автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.10, диссертация на тему:Модели и методы совершенствования системы управления эвакуацией людей из высотных зданий

Родичев Алексей Юрьевич

МОДЕЛИ И МЕТОДЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭВАКУАЦИЕЙ ЛЮДЕЙ ИЗ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ

05.13.10 - управление в социальных и экономических системах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2011

г*о

005010429

Работа выполнена в Санкт-Петербургском университете Государственной противопожарной службы МЧС России

Научный руководитель

заслуженный работник высшей школы РФ доктор технических наук, профессор Таранцев Александр Алексеевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Шарапов Сергей Владимирович

кандидат технических наук, доцент Козленко Роман Николаевич

Ведущая организация

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Защита состоится 29 декабря 2011 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 205.003.02 при Санкт-Петербургском университете Государственной противопожарной службы МЧС России по адресу: 196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, дом 149.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России.

Автореферат разослан 25 ноября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 205.003.2 доктор технических наук, профессор

}

>

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В настоящее время как во всём мире, так и в России, а особенно в её крупных городах, ведется интенсивное строительство зданий повышенной этажности и высотных зданий (ВЗ). Причины этого не только в высокой стоимости земли, но и в престижности таких зданий, и в желании продемонстрировать возможности своих строительных технологий. ВЗ, как правило, являются многофункциональными с массовым пребыванием людей и включают в себя офисные помещения, бизнес-центры, рестораны, супермаркеты, выставочные залы и смотровые площадки, отели, фешенебельные квартиры. Такие здания могут быть как отдельно стоящими, так образовывать целые комплексы (например, «Москва-сити») с соответствующей инфраструктурой и подземными многоярусными паркингами.

Однако ВЗ подвержены различным угрозам - пожарам (т.ч. на этапе строительства), природным катаклизмам - землетрясениям и др. ЧС, а также террористическим актам, являющимся характерной чертой конца XX - начала XXI века.

В этой связи особую актуальность принимают вопросы экстренной эвакуации людей как процесса организованного самостоятельного движения людей непосредственно наружу или в безопасную зону из помещений, в которых имеется возможность воздействия на людей опасных факторов пожара (ОФП) - персонала, посетителей, жильцов из таких зданий (хотя в ВЗ могут быть предусмотрены помещения для защиты от ОФП, но они не могут гарантировать безопасность при ЧС или теракте) и удаление их на безопасное расстояние вне зоны падения обломков, стёкол и др. предметов с высоты. Это, в свою очередь, выводит на первый план задачу эффективного управления эвакуацией, решение которой на этапе проектирования и реконструкции зданий осуществляется с учётом работы системы оповещения и управления эвакуацией (СОУЭ) и производится расчётными (в т.ч. компьютерными) методами.

У нас в стране проблемой оценки времени эвакуации людей из зданий из сооружений занимались многие известные специалисты - С.В.Беляев, В.И.Предтеченский А.И.Милинский, М.Я.Ройтман, В.В.Холщевников, Д.А.Самошин, И.И.Исаевич, А.А.Таранцев и др. За рубежом - T.J.Shields, K.E.Boyce, J.L.Bryan, H.Kuwabara, J.L.Pauls, Д.А.Полоз, И.И.Полевода, О.В.Кураев и др.

По результатам анализа многочисленных экспериментов общепринятой стала модель движения людского потока, скорость которого V зависит от его плотности D и вида участка эвакуационного пути. Эта модель была положена в основу соответствующих расчётных методов, которые у нас в стране регламентированы такими документами, как ГОСТ 12.1.004-91* (приложение 2*), ГОСТ Р 12.3.047-98 (приложение Ш), СНиП 35-01-2001 (приложение В) и др., а за рубежом - NFPA 14, 101, 5000* и др. Такие расчёты позволяют оценить время эвакуации tv и путём его сопоставления с необходимым временем эвакуации /нд, полученным по моделям развития пожара, оценить уровень пожарного риска и, при необходимости, выдать рекомендации по корректировке параметров эвакуационных путей.

Тем не менее, применительно ВЗ используемая в этих документах модель людского потока требует корректировки. А именно:

а) эвакуация людей с верхних этажей будет занимать длительное время (без учёта лифтов и помещений безопасности), что сопряжено с усталостью и снижением скорости движения;

б) в узких проходах необходимо учитывать движение людей «цепочкой»;

в) при движении вне здания необходимо учитывать случайный характер скорости движения людей.

Что касается работы СОУЭ, то в действующем СП 3.13130.2009 (ранее - НПБ 104-03*), предусматривающем наличие 5-и типов СОУЭ и регламентирующем выбор

3

её типа в зависимости от класса функциональной пожарной опасности (ФПО) здания или сооружения, числа пребывающих в нём людей, его площади и этажности. Но рекомендаций по порядку управления эвакуацией (тем более, из ВЗ) там не содержится. Однако очевидно, что при пожаре в ВЗ необходимо управлять движением людей с учётом этажа пожара и его динамики, возможности блокирования какого-либо эвакуационного пути ОФП и недопущения образования скоплений людей и задержек их движения. В функционировании СОУЭ при угрозе ЧС или теракта необходимо учесть некоторые особенности - в силе остаются условия недопущения задержек движения и скоплений людей, а также последовательность эвакуации людей с этажей ВЗ, но задействованы могут быть все эвакуационные пути.

Таким образом, целью работы является совершенствование моделей и методов управления эвакуацией людей из ВЗ с учётом особенностей длительного движения людских потоков.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

- исследование проблемы управления эвакуацией из ВЗ с учётом их конструктивных особенностей, перспектив развития и требований к СОУЭ;

- создание моделей управляемого движения людского потока с учётом усталостных явлений и вероятностного характера этапа эвакуации по открытой местности от ВЗ в безопасную зону;

- анализ особенностей построения СОУЭ из ВЗ и формирование критерия успешности эвакуации;

- разработка метода управления эвакуацией при пожаре в ВЗ с учётом этажа пожара, а также при угрозе теракта или ЧС;

Объект исследования - система управления эвакуацией людей из ВЗ.

Предмет исследования составляют модели и методы расчёта времени эвакуации людей и управления эвакуацией из ВЗ.

Методы исследования: системный анализ, теория движения людских потоков, теория вероятностей и математическая статистика.

Научные результаты, выносимые на защиту:

- модель длительного движения потока эвакуирующихся с учетом усталостных явлений у людей и эвакуации людей по открытой территории от высотного здания до безопасной зоны (на безопасное расстояние);

- метод управления процессом эвакуации людей из высотных зданий при пожаре, а также при угрозе чрезвычайной ситуации или теракте;

- предложения по построению системы оповещения и управления эвакуацией людей при пожаре.

Научная новизна:

- создание модели длительного движения потока эвакуирующихся с учётом усталостных явлений людей и эвакуации людей от высотного здания в безопасную зону с учётом распределения их на начальном участке и вероятностного характера скорости движения;

- создание метода управления эвакуацией людей из высотных зданий при пожарах, угрозах масштабной ЧС или теракта.

Внедрения: научные результаты, полученные в результате исследования, применялись в учебном процессе при обучении курсантов и слушателей в Санкт-Петербургском университете Государственной противопожарной службы МЧС России, а также в практической работе при осуществлении надзорной деятельности Главным управлением МЧС России по Ленинградской области на территории Ленинградской области. •

Достоверность и обоснованность основных положений исследования обеспечена применением современных расчётных методов, корректным использованием исходных данных и согласованностью полученных результатов с результатами работ других исследователей.

Практическая значимость работы заключается в разработке аналитических методов и моделей, которые позволяют решать задачи управления эвакуацией людей из ВЗ с учётом усталостных явлений, движения по открытой местности и вероятностного характера исходных данных.

Разработанные методы использовались при выполнении расчётов в процессе обучения курсантов и слушателей Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, а также при анализе проектов специалистами ГПС.

Апробация работы. Научные результаты, полученные в результате исследования, докладывались на заседаниях кафедры Организации пожаротушения и проведения аварийно-спасательных работ СПбУ ГПС МЧС России, а также на международных и отраслевых научно-практических конференциях:

- Международная НПК «Проблемы взаимодействия МВД и МЧС России в сфере обеспечения безопасности движения». СЗРЦ МЧС, СПбУ МВД, СПбИ ГПС МЧС России, 16-17.03.2005.

