1、 摘 要 在享受地铁交通便利、快捷、舒适的同时，应清醒地认识到由于地铁建筑既是地下工程，又是公众聚 集场所，受到客流量大、运营环境特殊等因素的制约，一旦发生灾害事故，往往很难及时有效处置，容易导致人员群死群伤，并造成巨大的财产损失。本文以地铁车站为例，对地铁火灾人员疏散开展了仿真分析和应用研究。 针对某地铁站的建设情况及主要消防设施的基本特性，重点分析了地铁火灾的特点，着重指出氧含量急剧下降、发烟量大、排烟排热差、人员疏散困难等地铁的火灾报警系统与地上建筑的相比 ， 具有显著的不同同时，指明了地铁一旦发生火灾等事故，具有人员疏散和灭火救援极为困难的显著特点。 根据某地铁站的不同火灾场景，采用
2、Building Exodus 疏散模拟软件，模拟地铁车站内的人群疏散状况，同时考虑疏散过程中乘客之间、乘客与地铁建筑之间、乘客与火灾环境之间的相互作用。针对不同客流量和可通行出入口设定情况，分析人员安全疏散的时间特性，指出不同出入口通行能力对于人员安全疏散的影响。在此基础上，对于该地铁站换乘区设计方案的人员疏散情况进行了模拟分析，为地铁人员安全疏散对策的建立提供技术支撑。 关键词 地铁火灾，人员疏散，仿真分析Abstract With the development of modern cities， the subway is playing a more and more importa
3、nt role in urban transportation It makes our life and manufacture more convenient and comfortable， but on the other hand， the subway fire as the main disaster happened quite frequently We should realize that the subway station is not only the underground construction but also the public gathering pl
4、ace Because of large passenger flow volume and special management environment， it is very difficult to effectively deal with such disasters as fires in subway station Once the fire takes place in the subway station， it will result in a large number of death and injury as well as great property damag
5、e Concerning with a certain subway junction station， this paper carried out evacuation simulation analysis of subway fires based on simulation analysis For the construction of a subway station and the main facilities of the basic characteristics of fire, the focus of a subway fire characteristics, h
6、ighlighted the sharp decline in oxygen levels, smoke a large amount of exhaust heat is poor, the difficulty of evacuation fire alarm system subway compared with the floor construction, with significant differences at the same time, pointing out the subway in the event of fires and other accidents, e
