考慮到特殊疏散人員和煙氣運(yùn)動的船舶火災(zāi)安全風(fēng)險評價

1、考慮到特殊疏散人員和煙氣運(yùn)動的船舶火災(zāi)安全風(fēng)險評價考慮到特殊疏散人員和煙氣運(yùn)動的船舶火災(zāi)安全風(fēng)險評價摘要：在船舶系統(tǒng)的安全設(shè)計中，必須考慮到船舶火災(zāi)發(fā)生時的人員生命安全。因?yàn)槊總€人特有的行為模式是很難琢磨的，所以不可能建立起一個絕對安全的疏散系統(tǒng)。本文研究了以下三個方面：1）通過雙層區(qū)域模型，確定煙氣擴(kuò)散狀況；2）通過模擬突發(fā)恐怖事件和不同煙氣傳播階段時群體行為模式確定疏散人員的流向；3）安全評價風(fēng)險指數(shù)在煙氣擴(kuò)散和逃生行動中的應(yīng)用。風(fēng)險指數(shù)可用于比較不同系統(tǒng)的安全性，并且有助于疏散方案在事故船舶一系列典型區(qū)域更加有效地發(fā)揮作用。關(guān)鍵詞：風(fēng)險評價 火災(zāi)安全 心理模式 煙氣擴(kuò)散 逃生模擬 風(fēng)險指

2、數(shù)1.引言 在船舶突發(fā)火災(zāi)中存在很多復(fù)雜的未知因素和人的不確定行為，在以上不確定因素存在的條件下，制定一種絕對安全的疏散方法是很困難的。必須采取有效措施遏制煙氣的快速擴(kuò)散傳播，以防止遠(yuǎn)離火災(zāi)發(fā)生源頭處的人員面臨危險，有必要制定多套備用系統(tǒng)來防止不可知因素，如人的不理智行為。據(jù)此，疏散系統(tǒng)中的逃生路線和人流控制設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該加以優(yōu)化，應(yīng)該考慮到煙氣擴(kuò)散和疏散時人的因素。 有很多人進(jìn)行了關(guān)于火災(zāi)現(xiàn)象模擬的研究，最近 Tieszen1發(fā)表了一篇關(guān)于區(qū)域模型的文章，用有代表性的房間來代替研究多個房間的情況的方法被廣泛的應(yīng)用于工程領(lǐng)域。最近，區(qū)域模型使得火災(zāi)模擬可以更好的反映空間的短暫變化，被廣泛應(yīng)用于火

3、災(zāi)研究2、3。隨著區(qū)域模型研究的深入，常用的 Boussinesq 最大值法已經(jīng)不適用于火災(zāi)研究，然而這個難題被 Erlebachar et al4所解決。煙氣流動模型要求對未解決的火羽流運(yùn)動作出解釋。在此，煙氣運(yùn)動的計算是通過雙層區(qū)域模型實(shí)現(xiàn)的，區(qū)域溫度和燃燒產(chǎn)物種類全部假設(shè)為恒定，而且各相鄰區(qū)域的平衡狀態(tài)是連續(xù)變化的。 疏散活動可以通過采用群體行為模式的方法進(jìn)行定量預(yù)測：1）不同人群的行動能力；2）煙氣層降低對行走速度的降低；3）心理上發(fā)生自閉的可能性。疏散系統(tǒng)的安全評價風(fēng)險指數(shù)被定義為同步模擬煙氣擴(kuò)散和逃生行為的結(jié)果。風(fēng)險指數(shù)在選擇最佳的逃生路線和對比不同安全疏散輔助系統(tǒng)方面很有價值，它

4、的有效性會再大量的三層甲板式游輪的公共區(qū)域應(yīng)用中得到驗(yàn)證。2. 安全疏散系統(tǒng)和人的因素一個疏散系統(tǒng)必須跨學(xué)科的考慮到煙氣的驅(qū)散、熱量的傳播、毒性、復(fù)雜的幾何空間、緊急狀況下心理因素對人行為的影響。安全疏散要在充分掌握甲板通道和各種輔助設(shè)施的情況下設(shè)計恰當(dāng)?shù)奶由肪€，例如防煙和防火設(shè)計。2.1 疏散的行為習(xí)慣 在船舶火災(zāi)中逃生者的行為各不相同，并且有手本能控制的傾向。值得注意的是，從眾本能和趨家本能通常導(dǎo)致在選擇逃生路線是發(fā)生錯誤。此外，當(dāng)旅客位于船舶的危險部位時通常會在逃生步驟時做出錯誤的判斷。為了避免上述情況，在逃生路線上設(shè)置清晰的指示標(biāo)志和足夠的引導(dǎo)是至關(guān)重要的。 快速的逃生取決于步行速度

