CC BY
12
I
NAUKA DLA PRAKTYKI
mgr inz. Iwona Ortowskaa); prof. dr hab. inz. Marek Dziubinskia)*
'>Wydzial Inzynierii Procesowej i Ochrony Srodowiska, Politechnika Lödzka / Faculty of Process and Environmental Engineering, Lodz University of Technology
*Autor korespondencyjny / Corresponding author: [email protected]
Porownanie modelowych czasow ewakuacji z przeprowadzonymi eksperymentami
A comparison between modeL-based evacuation times and experimental data Сравнение расчетного времени эвакуации с проведенными экспериментами
ABSTRAKT
Cel: Celem niniejszego artykulu bylo porownanie otrzymanych czasow ewakuacji z budynköw uzytecznosci publicznej za pomocg wybranych modeli matematycznych z czasami eksperymentalnie przeprowadzonych ewakuacji.
Wprowadzenie: W artykule przedstawiono wybrane modele matematyczne do szacowania czasu ewakuacji. Nalezg do nich: model krytycznego czasu ewakuacji, model Togawy, model Melinek i Booth, model Galbreatha oraz model Paulsa. W celu poröwnania poprawnosci obliczania czasow ewakuacji ludzi z budynköw w czasie pozaru za pomocg modeli matematycznych opisanych w dost^pnej literaturze przedmiotu przeprowadzono i przeanalizowano ewakuacje z budynköw: Instytutu Chemii Przemyslowej w Warszawie, Telewizji Polskiej SA Oddzial w todzi, Urz^du Marszalkowskiego w todzi oraz Jednostki Ratowniczo-Gasniczej Komendy Powiatowej Panstwowej Strazy Pozarnej w Pabianicach. Uzyskane eksperymentalnie czasy ewakuacji po-röwnano z czasami obliczonymi za pomocg wybranych modeli matematycznych oraz czasami otrzymanymi dzi^ki symulacji komputerowej wykonanej za pomocg programu Pathfinder.
Wnioski: Opisane w dost^pnej literaturze röwnania matematyczne dajg mozliwosc szybkiego szacowania czasu przemieszczania si§ ewakuujgcych si§ ludzi. Jednak ze wzgl^du na prostotQ tych röwnan otrzymane za ich pomocg czasy ewakuacji obarczone sg blödem w poröwnaniu z czasami rzeczywi-stymi uzyskanymi podczas przeprowadzonych eksperymentöw. WystQpujgce röznice mi^dzy modelowymi czasami ewakuacji a czasami otrzymanymi eksperymentalnie mogg wynikac z tego, ze autorzy modeli nie wymagali podzielenia drogi ewakuacyjnej na odcinki poziomych i pionowych drög ewaku-acyjnych, na ktörych ludzie poruszajg si§ z röznymi pr^dkosciami. Wskazane modele nie odnoszg si§ do koniecznosci uwzgl^dnienia zag^szczenia ludzi na drogach ewakuacyjnych, gdzie wraz z jego wzrostem pr^dkosc przemieszczania si§ osöb maleje. Modele te pozwalajg swobodnie zalozyc pr^dkosc, z jakg majg poruszac si§ ewakuujgce si§ osoby, co mozna zrobic na podstawie dost^pnej literatury.
Znaczenie dla praktyki: Przeprowadzone eksperymenty umozliwily poröwnanie poprawnosci otrzymanych czasöw ewakuacji obliczonych za pomocg modeli matematycznych, co pozwolilo na okreslenie wiarygodnosci tak otrzymanych wyniköw. Dodatkowo uzyskane czasy ewakuacji poröwnano z czasami otrzymanymi za pomocg symulacji komputerowych wykonanych w programie Pathfinder. Z przeprowadzonej analizy poröwnawczej wynika, ze do czasöw ewakuacji uzyskanych eksperymentalnie najbardziej zblizone byly te czasy ewakuacji otrzymane dzi^ki symulacji komputerowej, ktöre obliczono przy wykorzystaniu modelu zmienno-sterujgcego.
Stowa kluczowe: ewakuacja, zachowanie si§ ludzi, pr^dkosc przemieszczania si§, eksperyment Typ artykutu: doniesienie wst^pne
PrzyjQty: 19.02.2018; Zrecenzowany: 29.06.2018; Zatwierdzony: 05.07.2018; Procentowy wklad merytoryczny: I. Orlowska - 80%; M. Dziubinski - 20%;
Identyfikatory ORCID autorow: I. Orlowska - 0000-0002-7134-0542; M. Dziubinski - 0000-0002-0208-3570; ProszQ cytowac: BiTP Vol. 50 Issue 2, 2018, pp. 108-119, doi: 10.12845/bitp.50.2.2018.8; Artykul udostQpniany na licencji CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/).