7、vacuation and fire fighting and rescue with a very difficult distinguishing feature. Based upon execution simulation software Building Exodus， execution condition was simulated in ascertain subway station with different fire scenarios， at the same time considering mutual effect between different pas
8、sengers， passengers and subway, passengers and fire surroundings during the simulation. It is demonstrated that the discharge capacity of different outlets and inlets has great effect o n safe execution according to evacuation time characteristics analysis under different passenger flow value and se
9、tting different useful inlets and outlets Depending upon the analysis above， personnel execution simulation in the changing-line alias was analyzed， which are quite useful for the establishment of personnel safe execution strategies. Key Words ： subway fire， safe evacuation， simulation analysis 目录 摘
10、 要 . I Abstract. II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 研究本课题的意义 . 1 1.2 城市地铁火灾报警系统的现状及发展趋势 . 1 第 2 章 地铁火灾的特点 . 3 2.1 地铁火灾的特点 . 3 第 3 章 地铁火灾自动报警系统的构成 . 5 3.1 地铁火灾自动报警系统的构成 . 5 3.1.1 火灾报警控制器 . 5 3.1.2 气体灭火控制器 . 6 3.1.3 火灾探测器 . 7 3.1.4 手动报警按钮 . 7 3.1.5 声光报警器 . 8 3.1.6 输入输出模块 . 8 3.2 本章小结 . 9 第 4 章 地铁火灾自动报警系统的网络结构模式 . 10
11、 4.1 中央级主干网络的功能及网络结构 . 10 4.2 车站级局域网络的功能及网络结构 . 11 4.2 本章小结 . 12 第 5 章 地铁火灾人员安全疏散仿真研究 . 13 5.1 人员疏散安全评估 . 13 5.1.1 安全疏散的判定标准 . 13 5.1.2 必需疏散时间的计算 . 14 5.1.3 可用安全疏散时间的计算 . 18 5.2 人员疏散仿真模型 . 20 5.2.1 功能 . 20 5.2.2 原理 . 20 5.2.3 Building Exodus 软件简介 . 21 5 .3 地铁火灾人员安全疏散仿真分析应用研究 . 24 5.3.1 线路一地铁站火灾人员安全疏
