火灾疏散中羊群效应的理论探析与模拟研究

　第7卷　第4期　2011年4月

中国安全生产科学技术Journal of Safety Science and Technol ogy

Vol .7No .4

　Ap ril 2011

　收稿日期:2010-12-20

　通讯作者:颜向农,注册安全工程师。

3基金项目:中国科技大学大学火灾科学国家重点实验室开放课题(编号:HZ2006-KF06,HZ2008-KF04)

文章编号:1673-193X (2011)-04-0046-06

火灾疏散中羊群效应的理论探析与模拟研究

3

颜向农

1,3

,肖国清2,李思慧

1,3

(11湖南安全技术职业学院,长沙　410100)(21湖南科技大学能源与安全学院,湘潭　411201)(31湖南德雷机电工程有限公司,长沙　410011)

摘　要:将羊群效应这个社会行为学概念引申到火灾安全科学领域,运用信息阶梯式传播的社会心理学理论,解释紧急疏散中可能存在的羊群效应。以“信息传播”和“情感传染”的视角,分析了羊群效应的形成过程、机理和特征,同时指出羊群效应的两种随机性。以某大型阅览室为例,运用计算机数值模拟和虚拟现实技术,设置多种有羊群行为的疏散场景,测试羊群效应及两种随机性对疏散的影响。结论表明:非理性的羊群效应显著增加了必须疏散时间,降低了群体疏散效率和人员疏散可靠性,增大了疏散失败和拥挤踩踏的风险。建议火灾风险评价、应急预案制定和疏散设计应考虑羊群行为等极端情况下对疏散出口个数、疏散出口宽度、疏散距离、疏散路线、疏散方式的影响。

关键词:火灾;疏散;羊群效应;信息;模拟;随机性中图分类号:X921 文献标识码:A

Theoreti ca l ana lysis and si m ul a ti on study of herd behav i or

i n f i re evacua ti on

Y AN Xiang 2nong 1,3

,X I A O Guo 2qing 2

,L I Si 2hui

1,3

(11Hunan Vocati onal I nstitute of Safety Technol ogy,Changsha 410100,China )

(21School of Energy and Safety Technol ogy,Hunan University of Science and Technol ogy,Xiangtang 411201,China )

(31Hunan Delei Electrical &Mechanical Engineer Co .,L td,Changsha 410011,China )

Abstract:Herd behavi or,a s ocial behavi or concep ti on was intr oduced int o fire safety science .The possible herd behavi or in fire evacuati on was illustrated by infor mati onal cascade theory of s ocial p sychol ogy .

The for m ing

p r ocess,mechanis m ,characteristic and randomness of herd behavi or were analyzed in vie w of “infor mati on cascade

”and “e moti onal contagi on ”.The computer si m ulati on and virtual reality technol ogy was adop ted,and irrati onal herd behavi or and randomness in evacuati on was tested in a reading r oom.A conclusi on that irrati onal herd having significant effect on request safety evacuati on ti m e,l owering gr oup effect of evacuati on and human reliability,and increasing p r obability of failure was dra wn .The suggesti on was given which herd behavi or must be considered in e 2vacuati on design,fire risk assess ment and e mergency p rep lan including exit number ,exit width,evacuati on dis 2tance,exit path,evacuati on way .

Key words:fire;evacuati on;herd behavi or;infor mati on;si m ulati on;randomness

1　引言

羊群效应即羊群行为(Herd Behavi or),原指动物学中牛、羊等畜类动物成群移动、觅食和群居的现象,后来这个概念被社会行为学家引申来描叙群体中的个体与大多数人一样认知、感知、思考、决策、行动,与大多数人保持一致,是一种行为模式在群体间传播的社会现象。1852年英国CharlesMackay用大量的事实说明个体在群体中表现出极端的模仿和合群的现象。1895年法国Gustave Le Bon通过对若干重大历史事件的观察,指出个体聚集成群后产生了诸如从众、盲目、失去道德约束等一些非理性的群体心理特征。1936年美国Keynes指出个体不愿意根据私有信息做出决策,是因为他们害怕与大众行为不一致而遭受损失。20世纪50年代,心理学的研究从定性分析发展到实验阶段,美国A sch从实验角度验证了社会压力将导致群体一致性的非理性从众行为[1]。2000年德国David、Helbing、V icsek描叙了在突发事件背景下,群体行为的非理性特征[2]。在认知心理学和社会心理学的领域中,羊群行为理论中有关处于群体中个体的非理性行为特征得到了公认。