5、，步行速度又取決于年齡，因此可以按行動速度把人能群分成三組：小孩（大約 1.0m/s） 、年輕人活者成年人（約 1.3m/s） 、老年人（約 1.0m/s） 。此外，步行速度還收在煙氣層下行走姿勢的影響，樓梯上行走的速度會下降到常態(tài)下的50%。（a）心智活動流程圖（b）數(shù)學(xué)模型圖 1.緊急狀況下的心理智力行為流程2.2 緊急事件和恐怖狀況發(fā)生時的精神狀況 2.2.1 緊急狀況下的心理動態(tài) 緊急狀況如船舶火災(zāi)和船體下沉，下的心理活動如表 1a 所示。它由環(huán)境識別、地點(diǎn)判斷、行為理解和外部一致性構(gòu)成。在危險狀況下，理解記錄和行為記錄對重新定義環(huán)境很有用，還用于進(jìn)行行為預(yù)測。這些記錄與個人判斷具體指

6、定情況的能力和接受標(biāo)準(zhǔn)行為教育和培訓(xùn)的數(shù)量有關(guān)。 在對事件不樂觀的預(yù)期下會產(chǎn)生自我封閉，對恐怖狀況的情緒反應(yīng)超出了臨界值，為了防止這種自我孤立，應(yīng)該提高如何應(yīng)對類似經(jīng)歷的能力，接收足夠次數(shù)和質(zhì)量的應(yīng)急教育。2.2.2 心理活動的數(shù)學(xué)模擬 心理活動的框圖見圖 1b，在這個控制工程的數(shù)學(xué)模型中，U 代表事故產(chǎn)生的刺激因素（輸入） ，y 代表心理和行為上的反應(yīng)（輸出） ，A 代表行動計劃的協(xié)同因素，B 表示監(jiān)測能力的協(xié)同因素，1/S 表示運(yùn)算。因此這個算術(shù)模型的轉(zhuǎn)換函數(shù)和狀態(tài)方程可表示為：式中，t 表示時間，C 是由理解腳本確定的常量，刺激產(chǎn)生的情感反應(yīng)能夠通過隨時間變化的協(xié)同因素 A、B、C 來評

7、估，心理模型的控制因素能夠通過心理學(xué)試驗(yàn)和對以往事故的案例分析結(jié)果來確定?？梢詫⒂嬎愕慕Y(jié)果分成到級，船舶火災(zāi)的每一級都有若干個判定條件：級，聽到緊急火災(zāi)報警鈴聲級，暴露在高度低于 1.5m 的煙氣層中級，暴露在高度低于 0.9m 的煙氣層中級，1）暴露在高度低于 0.6m 的煙氣層中，或者 2）感覺到火焰并且暴露在高度低于 0.9m 的煙氣層中2.2.3 心理自閉 當(dāng)事故的恐怖刺激超出心理承受能力的臨界值，自閉現(xiàn)象就會像面臨恐怖事件一樣爆發(fā)，人的各種能力嚴(yán)重減弱，更具體地講，發(fā)生恐怖狀況時，人發(fā)生錯誤的概率高達(dá) 50%，一些研究承受能力隨刺激程度變化的疏散模型得出的結(jié)論如圖 2，反映自閉發(fā)生的