- V Международная НПК «Подготовка кадров в системе предупреждения и ликвидации последствий ЧС». СПбУ ГПС МЧС России, 16.09.2006.

- VI международная НПК «Подготовка кадров в системе предупреждения и ликвидации последствий ЧС». СПбУ ГПС МЧС России, 19.10.2007.

- III Международная НПК «Технические средства противодействия террористическим и криминальным взрывам». СПбУ ГПС МЧС России, РАРАН, 30-31.10.2007.

- НПК «Сервис безопасности России: опыт, проблемы, перспективы». СПбУ ГПС МЧС России, РАРАН, 23-24.04.2008.

- VI Всероссийская НПК «Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействия терроризму». СПбУ ГПС МЧС России, РАРАН, 19-20.04.2011.

- IV Международная НПК «Обеспечение комплексной безопасности при освоении северных территорий». СПбУ ГПС МЧС России, РСС 17.11.2011.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ (в т.ч. 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы

111 страниц, в т.ч. 35 рисунков и 24 таблицы, список литературы содержит 136 наименований.

II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован выбор темы диссертации, актуальность совершенствования методов управления эвакуацией людей из зданий и сооружений при пожаре или угрозе теракта, поставлены цель и задачи исследования.

В первой главе «Анализ состояния вопроса в части высотного строительства и пожарной безопасности ВЗ» приведены сведения из истории высотного строительства в различных странах, в т.ч. в СССР и РФ. Показано, что с самого начала ВЗ представляли собой некие символы технических возможностей и даже могущества государств (например, в США 38-этажное здание Equitable Building построено в Нью-Йорке ещё в 1914 г.) и проектировались многофункциональными, содержащими помещения различных классов ФПО - административные, офисные, жилые, торговые и др. На рис.1 представлены примеры таких зданий раннего этапа высотного строительства.

а б в

Рис.2. Примеры современных ВЗ - «Сирс-Тауэр» в Чикаго (а), двойной небоскрёб «Петронас» (б), «Тайбэй-101» (в)

Рис.З Динамика высотного строительства в мире (по горизонтальной оси - годы, по вертикальной оси - высота в метрах «рекордных» ВЗ)

1- Eqitable Building, 2 - муниципальное здание в Нью-Йорке, 3 - здание Крайслера, 4- «Сирс-Тауэр», 5 - «Петронас», 6 - «Тайбэй-101», 7 - Дубайская башня

900 -

800

700

600 —

500

400

300

200 ------

100

0 ----

1900

1920

1940

I960

1980

2000

2020

а б в

Рис.1 Е^ПаЫе Вшк% в настоящее время (а), МГУ (б), проект Дворца Советов (в)

В настоящее время высотное строительство ведётся во многих странах мира и на многих континентах (рис2), даже в сейсмически неблагополучных районах. Динамика рекордных достижений в этой области показана на рис.З.

Однако уже на заре высотного строительства выяснилось, какую большую опасность для ВЗ представляют пожары. Невзирая на повышенные меры безопасности, пожары были «бичом» ВЗ весь XX век - в США в 70-х годах даже снят фильм-катастрофа «The Towering Inferno» («Ад в поднебесье»), И в начале XXI века зарегистрировано большое число пожаров ВЗ - в 2002 г. в Исламабаде (Пакистан) полностью выгорело 16-этажное здание, в 2003 г. горел 59-этажный небоскрёб в Бангкоке (Тайланд), в Москве в 2004 г. произошли пожары в 35-этажной гостинице РАО «ЕЭС России» и высотной гостинице «Салют». В том же 2004 г. пожар уничтожил 20 этажей самого высокого здания Венесуэльской столицы. В 2005 г. горели 31 -этажное здание в Сан-Паулу (Бразилия), 32-этажный небоскрёб в Мадриде (Испания), 29-этажное здание отеля «Джолли» в Неаполе, 18-этажное здание в пригороде Парижа, 25-этажное здание в Москве. Многие из таких пожаров приводили к человеческим жертвам. На рис.4 показаны фото пожаров 32-этажного «Транспорт-Тауэр» в Астане (Казахстан) в 2006 г. элитного ВЗ во Владивостоке в 2007 г. и ВЗ в Мадриде в 2005 г.

Рис.4. Пожары ВЗ в Астане, Владивостоке и Мадриде

Особым случаем угрозы для ВЗ являются теракты, характерным примером которых были события 11 сентября 2001 г., когда после ударов самолётов сгорели и обрушились башни ВТЦ в Нью-Йорке. Не менее опасными для ВЗ могут быть и природные ЧС - цунами для прибрежных городов, землетрясения (хотя имеются технологии сейсмостойкого строительства), торнадо и смерчи.

Но поскольку наиболее вероятными угрозами являются пожары, при проектировании ВЗ предусматриваются особые меры противопожарной защиты - повышенные пределы огнестойкости ограждающих конструкций, автоматическая пожарная сигнализация (АПС и системы пожаротушения, диспетчерские пункты и развитые СОУЭ, опорные пункты пожарной охраны и др. Тем не менее, опыт пожаров в ВЗ показал, что наилучшим способом обеспечения безопасности людей является их своевременная эвакуация, причём не только собственно из ВЗ, но и на безопасное расстояние от него. Это же относится и к угрозе терактов и масштабных ЧС. Причём эвакуация будет тем успешнее, чем быстрее здание покинут люди. А это, в свою очередь, зависит от эффективного управления процессом эвакуации с учётом особенностей ВЗ и складывающейся обстановки.

Однако, невзирая на все опасности, тенденция высотного строительства набирает силу и в нашей стране (рис.5) - в Москве уже построен комплекс ВЗ «Москва-Сити» и планируется возвести башню «Россия», в Санкт-Петербурге проектируется «Лахта-Центр», высотное строительство ведётся и в других городах России, а также в странах СНГ. Особенностями многих высотных зданий является не только стремление вверх, но и «вниз» - за счёт многоярусных подземных парковок, соединяющихся лифтами с основным объёмом ВЗ.

а б в

Рис.5 Комплекс ВЗ «Москва-Сити» на этапе строительства (а), башня «Россия» (б), «Охта-Центр» (в) - проекты

Отмечено, что на всех этапах жизненного цикла ВЗ - проектирования, строительства, эксплуатации и реконструкции особое внимание должно уделяется безопасности людей. И как одному из важнейших условий этого - экстренной эвакуации людей из ВЗ в случае угрозы.

Во второй главе «Системы управления эвакуацией людей в ВЗ» дана классификация таких систем, которые можно условно разделить на конструктивнотехнологические и организационные, конкретное исполнение которых регламентируется специальными техническими условиями (ТУ) на проектируемое или реконструируемое ВЗ

К первому типу систем относятся комплексы мероприятий по:

- выбору объёмно-планировочных решений;

- использованию материалов с пониженными группами горючести, воспламеняемости и токсичности;

- применению ограждающих и несущих конструкций с повышенными пределами огнестойкости,

- оборудованию помещений автоматической пожарной сигнализацией (АПС), системами пожаротушения (в т.ч. автоматическими - АУПТ), спец. лифтами и т.п.

В частности, московские градостроительные номы (МГСН) «Многофункциональные высотные здания» в целях обеспечения безопасности людей в случае пожаров регламентируют разделение ВЗ на автономные вертикальные пожарные отсеки перекрытиями с пределом огнестойкости не ниже REI 240 и оборудование в каждом отсеке помещений безопасности, где можно переждать пожар, самостоятельных эвакуационных выходов и отдельных пожарных постов и др. Для повышения безопасности при проектировании современных ВЗ задаются требования не только по их устойчивости к

ветровым, снеговым и сейсмическим нагрузкам, но и к попаданию в них крупных летательных аппаратов.