安全科学领域中羊群行为这个概念的内涵是指在各种恶劣环境(如高温、浓烟、缺氧、有毒气体侵害等)或突发事件下,部分遇险者,或因为信息闭塞(如发生在深夜的高层建筑物火灾);或因为他人错误决策的影响(如火场中同伴间言语交流或他人误导);或因为个体自身缺陷(如是一个不完全理性的人或疏散知识的匮乏及体能超负荷);或因为某种谣言的传播;或因为某种莫名的恐慌和起哄:或就是出于“从众”[3]的本能,总之放弃自己对疏散方式及避难方法的选择,盲目跟从所能观察到的先行动者行动的行为。相关研究表明,不少疏散失败案例中存在着典型的非理性羊群行为。

2　理论探析

211　紧急疏散中羊群行为的形成过程

首先,先行动者的行为对羊群行为产生重要的影响,为后行动者提供了一个可供模仿的行动与策略方式。其次,羊群行为使后行动者只关注先动者的信息而忽略私有信息,后行动者的模仿行为可能是正确的,也可能是错误的决策。再次,后行动者不遵守贝叶斯法则,即后验概率并没有修正前验概率。此外,即使遇险者之间可能有信息交流,但由于信息传播在紧急状态下存在丢失现象,人们也不得不参考他人的决策,而忽略自己的信息。最后,如果先行动者选择的疏散方式是错误的,那么这种非理性的羊群行为,就有可能导致群体疏散失败。

212　疏散中的羊群行为的形成机理

羊群行为的产生必然伴随着一定的发生机制,如基于某些信号的传递,或者观察到其他个体决策者行动的能力。W er mers认为羊群行为的产生主要有两种原因[4]:一是个体接收到先行动者的相关联信号而产生;二是个体观察到先行动者并推测其拥有的私有信号而产生。Shiller应用人类学家对群体信息传递机制的观点说明羊群行为的产生是人类沟通方式对人类思考能力和决策能力的限制[5]。Bkhchdani,H irshleifer和W elch建立了基于离散行动空间的信息羊群行为模型[6],在这种模型中,每一个行动者都收到一个并不太明确的“噪音”信号,行动空间是离散的,即接受或不接受。他们提出了信息阶梯式传播(inf or mati onal cascade)的概念。

信息阶梯式传播即信息堵塞。在某个时点,后行动者观察到先行动者的行为,以此推测先行动者拥有的信息,并完全忽略自己的私有信息,从而进行简单模仿,这时信息堵塞就发生了。在这种情况下,对于那些更后的观察者来说,他依据对别人的观察所做出的选择没有提供任何信息。如果没有外部干扰,所有后来者将作出相同的决策。在信息阶梯式传播过程中,羊群行为呈现出两种随机性。第一种随机性:如果首先行动者的行为是随机发生的,群体的行为将与先行动者的行为是一致的,那么可能导致群体的行为是随机的。表现在疏散中有如下现象:如在有多个出口的建筑中,群体只从一个出口撤离,而这个出口的选择仅仅是第一个先行动者决定的结果。第二种随机性:如果稍后的行动者能观察到先行动者有两种或以上的行动方式,后行动者有可能随机选择一种行动方式,这样群体的行动方式就可能有两种或以上了。表现在疏散中有如下现象:如在有多个出口的建筑中,群体从两个或以上的

出口撤离,这些出口的选择不是个体分析判断决策的结果,仅仅是个体随机选择“跟风”的结果,因此各出口通过的人数也是随机的。正是这两种随机性,导致羊群行为的后果难以预测。

信息阶梯式传播有四个特征。一是低质量的信息聚合,最初数人发出的信息所导致的后行动者行为可以急剧地影响后行动者的行为。二是阶梯式传播可能导致普遍的错误决策,如果最初的数人发出的信号是错误的,那么后行动者可能由此而作出错误的选择,进而形成错误的信息链。三是一旦错误的信息链以阶梯方式传播,那么信息聚合就完全被阻断,即除了最初数人的信息以外,后行动者个人拥有的信息不再被纳入群体信息中,后行动者在决策过程中不再考虑自己的信息。四是对更多行动者行为的观察,并不一定能够导致群体状态的改善或决策正确率的提高。

在一个可能遇险的群体中,人们彼此影响、彼此模仿、彼此感染,再加上环境(如高温、浓烟、漆黑、声响)的刺激,恐慌被急剧地放大[7],人们逐渐失去理性,这种行为往往变得难以预料和控制,即使是一个并不大的火灾或者根本就没发生什么灾难,也可能演变为重大伤亡事故。如2009年12月7日晚上9点发生在湖南省湘乡市育才中学校园踩踏事件,相关部门调查是多种原因共同作用的结果,实际上羊群行为也难逃其咎。

