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幼儿园儿童的疏散演练及水平面的模拟行为数据
摘要：影响疏散安全的关键因素有人因和建筑设计两个方面。关于儿童疏散的行为数据是有限的。本研究的定量数据是从中国大连一所单层幼儿园(入学儿童大多为三到六岁)进行的三次疏散演习中收集和导出的。计算儿童自由行走速度为1.05plusmn;0.11 m/s，确定疏散过程中平均水平行走速度为0.86plusmn;0.20 m/s。然后，对密度、疏散时间和流量进行了分析。给出了疏散前教室的疏散时间和疏散行为。同时，将自由行走速度、身体尺寸等参数输入Pathfinder中，实验结果与Pathfinder模拟结果具有相似的一致性。本研究可为幼儿园疏散建模、疏散模拟、疏散安全策略及建筑布局设计提供参考。
关键词：幼儿园、孩子的疏散行为参数、实验模拟
1.课题背景介绍
建筑物的消防安全设计包括确定位置、紧急出口门的个数及其直径、楼梯设计、走廊设计等多个方面(Haghani,2020)。人为因素包括年龄、生理和心理特征、步行速度、撤离人员数量(Larusdottir，Dederichs，2011，2012；Lyzwa，2018)。有效疏散的指标包括运动时间、服务水平、出口门的流量等因素(Kurniawan等2018；中华人民共和国住房和城乡建设部，2014)。幼儿园3到6岁的儿童不能完全独立应对紧急情况。因此，幼儿园的建筑设计和施工实践应考虑到儿童身体能力的不成熟，并保证儿童的安全。建筑设计的标准、指南和规范在许多国家都得到了详细的强调，如美国、英国、澳大利亚和日本(Hurley and Rosenbaum，2016)。然而，幼儿园儿童的疏散研究远远少于成人。由于幼儿园的封闭式管理，在幼儿园开展实验十分困难。此外，流量、步行速度等要素对制定战略决策起着决定性作用(Hamilton，2020；Larusdottir，Dederichs，2012)。在建筑设计中，消防安全测试是一个基于性能的过程，在日本、新加坡、澳大利亚等许多国家的技术规范标准中都有规定(SCDF, 2015;Tsujimoto, 2002;贝克,1997)。其中一个组成要素是疏散数据(Kurniawan et al，2018)。因此，收集和分析儿童疏散行为的相关数据十分重要和必要。本研究旨在探讨不同年龄段的教室儿童在有序的预活动和疏散过程中的行为；疏散过程中儿童与成人的行为差异以及疏散软件参数的设置。因此，描述了一种详细的数据收集方法来比较每个划分的区域与标记的位置。从儿童疏散和预行动阶段收集的新数据，并将模拟数据与实际钻孔数据进行了比较。
1.1疏散演习中儿童步行速度
近年来的研究表明，世界各国幼儿园疏散演习中儿童的步行速度各不相同。Taciuc和Dederichs(2014)比较了从几个国家收集的儿童疏散数据，以描述在室内环境中的具体行为，如不同梯度和宽度的楼梯上的行走速度。Fridolf et al.(2013)提到了用建模速度和移动速度来描述疏散距离计算的差异，为本研究提供了区域划分的方法。Najmanova和Ronchi(2017)讨论了数据收集方法，分析了2016年捷克学前儿童的水平和垂直行走速度;他们还指出，年龄和逃生路线是影响疏散行动的关键因素。因此，本研究填补了我国不同年龄段儿童疏散行为的空白。俄罗斯的一项研究(Kholshchevnikov et al，2012)提出步行速度随着年龄的增长而增加，并分析了1998年至2007年几所学校和幼儿园门口、楼梯等地方的人口密度与移动速度的关系。在巴西，测量6至14岁儿童在三次疏散演习中在走廊和楼梯上的移动速度(Ono et al.，2012)，学生排队疏散，根据老师的指示暂停或前进。2019年，Hamilton等人(2020)分析了疏散模式的影响，如成人陪伴对建模速度的影响。丹麦的Larusdottir，Dederichs(2011, 2012)通过比较3至6岁儿童的水平行走速度与成人的速度，他们提到儿童的疏散效果可以通过定期的训练或演练来提高，并且儿童在疏散时的行为与成人不同。在中国，对5至6岁儿童在走廊和楼梯上的步行速度进行了实验研究(Fang et al，2019)，建立步行速度、流速和密度之间的关系。然而，关于其他年龄组的研究却很少。Li et al.(2020)研究表明，在通过不同宽度的瓶颈时，儿童的步行速度、流量和密度是不同的，这反映了建筑设计对儿童疏散行为的影响。