К организационным системам обеспечения безопасности людей в ВЗ относятся:

- системы мониторинга помещений и оборудования зданий;

- деятельность персонала по недопущению возникновения пожара, его распространения, борьбе с ним на начальном этапе и организации эвакуации людей;

- СОУЭ усиленного типа;

- наличие ДП в пожарных отсеках единого ДП (ЕДП), связанных между собой, с системой мониторинга и СОУЭ, и др. системами;

- проведение тренировок и учений персонала ВЗ совместно с пожарными (учение по спасению людей и тушению пожара проведено в 2010 г. в комплексе ВЗ <(Моск-ва-Сити»).

В действующих нормативных документах отсутствуют конкретные рекомендации по организации процесса эвакуации людей из ВЗ, что при формальном подходе проектировщиков может привести к опасным скоплениям людей в лестничных клетках (ЛК) возникновению нежелательных психологических эффектов (вплоть до паники), увеличению времени эвакуации и другим негативным явлениям, чреватым риском воздействия ОФП на людей и риском для их жизни и здоровья.

Основным стандартизованным критерием успешности эвакуации является условие:

tp < („б (1)

при соблюдении дополнительных условий: полной аппаратной надёжности СОУЭ и безошибочные действия персонала здания при обеспечении эвакуации людей. Однако с учётом сложности определения величины t„e при пожаре в ВЗ и даже невозможности её определения в случае угрозы ЧС или теракта, может быть предложен следующий критерий:

tи + ¿ВЗ + tau —»min, (2)

где t„ - инерционность СОУЭ, /вз - время эвакуации людей из ВЗ, /0м - время их движения по открытой местности от ВЗ в безопасную зону. Критерий (2) также предполагает соблюдение вышеуказанных дополнительных условий.

Показано, что для обеспечения успешной эвакуации людей из ВЗ при пожаре, угрозе теракта или масштабной ЧС пользоваться лифтами ввиду их ограниченной пропускной способностью и уязвимостью эвакуацию целесообразно проводить пешим порядком, используя обычные пути - коридоры, ЛК и т.п. При этом должен применяться особый тип СОУЭ (выше 5-го, рекомендуемого СП 3.13130.2009 - см.рис.6) с обязательной обратной связью и оповещение людей практически в каждом обитаемом помещении ВЗ и на путях эвакуации.

Такая СОУЭ предусматривает наличие видеокамер на путях эвакуации и в помещениях с людьми, а также переговорных устройств, что позволит операторам в ДП и ЕДП иметь полную информацию о развитии пожара в ВЗ и движении людских потоков, благодаря чему эффективно управлять процессом эвакуации.

В случае пожара М-ом этаже алгоритм, положенный в основу управления эвакуацией из TV-этажного ВЗ следующий:

а) вначале люди эвакуируются из этажа пожара (А/-го этажа);

б) затем производится эвакуация людей последовательно с М+\-то этажа до самого верхнего N-то этажа;

в) после эвакуации людей с этажей ВЗ над этажом пожара начинается эвакуация с этажей под этажом пожара, начиная с M-1-го этажа, затем с М-2-го этажа и т.д. до полного вывода людей в безопасную зону.

Рис.6 Возможная схема СОУЭ для ВЗ (1 - видеокамеры и извещатели, 2 - переговорные устройства, 3 - динамики, 4 - пожарные отсеки, 5 - ДП, 6 - ЕДП. Точечным пунктиром показаны координирующие связи)

Указанный алгоритм управления может относиться как к ВЗ в целом, так и к его отдельному пожарному отсеку, откуда требуется эвакуация людей.

При составлении и отработке плана тушения пожара (ПТП) расчёт времени 1Р проводится при условии, что один из эвакуационных выходов блокирован ОФП, а эвакуирующимся с этажей во избежание скоплений даётся команда на движение только после того, как люди с ранее эвакуируемого этажа уйдут из ЛК перед этажом, откуда начинается эвакуация. При этом, варьируя этаж пожара М, получают набор значений {/вз}, из которого выбирают наибольшее значение - пожар на таком этажа считается самым опасным по продолжительности эвакуации. Сравнивая выбранную величину ¡ВЗтах С необходимым Временем Эвакуации („6, полученным, например, с помощью компьютерной программы проф.С.В.Пузача, можно сделать вывод о величине риска для эвакуирующихся и, при необходимости, выработать соответствующие мероприятия по обеспечению безопасности.

При реальном пожаре в ВЗ данный алгоритм ложится в основу работы СОУЭ, но может корректироваться с ДП при получении информации (с видеокамер, от пожарных извещателей или по радиосвязи) о развитии пожара и возможности блокирования тех или иных эвакуационных путей.

В случае угрозы теракта или ЧС алгоритм, положенный в основу управления эвакуацией из № этажного ВЗ следующий:

а) вначале люди эвакуируются из верхнего Мго этажа;

б) затем последовательно с нижележащих этажей - Л'-1-го, Ы-2-го и т.д. до полного вывода людей в безопасную зону.

Как и ранее, по командам СОУЭ люди с нижележащего /-го этажа должны начинать движение только после того, как эвакуирующиеся с вышележащего ;'+1-го этажа пройдут лестничную площадку /-го этажа. Но, в отличие от эвакуации при пожаре, предполагается, что все эвакуационные пути и выходы не блокированы. При этом расчётное время эвакуации /вз будет заведомо меньшим, чем время эвакуации при пожаре.

Если же в ходе эвакуации произойдёт теракт или ЧС с блокированием эвакуационных путей, то порядок эвакуации может меняться, исходя из складывающейся обстановки. Но ввиду многовариантности таких событий, это в диссертационной работе не рассматривается.

В главе отмечено, что при проектировании ВЗ люди при пожаре могут эвакуироваться в помещения безопасности, где и пережидать пожар. Однако такие помещение не гарантируют безопасности укрывшихся в них людей при ЧС или теракте. Даже в случае пожара большинство всё-таки предпочтут покинуть ВЗ, чем оставаться неопределённое время в относительно безопасном помещении, когда вокруг будет бушевать пожар. Что касается различных средств самоспасания из ВЗ - от тросовых до парашютных, то они в принципе не смогут обеспечить массовую эвакуацию большого числа людей за относительно короткое время. Таким образом, только эвакуация как самостоятельное управляемое движение людей из ВЗ может обеспечить их безопасность в случае пожара, угрозы ЧС или теракта.

В третьей главе «Моделирование движения людских потоков при эвакуации из ВЗ» проанализирован опыт отечественного и зарубежного исследования движения людских потоков и показано, что для ВЗ может быть модель в виде условной «жидкости», скорость которой V зависит от её плотности (т.е. отношения суммарной площади горизонтальной проекции эвакуирующихся к площади участка эвакуационного пути, где они находятся) Д а также от вида участка - горизонтального, лестницы, проёма -рис.7.

Из большого числа математических выражений (показательная У=Ур\0'ки, полиномиальная К=с0+С1£>+с2£2+с3О3+...), описывающих зависимости У(й), общепринятой является логарифмическая модель:

|Г0 при £<А),

Гф)= Л Г0(1+а1п£»/О0) при 0,9>£»М,, (3)

(о при И>0,9,

где - Ко, а и £>о - параметры модели, зависящие от участка эвакуационного пути (горизонтальный, лестница, пандус), а также от группы мобильности эвакуирующихся.

В теории людских потоков используется интенсивность движения д, являющаяся произведением:

д = УО. (4)

Обобщённые параметры движения эвакуирующихся приведены в табл.1.

Время эвакуации по п участкам может быть оценено для критического пути (т.е. по которому из ВЗ выйдет последний эвакуирующийся) из выражения:

П П

1р = 1‘,= 1.иУ! + М„ (5)

¡=1 ¡=1

где У,, &1/ - время движения по ¿-му участку, его длина, скорость движения по нему и время задержки на этом участке.

В дальнейшем будем полагать, что объёмно-планировочные решения ВЗ и порядок работы СОУЭ таковы, что скопления людей по причине узости участков эвакуационных путей и слияния потоков будут исключены, т.е. Д/,—0,

куационных путей — горизонтального в зданиях (а), лестница вверх (б), лестница вниз

(в) и дверной проём (г) в пересчёте по выражению (4).