ABSTRACT
Purpose: The aim of this article was to compare the evacuation times obtained from public buildings, using selected mathematical models, with times of evacuations carried out experimentally.
Introduction: In the article, various mathematical models are presented In order to prove their use in fire evacuation time estimates. These include the critical evacuation time model, the Togava model, the Melenik and Booth model, the Galbreath model and the Pauls model. In order to compare the accuracy of the fire evacuation time estimates obtained by means of the above-mentioned methods, which are meticulously described in professional sources, a variety of real-life evacuations have been analysed, including evacuations from the Institute of Industrial Chemistry in Warsaw, the Public Television building in Lodz, the Marshal's Office in Lodz, and the Local Fire Rescue Unit in Pabianice. The time checks obtained experimentally during the abovementioned fire drills have been set against the estimates obtained through mathematical analysis and the Pathfinder software computer simulation.
Conclusions: professional literature on the subject-matter provides various mathematical formulas which can be put into use to quickly estimate the movement time of evacuees. However, the simplicity of the formulas and, therefore, the simplicity of both the analysis and results, can often lead to calculation errors, especially when compared with real-life time checks. The discrepancy between the model-based time estimates and the estimates obtained through real-life experimentation can be rooted in the ignorance displayed by mathematicians as to the necessity of incorporating several critical parameters into their models, such as the structure of vertical/horizontal escape routes and the volume of human traffic within them. Different escape routes and traffic levels may result in highly varied movement speeds and can deeply affect the evacuation time estimates. The mathematical models are, for the most part, oblivious of such detailed aspects of evacuation and only take into consideration the general assessments which can be found in professional printed sources.
Practical significance: Evacuation experiments which have been carried out in real life have given us the chance to juxtapose the time checks obtained through mathematical simulation with the factual data, which in turn enabled the critical review of the reliability of the models. What is more, the time estimates have been re-processed with the use of Pathfinder software. In conclusion, the comparative analysis has proven that the Pathfinder software, which incorporates the variable-control mathematical model, provides the most accurate and true to life evacuation time estimates. Keywords: evacuation, human behaviour, speed of movement, experiment Type of article: short scientific report
Received: 19.02.2018; Reviewed: 29.06.2018; Accepted: 05.07.2018; Percentage contribution: I. Ortowska - 80%; M. Dziubinski - 20%;
Authors' ORCID IDs: I. Ortowska - 0000-0002-7134-0542; M. Dziubinski - 0000-0002-0208-3570; Please cite as: BiTP Vol. 50 Issue 2, 2018, pp. 108-119, doi: 10.12845/bitp.50.2.2018.8;
This is an open access article under the CC BY-SA 4.0 license (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/).
АННОТАЦИЯ
Цель: Целью данной статьи является сравнение времени эвакуации из общественных зданий, с использованием отобранных математических моделей со временем эвакуаций, проведенных экспериментально.
Введение: В статье представлены отдельные математические модели для оценки времени эвакуации. К ним относятся: модель критического времени эвакуации, модель Тогавы, модель Мелинека и Бута, модель Галбрета и модель Паулса. Чтобы сравнить правильность расчета времени эвакуации людей из зданий во время пожара с помощью математических моделей, описанных в доступной литературе, эвакуации из зданий: Института промышленной химии в Варшаве, филиала Телевидения Польши СА в Лодзи, Администрации Маршалка в Лодзи и спасательного подразделения Противопожарного районного штаба Государственной пожарной службы в Пабьянице. Полученное экспериментально время эвакуации сравнивались со временем, рассчитанным с помощью выбранных математических моделей, а иногда и с помощью компьютерного моделирования, выполняемого с использованием программы Pathfinder.
Выводы: Математические уравнения, описанные в доступной литературе, дают возможность быстро оценить время эвакуации людей. Однако из-за простоты этих уравнений время эвакуации, полученное с их использованием, подвержено ошибкам по сравнению с результатами реального времени, полученного в ходе экспериментов. Различия между расчетным временем эвакуации и полученным экспериментально, могут быть результатом того, что авторам моделей не требовалось разделять маршрут эвакуации на секции горизонтальных и вертикальных маршрутов эвакуации, где люди движутся с разной скоростью. В указанных расчетах не учитывается плотность людей на маршрутах эвакуации, где в связи с ее увеличением скорость движения людей уменьшается. Эти модели позволяют свободно предположить скорость перемещения эвакуированных, что может быть сделано на основе доступной литературы.