8、可能性與不同級別的刺激以及個人承受能力的對應(yīng)關(guān)系見表 1.在大量案例分析的基礎(chǔ)上，計算中假定人的能力在自閉發(fā)生時下降達(dá) 15%之多。2.考慮煙氣擴(kuò)散影響的逃生模擬3.1 疏散模型 為了全面評定船舶疏散系統(tǒng)的性能，對疏散模型的評估有必要考慮到以下幾個因素：船舶的幾何造型、環(huán)境、運(yùn)動方式以及疏散方案本身。在此通過第二類群體的群體行為模式來進(jìn)行逃生模擬。程序和行為的方向性是全體船員的共同行為傾向，乘客最了解的是船舶內(nèi)部的，緊急標(biāo)示等方面的知識。將疏散者根據(jù)行動速度和決策能力分為三組，而且必須考慮到不斷降低的煙氣層對行走速度的影響。圖 3 展示了逃生姿勢和速度與煙氣層高度變化的關(guān)系，這些數(shù)據(jù)是通過對

9、20 名成年人進(jìn)行受限行走的試驗(yàn)得出來的。圖 2.不同人群最低心理承受能力變化曲線表一.不同刺激等級下心理自閉發(fā)生的可能性圖 3.不通煙氣層高度時的行走姿勢和速度：a.不同高度下的行走姿勢；b.行走姿勢與高度的關(guān)系。 考慮到幾何因素，包括甲板圍欄、安全出口的數(shù)量和型號、走廊寬度、行走距離等，疏散區(qū)域被劃分為四類：1）客用空間，如船艙、劇院等，有一個或多個出口，2）過道，3）最后登陸匯合區(qū)，有多個入口和出口，4）最終登陸區(qū)。在任何可能的情況下，例如要考慮到煙氣擴(kuò)散方向的環(huán)境，狹窄的出口和樓梯處的停滯都表現(xiàn)出對疏散人流的限制，如在水平路面人流為 1.5 人/m/s 樓梯上為 1.3 人/m/s。圖

10、 4.不同區(qū)域通往出口的疏散通道：a）有障礙；b）無障礙3.2 逃生模擬 當(dāng)疏散人員位于有大量裝飾物和家俱的客用區(qū)域時，逃生路線傾向于折線型，如圖4a，在時間 t 內(nèi)到達(dá)出口的疏散者人數(shù)可表示為a 和 b 分別表示區(qū)域的長和寬（m） ，v 是移動速度（m/s） ，n0是初始人員密度（人/m2） ，HVx是海維賽式步驟函數(shù)。 在旅客活動區(qū)的逃生路徑上沒有障礙時，如圖 4b，到達(dá)出口的逃生者人數(shù)用下面的方程式表示如果疏散者在多個出口中任意選擇一個，那么他到達(dá)出口的最短時間是： 式中 t0，min和 Nexit，i分別表示流出速率（人/s）和從各個出口撤離的疏散者初始人數(shù)。因此，經(jīng)此通道撤離的人數(shù)

11、Nexit，i表示為 假定疏散者在時間 Dt 內(nèi)在旅客通道上移動的距離為 vDt，此外還假設(shè)，他們在公共場所是沿連接入口和出口最短的路線撤退到開闊場所的，直到所有逃生者都到達(dá)最后登陸區(qū)。33 煙氣擴(kuò)散模擬 模擬逃生行動時必須結(jié)合估算煙氣擴(kuò)散對行走速度降低的影響,以及煙氣層降低導(dǎo)致的心理自閉,煙氣擴(kuò)散的計算采用雙層區(qū)域模型.每個區(qū)域的溫度和燃燒產(chǎn)物都可以看作是連續(xù)變化的.每個區(qū)域的平衡移動都可以通過與之緊密相鄰的區(qū)域推斷出來. 3.3.1 混合氣體的氣體平衡 隨著易燃物質(zhì)的燃燒,氧氣被耗盡,CO2,CO,氫化物等最終以一定的比例存在,每個通風(fēng)分區(qū)的混合氣體都符合以下方程: Wk 是混合氣體的密度