1 - экспериментальные данные; 2- ГОСТ 12.1.004-91*; 3,4 - для категорий движения активной и повышенной активности соответственно (по данным проф. В.В.Холшев-никова); 5 - показательная модель; 6 - полиномиальная модель

Выражение (5) выведено в предположении, что скорость на каждом участке, включая движение вне ВЗ, постоянна и детерминирована. При этом не учитывается усталость при длительном движении и возможный вероятностный характер скорости вне здания, т.к. эвакуирующиеся могут двигаться свободно, каждый согласно физическим возможностям.

Для управляемого длительного движения в ВЗ может быть предложена следующая модель скорости движения, учитывающая усталостные явления и неоднородность групп мобильности эвакуирующихся при £»£>о'-

Таблица 1

Параметры движения людей различных групп мобильности на участках эвакуационного пути

Группы мобильности Участки эвакуационного пути /т М2

Гв Гз Лн Лв Пн Пв Дп

К» 100 100 100 60 115 80

М1 а 0,407 0,295 0,400 0,305 0,399 0,399 0,1

А, 0,069 0,051 0,089 0,067 0,171 0,107

12,06 16,41 15,95 11,97 35,36 15,40 19,6

К» 30 30 20 45 25

М2 а 0,335 0,346 0,348 0,438 0,384 0,2

£>о 0,135 0,139 0,126 0,171 0,146

Яша 9,88 9,55 5,71 12,16 6,97 9,7

у» 70 20 25 105 55

М3 а - 0,350 0,454 0,347 0,416 0,446 0,3

Оо 0,102 0,208 0,120 0,122 0,136

16,01 6,29 6,83 21,69 11,55 17,6

М4 Ко а £>„ 60 0,400 0,135 14,52 - 115 0,424 0,146 27,70 40 0,420 0,150 10,30 16,4 0,96

Примечании: 1.Гв - горизонтальный путь вне зданий; Гз - горизонтальный путь в зданиях; Лн - лестница вниз; Лв - лестница вверх; Пн - пандус вниз; Пв - пандус вверх; Дп - дверной

проём;/, - средняя площадь горизонтальной проекции человека.

2.Для участков пути: qmш=aV[¡D(lex■p(d'-1); 0(^то1)=Ооехр(а',-1); У(дта)=аУ0.

¥(О,/)=кыи(0П0+а1пО/О0), (6)

где кы - коэффициент учёта людей различных групп мобильности в потоке (¿„<1 при том, что Ко, а и Д> относятся к группе М1); и(<) - «функция усталости» (рис. 8) - некоторая монотонно убывающая функция от 1 (усталости нет) до 0 (полное утомление).

Рис.8 Типичный вид функции усталости (а - при нахождении параметров функции, б - при вычислении пройденного пути)

Рассмотрено несколько вариантов функции усталости, из которых при расчётах времени /вз наиболее пригодны функции степенного и экспоненциального1 вида - соответственно:

иМ=[1+(^Л-', (7)

и(0=1-[1-ехр(цОГ, (8)

где X, т, ц и п - параметры, определяемые экспериментально по двум точкам - на начальном (в момент г„) и на последующем (в момент /„) этапах движения.

' Применялась К.В.Погорельской для учета утомляемости операторов ЦУС

13

Для функции (7) величины X. и п могут быть найдены из выражений:

т=[к(ик-'-1)-18(и„-,-1)]/х, (9)

Х=/Лин'1-1)1/" = ^'1(ч«'1-1)1/". (Ю)

где ин=и(/„), ик=и(<к), т=1я(гк/;„)

Например, при г„=5 мин, и„=0,9, если /к=20 мин и ик=0,5, то т=1,585 и 1=0,05. А если /„=30 мин и ик=0,1, то от=2,453 и А.=0,0817.

Для функции экспоненциального вида параметры ци п определяются сложнее -если и„=0,9 и ик=0,1, то по номограмме на рис.9 или по регрессионным моделям

=0,3924-1,11 бх+0,183т'1 -0,01636т'2, (11)

^ п =-0,4155т+0.08071 т2 +0,5931 т'1. (12)

Если же ин=0,9 и ик=0,5, то параметры ц и п определяются по регрессионным моделям:

^ ц<„ =-1,475т+0,009426т2 +0,2078т'1 -0,0204т'2, (13)

1§ „ =-0,4756т+0,09737т2 +0,269т'' -0,002708т'2. (14)

Например, при /„=5 мин, и„=0,9, если ?к=20 мин и ик=0,5, то и=1,539 и )л=0,05072. А если /к=30 мин и ик=0,1, то п-2,633 и ц=0,1080.

Для сравнения величины функций усталости (7) и (8), соответствующие рассмотренным примерам, приведены в табл.2.

Рис.9 Номограмма для определения параметров ц и и функции усталости экспоненциального вида(8)

Время 1, прохождения эвакуирующимися ;-го участка пути длиной может быть найдено из выражения: -

Гш

1, = киУ,- \ и(0<1/, (15)

где /ж - время начала движения по /-му участку; \Г1 - скорость движения по /-му участку, как если бы усталости не было.

Таблица 2

Значения функций усталости (7) и (8) для вышеприведённого примера___________

и и„= 0,5 чк= 0,1 и ик= 0,5 ик:= 0,1

мин (7) (8) (7) (8) мин (7) (8) (7) (8)

0 1,0000 1,0000 1,0000 1,0000 10 0,7500 0,7579 0,6218 0,6646

1 0,9914 0,9902 0,9979 0,9975 15 0,6121 0,6206 0,3782 0,4405

2 0,9747 0,9727 0,9884 0,9866 20 0,5000 0,5000 0,2310 0,2758

3 0,9529 0,9509 0,9692 0,9660 25 0,4125 0,3986 0,1480 0,1674

4 0,9276 0,9263 0,9396 0,9366 30 0,3446 0,3156 0,1000 0,1000

5 0,9000 0,9000 0,9000 0,9000 35 0,2917 0,2485 0,0707 0,0590

7 0,8408 0,8441 0,7977 0,8116 40 0,2500 0,1950 0,0520 0,0346

Величина V; для 1-го участка может быть определена по выражению (3), а для других участков - через величину интенсивности <7, с использованием соотношения (предполагается, что д,< 1}тах):

д,-=дм6;.1/8,-, (16)

(5„ 5ы - ширина /-го и предыдущего Ы-го участков), стандартизованной табл.З или по графикам на рис. 10 и таблиц (приведены в тексте диссертации) для различных групп мобильности эвакуирующихся.

Интеграл от функции и(() в выражении (15) для различных моделей (7) и (8) может быть вычислен компьютерными методами, либо с использованием специальных графиков, которые приведены в тексте диссертации.

Таким образом, данный метод позволяет оценить время эвакуации из ВЗ с учётом усталости людей при их длительном движении по эвакуационным путям наружу.

Таблица 3

Зависимости скорости и интенсивности движения эвакуирующихся (М1) от плотности их потока согласно ГОСТ 12.1.004-91 * (прилож. 2) и ГОСТ Р 12.3.047-98 (прилож. Ш)

У ч;1С 14) к'” О эвакуац. пути ^ 0,01 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,7 0,8 0,9

Горизонтальный в V 100 100 80 60 47 40 33 23 19 15

зданиях - Гз Я 1 5 8 12 14,1 16 16,5 16,1 15,2 13,5

Лестница вниз - Лв V 100 100 95 68 52 40 31 18 13 6

Я 1 5 9,5 13,6 16,6 16 16,6 12,6 10,4 7,2

Лестница вверх- Лв V 60 60 53 40 32 26 22 15 13 11

Я 0,6 3 5,3 8 9,6 10,4 11 10,5 10,4 9,9

Дверной проём - Дп Я 1 5 8,7 13,4 16,5 18,4 19,6 18,5 17,3 8,5

Определение времени при моделировании движения эвакуирующихся от ВЗ по открытой местности в безопасную зону, отличие от движении в ВЗ, где люди различных групп мобильности движутся единым потоком, предполагает независимое движение людей. Т.е. люди группы мобильности М1 могут двигаться быстрее людей групп М2 и М3, исходя из физических возможностей каждого человека, ввиду чего распределение скоростей на этом участке может носить случайный характер, описываемый плотностью ф[АУгв)- Распределение людей на предпоследнем участке эвакуационного пути в ВЗ перед выходом наружу также может носить случайный характер и описываться распределением с плотностью ф1.(£).