12、散仿真分析 . 24 5.4 本章小结 . 33 结 论 . 34 致 谢 . 35 参考文献 . 36 第 1 章 绪论 1.1 研究本课题的意义 随着经济的快速发展，地铁在城市交通中的比重越来越大，随之也带来新的火灾安全隐患。加强地铁场所的火灾预警和防范，合理地在地铁场所中设置火灾自动报警系统，对于保证地铁场所的火灾安全，保护地铁中人员的生命财产安全具有重要的现实意义。 近年来 ， 随着城市交通压力的日益增大 ， 城市轨道交通 (地铁 )得 到了大力发展。继北京、 上海、广州之后 ， 沈阳 等省会城市的地铁项目已开工建设 ， 尚有许多城市的地铁项目正在报建审批 ， 城市地铁作为一种特殊的交
13、通工具 ， 以其便利、快捷得到了蓬勃发展 ， 但由于其人员密集性、运输快捷性及地下空间等特点 ， 对安全性的要求非常高。火灾自动报警系统作为防止和减少火灾危害 ， 保护生命财产安全为根本目的的一种自动消防措施 ， 在建筑防火中具有极其重要的作用。 在享受地铁交通便利、快捷、舒适的同时，应清楚地认识到由于地铁建筑既是地下工程，又是公众聚集场所，受到客流量大、运营环境特殊等因素的制约，一旦发生灾害事 故，往往很难及时有效处置，容易导致人员群死群伤，并造成巨大的财产损失。地铁产生的安全问题日渐受到关注，如何有效地预防地铁事故和减少地铁事故所造成的损失已对地铁管理部门提出了严峻挑战地铁内高密度人群在火
14、灾情况下的紧急疏散对于地铁安全运营极为关键，国内外相关学着在这方面开展了大量研究工作，取得了一定的研究成果。 预防火灾是地铁防灾的重点 ， 为了保证地铁的正常运行和人员的人身安全 ，每个地铁系统都配备了火灾监测及自动报警系统 (Fire Alarm System FAS)， 并与地铁消防系统共建防灾救灾中心 ， 来保证城市轨 道交通的安全运营。微电子技术、光电子与检测技术、计算机技术、自动控制技术、通信技术和信息技术等在火灾自动报警技术领域得到了广泛应用 ， 使得火灾探测与自动报警系统 ， 消防设备联动控制系统 ， 城市火灾自动监控网络近年来取得了突飞猛进的发展 ， 因此新建城市地铁的火灾自动
15、报警系统 ， 在设计上也趋于网络化管理 ， 同时与全线地铁运行的主控系统 (Main Control System MCS)及环境与设备监控系统 (Building Automation System BAS)对接 ， 实现数字化、信息化管理 ， 大大提高了城市地铁运行的可靠 性。 1.2 城市地铁火灾报警系统 的现状 及发展趋势 中国国家标准城市公共交通常用名词术语中，将城市轨道交通定义为：通常以电能为动力，采取轮轨运转 方式的快速大运量公共交通之总称 ，包括地铁、轻轨、市郊铁路、有轨电车及悬浮列车等，可通过高架桥、地面和地下隧道运行。文中城市轨道交通系统指的是涉及到一条线路或某一区域内为保
16、证城市轨道交通正常运营的所有固定、移动设备及场所的总和，或者认为是包括在 整个火灾自动报警监测网络系统内的所有与城市轨道交通有关的设备及场所等。城市轨道交通不管从能源节省、环境保护，还是运 行速度、安全舒适等方面，都较其他公共交通方式有很大优势，因此对我国这个人多地少、资源紧缺，城市交通状况堪忧的国家，大量发展城市轨道交通是解决城市交通难题，推进城市化进程，促进经济发展的最有效手段之一。我国城市轨道交通建设发展迅速，在建或准备建设的轨道交通线网总长超过 4000 公里，但人们体会着城市轨道交通带来便利同时，也面对各种潜在危险，火灾就是伤害比较严重的一种。 20 世纪 90 年代以来世界各国就发
17、生了多起火灾事故。 而且地铁、隧道火灾自动报警系统或多或少存在误报和漏报现象，火灾自动报警系统智能化是使探测系统能 模仿人的思维，主动采集环境温度、湿度、灰尘、光波等数据模拟量并充分采用模糊逻辑和人工神经网络技术等进行计算处理，对各项环境数据进行对比判断，区别真假火灾信号，去除环境因素干扰，从而准确地预报和探测火灾，避免误报和漏报现象。 目前，对于地铁系统火灾工况的研究方法概括起来主要有实体试验、模型试验研究和数值模拟研究。由于地铁车站试验规模大和试验数据难以取得等限制，试验研究难度很大，因此计算机模拟就成为重要的研究手段。火灾数值模拟主要分为专家系统、网络模拟、区域模拟和场模拟四类。场模拟是