12、(kg/m3),k 為O2, N2, CO2, CO, H2O,mj 是 j 區(qū)氣體的流速(kg/s),nj 是物質(zhì)的生成速度或消耗速度,r 和 v 分別為各自區(qū)域密度和體積的增加值,表示求和,下標(biāo) j 表示相鄰各區(qū)域. 3.3.2 目標(biāo)區(qū)域的熱平衡 由于混合氣體各組分間固有熱量差異是微弱的,獨(dú)立空間氣體壓力隨氣體泄漏的變化也不明顯,所以區(qū)域熱平衡的公式可以表示為: T和Tj分別指目標(biāo)區(qū)域和相鄰區(qū)域的溫度,Cp表示氣體的比熱容(kJ/kg/K), QH是生成物放熱流入目標(biāo)區(qū)域的功率(kw),PH表示原狀態(tài)下和反應(yīng)后焓的比值,mb燃燒反應(yīng)速度. 3.3.3 煙氣區(qū)的熱容平衡方程 可以假定燃燒后的

13、空氣成分和新鮮空氣一致,目標(biāo)區(qū)和封閉區(qū)的氣壓一致,在目標(biāo)區(qū)漏氣的情況下,煙氣充滿區(qū)體積平衡,則熱平衡方程為: 下標(biāo)表示不同的煙氣區(qū),低壓區(qū)的體積Vs可以用V代替.4.安全評價風(fēng)險指數(shù) 疏散人員的安全由煙氣擴(kuò)散和包含大量安全疏散輔助系統(tǒng)的疏散線路決定.因而,G類人群從N區(qū)逃生的安全評價風(fēng)險指數(shù)可以用下式定義,它包含了模擬結(jié)果中與煙氣有關(guān)的逃生行為. ri,j(t)是j群體的行走速度降低幅度,所以(1-ri,j)就是考慮到煙氣影響后的速度.mi,j(t)是指在所有M個分區(qū)中第i個分區(qū)中j群體的人數(shù),xi是從i區(qū)到達(dá)登陸區(qū)的總距離L中屬于逃生路徑的長度. 風(fēng)險指數(shù)定義為疏散系統(tǒng)的危險度,如逃生路徑和

14、測量排煙系統(tǒng).Rev=1表示最壞情況，所有逃生者都因暴露在煙氣中當(dāng)場死亡。圖5.游輪公共區(qū)域總體布局5. 游輪疏散系統(tǒng)的實(shí)用性 5.1 分析模型 游輪上三個甲板區(qū)的煙氣擴(kuò)散和人員疏散如圖5 ，都是數(shù)學(xué)模擬的。我們原定的方案是實(shí) 用的，假定火災(zāi)是在C區(qū)最先發(fā)生的，包括乘客和船員在內(nèi)的422人的位置分布如圖5所示，根據(jù)v假定的逃生方案，每個人有兩個最終出口。計算機(jī)模擬煙氣擴(kuò)散的參數(shù)都是采用普通的熱量，氣體流動的物理特性。除正廳外的所有天花板的高度都假定為2.2米。逃生方案圖6 ，是參考了陸地上真實(shí)火災(zāi)研究數(shù)據(jù)制定的。方案是理想狀態(tài)，C區(qū)乘客了解危險情況并且很快逃生。方案2計劃C區(qū)乘客在火災(zāi)發(fā)生后2

15、min后才意識到。方案3所有在甲板上的成員在火災(zāi)發(fā)生后很長時間才意識到危險，開始疏散。圖6.撤離的反應(yīng)過程表二.各組的沉著率和正常行走速度由表一我們可以看出恐懼v通常發(fā)生在級刺激情況下，但理解力差的人容易在級刺激情況下就發(fā)生自閉癥。根據(jù)調(diào)查疏散者在大型建筑火災(zāi)記錄和統(tǒng)計結(jié)果，旅客的心理和行為反應(yīng)與年齡的關(guān)系，乘客和船員根據(jù)行動速度和決策能力可以分為三類：1）A組，青壯年組（有自立能力）2）B組，（不冷靜或無自立能力）3）C組老年人，有火災(zāi)經(jīng)歷但行動遲緩的人。這些人正常的行動速度為1.3m/s或1.0m/s。煙氣層在0.9m有無自閉發(fā)生見表二，類似的三個群體假定的疏散速度見表三。圖 7. 煙層高