Рис. 10 Совмещённые графики «интенсивность-плотность-скорость» (а-в) и «интенсивность-плотность» в дверном проёме (г) для различных групп мобильности эвакуирующимся а-М1 (1-Пн, 2-Лн, З-Пв, 4-Гз, 5-Гв, 6-Лв), б-М2 (1-Пн, 2-Гз,Лн, З-Пв, 4-Лв), в -МЗ (1-Пн, 2-Гз, З-Пв, 4-Лв, 5-Лн), г-Дп.

Тогда распределение людей на последней участке эвакуационного пути при их движении по открытой местности в каждый момент времени I (отсчитывается от момента выхода из ВЗ) также будет случайным с плотностью <р(х,<)> где х - координата на открытой местности, отсчитываемая от выхода из ВЗ.

Тогда может быть оценена вероятность своевременного отхода людей в безопасную зону, отстоящую на расстоянии Ьс„ от выхода из ВЗ:

P6i= / ф(х, Г)ск, (17)

О

где Т - момент времени, когда людям вне ВЗ начнёт угрожать опасность, например, от падения предметов с высоты (отсчитывается от момента выхода из ВЗ).

Плотность распределения эвакуирующихся ф(х,г), в свою очередь, может быть найдена, исходя из того, что случайная величина х является суммой случайных координат нахождения человека на участке перед выходом из ВЗ и его пути z, пройденного вне ВЗ за время t со случайной скоростью F/e. Т.е. искомая плотность ip(x,t) - композиция плотностей фс(Х) и <pt(z)=i'(pv(z/t).

Если предположить, что перед выходом из ВЗ распределены по закону равномерной плотности Rn(-L,0) на участке длиной L (рис. 11), а скорость их на открытой местности лежит в пределах от Kmjn до Ктах и также подчиняется закону равномерной плотности Rn(Km;„,Fmax), то при движении в безопасную зону поток эвакуирующихся на момент t будет распределен трапециедально jT(Vmmt-L^A.B,VmMt) (рис.11), а параметры А и В находятся по выражениям:

А = min( Vmmt), (18)

В = max( VmaKt-L, (19)

Рис.11 Плотности распределения эвакуирующихся перед выходом из ВЗ и на пути в безопасную зону на момент времени /

В частном случае в момент t=L/(Vmm-Vmin), когда А=В= Vm\JU(Vm^-Vmm), распределение эвакуирующихся становится треугольным Ts(Z.(2Fmjn-Kmax)/AF, Pmin£/AK, VmmLIAV), ГДе Д ^min-

Например, если ¿=10 м, Fmin=30 м/мин (что соответствует группе мобильности М3), ктах=100 м/мин (группа М1) то через 0,5 мин эвакуирующиеся распределятся на пути в безопасную зону по трапециедальному закону Тг(5м,15м,40м,50м). А если безопасная зона находится на расстоянии L63=20 м от выхода из ВЗ то, согласно (17), при 7=0,5 мин рбз~0,714, а через 1 мин все уже будут на безопасном расстоянии от ВЗ.

В четвёртой главе «Расчётные примеры управляемой эвакуации людей из ВЗ» изложенные методы были применены к обоснованию проекта СОУЭ для одного из многофункциональных ВЗ в престижном районе Санкт-Петербурга. Оно насчитывает 17 этажей (16 обитаемых, 13-й этаж - технический) и имеет высоту 51,5 м от уровня площадки для размещения пожарной техники до подоконника 17-го этажа. Этажи с 4го по 17-й, представляющие собой отдельный пожарный отсек, который занимает гостиница, а этажи с 1-го по 3-й отданы под торговые и концертный залы, ресторан, кафе, офисы и т.п.

Рис. 12 План типового этажа гостиницы, откуда организуется управляемая эвакуация (вверху — эвакуация при пожаре, внизу — при угрозе ЧС или теракта)

Типовой этаж гостиницы (рис. 12) вмещает 63 человека, имеет 7 лифтов и 2 ЛК. В расчётах принимался сценарий эвакуации из гостиницы при пожаре, когда блокирована центральная ЛК, а эвакуационный путь с этажа проходил по коридору в дальнюю незадымляемую ЛК, затем через вестибюль наружу. При эвакуации людей из гостиницы в случае угрозы теракта или ЧС предполагалось, что обе ЛК свободны, никаких разрушений пока не произошло. Планировка гостиницы предусматривает такую ширину дверных проёмов, маршей и площадок ЛК, что исключены образования скоплений людей и задержка их движения при отдельной эвакуации из какого-либо из этажей.

Эвакуация людей из 1 -3 этажей в данном случае не рассматривалась, поскольку осуществлялась независимо через отдельные эвакуационные выходы, а время эвакуации рассчитывалось стандартным методом по ГОСТ 12.1.004-91 *.

При эвакуации в случае пожара алгоритм работы СОУЭ предполагал индивидуальное оповещение номеров по каждому из этажей отдельно. После получения сообщения проживающие должны были взять документы, деньги и т.п. и выйти в коридор, после чего получали указание в какую ЛК двигаться. Весь их путь был под контролем -велось наблюдение по видеокамерам, сопровождение персоналом, в коридорах и ЛК размещались переговорные устройства, в случае необходимости из ЕДП в тот или иной участок эвакуационного пути могли подаваться корректирующие указания, задействовалось аварийное освещение, световые указатели и т.п. Алгоритм работы СОУЭ предполагал, что эвакуация начинается с этажа пожара, а затем последовательно с вышележащих этажей. После этого последовательно эвакуировались этажи, начиная с этажа под этажом пожара. Команда на движение с каждого этажа подавалась только после того, как люди с предыдущего эвакуируемого этажа уходили ниже выхода в ЛК из этажа, откуда планировалась эвакуация.

В случае угрозы ЧС или теракта СОУЭ функционировала подобным образом, но предполагалось, что все эвакуационные пути доступны, а эвакуация проводится последовательно с этажей, начиная с верхнего, 17-го.

В расчётах принималось, что длина 1-го участка эвакуационного пути (коридора этажа) ¿1=90 м и длина 3-го участка (вестибюль) ¿з=20 м во всех случаях, а длины 2-го участка (лестница вниз в ЛК) ¿2 в зависимости от этажа приведены в табл.4.

Таблица 4

Длины участков эвакуационного пути по лестнице вниз и время их прохождения

Этаж, / 4 5 6 7 8 9 10 11 12 14 15 16 17

¿д, м 23,6 30,2 36,8 43,4 50,0 56,6 63,2 69,8 76,4 83,6 89,6 95,6 101,6

1,2, мин 0,24 0,30 0,37 0,43 0,50 0,57 0,63 0,70 0,76 0,84 0,90 0,96 1,02

Моделирование управляемой эвакуации при пожаре на М-ом этаже гостиницы дало следующие результаты. С учётом исключения скоплений людей в ЛК длительность эвакуации с каждого этажа гостиницы оценивалась по выражению:

/,= Д/, + ¡1 + (д + <з, (20)

где Д/, - задержка начала эвакуации с /-го этажа; /ь ¡¡г, - время движения людей по

соответствующим участкам эвакуационного пути.

Тогда время может быть оценено как наибольшее из множества {(,•}:

/вз = шах(^). (21)

N .

Используя стандартный подход и учитывая, согласно (5), что 1\=Ь\/У\, ¡¡г-1^р!Уг и /з^з/Кз, а также, что ширина {5,} всех участков эвакуационных путей обеспечивает выполнение условия £><£>о, в соответствии с табл.З полагаем: У\= V2= К3=100 м/мин. Тогда сразу можно найти: /1+Гз=(90+20)/100=1,1 мин. Задержка начала эвакуации с /-го этажа над очагом пожара, задаваемая СОУЭ, включает в себя время выхода людей из нижележащих эвакуируемых этажей, включая этаж пожара:

Ц=а-М)1и=М,...Л (22)

Задержка начала эвакуации с /-го этажа под этажом пожара складывается из времени выхода людей из вышележащих этажей и их прохода вниз по ЛК мимо выхода из этажа, откуда планируется эвакуация. При этом учитываются длины эвакуационных путей между этажами: Д£17_1б=Д£|б-15=Д£15-14=6,0 м, Д£|4_,2=7,2 м, Д/,12.ц=...=Д£5-4=6,6 м. Величины задержек Д<, в зависимости от этажа пожара М приведены в табл.5.