18、基于自然界普遍成立的质量守恒 、动量守恒、能量守恒以及化学反应定律等，利用计算机求解连续性方程、动量方程、能量方程、组分方程以及湍流特性方程等，从而得到火灾过程中状态参数，如速度、温度、各组分浓度等的空间分布及其随时间变化，模拟的结果更准确且全面。 而且地铁采用的火灾探测器有智能光电感烟探测器、红外 光束 对射式感烟探测器、线型感温电缆、智能型感温探测器等，隧道采用的火灾探测器有观波长火焰火灾探测器、分布式光纤感温探测器和光纤光栅感温火灾探测器等。为提高探测的准确性和本身运行的安全性的复合式火灾探测器、将被动探测改为主动探测的高敏度的吸气式 空气采样探测器、可视烟雾图像探测器也是地铁与隧道火灾
19、探测技术发展和应用研究的方向。 此外火灾自动报警系统存在的通讯协议不一致，网络化程度低，自我封闭，无法互联互通，发生火灾时，地铁、隧道的机电设备监控系统智 能依据探测到的各种信息对火场的范围、火势的大小、烟的浓度以及火的蔓延方向等给出详细的描述，对扑救方法给出合理化建议，以实现各方面快速准确反应，最大限度地降低人员伤亡和财产损失，因此火灾自动报警系统需与地铁、隧道的机电监控系统通过一定的网络协议进行互连，实现资源和信息共享，地铁、隧道火灾报警系统与城市消防信 息系统也存在联网的需求，因此火灾自动报警系统将采用统一标准、开放的通讯协议，向着系统网络化方向发展。第 2 章 地铁火灾的特点 2.1
20、地铁火灾的特点 地铁的火灾报警系统与地上建筑的相比 ， 具有显著的不同。这是由于地铁内的环境不同于普通的地上民用建筑 ， 地上民用建筑内空气质量较好 ， 基本上没有剧烈的震动 ， 可以较好地通风 ;而地铁内常年不见阳光 ， 通风条件差 ， 环境潮湿 ，灰尘多 ， 各个系统的管线纵横交错 ， 空间拥挤 ， 当列车行使时有较大的震动 ， 由于各系统间相互干扰 ， 火灾报警系统始终运行在较强的电磁干扰环境下。因此地铁火 灾报警系统的设计更加复杂 ， 具体分析如下。地铁内的火灾报警系统与民用建筑内的火灾报警系统亦有相同的功能 ， 例如 :火灾报警功能、报警联动功能等 ，但与民用建筑的火灾报警系统不同之
21、处在于 ， 民用建筑的火灾报警系统可以直接采用总线控制方式实现自动喷淋灭火、气体自动灭火、对消防广播的切换、电梯的控制、切断非消防电源、打开相应送风阀和排烟风机 ， 而地铁的火灾报警系统中 ， 消防广播的切换、气体灭火、送风及排烟的控制、 消 除非消防电源等联动的实现并不是直接由火灾报警系统来实现的 ， 而是由不同专业分别进行设计 ， 然后与火灾报警系统通过不同的 接口形式来实现联动功能。这样 ， 火灾报警系统必须与其他专业更好地配合才能实现其完整的功能。 地铁是通过挖掘的方法获得的建筑空间 ， 这种隧道的相对封闭性 ， 与地面建筑相比 ， 发生火灾时的特点主要体现在以下几个方面 : （ 1）
22、 氧含量急剧下降 地铁火灾发生时 ， 大量的新鲜空气难以迅速补充 ， 致使空气中氧气含量急剧下降。使人体肌肉活动能力下降、人体四肢无力、判断能力低 ， 易迷失方向 ， 甚至会晕倒 ， 失去逃生能力 ;窒息死亡。 （ 2） 发烟量大 火灾时产生的发烟量与可燃物的物理化学特性、燃烧状态、供气充足程度有关。地铁列车的车座、顶棚及其他 装饰材料大多是可燃性材料 ， 地下隧道发生火灾时 ， 由于新鲜空气供给不足 ， 气体交换不充分 ， 产生不完全燃烧反应 ， 导致CO 等有毒有烟气体的大量产生 ， 不仅降低了隧道内的可见度 ， 同时加大了疏散人员窒息的可能性。 （ 3） 排烟排热差 被岩石和土壤包裹的地
