基礎(chǔ)研究—北京市自然科學(xué)基金風(fēng)采
清晨7:30的北京地鐵站，人潮涌動(dòng)，川流不息。伴隨上班的人匆忙的腳步，地鐵各個(gè)進(jìn)出口和通道里的人像涌上沙灘的潮汐一般，一浪接著一浪。在步履匆匆之際，我們有時(shí)不免會(huì)疑惑，如此大量的人群，在一個(gè)半密閉的環(huán)境中，萬(wàn)一出現(xiàn)緊急狀況，我們究竟可以通過(guò)什么樣的路線安全逃生呢？
實(shí)際上，不僅是地鐵，商場(chǎng)、餐廳、醫(yī)院、大型集市、公共展覽館、演藝活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)、車站、碼頭，城市大型的公共聚集場(chǎng)所往往都人多擁擠。而在一個(gè)較為擁擠和較為密閉的環(huán)境中，一旦發(fā)生災(zāi)難性的事故，比如火災(zāi)、爆炸或者地震時(shí)，人群中發(fā)生瞬間擁擠和踩踏事故的可能性極大，此時(shí)人群的安全撤離就是個(gè)極大問(wèn)題。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的出入口，可以提高公共場(chǎng)所人員的疏散效率，縮短疏散時(shí)間從而減少人員傷亡，因此如何設(shè)計(jì)公共聚集場(chǎng)所的出入口，就有著極其重要的意義。
潮汐一般的人流
說(shuō)人流像潮汐一般，并不完全是一個(gè)比喻的說(shuō)法，至少對(duì)北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所的副所長(zhǎng)汪彤來(lái)說(shuō)是如此。幾年前，汪彤主持了北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“公共聚集場(chǎng)所出口應(yīng)急疏散能力研究”，汪彤的工作之一，正是針對(duì)公共聚集場(chǎng)所出口應(yīng)急疏散能力的研究。
“你看，人群是由一個(gè)一個(gè)的個(gè)體組成的，而液體或者氣體也是由一個(gè)個(gè)的分子組成的，那么我們的人群和流體就有了某些相似之處。”王彤注意到，在人群密度較高時(shí)，人群的流動(dòng)類似于氣體或者液體的流動(dòng)。她將緊急疏散時(shí)的人群視為由單個(gè)“人分子”組成的某種流體。這樣，人群就變成了“人流”。
但在實(shí)際情況當(dāng)中，人流中的各個(gè)“人分子”并不會(huì)像水分子或者氣體分子那樣沒(méi)有差別，而是充滿個(gè)性。災(zāi)難一旦發(fā)生，人群撤離時(shí)都非常慌亂，每個(gè)人的反應(yīng)和行為都會(huì)不一樣，那么怎么得到人流當(dāng)中“人分子”的個(gè)性行為數(shù)據(jù)呢？王彤和她的研究小組通過(guò)對(duì)不同的典型公共聚集場(chǎng)所，包括商場(chǎng)、地鐵、比賽場(chǎng)館等地進(jìn)行實(shí)地觀測(cè)和測(cè)量，還請(qǐng)來(lái)一批年齡段各異的人群模擬測(cè)定，最終得出不同人群的步速和他們各自的組成比例。
這樣，從人群中的擾動(dòng)傳播現(xiàn)象出發(fā)，研究人員就可以定義人群中的“壓力”、“流動(dòng)速度”，借助于已有的流體動(dòng)力學(xué)，研究這些參數(shù)之間的關(guān)系，就可以建立適用于控制疏散高密度人群的方程。如此一來(lái)，人群的移動(dòng)就可以利用液體或者氣體流動(dòng)的方程。“我們所說(shuō)的人流滾滾就不再只是你們記者筆下的一個(gè)比喻，而是我們科學(xué)工作者電腦中實(shí)實(shí)在在的數(shù)學(xué)模型了。”
設(shè)計(jì)良好的出口什么樣？
在得到一系列調(diào)查結(jié)果后，研究人員又通過(guò)軟件進(jìn)行模擬，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果修正軟件參數(shù)，最終用修正完畢的模型模擬計(jì)算各種出口條件下的人員疏散情況，得到結(jié)論。
一個(gè)空間的出入口越寬，出現(xiàn)緊急狀況時(shí)撤離速度就越快，這幾乎是個(gè)常識(shí)性的問(wèn)題。“這在我們的模型當(dāng)中也得到了體現(xiàn)，”關(guān)于模型的結(jié)論，汪彤這樣介紹到，“但是，和我們的常識(shí)相悖的是，這個(gè)寬度并不是越大越好。”模擬模型表明，當(dāng)出口的寬度增大到一個(gè)臨界值時(shí)，疏散時(shí)間就不再隨寬度的變化而增加，而更多的是由疏散人員的步速?zèng)Q定，也就是說(shuō)撤離的速度取決于人們跑動(dòng)的速度。
這個(gè)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于出口的設(shè)計(jì)非常具有實(shí)際意義，因?yàn)楹芏喙こ锑笥趫?chǎng)地，無(wú)法設(shè)計(jì)太寬的出口，那么通過(guò)這個(gè)模型，就可以結(jié)合實(shí)際情況，尋找最佳的出口寬度。
撤離空間與出入口的內(nèi)容結(jié)構(gòu)，也決定了撤離時(shí)的速度。很多空間的出口都存在轉(zhuǎn)角，有的甚至是直角形的轉(zhuǎn)角，這無(wú)疑會(huì)給疏散帶來(lái)不便。那么，什么樣的轉(zhuǎn)角最影響撤離呢？研究人員模擬了垂直、鈍角（120度）、較大的鈍角（135°、150°）和直線型的出口，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)角的角度越大，人們撤離時(shí)所需的時(shí)間也就越小，也就越有利于疏散。同樣的原理，汪彤還分析了出入口的岔路，對(duì)撤離造成的影響。因此在設(shè)計(jì)出入口時(shí)，應(yīng)盡量使用直線型出入口，盡量避免岔路和轉(zhuǎn)彎的出現(xiàn)。