Таблица 5

Задержки начала эвакуации с этажей гостиницы при пожаре_______________________

Этаж пожа ра М

І 4 5 6 7 8 9 10 11 12, 13 14 15 16 17

17 10,8 9,90 9,00 8,10 7,20 6,30 5,40 4,50 3,60 2,70 1,80 0,90 -

16 9,9 9,00 8,10 7,20 6,30 5,40 4,50 3,60 2,70 1,80 0,90 - 0,96

15 9,0 8,10 7,20 6,30 5,40 4,50 3,60 2,70 1,80 0,90 - 1,92 1,92

14 8,1 7,20 6,30 5,40 4,50 3,60 2,70 1,80 0,90 - 2,88 2,88 2,88

12 7,2 6,30 5,40 4,50 3,60 2,70 1,80 0,90 - 3,85 3,85 3,85 3,85

11 6,3 5,40 4,50 3,60 2,70 1,80 0,90 - 4,82 4,82 4,82 4,82 4,82

10 5,4 4,50 3,60 2,70 1,80 0,90 - 5,78 5,78 5,78 5,78 5,78 5,78

9 4,5 3,60 2,70 1,80 0,90 - 6,75 6,75 6,75 6,75 6,75 6,75 6,75

8 3,6 2,70 1,80 0,90 - 7,92 7,92 7,92 7,92 7,92 7,92 7,92 7,92

7 2,7 1,80 0,90 - 8,68 8,68 8,68 8,68 8,68 8,68 8,68 8,68 8,68

6 1,8 0,90 - 9,65 9,65 9,65 9,65 9,65 9,65 9,65 9,65 9,65 9,65

5 0,9 - 10,61 10,61 10,61 10,61 10,61 10,61 10,61 10,61 10,61 10,61 10,61

4 - 11,58 11,58 11,58 11,58 11,58 11,58 11,58 11,58 11,58 11,58 11,58 11,58

Примечание: / — этаж эвакуации

Как следует из результатов моделирования, при данном алгоритме работы СОУЭ, если пожар произойдёт на 4-ом этаже, то критичным будет время эвакуации из самого высокого 17-го этажа: /п=10,80+0,90+1,02+0,20=12,92 мин. А если пожар произойдёт на любом этаже выше 4-го, то критичной будет эвакуация 4-го этажа, хотя время останется таким же: «4=11,58+0,90+0,24+0,20=12,92 мин. Необходимо отметить,

что при моделировании предполагалось, что эвакуируются люди самой высокой группы мобильности М1 и они не чувствуют усталости.

При этих же предположениях можно промоделировать эвакуацию из гостиницы при угрозе ЧС или теракта. В данном случае задействуются обе ЛК, эвакуация начнётся с самого высокого 17-го этажа, а затем последовательно будут эвакуироваться нижележащие этажи. Поскольку эвакуация будет проводиться одновременно по примерно равноценным путям: «половина этажа-ЛК-вестибюль», достаточно провести расчёт для любого из них. Выражение (18) и табл.4 остаются в силе, величины задержек начала эвакуации с этажей и общие времена эвакуации приведены в табл.6 с учётом, что 1-й участок эвакуационного пути стал короче, т.е. /1=0,45 мин, а ?з=0,2 мин. Как и в предыдущем случае, критичной оказалась эвакуация 4-го этажа, хотя по сравнению с эвакуацией при пожаре время выхода людей из ВЗ значительно меньше - всего 7,04 мин.

Таблица 6

Задержки начала движения и время эвакуации с этажей при угрозе ЧС или теракта

Этаж, у 4 5 6 7 8 9 10 11 12 14 15 16

Д(;, мин 6,18 5,66 5,15 4,63 4,12 3,60 3,08 2,57 2,05 1,53 1,02 0,51

мин 7,04 5,59 6,14 5,69 5,24 4,79 4,34 3,89 3,45 2,99 2,54 2,09

В диссертации было исследовано влияние утомляемости эвакуирующихся и наличие групп мобильности ниже М1 на время эвакуации из данной гостиницы. В качестве функции усталости при движении по горизонтальным участкам эвакуационного пути была взята степенная функция иГз(0=[1+(0,10°’954] \ а Для движения по лестнице -илн(0=[1+(0>20''365] '• Наличие различных групп мобильности учитывалось также коэффициентом £„=0,8.

Результаты моделирования эвакуации людей из гостиницы с учётом усталостных явлений и различных групп их мобильности в случае пожара на 10-м этаже приведены в табл.7. Как следует расчётов времени выхода людей из ВЗ, учёт утомляемости и наличия групп мобильности М1-МЗ показал, что величина 1вз увеличится с 12,92 мин до 17,39 мин, т.е. в 1,34 раза. А если учесть инерционность СОУЭ и движение эвакуирующихся от выхода из ВЗ в безопасную зону, то общее время 1Р будет ещё большим.

Таблица 7

Временные параметры эвакуации из ВЗ при пожаре на 10-м этаже гостиницы

Этаж,} 4 5 6 7 8 9 10 11 12 14 15 16 17

Д//;мин 15,55 14,25 12,96 11,66 10,37 9,07 - 1,20 2,40 3,60 2,80 6,00 7,20

Г;, мин 17,39 16,20 15,00 13,82 12,63 11,44 2,48 3,79 5,11 6,43 7,74 9,06 10,36

Подобным образом с учётом усталостных явлений и различных групп их мобильности была промоделирована эвакуация людей из гостиницы в случае угрозы ЧС или теракта, результаты моделирования приведены в табл.8. Как и в случае пожара время выхода людей из ВЗ ¿вз с учётом утомляемости и наличия групп мобильности М1-МЗ увеличится с 7,04 мин до 9,19 мин, т.е. более чем на 2 мин или в 1,3 раза. А если учесть инерционность СОУЭ и движение эвакуирующихся от выхода из ВЗ в безопасную зону, ТО общее время /р также будет большим.

Таблица 8

Временные параметры эвакуации из ВЗ при угрозе ЧС или теракта

Этаж, / 4 5 6 7 8 9 10 11 12 14 15 16 17

Д/„мин 8,01 7,34 6,67 6,00 5,33 4,67 4,00 3,33 2,65 1,98 1,32 0,66 -

мин 9,19 8,61 8,04 7,46 6,89 6,32 5,75 5,19 4,61 4,06 3,49 2,93 2,37

При управлении эвакуацией как при пожаре, так и при угрозе ЧС или теракта необходимо вести постоянное наблюдение за потоками людей и учитывать возможность падения на лестнице кого-либо из людей с пониженной группой мобильности.

Таким образом, совершенствование СОУЭ применительно к ВЗ является необходимым условием обеспечения безопасности людей в случае пожара и угрозы ЧС или теракта. Это, в свою очередь, предполагает совершенствование моделей движения людского потока при экстренной эвакуации из ВЗ и методов расчётной оценки времени эвакуации, что и было предпринято в диссертационном исследовании.

Основные результаты работы.

1. Проведен анализ отечественного и зарубежного опыта в части управления эвакуацией людей из ВЗ при пожаре, угрозе ЧС или теракта с учётом конструктивных особенностей ВЗ и особенностей СОУЭ. Показано, что эвакуацию целесообразно проводить пешим порядком по эвакуационным путям в ВЗ, а затем вне ВЗ в безопасную зону.

2.Предложен критерий управления для обеспечения успешной эвакуации из ВЗ, включающий в себя минимум суммарного времени выхода людей из ВЗ и времени их отхода от ВЗ в безопасную зону.

З.Обоснованы и разработаны модели движения людского потока с учётом усталостных явлений и вероятностного описания исходных данных при эвакуации по открытой местности.

4. Разработаны методы управления эвакуацией людей при пожаре в ВЗ с учётом этажа пожара, а также при угрозе теракта или масштабной ЧС.