Значение для практики: Проведенные эксперименты позволили сравнить правильность времени эвакуации, полученное по математическим расчетным моделям, что позволило определить надежность полученных результатов. Кроме того, полученное время эвакуации сравнивались со временем, полученным с помощью компьютерного моделирования, проведенного в программе Pathfinder. Сравнительный анализ показывает, что время эвакуации, полученное экспериментально, было наиболее близким ко времени эвакуации, полученному благодаря компьютерному моделированию, которое было рассчитано с использованием модели с переменным управлением. Ключевые слова: эвакуация, поведение людей, скорость движения, эксперимент Вид статьи: предварительный отчет
Принята: 19.02.2018; Рецензирована: 29.06.2018; Одобрена: 05.07.2018;
Процентное соотношение участия в подготовке статьи: I. Ortowska - 80%; M. Dziubinski - 20%;
Идентификаторы ORCID авторов: I. Ortowska - 0000-0002-7134-0542; M. Dziubinski - 0000-0002-0208-3570;
Просим ссылаться на статью следующим образом: BiTP Vol. 50 Issue 2, 2018, pp. 108-119, doi: 10.12845/bitp.50.2.2018.8;
Настоящая статья находится в открытом доступе и распространяется в соответствии с лицензией CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/
licenses/by-sa/4.0/).
Wstçp
Jednym z podstawowych wymagan dotycz^cych bezpie-czenstwa pozarowego jest zapewnienie ludziom mozliwosci ewakuacji z pomieszczenia objçtego pozarem [1]. Warunki tech-niczne szczegotowo okreslajg parametry, jakim muszg odpowia -dac powierzchnia, szerokosc i wysokosc pomieszczen oraz drog
Introduction
One of the essential requirements for fire safety is to make it possible for people to evacuate from rooms on fire [1]. Technical conditions determine the detailed parameters of the area, width and height of both rooms and escape routes in order to satisfy the minimum requirements for fire safety, ensuring safe
ewakuacyjnych, aby spetnione zostaty minimalne wymagania z zakresu ochrony przeciwpozarowej zapewniajqce bezpiecznq ewakuaj Mimo to dziedzina, jakq jest inzynieria bezpieczen-stwa pozarowego, ciqgle rozwija siç bardzo dynamicznie, ponie -waz bezpieczenstwo ludzi w niespotykanej dotqd skali zalezy od zainstalowanych w budynkach urzqdzeñ technicznych wy-korzystywanych w ochronie przeciwpozarowej. Ich liczba, ro-dzaj, sposób zastosowania oraz - co niezwykle wazne - stan techniczny decydujq o naszym zdrowiu, zyciu i mieniu w przy-padku wyst^pienia zagrozenia pozarowego. Zabezpieczenia stosowane w budynku zalezq od jego przeznaczenia i sposo-bu uzytkowania. W przypadku zmiany sposobu jego uzytkowa-nia lub przebudowy, rozbudowy, nadbudowy obiekt istniejqcy nalezy dostosowac do obowiqzujqcych przepisów techniczno--budowlanych.
W artykule do celów porównawczych wykorzystano nastç-pujqce modele matematyczne: model krytycznego czasu ewa-kuacji, model Togawy, model Melinek i Booth, model Galbreatha oraz model Paulsa. Modele te poddano analizie po kqtem po-prawnosci otrzymanych czasów w porównaniu z rzeczywisty-mi czasami ewakuacji uzyskanymi podczas przeprowadzonych badan doswiadczalnych.
evacuation. Nonetheless, fire safety engineering continues to form a dynamically developing domain, considering that human safety depends on the technical fire safety devices installed in buildings to such a large extent as never before. The number, type, application and, what is exceptionally important, technical condition of such devices are crucial to our health, life and property when it comes to fire risk. The actual protective measures employed in a building depend on its purpose and use. In the case of modifying the building's purpose, or performing its reconstruction or extension, the existing building should be adjusted to the binding technical and construction regulations.
The following mathematical models have been used in the article for comparison purposes: the critical evacuation time model, Togava model, Melenik and Booth model, Galbreath mod -el and Pauls model. The models were analysed in terms of the accuracy of the obtained evacuation times when compared with real-life evacuation times based on experimental data.