通过文献分析得出，儿童疏散水平步行速度与垂直步行速度不同，受教师引导、疏散方式、建筑设计等因素的影响。而且，在不同的年龄段，速度也有很大的差异。
1.2 疏散模拟中速度参数的确定
Peng(2009)模拟了一次儿童疏散，水平步行速度为0.76 m/s，上楼梯为0.40 m/s，下楼梯为0.52 m/s。Wang(2014)在仿真软件中输入步行速度0.4 m/s，楼梯宽度为0.28 m，分析幼儿园儿童的疏散情况。Zhang(2014)指出，弯道转角越大，疏散效率越低；仿真结果表明，疏散人群的密度对疏散效果有一定的影响。这些对比表明，幼儿园设施和建筑设计会影响儿童在疏散过程中的步行速度，直接影响疏散效果。Lyzwa(2018)通过对比疏散演习和FDS疏散模拟的数据，将速度参数(最大值为1.07 m/s，最小值为0.72 m/s)定义为低密度下的步行速度。Cuesta et al.(2017)在西班牙进行的疏散实验中，比较了5个计算机模拟和6至16岁儿童的平均步行速度，结果表明观察曲线和模拟曲线之间具有良好的一致性。然而，在每一个模拟中，模拟的疏散过程是不同的。
通过对儿童疏散模拟研究的回顾，发现儿童疏散模拟参数设置范围广，方法多样。没有固定的方法，但需要根据儿童实际疏散演习的数据进行参数设置。
2.实验设计
在本研究中，研究对象分为三个部分。第一部分是在运动前阶段和旅行阶段对训练良好的儿童进行行为研究。第二部分是分析疏散密度对儿童步行速度和人流率的影响，用时间流来描述疏散过程中儿童的行为，并与其他文献进行比较。第三部分给出了儿童疏散的模拟结果，并与演练结果进行了比较。通过比较来验证Pathfinder在模拟儿童疏散时是否可靠。
由于当地政府要求幼儿园定期进行疏散演习，孩子们对疏散程序和路线都很熟悉。因此，儿童疏散和标准情况的参数化将更准确，以提高模拟结果的精度(Cuesta et al.，2017；Najmanova和Ronchi,2017；Othman和Tohir,2018)。本研究的实验可以为研究儿童疏散行为提供相对成熟的数据。
2.1 疏散演习
2.1.1 实验装置
这次疏散演习在中国大连的一所幼儿园进行了三次。幼儿园设六个班(图1)，分为三个年龄组，每组两个班。在工作日，幼儿园共有115名儿童和23名工作人员。先后于2019年7月3日上午10时至11时,8月5日下午3时至4时,8月9日上午10时至11时进行了3次疏散演练。在疏散演习期间，天气晴朗，气温较高。在每次疏散演习中，101名儿童和14名身体健康的教师参加了实验，所有演习都是事先公布的。共有303名儿童参加，42名教师参加。根据大连市教育机构消防安全规定(大连市教育局，2015)，每个季度至少要进行一次疏散演习，确保所有孩子都熟悉疏散路线。所有撤离者都被视为儿童，因为他们是集体行动的(Lyzwa,2018)。演习的整个过程(图2)安排妥当。为了防止烟雾导致窒息，孩子们被告知用毛巾捂住口鼻。然后，大家向教室门口跑去，有序地排队，在老师的指导下离开教室，通过最后的出口(WS和WN)(图3)。口)。北出口宽1.5米，南出口宽1.8米。
2.1.2疏散路线计划
图1为该单层幼儿园的布局图。南北两侧各有两个紧急出口(北出口和南出口)。
北出口宽1.5米，南出口宽1.8米。根据《学前、小学、初中安全管理规定》(中华人民共和国教育部、中华人民共和国公安部，2006年)，大连市消防部门批准了疏散路线规划，并对现场疏散进行了指导。A-1、A-2班为3至4岁儿童;B-1、B-2班为4至5岁儿童;C-1、C-2班为5至6岁儿童。在本研究中，A-1、A-2和B-2班通过南出口即1号路线进行疏散。B-1、C-1和C-2班从2号路线的北出口撤离(图1)。