5. Разработанные модели и методы носят аналитический характер, являются развитием стандартизованных подходов к расчёту параметров движения людских потоков, не требуют сложной и дорогостоящей компьютерной техники и специализированных вычислительных программ, ориентированы на базовую квалификацию специалистов, позволяют решать задачи управления эвакуацией людей из ВЗ и контролировать корректность расчётов на любом этапе. Указанные достоинства обусловили их внедрение в практику работы соответствующих организаций и в учебный процесс подготовки специалистов пожарно-технического профиля.

6. На примере конкретного ВЗ промоделирован порядок управления эвакуацией людей при пожаре и угрозе теракта или ЧС с учётом предложенных моделей и методов. Приведено сравнение величин времени эвакуации из ВЗ по стандартным и по предложенным моделям, чем показана большая объективность оценки расчётного времени эвакуации.

Основные положения диссертации отражены в работах:

а) издания по перечню ВАК Министерства образования и науки РФ:

1. Родичев А.Ю., Козленко А.Н. «О некоторых особенностях расчёта време-

ни эвакуации людей» // Вестник Санкт-Петербургского института ГПС МЧС России, № 1(12)-2(13), СПб: 2006 г. (0,2/0,1 п.л.).

2. Родичев А.Ю., Таранцев A.A. «Об учёте усталостных факторов при движении людского потока» // Журнал «Пожаровзрывобезопасность» №1, 2007 г., с.50-52

(0,3/0,15 пл.)-

б) ведомственные издания:

3. Родичев А.Ю., Таранцев A.A., Ураков А.Е. О влиянии времени следования на ущерб от пожаров // Материалы международной НПК «Проблемы взаимодействия МВД и МЧС России в сфере обеспечения безопасности движения». СЗРЦ МЧС, СПбУ МВД, СПбИ ГПС МЧС России, 16-17 марта 2005 г. (0,1/0,05 п.л.).

4. Родичев А.Ю., Погорельская К.В., Таранцев A.A. «Учёт усталостных факторов в деятельности людей» // Материалы V международной НПК «Подготовка кадров в системе предупреждения и ликвидации последствий ЧС». СП6У ГПС МЧС России, 16 сентября 2006 г. (0,1/0,05п.л.).

5. Родичев А.Ю., Новосёлов Р.Н., Таранцев A.A., Шидловский Г.Л. «Основные проблемы обеспечения безопасности персонала при эвакуации из высотных многофункциональных объектов в условиях ЧС» // Материалы VI международной НПК «Подготовка кадров в системе предупреждения и ликвидации последствий ЧС». СПбУ ГПС МЧС России, 19 октября 2007 г. (0,1/0,025 пл.).

6. Родичев А.Ю., Новосёлов Р.Н., Таранцев A.A., Шидловский Г.Л. «Вопро-

сы обеспечения безопасной эвакуации из высотных многофункциональных зданий при угрозе теракта» // Материалы III международной НПК «Технические средства противодействия террористическим и криминальным взрывам». СПбУ ГПС МЧС России, РАРАН, 30-31 октября 2007 г. (0,1/0,025 п.л.).

7. Родичев А.Ю. «Проблемы эвакуации людей из высотных зданий» // Ма-

териалы НПК «Сервис безопасности России: опыт, проблемы, перспективы». СПбУ ГПС МЧС России, 23-24 апреля 2008 г. (0,1 п.л.).

8. Родичев А.Ю., Манин П.А. Оценка параметров потока событий, образо-

ванного слиянием двух случайных потоков // Материалы VI Всероссийской НПК «Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействия терроризму». СПбУ ГПС МЧС России, РАРАН, 19-20 апреля 2011 г. (0,1/0,05 пл.).

9. Родичев А.Ю., Манин П.А., Таранцев A.A. О некоторых проблемах спа-

сения и эвакуации персонала с аварийных объектов в северных широтах // Материалы

IV Международной НПК «Обеспечение комплексной безопасности при освоении северных территорий». СПбУ ГПС МЧС России, Российский союз спасателей, 17 ноября 2011 г. (0,1/0,033 пл.).

Подписано в печать 24.11.2011 Формат 60*84 шв

Печать цифровая Объём 1,0 п.л. Тираж 100 экз.

Отпечатано в Санкт-Петербургском университете ГПС МЧС России 196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, д. 149

Принятые сокращения.

Введение.

Основные обозначения.

1 .Анализ состояния вопроса в части высотного строительства и пожарной безопасности высотных зданий.

1.1 .Сведения из истории высотного строительства.

1.2.Современное высотное строительство и его перспективы.

1.3.Высотные здания - объект повышенной пожарной опасности. 21 Выводы.

2.Системы обеспечения безопасности людей в высотных зданиях. 27 2.1.Особенности обеспечения безопасности людей в высотных зданиях

2.2.Требования к системам оповещения и управления эвакуацией людей из зданий и сооружений.

2.3.Особенности алгоритмов работы систем оповещения и управления эвакуацией из высотных зданий.

2.4.Средства и способы спасения людей из высотных зданий . 40 Выводы.

3.Моделирование движения людских потоков при эвакуации из высотных зданий.

3.1.Стандартизованные модель движения людского потока и метод расчёта времени эвакуации.

3.2.Модель учёта усталостных явлений при длительной эвакуации.

3.3.Модель распределения эвакуирующихся при движении по открытой местности.

Выводы.

4.Расчётные примеры управляемой эвакуации людей из высотных зданий.

4.1 .Краткая характеристика объекта.

4.2.Моделирование управляемой эвакуации в случае пожара.

4.3 .Моделирование управляемой эвакуации в случае угрозы

ЧС или теракта.

Выводы.

Основные результаты работы.

В настоящее время как во всём мире, так и в России, а особенно в её крупных городах, ведется интенсивное строительство зданий повышенной этажности и высотных зданий (ВЗ). Причины этого не только в высокой стоимости земли, но и в престижности таких зданий, и в желании продемонстрировать возможности своих строительных технологий. ВЗ, как правило, являются многофункциональными с массовым пребыванием людей и включают в себя офисные помещения, бизнес-центры, рестораны, супермаркеты, выставочные залы и смотровые площадки, отели, фешенебельные квартиры. Такие здания могут быть как отдельно стоящими, так образовывать целые комплексы (например, «Москва-сити») с соответствующей инфраструктурой и подземными многоярусными паркингами.

Однако ВЗ подвержены различным угрозам - пожарам (в т.ч. на этапе строительства), природным катаклизмам - землетрясениям и др. ЧС, а также террористическим актам, являющимся характерной чертой конца XX - начала XXI века.

В то же время, законодательство РФ очень жёстко ставит вопрос обеспечения безопасности людей [1-6] ввиду не очень благополучной обстановки с пожарами в нашей стране. А ГОСТ 12.1.004-91* [7] вообще требует обеспечения уровня риска воздействия на людей опасных факторов пожара (ОФП) до 10'6 случаев в год.

В этой связи при пожарах особую актуальность принимают вопросы экстренной эвакуации людей как процесса организованного самостоятельного движения людей непосредственно наружу или в безопасную зону из помещений, в которых имеется возможность воздействия ОФП на людей - персонала, посетителей, жильцов из таких зданий (хотя в ВЗ могут быть предусмотрены помещения для защиты от ОФП, но они не могут гарантировать безопасность при ЧС или теракте) и удаление их на безопасное расстояние вне зоны падения обломков, стёкол и др. предметов с высоты. Это, в свою очередь, выводит на первый план задачу эффективного управления эвакуацией, решение которой на этапе проектирования и реконструкции зданий осуществляется с учётом работы системы оповещения и управления эвакуацией (СОУЭ) и производится расчётными (в т.ч. компьютерными) методами.

У нас в стране проблемой оценки времени эвакуации людей из зданий из сооружений занимались многие известные специалисты - С.В.Беляев [57], В.И.Предтеченский А.И.Милинский [81], М.Я.Ройтман [85-91], В .В .Холщевников [114-126], Д.А.Самошин [92-97], И.И.Исаевич [123], 4

А.А.Таранцев [103] и др. За рубежом - ТЛ^ЫеШэ, К.Е.Воусе [120], 1Х.Вгуап, Н.КилуаЬага, .[.Ь.РаиЬ, А.С.Дмитриченко, Д.А.Полоз [85], И.И.Полевода, С.Л.Соболевский, О.В.Кураев и др.