16、度變化隨著時間的影響 5.2 模擬結(jié)果 圖7顯示，當(dāng)各區(qū)域的正廳和禮堂都在屋頂采用自然通風(fēng)系統(tǒng)時，煙氣層高度隨時間變化的情況，根據(jù)計算結(jié)果火災(zāi)煙氣的流動會影響以下區(qū)域的疏散：A甲板區(qū)的大廳和走廊，B區(qū)的禮堂和C區(qū)的走廊。 疏散行動的成敗取決定于煙氣流向A甲板區(qū)的速度?；鸢l(fā)生后150s，A區(qū)煙氣層的高度下降到1.5米（級刺激），220后下降到0.9米（級刺激），330s后將下降到0.6米（級刺激），此時疏散者只有匍匐爬行才能前進(jìn)。逃生模擬有以下幾種假定結(jié)果：1)勻速前進(jìn)2）減速前進(jìn)3）由于煙氣層降低發(fā)生自閉完全無法前進(jìn)。這這些可能情況中，220s時只有B類群體發(fā)生自閉，330s時A區(qū)所有人發(fā)生自

17、閉，在模擬結(jié)果。的基礎(chǔ)上，圖8，9，10 反映了隨時間變化每個區(qū)域大廳和樓梯上疏散人員的數(shù)量。方案三中三個不同時間點(diǎn)疏散人員的分布如圖11所示。圖中疏散時間的延長符合自閉發(fā)生的情況。5.3 安全疏散系統(tǒng)的安全評價公式9中的風(fēng)險指數(shù)Rev（t）應(yīng)用于每個方案的情況如圖12所示，對比了所有方案中勻速前進(jìn)時的風(fēng)險指數(shù)，圖13所示的為隨時間變化總的風(fēng)險指數(shù)情況，從這個圖我們可以看出，在逃生初期有任何延誤導(dǎo)致的不安全狀況都可以通過總風(fēng)險指標(biāo)和累積風(fēng)險指標(biāo)反映出來，更重要的是充分考慮到了行動速度降低和自閉的發(fā)生對疏散時間的消耗和造成的危及人生命的狀況的影響。這種嚴(yán)重的后果發(fā)生在方案二和三中，但方案一中不會

18、發(fā)生。大量的疏散者必須通過充滿煙氣的A區(qū)大廳。圖8.特定區(qū)域疏散人員隨時間的變化（方案一）：A勻速前進(jìn)，B因煙氣層降低減速前進(jìn)，C.煙氣層降低導(dǎo)致行走速度降低和爆發(fā)自閉。圖9.特定區(qū)域疏散者人數(shù)的變化：A勻速前進(jìn)，B減速前進(jìn)，C減速前進(jìn)并且發(fā)生自閉，D 為了制定一個安全的疏散系統(tǒng)，需要度量如何防止煙氣擴(kuò)散，建立適用的逃生輔助系統(tǒng)，例如煙幕和備用緊急出口。煙幕裝在走廊的上部，當(dāng)有煙幕（0.4米高）懸掛在C區(qū)生活區(qū)的天花板邊緣，圖14A中的風(fēng)險指數(shù)曲線從實(shí)線位置移動到虛線位置，這個圖表明擋煙幕在火災(zāi)初期是很有用的。A區(qū)的備用緊急出口。煙氣向A區(qū)快速擴(kuò)散是模擬中引起危險的不利因素。如果設(shè)置了通往登陸

19、區(qū)的緊急備用出口，風(fēng)險指數(shù)REV(T)就會像圖14B所示那樣降低.這表明備用出口在避免危險方面是很有用的.6 結(jié)論考慮煙氣擴(kuò)散和人的因素的船舶火災(zāi)逃生通過數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn)了.而且在模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上提出的風(fēng)險指數(shù)可以對疏散中的危險因素進(jìn)行定量評價.結(jié)論如下:1.考慮到煙氣擴(kuò)散的逃生模擬,對任何疏散計劃中的安全事項評估都是很有價值的.2.逃生行動初期的延誤可能演化成不安全狀況.3.隨煙氣層的下降,疏散者有行動減緩和發(fā)生心理自閉的趨勢.這種情況對逃生時間和危險狀況的發(fā)生都有不可忽略的影響.4.風(fēng)險指數(shù)對REV(T)對評估安全疏散系統(tǒng)很適用綜合考慮了最佳逃生路線和各種逃生輔助系統(tǒng).參考文獻(xiàn) 1. Ties

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