个体间相互影响的形式有两种:第一,通过情绪传染,比如说发生在夜晚的火灾,火灾导致停电,对火和黑的恐惧感在遇险者中蔓延,紧张情绪传染更有可能,更加迅速,更加激动而失控[8];第二,通过行为传染,当情绪激动之后,由不断激发的情绪引起的行动也不断升级,并进一步刺激遇险者的情绪。这种“情感传播”形式和羊群受惊时表现非常相似,称之为羊群行为一点也不为过。例如1974年2月1日巴西圣保罗市焦马大楼火灾中,40人死于跳楼,其中约30人是在大火刚刚熄灭时,不顾楼下消防员的大声呼唤跳楼丧生的,由此可以推断跳楼行为是可以“传染”的[9]。在很多失败案例中,疏散出口并没有发挥出最佳效率,有的出口拥挤不堪,而有的出口又并没有几个人,这与非理性羊群行为是高度相关的。信息阶梯式传播理论从“信息传播”和“情感传染”的角度出发,刻画了不同个体组成的群体行为。对于处在紧急状态或面临突发事件的个体来说,不加思考地选择跟风从众,似乎是在时间紧迫的情况下,一种无奈的决策和理所当然的选择。

213　疏散中的理性羊群行为

当然也存在着一种理性的羊群行为:火场遇险人员中的先行动者根据自己掌握的信息和拥有的知识,对形势进行了分析判断,采取正确的疏散方式和避难方法,并且有可能向后行动者传递正确的指示信息,而后行动者同样根据自己掌握的信息和拥有的知识,经过独立分析判断,或者即使自己拥有的信息缺乏,但接收到了正确的指示信息,同样采取正确的并且是与先行动者相同的决策,选择相同的行动方式。理性的羊群行为就有可能脱离危险,疏散成功,它与非理性的羊群行为的共同点是后行动者采取了和先动者相同的决策和行动方式,不同点是后行动者进行了自己的分析判断。

3　羊群行为对疏散影响的数值分析

以某阅览室为例,采用国际上主流的模拟软件F DS+Evac来测试羊群行为,阐明羊群行为对疏散的巨大影响。F DS+Evac是美国N I ST(美国技术标准研究所)和芬兰VTT(芬兰技术研究中心)合作开发的的火灾动力学与人员疏散的集成模拟软件,其疏散模拟的理论核心是基于恐惧的社会力连续模型。有关F DS+Evac的详细介绍及使用技巧可参考文献[10]。

311　建筑环境

湖南科技大学南校区图书馆,建筑面积2万平方米,坐北朝南,典型的“双塔”结构,南楼和北楼共享一个大空间的中庭,南楼高五层,北楼高九层,一层为阶梯教室和报告厅,二至六层是书库兼阅览室和自习室,七至九层是办公室。一层没有中庭,但有一个大厅,通过南北两个主出口和东西两个出口直通户外,不与其它各楼层相通。二层南北各有一个主出口,通过数十台阶直通户外,进入二至九层都必须通过二层南北主出口。二层至五层共一个中庭,通过东西回廊连接南北二楼,中庭内一对双向对开开放式的楼梯从北楼二层直达北楼五层,北楼中部有一个带前室的防烟楼梯和电梯从二层直通九层。该图书馆有电子、期刊、报刊、图书等阅览室多间,馆

藏图书文献上百万册,能同时容纳数千名读者借阅图书和自习。312　平面布置

位于北楼六层的理科阅览室坐北朝南,长84m ,宽1515m ,高312m ,建筑面积超过千平方米,只设一个防火分区,通过一个长20m ,宽315m 的前室与一

个防烟楼梯间和一个电梯间相连。室内有长6m 、宽

015m 、高2m 的藏书架40排,有长6m 、宽1m 的自习桌24张,可供288名读者自习。阅览室的中部朝南有一个4m 宽大门即南门,东西部各一个出口。图1为阅览室平面布置示意图,图2为俯视方向模拟图

。

图1　

阅览室平面布置示意图

图2　阅览室俯视方向模拟图

313　模型建立与简化

现实世界的建筑结构与环境非常复杂,且具有

一定的随机性,建立一一对应式的模型既不可能也无必要,因此需将研究对象的主要特征进行适当简化和假设,忽略一些不重要的细节。本研究对天花板、座椅、书、书架、墙壁、地板、玻璃窗户和门进行简化。图3为室内模拟图。314　疏散特性假设