По результатам анализа многочисленных экспериментов общепринятой стала модель движения людского потока, скорость которого V зависит от его плотности £> и вида участка эвакуационного пути. Эта модель была положена в основу соответствующих расчётных методов, которые у нас в стране регламентированы такими документами, как ГОСТ 12.1.004-91* [7] (приложение 2*), ГОСТ Р 12.3.047-98 [9] (приложение Ш), СНиП 35-012001 [28] (приложение В) и др., а за рубежом - №РА [52-54] и др. Такие расчёты позволяют оценить время эвакуации /р и путём его сопоставления с необходимым временем эвакуации ¿нб, полученным по моделям развития пожара, оценить уровень пожарного риска и, при необходимости, выдать рекомендации по корректировке параметров эвакуационных путей.

Тем не менее, применительно ВЗ используемая в этих документах модель людского потока требует корректировки. А именно: а) эвакуация людей с верхних этажей будет занимать длительное время (без учёта лифтов и помещений безопасности), что сопряжено с усталостью и снижением скорости движения; б) в узких проходах необходимо учитывать движение людей «цепочкой»; в) при движении вне здания необходимо учитывать случайный характер скорости движения людей.

Что касается работы СОУЭ, то в действующем СП 3.13130.2009 [30] (ранее - НПБ 104-03* [42]), предусматривающем наличие 5-и типов СОУЭ и регламентирующем выбор её типа в зависимости от класса функциональной пожарной опасности (КФПО) здания или сооружения, числа пребывающих в нём людей, его площади и этажности. Но рекомендаций по порядку управления эвакуацией (тем более, из ВЗ) там не содержится. Однако очевидно, что при пожаре в ВЗ необходимо управлять движением людей с учётом этажа пожара и его динамики, возможности блокирования какого-либо эвакуационного пути ОФП и недопущения образования скоплений людей и задержек их движения. В функционировании СОУЭ при угрозе ЧС или теракта необходимо учесть некоторые особенности - в силе остаются условия недопущения задержек движения и скоплений людей, а также последовательность эвакуации людей с этажей ВЗ, но задействованы могут быть все эвакуационные пути.

Таким образом, целью работы является совершенствование моделей и методов управления эвакуацией людей из ВЗ с учётом особенностей длительного движения людских потоков.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи: -исследование проблемы управления эвакуацией из ВЗ с учётом их конструктивных особенностей, перспектив развития и требований к СОУЭ; -создание моделей управляемого движения людского потока с учётом усталостных явлений и вероятностного характера этапа эвакуации по открытой местности от ВЗ в безопасную зону;

-анализ особенностей построения СОУЭ из ВЗ и формирование критерия успешности эвакуации;

-разработка метода управления эвакуацией при пожаре в ВЗ с учётом этажа пожара, а также при угрозе теракта или ЧС;

Объект исследования - система управления эвакуацией людей из ВЗ.

Предмет исследования составляют модели и методы расчёта времени эвакуации людей и управления эвакуацией из ВЗ.

Методы исследования: системный анализ, теория движения людских потоков, теория вероятностей и математическая статистика.

Основные положения, выносимые на защиту и обладающие научной новизной: анализ-обзор особенностей эвакуации людей из ВЗ при пожаре и угрозе ЧС или теракта; временной критерий успешности управления эвакуацией из ВЗ; модели длительного движения потока эвакуирующихся с учётом усталостных явлений и эвакуации от ВЗ в безопасную зону с учётом распределения их на начальном участке и вероятностного характера скорости движения; методы управления эвакуацией людей из ВЗ при пожарах, угрозах масштабной ЧС (землетрясения, цунами.) или теракта.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Обозначение Пояснение Размерность

V Скорость движения по эвакуационному пути м/мин

Го Свободная скорость движения людей м/мин й Плотность людского потока - (м2/м2)

1 Интенсивность движения м/мин а, Д> Параметры модели «скорость-плотность»

N Количество людей к <5/ Длина и ширина ьго участка эвакуационного м пути п Число участков эвакуационного пути

Расчётное время эвакуации, текущее время мин нб Необходимое время эвакуации мин нэ Время начала эвакуации мин п Площадь проекции человека м2

Е Общая площадь проекции эвакуирующихся м2 ф,\|/ Плотности распределения случайных величин [Г1

Кривая усталости п, т, (х, X Параметры кривых усталости

Опорные времена кривой усталости мин м Этаж пожара ц Задержка эвакуации су'-го этажа мин

Е Номер верхнего этажа высотного здания

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ отечественного и зарубежного опыта в части управления эвакуацией людей из ВЗ при пожаре, угрозе ЧС или теракта с учётом конструктивных особенностей ВЗ и особенностей СОУЭ. Показано, что эвакуацию целесообразно проводить пешим порядком по эвакуационным путям в ВЗ, а затем вне ВЗ в безопасную зону.

2.Предложен критерий управления для обеспечения успешной эвакуации из ВЗ, включающий в себя минимум суммарного времени выхода людей из ВЗ и времени их отхода от ВЗ в безопасную зону.

З.Обоснованы и разработаны модели движения людского потока с учётом усталостных явлений и вероятностного описания исходных данных при эвакуации по открытой местности.

4. Разработаны методы управления эвакуацией людей при пожаре в ВЗ с учётом этажа пожара, а также при угрозе теракта или масштабной ЧС.

5. Разработанные модели и методы носят аналитический характер, являются развитием стандартизованных подходов к расчёту параметров движения людских потоков, не требуют сложной и дорогостоящей компьютерной техники и специализированных вычислительных программ, ориентированы на базовую квалификацию специалистов, позволяют решать задачи управления эвакуацией людей из ВЗ и контролировать корректность расчётов на любом этапе. Указанные достоинства обусловили их внедрение в практику работы соответствующих организаций и в учебный процесс подготовки специалистов пожарно-технического профиля.

6. На примере конкретного ВЗ промоделирован порядок управления эвакуацией людей при пожаре и угрозе теракта или ЧС с учётом предложенных моделей и методов. Приведено сравнение величин времени эвакуации из ВЗ по стандартным и по предложенным моделям, чем показана большая объективность оценки расчётного времени эвакуации.

1. Федеральный закон от 21 декабря 1994 г. № 69-ФЗ "О пожарной безопасности".

2. Федеральный закон от 29.12.2004 г. № 190-ФЗ «Градостроительный кодекс РФ».

3. Федеральный закон от 22.07.2008 г. № 123-Ф3 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности».

4. Федеральный закон от 30.12.2009 № 384-Ф3 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений».

5. Постановление Правительства РФ от 31 марта 2009 года № 272 «О порядке проведения расчетов по оценке пожарного риска».

6. ПРИКАЗ от 30 июня 2009 г. № 382 «Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности».

7. ГОСТ 12.1.004-91* «ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования».

8. ГОСТ 12.1.033-81 «ССБТ. Пожарная безопасность. Термины и определения».

9. ГОСТ Р 12.3.047-98 «ССБТ. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования».

10. ГОСТ 12.4.026-76* «ССБТ. Цвета сигнальные и знаки безопасности».

11. ГОСТ 23466-79* «Автолестницы пожарные. Общие технические условия».

12. ГОСТ 25772-83* «Ограждение лестниц, балконов и крыш стальные. Общие технические условия».

13. ГОСТ Р 12.2.143-2002 «Системы фотолюминисцентные эвакуационные. Элементы систем. Классификация. Общие технические требования. Методы контроля».

14. ГОСТ Р 12.4.026-2001 «Цвета сигнальные, знаки безопасности и разметка сигнальная. Назначение и правила применения. Общие технические требования и характеристики. Методы испытания».

15. СТ СЭВ 383-87 «Пожарная безопасность в строительстве».

16. СНиП 21-01 -97* «Пожарная безопасность зданий и сооружений».

17. СНиП 21-02-99* «Стоянки автомобилей».

18. СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение».

19. СНиП 2.01.02-85* «Строительные нормы и правила. Противопожарные нормы».

20. СНиП 2.07.01-89* «Градостроительство. Планировка и застройка город21.22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36