23、下隧道 ， 热交换十分困难。发生火灾时又不像地面建筑那样有 80%的烟可以通过破碎的窗户扩散到大气中 ， 而是聚集在建筑物内 ， 无法扩散 ， 易使温度骤升 ， 较早的出现爆燃 ， 烟气形成的高温气流会对人体产生巨大的影响。 （ 4） 火情探测和扑救困难 地面建筑发生火灾时 ， 可以直接在建筑外 ， 从产生的火光 、烟雾判断火场位置、火势大小。而地铁发生火灾时 ， 无法直观火场 ， 且出入口有限 ， 而且出入口又经常是火灾时的冒烟口 ， 消防人员难以接近着火点 ， 扑救工作难以展开。再加上地下工程对通讯设施的干扰较大 ， 扑救人员与地面指挥人员 会 有 通讯联络困难 ， 为消防扑救工作增加了障
24、碍。 （ 5） 人员疏散困难 地下隧道完全靠人工照明 ， 自然采光差 ， 加之火灾时 ， 依靠事故照明 ， 能见度低。地面建筑内发生火灾时人员的逃生方向与烟气的自然扩散方向相反 ， 而在地铁里发生火灾时 ， 人员的逃生方向与烟气的自然扩散方向一致 ， 烟的扩散速度一般比人步行快 ， 所以人员疏散很 困难。 第 3 章 地铁火灾自动报警系统的构成 3.1 地铁火灾自动报警系统的构成 就地铁中发生火灾时的保护对象而言 ， 主要包括车站 (普通车站、换乘站 )、车辆段、变电站、行车隧道等。 FAS 系统由火灾报警控制器、气体灭火控制器、火灾探测器、手动报警按钮、声光报警器、各种输入输出模块及控制模块
25、等组成。一旦火灾探测器探测到火警 ，就将火警信号发送给火灾报警控制器确认 ， 当确认火灾形成时 ， 报警控制器就发出火灾警报信号 ;当系统有消防联动控制要求时 ， 环境与设备监控系统 (BAS)就启动相应的防火、排烟及灭火设备 ， 主控 系统 (MCS)接收到坐姿模式指令或火灾报警信息后 ， 根据预定程序设计 ， 迅速执行各种处理预案 ， 将整个系统由正常运行模式转为火灾运行模式。 结合地铁发生火灾时的特点可以看出 ， 分布在地铁全线的车站很多 ， 如何及时探测、准确定位、快速扑救非常重要 ， 对火灾信息的集中处理 (组网 )在全线地铁的安全运行中起着举足轻重的作用 3.1.1 火灾报警控制器
26、 火灾报警控制器是火灾报警装置中最基本的一种。火灾报警控制器担负着为火灾探测器提供稳定的工作电源；监视探测 器及系统自身的工作状态；接受、转换、处理火灾探测器输出的报警信号；进行声光报警；指示报警的具体部位及时间；同时执行相应辅助控制等任务。是火灾报警系统中的核心组成部分。 （ 1） 火灾报警控制器按其用途不同，可分为区域火灾报警控制器、集中火灾报警控制器和通用灾报警控制器三种基本类型。近年来，随着火灾探测报警技术的发展和模拟量、总线制、智能化火灾探测报警系统的逐渐应用，在许多场合，火灾报警控制器已不再分为区域、集中和通用三种类型，而统称为火灾报警控制器。 区域火灾报警控制器的主要特点是控制器
27、直接连接火灾探测器，处理 各种报警信号，是组成自动报警系统最常用的设备之一。 集中火灾报警控制器的主要特点是一般不与火灾探测器相连，而与区域火灾报警控制器相连，处理区域级火灾报警控制器送来信号，常使用在较大型系统中。 通用火灾报警控制器的主要特点是它兼有区域、集中两级火灾报警控制器的双重特点。通过设置或修改某些参数（可以是硬件或者是软件方面）即可作区域级使用，连接探测器；又可作集中级使用，连接区域火灾报警控制器。 （ 2） 火灾报警控制器按其信号处理方式可分为，有阈值火灾报警器和无阈值模拟量火灾报警控制器。 （ 3） 火灾报警控制器按其系统 连结方式，可分为多线式火灾报警控制器和总线式火灾报警
28、控制器。 多线式火灾报警控制器的主要特点是其探测器与控制器连接采用一一对应方式。每个探测器对应三根线与控制器连接，因而其连线较多，仅适用于小型火灾报警控制器系统。 总线式火灾报警控制器的主要特点是控制器与探测器要用总线（少线）方式连接。所有探测器并联或串联在总线上（一般总线数量为 2-4 根），具有安装、调试、使用方便的特点，适用于大型火灾报警控制器系统。 在火灾报警装置中，还有一些如中继器、区域显示器、火灾显示盘等功能不完整的报警装置，它们可视为火灾报警控 制器的演变或补充。在特定条件下应用，与火灾报控制器同属火灾报警装置。 火灾报警控制器的基本功能有：主电、备电自动转换、备用电源充电功能，
