕等运用模糊逻辑方法对人员心理量化分析，构建了“心理-环境模型”这一可靠性更高的疏散模型，为人员疏散研究提供参考[15]；王莉、李晓艳、HELBING等认为人员心理因素显著影响疏散效率，其中，恐慌和从众心理的权重值最高[16-18]；SALOMA、HELBING、颜向农等研究认为，羊群行为阻止了对有效出口的利用，疏散时间显著增加，大大降低了人员疏散速度[19-21]；李昌华等研究表明，羊群行为对疏散的影响具有不确定性，需适当加入引导员等外界因素，方可确定羊群行为的促进作用[22]。

综合上述研究发现，前人对疏散效率的影响因素研究大多集中于环境和人的心理层面，忽视了疏散过程中发生的羊群行为，或简单地认为该行为抑制了人员疏散，将其片面地归于负性影响因素，没有分类讨论此行为对疏散效率的具体影响。鉴于此，文中借助Pathfinder软件，从羊群行为的自变量出发，根据不同比例的羊群行为对疏散效率的影响程度，综合分析应急疏散过程中羊群行为扮演的角色，期望为应急疏散仿真模拟与疏散模型的构建研究提供更为细致的参考。

1 羊群行为

1.1 羊群行为产生机制

羊群行为(herd behavior)最初起源于对牛羊等畜类成群移动现象的描述，后被社会学领域用来描述人类社会中的一种非理性行为：是指在社会情景或群体压力下，个人改变自己的态度、放弃原先的意见，产生和多数人一致的行为。20世纪30年代，谢里夫的流动错觉实验是首次围绕羊群行为开展的研究。

各项社会心理学研究成果证实，安全氛围作为社会环境因素影响着个体行为，当人处于应急状况下，最易产生从众心理，导致羊群行为[23-25]。法国社会学家TARDE认为，模仿是社会集体中最基本的社会现象，在没有干扰的情况下，模仿一旦开始，便会以几何级数的速度迅速增长蔓延，从而使个体行为上升为群体行为[26]。1922年，瑞士心理学家荣格提出了集体无意识理论，即在特定情况下，一群聚集的人会表现出全新的特点，个体特征消失，感情倾向趋同，服从于群体精神统一法则，使群体成员在情绪和行为上表现出一致性[27]。群体中的成员易受群体情绪的感染，从而选择与多数人一致的行为，群体的一致性又促进情绪在群体中的传播扩散，此类“暗示-模仿-循环反应”的过程，就是研究证实的求同心理过程。这种求同心理是造成羊群行为的心理基础，羊群行为是人寻求社会认同感和安全感的结果。

1.2 羊群行为影响因素

突发事件背景下，羊群行为的影响因素大致分为个人因素与群体因素。个人因素包括人的生理、心理特征以及对场景的熟悉程度等；群体因素包括人群的恐慌程度、行动方向等。在个体受群体情绪感染后，不安全感造成部分人理智缺失、判断能力下降，在选择疏散路线时不以距离等因素为参考标准，而是跟随人群流动方向进行疏散。

2 模型构建

Pathfinder是由美国Thunderhead Engineering公司开发的一款基于人员运动的仿真模拟器，常用于对人员的紧急疏散逃生评估。通过对人员肩宽、移动速度、预动作时间等相关参数的设置，计算出疏散的最佳时间，获得直观的可视化结果。使用者可根据软件模拟结果筛选出最优疏散方案，减少人员伤亡[28]。其中人员运动方式有2类可供选择，分别是Steering模式和消防工程师协会(society of fire protection engineers，SFPE)模式。Steering模式下，通过路径规划、指导机制和碰撞处理3类机制相结合对人员运动进行控制，如果人员之间的距离和最近点的路径超过某一阈值，可以重新规划路线以适应新的形势，简单来说就是在该模式下人员的疏散方向及速度取决于实际环境情况及人员密度等综合因素，不单以距离为参考量。SFPE模式利用空间密度确定运动速度，依据就近原则，疏散人员对出口的选择仅以距离作为选择该出口的原则。2类模式中，Steering模式疏散路径的规划参考条件更加丰富，考虑因素较多，更贴近人员真实疏散情况，更符合实际需要，故选择该模式作为文中人员的运动方式。

文中借助Pathfinder仿真平台，通过构建虚拟场景，模拟不同程度的羊群行为对疏散效率的影响。与实景实验相比，该方法节省了大量人力物力，且避免大量人群疏散情境下可能发生的拥挤、踩踏事故。

2.1 场景构建

以某办公楼火灾为例，该办公大楼共地上4层，1～3层为标准层，层高3 m，宽9 m，长22 m，4层天台建筑高2.6 m，建筑面积共691.02 m2。文中对建筑采用1∶1的比例简化模型内外结构。室内共有2部楼梯，其中一部为从一楼直通3楼的旋转楼梯，一部为连接各楼层直至天台的单跑楼梯。选择发生火灾时的最不利情况，将起火点假设为位于靠近一层正门与旋转楼梯口的位置，选择一层侧门(Exit 1)与天台(Exit 2)作为人员疏散的2个出口，宽度分别为2 m和1 m，连通一二层的旋转楼梯不做疏散用途，仅将单跑楼梯和连通二三层的旋转楼梯作为连接室内各个楼层的疏散通道。场景模型如图1所示。