(1)人数假设

因室内有288座席,故设有288人在此自习,又设有20人在书架间查阅图书资料,5名管理员在岗,共有313人。

(2)身体特征假设

实地调查发现,读者绝大部分为学生,年龄18岁到24岁,性别比例约为1:1,管理员为女性,人员身体特征服从均匀概率分布,见表1

。

图3　室内模拟图表1　身体特征一览表人员类型

平均双臂宽

(m )平均单肩宽

(m )平均身高

(m )平均体重

(m )青年男性01440110117060青年女性

0138

0110

1160

50

(3)疏散特征假设

据有关资料和实地观测,设人员疏散特征服从

均匀概率分布,见表2,忽略座椅对降低人员步行速度的影响。

表2　疏散特征一览表

人员类型平均步行速度

(m /s )平均火灾发现时间(s )

平均反应与疏散启动时间(s )

青年男性11351010青年女性

1125

10

10

(4)人员初始位置假设

人员初始位置一般服从随机分布,但在本研究

中,为便于对比分析,设置固定的人员初始位置如图4所示。黄色物体为书架和书桌,并且设定人员是不能翻越这些黄色障碍物。

图4　人员初始位置分布图

(5)出口特征

前室有一宽度为2m 的出口(即南门),阅览室东西两端各有宽度为1m 的安全出口(即东门和西门),步行楼梯为防烟楼梯间,故可假设通过出口,步入楼梯间即为疏散成功。315　羊群效应的数值模拟

因羊群行为的两种随机性,故仅设置五类有代表性的羊群行为的模拟场景,对每类场景分别进行5次模拟计算,取其平均值,得疏散结果如表3所示,图5和图6是疏散模拟图。

表3　无羊群行为与有羊群行为的疏散结果

序号场景特征分类通过南门的人数

通过东门的人数

通过西门的

人数

必须疏散时间(s )

场景一

无羊群行为

139878775场景二有羊群行为一023370145场景三有羊群行为二068235148场景四有羊群行为三30300102场景五

有羊群行为四00303195场景六有羊群行为五

303

198

场景一,无羊群行为时,其最理想的结果就是三个出口都达到最佳疏散效率,即所有的人都选择最佳疏散策略,南门通过139人,东西门分别通过87人,当三个门的最后一人分别都通过时,皆为75s,因此全部疏散时间共需75s 。场景二,发生羊群行为一时,即因为某种原因大家都不走南门,即南门通过0人,大部分人拥挤着从东门通过,即东门通过233人,部分人从西门通过,即西门通过70人,全部人疏散完毕共耗时间是145s,非理性的羊群行为导致了必须疏散时间的显著增加70s,几乎是正常情况下的一倍,这对争分夺秒的紧急疏散来说可能导致危险,并且使理想的疏散设计不能发挥应有疏散效率。场景二和场景三测试的是羊群行为的第二种随机性,而场景四、五、六分别测试了了第一种随机性,并且出现了更极端的结果,也就是说全体人员都从东门(或西门、南门)通过,从其它门通过人数0人,因此必须疏散时间还会明显长一些。因篇幅有限,本文仅模拟了羊群效应与出口个数的相关场景,有关羊群效应与出口宽度、疏散路线、疏散距离等相关疏散特征参数之关系参见作者的相关论文。设计人员大多从建筑利用和经济性的角度出发,疏散指标基本是按照防火规范如百人宽度指标等来确定,并不太考虑出现羊群效应这样的极端情况,因此疏散时发生拥挤踩踏也是可能的。

4　结论与建议

411　结论

羊群行为显著增加了必须疏散时间,增加了疏

散风险。火灾动力学和人员疏散模拟软件F DS+ Evac,能以虚拟现实的方式再实现羊群行为的演化过程,并能够较准确计算必须疏散时间和可用疏散时间,与实验研究相比,成本低廉,实施方便,并可反复多次模拟计算,直观可信,应是疏散设计和火灾风险评价的有力工具,事实上据N I ST的统计,全球三分之一的F DS+Evac用户,在工程实践中使用该软件进行疏散设计和火灾风险评价。而羊群效应的相关研究,对降低疏散风险,增加人员可靠性,防范拥挤踩踏事故发生,是有一定指导意义的。

412　建议

疏散设计应考虑非理性羊群行为等极端情况下对疏散出口个数、疏散出口宽度、疏散距离、疏散路线、疏散方式的影响。如能提高疏散设计的安全系数,则体现“安全第一、预防为主”人本主义安全观。同时应加强民众消防和疏散知识的宣传教育,提高个体疏散决策的判断力和执行力。在制定应急预案时,为使理性羊群行为能发挥主导作用,应考虑由能力强、具有领导特性的个体充当“头羊”即先行动者,形成正确的信息传播源和信息链,确保群体的疏散效率。

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