Porównanie modelowych czasów ewakuacji z przeprowadzonymi eksperymentami
W celu porównania poprawnosci obliczania czasów ewakuacji ludzi z budynków w czasie pozaru za pomocq mo-deli matematycznych opisanych w dostçpnej literaturze przed -miotu przeprowadzono i przeanalizowano ewakuacje z bu-dynków:
- Instytutu Chemii Przemystowej w Warszawie (IChP w Warszawie) - cztery warianty ewakuacji po piono-wej drodze ewakuacyjnej,
- Telewizji Polskiej SA Odziat w todzi (TVP w todzi) - ewa -kuacja catego siedemnastokondygnacyjnego budynku,
- Urzçdu Marszatkowskiego w todzi (UM w todzi) - ewa-kuacja catego siedemnastokondygnacyjnego obiektu,
- Jednostki Ratowniczo-Gasniczej Komendy Powiatowej Panstwowej Strazy Pozarnej w Pabianicach (JRG KP PSP) (ewakuacja zmiany stuzbowej, budynku dwukon-dygnacyjnego).
Czasy ewakuacji uzyskane eksperymentalnie porównano z czasami ewakuacji obliczonymi za pomocq wspomnianych modeli oraz czasami otrzymanymi dziçki symulacji kompute-rowej wykonanej w programie Pathfinder.
Przykfadowy eksperyment. Charakterystyka obiektu
Budynek IChP w Warszawie, przedstawiony na rycinie 1, jest dziesiçciopiçtrowym biurowcem zakwalifikowanym do katego-rii zagrozenia ludzi ZL III.
A comparison between model-based evacuation times and experimental data
In order to compare the accuracy of the fire evacuation time estimates obtained by means of the mathematical models described in professional sources, a variety of real-life evacuations have been conducted and analysed, including evacuations from:
- The Institute of Industrial Chemistry in Warsaw (IChP in Warsaw) - four evacuation variants of along a vertical escape route,
- Telewizja Polska S.A. - the Public Television building in Lodz (TVP in Lodz) - evacuation of the entire seven-teen-floor building,
- Marshal's Office in Lodz (UM in Lodz) - evacuation of the entire seventeen-floor building,
- Local Fire Rescue Unit of the District Headquarters of the State Fire Brigade in Pabianice (JRG KP PSP) - evac -uation of the shift from a two-floor building.
The evacuation times obtained in the experiments were compared with the evacuation time estimates based on the abovementioned models, and with times obtained through computer simulation performed using Pathfinder software.
An experiment - building characteristics
The IChP building in Warsaw, as shown in Figure 1, is a ten-floor office building classified in human threat category ZL III.
Rycina 1. Widok budynku IChP w Warszawie z zewngtrz [2, 3] Figure 1. A view of the Institute's building from the outside [2, 3]
Doswiadczenia przeprowadzono poza godzinami pracy in- The experiments were conducted outside the Institute's
stytutu w jednej z dwoch klatek schodowych, ktorej widok przed - working hours in one of two staircases, the view of which is stawiono na rycinie 2. shown in Figure 2.
Rycina 2. Widok rzutu poziomego badanej klatki schodowej [2, 3]
Figure 2. A view of the horizontal projection of the staircase under investigation [2, 3]
Metodyka badania przebiegu ewakuacji ludzi
Zgodnie z przyjçtq metodykq badan ewakuacjç rozpoczçto po ustyszeniu sygnatu dzwiçkowego. Catkowity czas ewakuacji mierzono od momentu jej rozpoczçcia do czasu przekroczenia wyjscia ewakuacyjnego przez ostatniego uczestnika ewakuacji.
A method of analysing the evacuation route
In line with the adopted method, the evacuation started after hearing an acoustic signal. The total evacuation time was measured from the evacuation start to the moment of the last evacuee passing the emergency exit.
W celu rejestracji danych zainstalowano specjalnie przy-gotowanq aparaturç pomiarowq. Sktadata siç ona z czujnika IR przy drzwiach wyjsciowych podtqczonego wraz z jednostkq liczqcq do komputera z odpowiednim oprogramowaniem, co przedstawiono na rycinie 3. Czujnik byt zamontowany w gór-nej czçsci ramy drzwi. Przy kazdym przejsciu osoby w kierunku zewnçtrznym podawat impuls do licznika. Byt on wyskalowany w taki sposób, zeby notowac tylko przypadki przejscia obiek-tu o wysokosci wiçkszej niz 1,4 m i zeby nawet przy duzym za-gçszczeniu wszyscy ludzie zostali policzeni.
With a view to recording the data, specially prepared measuring apparatus was installed, comprising an IR sensor at the exit door which was connected, together with a counting unit, to a computer with the appropriate software, as shown in Figure 3. The sensor was installed in the upper part of the door frame. With each person's leaving the building through the door, it sent an impulse to the counting unit. It was calibrated to record all passages of objects higher than 1.4 m, which ensured that all people were counted despite the substantial volume of human traffic.