图1 场景模型平面图

2.2 人员参数设定

据事件新闻报道，事件发生时建筑内共70人，1楼12人，2楼31人(15女，16男)，3楼27人(14女，13男)，其中69人在20～50岁区间内，1名60岁以上的老人。面对突发火灾，人员疏散行为通常会稍做延迟，根据人员所处楼层的不同，以一层反应时间T1=0.62 s为基础，依次递增1 s作为各层人员的反应时间[29]。构建疏散模型时，人员空间位置分布随机设定如图2所示，相关参数见表1。

图2 人员位置分布图

表1 人员参数设置

3 羊群行为模拟

3.1 不同比例的羊群行为模拟

突发事件疏散过程中的羊群行为表现为人员疏散过程中对出口的选择，当群体处于正常情况时，人员往往会根据自身对场景的熟悉程度、出口距离、自身习惯和需要等对出口做出选择。一旦遇到情况不明的紧急事件，在逃生本能的驱使下，处于群体中的人因恐惧失去理智，出于对群体选择的信任，常常会选择做出与群体一致的行为。文中以正常情景下的疏散情况为对照组，由图3可知，模拟发现通过Exit 1的人员数量略多于Exit 2，故文中将出现羊群行为的人员设定为仅选择Exit 1作为疏散出口，其余人员仍遵循Steering模式进行疏散。本模型选择以0.2为步长，模拟了羊群行为人数占比从0到1的疏散情况，将疏散时间作为评定疏散效率的指标。

图3 对照组各出口人员通过总量

3.2 结果分析

疏散模拟结果如图4所示。正常情况下的疏散时间为64.3 s，与对照组相比，在羊群行为比例达到20%时，疏散效率最高，所需疏散时间为60.8 s；40%时疏散效率有所下降，但对疏散仍起正向促进作用。当羊群行为比例上升到60%时，疏散时间提高了19.84%，增长速度较快，说明此时羊群行为大大影响了人员疏散。此后，疏散时间随着该行为比例的上升持续增大，当整个群体都发生羊群行为时，疏散时间提高至91.5 s。与对照组相比，最短疏散时间减少了5.44%，最长疏散时间增加了42.31%。

图4 不同比例羊群行为的疏散时间

分别选取模拟结果中疏散时间最短和最长的情况，如图5～图8所示，发现疏散过程中3层楼梯拐角处出现人员密度最大且移速最慢的情况，说明此处发生人员拥堵情况。当疏散通道口达到自身疏散极限时会出现如图所示的“成拱效应”，群体内的相互作用力使得该效应下的疏散效率降低，导致人员滞留，3层楼梯拐角人员疏散路径的相互交错情况如图9所示。针对上述问题，在不改变楼梯宽度与拐角空间的状况下，在拥堵处增加适当的障碍物可适当分流人群，减少人员间的摩擦力。结合实际情况在距楼梯不远处设置一1.1 m×0.1 m的障碍物，改进前后疏散时间见表2，改进后的疏散时间均有减少，其中比例为20%和100%的分别为57.5和90.8 s，分别下降了10.58%和0.77%，对疏散效率有促进作用。

图5 20%羊群行为下人员密度热图

图6 20%羊群行为下人员移速热图

图7 100%羊群行为下人员密度热图

图8 100%羊群行为下人员移速热图

图9 3层楼梯人员疏散路径

表2 改进前后疏散时间统计表

验证了以往研究中认为羊群行为会导致疏散时间增加、疏散效率下降的观点的正确性。但文中通过将羊群行为划分成不同比例的方法，发现较小比例的羊群行为对人员的疏散速度起到促进作用。这是由于正常情况下，各出口会出现利用不均的情况，而羊群行为导致的出口利用不均衡，可改善正常情境中出口利用不均的缺陷。改进后障碍物的设置，能有效改变人员疏散路径，减弱了人群成拱效应的稳定性，减缓成拱效应的形成周期，缓解人员拥挤状况，有效提高疏散效率。

4 结 论

文章借助Pathfinder软件，以某办公楼为场景构建了疏散模型，目的是探究羊群行为对疏散效率的影响，并以缩短疏散时间为目的对模型加以改进，得到以下结论。

1)疏散过程中的羊群行为不能简单归结为负性影响因素。羊群行为比例在20%～40%时，有助于提高疏散效率；一旦超过该范围，疏散时间显著增长，效率降低。

2)一定条件下的障碍物对人员疏散有促进作用。正常疏散条件下，障碍物可以消解或抑制疏散口的成拱效应，改变人员路径，缓解疏散过程中的拥挤程度，提高疏散效率。