火灾环境下疏散系统演化机制及自组织临界性研究

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近几个世纪以来,火灾事故频繁发生,安全疏散形势严峻。特别对于人员密集场所,应急疏散过程中潜藏着众多不安全因素,一旦疏散过程中的某些环节出现偏差就极有可能发生意外事故。而目前对于人员应急疏散的研究主要集中于疏散人员的心理行为方式和疏散群体安全疏散所需时间上,对其自组织过程却很少涉及,因此对人员疏散的动态过程、群体特征、演化规律进行深入的研究,具有极大的现实意义和实用价值。  论文在研究了发生火灾时疏散群体的整体性、流动性以及复杂广延耗散系统的普遍特性的基础上,将火灾环境、疏散群体定义为疏散系统,并探讨了疏散系统演化机制及其自组织临界特性,主要研究成果如下:  (1)通过对疏散系统空间尺度上的基本组成结构、信息传递途径、演化过程及机制进行研究,提出了疏散系统演化机制动态发展模型图,通过出口的线性连接将疏散区域划分为危险区、临界区、安全区三个部分。  (2)以自组织临界性理论为基础,建立了疏散系统元胞自动机模型。通过基于MFC的应用程序对疏散系统元胞自动机模型进行模拟实验,探讨了疏散系统时间尺度上的标度不变性。研究结果表明:当疏散系统发展到一定程度,疏散人员间的信息传递水平比较一致时,疏散系统将进入自组织临界态,此时如果受到周围环境、个人心理行为方式、决策失误等“扰动”干扰导致某一个体单元不安全度增加,不仅影响其本身的安全状态,而且还由于消极信息传递的影响导致大规模的“崩溃”出现,甚至导致系统“雪崩”,其“雪崩”规模与发生频率符合幂律规律。  (3)疏散系统元胞自动机模型模拟结果表明:随火灾各个阶段的持续发展,系统内外联系紧密程度逐渐增强,而随疏散系统内外联系紧密程度的增强,系统的生存时间步数急剧下降,并且疏散系统发生“雪崩”的概率与系统的平均生存时间呈反比。  (4)对疏散系统自组织演化过程的研究表明:疏散系统内各单元之间的信息传递水平决定了疏散系统是否可能演化到自组织临界态,即如果疏散系统各单元及各子系统间的信息传导能力完全一致则系统很大程度上不会表现出自组织临界性。  通过对疏散系统时空尺度上的研究,验证了疏散系统的自组织临界性,得出了系统发生“雪崩”的概率与条件及平均生存时间的影响因素。根据上述研究成果,将自组织临界性理论应用于火灾环境下人员应急疏散系统,提出了火灾环境下应急疏散的对策及建议,即对系统临界自组织状态的发生进行有效预防,或当系统到达临界自组织状态时,人为扰乱其临界自组织状态,可在很大程度上防止系统“雪崩”。  本文对疏散系统演化机制以及其自组织临界性的研究于指导火灾环境下的应急疏散具有重要的现实和理论指导意义。
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