2.1.3观察
为了确保幼儿园儿童的安全，辽宁省人民政府(2006)要求幼儿园安装监控系统。在幼儿园的屋顶和天花板上安装了几个摄像头(图1)。本研究中使用的部分数据来自于CCTV系统。同时，在走廊、大厅、紧急出口、角落等指定区域又安装了5个摄像头，记录疏散演习的整个过程，并提供儿童行走的详细信息速度、犹豫、撤退等异常行为。额外的摄像头被用来记录走廊和出口的场景。遵循行为数据收集方法(Cuesta and Gwynne, 2016；Larusdottir,Dederichs、2011、2012；Othman and Tohir, 2018)，通过软件从视频片段中获取图像，并收集信息。
图1幼儿园楼层布局，摄像位置，疏散路线
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激活报警 |
疏散到出口处 |
去安全区 |
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-环顾四周，立即站起来，掩住口鼻 -寻找门口，迅速向门口跑去 -在门口排队，做好有序撤离的准备 |
-两个或三个老师协助一个班的孩子 -弯腰遮住嘴，鼻子 -有秩序的疏散到两个出口到安全区域 |
-在走廊排队;出口有些拥挤 |
图2 疏散程序
2.2 数据收集
2.2.1标记位置，划分区域
共分析两种疏散路线。路线1为 A-1班的17名儿童和2名教师，A-2班的21名儿童和3名教师，B-2班的16名儿童和2名教师。有10个标示位置:W1、W2、W5为该路线疏散的各班门；疏散过程中，靠方向北和靠方向东的班级在W4和W14处相交；走廊在W6和W7转至大堂，可能引致交通挤塞；W8是大堂的尽头；WS是南边的出口。B-1班有17名儿童和2名教师，16名儿童和C-1班有3名教师，C-2班有14名儿童和2名教师。他们走2号疏散路线。2号路线上有6个标记的位置。W9、W10、W11位置为2号疏散路线的各班门口，集合在W12、W13处，通过北出口WN向室外疏散。标记位置之间的距离如表1所示。此外，主要标志包围的运动区域是PS、PN和P1- P8区域(表2)。
2.2.2测量数据
对三种演习的视频片段进行分析后，采集每幅图像的时间，频率为0.4 s。收集和观察以下数据:
- 疏散时间和预疏散时间。
疏散时间：从第一个孩子离开教室门开始，到所有疏散人员到达出口为止(WS，WN）预疏散时间:从警报被激活到第一个孩子离开教室门为止(Kholshchevnikov et al.，2012;Larusdottir, 2014；Hamilton等人，2017年)。
(b)预疏散阶段根据幼儿的行为分为两个阶段:识别时间和反应时间。他们通过分析教室的闭路电视录像来收集(图4)。
识别时间:火灾警报触发，孩子们放下他们的玩具，环顾四周
响应时间:站起来，和同学一起走到教室前面，寻找老师的指导，然后按照老师的命令排队。在这段时间里，孩子们聚在一起组成一个小组。当老师确认所有的孩子都在另一位老师的帮助下跑向队列时，他们将开始离开房间。
因此，响应时间可能会超过预疏散期的结束。
(c)自由行走速度和水平行走速度。
自由行走速度是指儿童在没有被打扰或停止的情况下的速度，这是模拟参数(agent的速度)的确定(Thunderhead Engineering,2015)。自由行走速度在不同年龄组的定义类似于德国的研究密度。在这项研究中，选取了63名儿童进行疏散实验。实验在儿童自由移动的低密度通道进行。从通道的西侧到东侧，这些孩子靠墙疏散。以步行距离和步行时间计算自由步行速度，并将其分为3个年龄组进行统计分析。
水平步行速度是指人员从教室到最终出口的平均步行速度，考虑了拥挤、停车等疏散行为。
- 北出口 （b）南出口
图3 疏散演习现场
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标记位置 |
路线1 |
路线2 |
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