29、电源故障监测功能，电源工作状态指示功能，为探测器回路供电功能，探测器或系统故障声光报警，火灾声、光报警，火灾报警记忆功能，时钟单元功能，火灾报警优先功能，声报警音响消音及再次声响报警功能。 3.1.2 气体灭火控制器 气体灭火控制器专用于气体自动灭火系统中，融自动探测、自动报警、自动灭火为一体的控制器 ，气体灭火控制器可以连接感烟、感温火灾探测器，紧急启动 按钮，手自动转换开关，气体喷洒指示灯，声光警报器等设备，并且提供驱动电磁阀的接口，用于启动气体灭火设备。 气体灭火控制器气体灭火可以实现几种控制方式： 1、自动控制：将气体灭火控制器上控制方式选择键，拨到“自动”位置时，灭火系统处于自动控制
30、状态，当保护区发生火情，火灾探测器发出火灾信号，报警灭火控制器即发出声、光报警信号，同时发出联动指令，关闭联锁设备，经过一段延时时间，发出灭火指令，打开电磁阀释放启动气体，启动气体通过启动管道打开相应的选择阀和容器阀（ 瓶头阀），释放灭火剂，实施灭火。 2、手动控制：将气体灭火控制器上控制方式选择键，拨到“手动”位置时，灭火系统处于手动控制状态。当保护区发生火情，可按下紧急启 动 按钮或控制器上启动按钮，即可按规定程序启动灭火系统释放灭火剂，实施灭火。在自动控制状态，仍可实现电气手动控制。 3、机械应急手动操作：当保护区发生火情，控制器不能发出灭火指令时，应通知有关人员撤离现场，关闭联动设备，
31、然后拔出相应启动瓶组启动阀上的手动保险夹卡片，压下手柄即可打开启动阀，释放启动气体，即可打开选择阀、容器阀（瓶头阀）、释放灭火剂，实施灭 火。如此时遇上启动阀维修或启动钢瓶中启动气体压力不够不能工作时，这时应首先打开相对应灭火区域的选择阀手柄，敞开压臂，打开选择阀，然后打开该区域的容器阀（瓶头阀）上的手动手柄开启容器阀（瓶头阀），释放灭火剂，实施灭火。 在延时时间内而发现有异常情况，不需启动灭火系统进行灭火时，可按下手动控制盒或气体灭火控制器的紧急停止按钮，即可阻止控制器灭火指令的发出。 气体灭火控制器也可与火灾报警控制器联网，实行远程控制。气体灭火可以用于保护以下物质的火灾： 1、电气和电子
32、设备火灾； 2、可燃烧液体和可融化的固体火灾； 3、固体 表面火灾； 4、灭火前能切断气源的气体火灾。 3.1.3 火灾探测器 火灾探测器 在 火灾自动报警系统中 ，是 对现场进行探查 ， 发现火灾的设备 。 按对现场的信息采集类型分为 ： 感 烟探测器 ， 感温探测器 ， 火焰探测器 ， 特殊气体探测器 。 这里介绍的是感温探测器。 感温式火灾探测器：火灾时物质的燃烧产生大量的热量，使周围温度发生变化。感温式火灾探测器是对警戒范围中某一点或某一线路周围温度变化时响应的火灾探测器。它是将温度的变化转换为电信号以达到报警目的。 感温式火灾探测器的分类： 根据监测温度参数的不同，一般用于工业和民用
33、建筑中的感温式火灾探测器有定温式、差温式、差定温式等几种。 定温式：温度上升到预定值时响应的火灾探测器。 差温式：环境温度的温升速度超过一定值时响应的火灾探测器。 差定温式：兼有定温、差温 ， 两种功能的火灾探测器。 感温探测器对火灾发生时温度参数的敏感，其关键是由组成探测器核心部件 热敏元件决定。热敏元件是利用某些物体的物理性质随温度变化而发生变化的敏感材料制成。例如：易熔合金或热敏绝缘材料、双金属片、热电偶、热敏电阻、半导体材料等。定温、 差定温探头各级灵敏度探头的动作温度分别不大于 1级 62、 2 级 70、 3 级 78。 感温式火灾探测器适宜安装于起火后产生烟雾较小的场所。平时温度较高的场所不宜安装感温式火灾探测器。 3.1.4 手动报警按钮 手动报警按钮是火灾报警系统中的一个设备类型，当人员发生火灾时在火灾探测器没有探测到火灾的时候人员手动按下手动报警按钮，报告火灾信号。正常情况下当手动报警按钮报警时，火灾发生的几率比火灾探测器要大的多，几乎没有误报的可能。因为手动报警 按钮的报警出发条件是必须人工按下按钮启动。按下手动报警按钮的时候过 3-5 秒钟手动报警按钮上的火警确认灯会点亮，这个状态灯表示火灾报警控制器已经收到火警信号，并且确认了现场位置。
