Совершенствование моделирования процесса эвакуации людей с учетом влияния задымления на параметры движения различных групп мобильности
Фомичев Л.Ю., Жарков О.И. Совершенствование моделирования процесса эвакуации людей с учетом влияния задымления на параметры движения различных групп мобильности // Пожарная безопасность. 2025. № 4 (121). С. 36-47.
Аннотация. В исследовании представлена усовершенствованная имитационно-стохастическая модель эвакуации людей при пожаре, учитывающая влияние задымления на параметры движения людских потоков, состоящих из различных групп мобильности. Исследование направлено на совершенствование существующей имитационно-стохастической модели движения людских потоков путем учета снижения скорости движения людей в условиях задымления. Целью работы является повышение точности расчета времени эвакуации путем добавления корректирующих коэффициентов, определяющих степень влияния оптической плотности дыма на скорость движения и ее вариативность для различных групп мобильности. Коэффициенты получены на основе регрессионного анализа экспериментальных данных с применением методов статистического анализа. Результаты численных экспериментов демонстрируют увеличение расчетного времени эвакуации на 25,3–53,8 % в зависимости от динамики нарастания задымления по сравнению с базовой имитационно-стохастической моделью эвакуации. Наибольшее снижение скорости наблюдается у маломобильных групп населения (людей с ограниченными возможностями). Результаты исследования могут быть применены для определения расчетных величин пожарного риска объектов, предназначенных для маломобильных групп, на стадиях проектирования, эксплуатации, реконструкции, а также для разработки мероприятий по обеспечению пожарной безопасности в зданиях различных классах функционального назначения.
Введение
Определение расчетной величины пожарного риска представляет собой процесс вычисления индивидуального риска для людей, находящихся внутри здания. Этот риск выражается количественно через частоту воздействия опасных факторов пожара (ОФП) на человека.
Расчет частоты воздействия ОФП проводится для наиболее опасной ситуации, которая создает наибольшую угрозу для жизни и здоровья людей в здании. Оценка расчетных величин пожарного риска необходима для подтверждении соответствия объекта требованиям пожарной безопасности, установленным пунктом 2 части 1 статьи 6 Федерального закона Российской Федерации № 123-ФЗ, в случаях, когда не выполняются отдельные нормы пожарной безопасности, а также для обоснования эффективности специальных технических условий или комплекса инженерно-технических и организационных мероприятий по обеспечению пожарной безопасности.
При определении расчетных величин пожарного риска в зданиях решающее значение имеет достоверность и точность моделирования процесса эвакуации людей. Оценка величины индивидуального пожарного риска невозможна без точного определения расчетного времени эвакуации и его сопоставления со временем блокирования путей эвакуации ОФП. Согласно действующей методике определения расчетных величин пожарного риска, для определения расчетного времени эвакуации могут применяться несколько моделей, каждая из которых имеет определенные допущения и ограничения [1].
Существующие модели не учитывают влияние оптической плотности дыма на скорость движения эвакуирующихся. При этом исследования, основанные на результатах экспериментов, показывают, что задымление напрямую влияет на скорость передвижения людей, вызывая дезориентацию, стресс и, как следствие, происходит замедление движения. Данная зависимость имеет весомое значение для эвакуации маломобильных групп населения (МГН), для которых условие задымления особенно влияет на процесс эвакуации, что в итоге влияет на уровень обеспечения пожарной безопасности рассматриваемого объекта.
Исследования демонстрируют существенное снижение скорости передвижения людей при увеличении оптической плотности дыма. При этом степень влияния задымления на скорость движения различна для людей разных возрастных групп и групп мобильности. Игнорирование этих факторов может привести к значительному занижению расчетного времени эвакуации и, как следствие, к менее точному определению расчетных величин пожарного риска, что в итоге влияет на безопасность жизни людей и сохранение материальных ценностей [2–12].
В данной работе предлагается модифицированная имитационно-стохастическая модель, учитывающая влияние задымления на скорость движения различных групп мобильности. Модель базируется на существующей имитационно-стохастической модели, представленной в методике [1], но включает дополнительные корректирующие коэффициенты, зависящие от оптической плотности дыма и принадлежности людей к определенной группе мобильности.
В статье авторами описаны теория и расчеты. Ознакомиться с ними можно ниже в полном тексте статьи в pdf.
Результаты и их обсуждение
Результаты моделирования для различных сценариев представлены в табл. 5 и на рис. 3 и 4.
Таблица 5
Расчетное время эвакуации для различных сценариев
| № сценария | Стандартная модель, с | Модифицированная модель, с | Относительное увеличение, % |
|---|---|---|---|
| Сценарий № 1 | 158 | 198 | 25,3 |
| Сценарий № 2 | 158 | 215 | 35,1 |
| Сценарий № 3 | 158 | 243 | 53,8 |
Как видно из табл. 5, учет влияния задымления приводит к значительному увеличению расчетного времени эвакуации. При этом для сценария с быстрым нарастанием задымления (сценарий № 3) это увеличение наиболее существенно и составляет более 50 %.
Рис. 3 иллюстрирует динамику изменения скорости движения различных групп мобильности для сценария № 2 (среднее нарастание задымления).
при среднем нарастании задымления
На рис. 3 видно, что с увеличением оптической плотности дыма скорость движения всех групп мобильности снижается, причем для МГН (М2 и М3) это снижение более существенно.
Рис. 4 показывает распределение плотности людского потока вдоль эвакуационного пути на момент времени 100 с для сценария No 2.
Как видно из рис. 4, учет влияния задымления приводит к увеличению неравномерности потока и образованию более плотных скоплений людей перед сужениями путей эвакуации (эвакуационными выходами в свету, узкими участками). Это объясняется увеличением вариации скорости движения в условиях задымления и различной реакцией людей разных групп мобильности на
ухудшение видимости.
Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:
- Учет влияния задымления на скорость движения различных групп мобильности приводит к значительному увеличению расчетного времени эвакуации. Для рассмотренных сценариев это увеличение составляет от 25,3 до 53,8 % в зависимости от динамики нарастания задымления.
- Наиболее существенное увеличение времени эвакуации наблюдается для сценариев с быстрым нарастанием задымления, что объясняется более значительным влиянием задымления на скорость движения людей на большей части пути эвакуации.
- МГН (М2 и М3) испытывают наибольшее снижение скорости движения в условиях задымления. Это приводит к увеличению общего времени эвакуации, поскольку расчетное время определяется по последнему эвакуирующемуся человеку.
- Увеличение вариации скорости движения в условиях задымления приводит к большей неравномерности людского потока и образованию более плотных скоплений людей перед сужениями путей эвакуации, что может дополнительно увеличивать время эвакуации.
Для количественной оценки влияния задымления на параметры движения людей различных групп мобильности был проведен дополнительный анализ, результаты которого представлены в табл. 6.
Таблица 6
Средняя скорость движения различных групп мобильности при различной оптической плотности дыма
| Группа мобильности | Скорость при μ = 0 Нп/м, м/мин | Скорость при μ = 0,5 Нп/м, м/мин | Скорость при μ = 1,0 Нп/м, м/мин |
|---|---|---|---|
| М0 | 80,0 | 70,0 | 60,0 |
| М2 | 60,0 | 49,5 | 39,0 |
| М3 | 40,0 | 32,0 | 24,0 |
Как видно из табл. 6, при увеличении оптической плотности дыма до 1,0 Нп/м скорость движения людей группы М0 снижается на 25 %, группы М2 – на 35 %, а группы М3 – на 40 %. Это подтверждает необходимость учета различного влияния задымления на скорость движения различных групп мобильности.
Моделирование и расчеты в данном исследовании выполнены на языке Python с применением среды разработки Jupyter Notebook и библиотек NumPy для вычислений, Pandas для работы с табличными данными, Matplotlib для визуализации полученных данных, что позволило сравнить особенности протекания процесса эвакуации с учетом влияния различных факторов. По результатам исследования в Федеральной службе по интеллектуальной собственности (Роспатент) зарегистрирована программа для ЭВМ «Программа для моделирования движения людских потоков по имитационно-стохастической модели» No2025619523 от 16.04.2025, «База данных результатов моделирования движения людских потоков» No 2025621790 от 21.04.2025 [27, 28].
На основе проведенного исследования можно сформулировать следующие практические рекомендации:
- При определении расчетных величин пожарного риска для зданий, в которых возможно значительное задымление (высотные здания, здания со сложной планировкой, здания с большим количеством горючих материалов), рекомендуется использовать модифицированную модель, учитывающую влияние задымления на скорость движения различных групп мобильности.
- При проектировании путей эвакуации для объектов с пребыванием МГН следует учитывать их повышенную чувствительность к задымлению и предусматривать дополнительные мероприятия по защите от дыма (системы противодымной защиты, организация пожаробезопасных зон).
- При разработке планов эвакуации и проведении тренировок следует уделять особое внимание действиям персонала по сопровождению МГН в условиях задымления.
- Для повышения точности определения расчетных величин пожарного риска необходимо проводить дополнительные экспериментальные исследования влияния задымления на параметры движения различных групп мобильности.
- Внедрение гибридных моделей, где: упрощенная аналитическая модель используется для первоначальной оценки рисков, индивидуально-поточная – для проектирования маршрутов МГН, имитационно-стохастическая – для верификации сценариев с динамическим изменением условий (пожарная нагрузка, отказ систем противопожарной защиты).
Дополнение, внесенное в имитационно-стохастическую модель эвакуации, позволяет учитывать индивидуальные характеристики людей, влияние препятствий, задымления и возможность образования скоплений людских потоков на путях эвакуации. Это позволяет выполнить моделирование процесса эвакуации с более высокой точностью по сравнению с базовой моделью.
Модель имеет чувствительность к точности исходных данных, не полностью отражает сложные поведенческие реакции людей в стрессовой ситуации, панику. Другим аспектом является то, что модель может не учитывать все технические и организационные особенности объекта. Для повышения достоверности результатов требуется дополнительная валидация на практике.
Выводы авторов статьи
В исследовании предложен способ совершенствования имитационно-стохастической модели эвакуации людей путем учета влияния задымления на скорость движения людей, относящихся к различным группам мобильности. Модель включает дополнительные коэффициенты, отражающие зависимость скорости движения от оптической плотности дыма и принадлежности людей к определенной группе мобильности.
Результаты проведенных численных экспериментов демонстрируют, что учет влияния задымления приводит к увеличению расчетного времени эвакуации. Наивысшая эффективность отражена в сценариях с быстрым нарастанием задымления и при наличии значительной доли МГН в эвакуируемом контингенте. Сравнение результатов расчетов по базовой методике и измененной подтверждает необходимость учета влияния задымления при определении расчетных величин пожарного риска.
Предложенная модель может быть использована для более точного моделирования процесса эвакуации в рамках процедуры определения расчетных величин пожарного риска в зданиях различного назначения, а также для разработки мероприятий по обеспечению пожарной безопасности при проектировании, реконструкции или эксплуатации зданий и сооружений.
Дальнейшие исследования данной проблемы могут быть направлены на уточнение значений коэффициентов влияния задымления на скорость движения различных групп мобильности путем проведения натурных экспериментов для верификации предложенных изменений в модель, получении экспериментальных данных, расширении возможностей модели путем включения в расчеты психологических факторов, которые влияют на поведение людей при эвакуации в случае возникновения пожара.