Rycina 3. Aparatura pomiarowa sktadajgca si^ czujnika zamontowanego w gornej cz^sci ramy drzwi podtgczonego wraz z jednostkg liczgcg do komputera z odpowiednim oprogramowaniem [2, 3]
Figure 3. Measuring apparatus consisting of a sensor mounted in the upper part of the door frame connected, together with the counting unit, to the computer with the appropriate software [2, 3]
Dodatkowo - w celu rejestracji zachowan ludzi podczas przemieszczania siç pionowymi drogami ewakuacyjnymi - wy-korzystano kamerç, którq umieszczono na pierwszym piçtrze. Kamera ta byta obstugiwana przez wyznaczonq osobç i znaj-dowata siç na wysokosci jej klatki piersiowej, co pozwalato na swobodnq obstugç urzqdzenia.
Dane z przebiegu obserwacji ewakuacji
W eksperymencie uczestniczyty 73 osoby. Byta to grupa stu -dentów ze Szkoty Gtównej Stuzby Pozarniczej w Warszawie. Osoby te mozna uznac za wiarygodne, gdyz poza petnieniem funkcji strazaka nie byty specjalnie przygotowane i nie uczestniczyty w podobnych ewakuacjach.
W kazdym badaniu przeprowadzonym w IChP w Warszawie (4 warianty) uczestniczyto tyle samo studentów. Zajmo-wali oni segmenty schodów w celu uzyskania odpowiedniego zagçszczenia ludzi na schodach. Im mniejsze zagçszczenie byto badane, tym wiçcej segmentów schodów byto zajçtych, co przedstawiono na rycinie 4.
Start kazdej próby ewakuacji byt sygnalizowany gtosnym gwizdkiem styszalnym dla wszystkich ludzi na klatce schodo-wej. Osoby uczestniczqce w badaniu miaty poruszac siç nor-malnym, spokojnym krokiem. W przypadku pozostatych ekspe-rymentów ewakuacja rozpoczynata siç po zadziataniu systemu sygnalizacji pozarowej lub nadaniu komunikatu gtosowego.
In addition, with the aim of recording human behaviours while moving along the escape routes, a camera installed on the first floor was used. It was operated by a person appointed for that purpose, who held it at chest height, which enabled a convenient operation of the device.
Evacuation observation data
The experiment was attended by 73 people - students of the Main School of Fire Service in Warsaw. They can be treated as constituting a reliable group, given the fact that, apart from serving as fire-fighters, they were not specially prepared for, and had not taken part in, similar evacuations.
The same number of students participated in each analysis performed in IChP in Warsaw (four variants). They occupied various segments in the staircase in order to ensure the adequate volume of human traffic on the stairs. The lower the volume, the more staircase segments were occupied, as shown in Figure 4.
The start of each evacuation was signalled with a loud whistle that was heard by all people in the staircase. The participants were requested to move at their normal (calm) pace. In the case of the remaining experiments, evacuations started after triggering a fire detection system or sending a voice message.
Liczba studentbw na poszczegblnych segmentach/Number of
6 pi^tro/floor
5 pi^tro/floor
4 pi^tro/floor
3 pi^tro/floor
2 pi^tro/floor
1 pi^tro/floor
Parter/Ground
i -
Segment 25 Segment 24 Segment 23 Segment 22 Segment 21 Segment 20 Segment 19 Segment 18 Segment 17 Segment 16 Segment 15 Segment 14 Segment 13 Segment 12 Segment 11 Segment 10 Segment 9 Segment 8 Segment 7 Segment 6 Segment 5 Segment 4 Segment 3 Segment 2 Segment 1
4 osoby/m2 4 persons/m2 3 osoby/m2 3 persons/m2 2 osoby/m2 2 persons/m2 1 osoba/m2 1 person/m2
5
4
4
4
5
4
4
4 4
9 5
7 4
4 7 4
10 7 4
15 14 9 5
13 10 7 4
14 11 7 4
13 10 7 4
18 14 9 5
73 73 73 73
Rycina 4. Widok ustawienia studentow na poszczegolnych segmentach klatki schodowej [2, 3] Figure 4. A view of students' arrangements in individual staircase segments [2, 3]
Przebieg eksperymentu
Eksperyment I zaktadat ustawienie studentow w sposob gwarantujqcy powstanie na schodach zag^szczenia ludzi wy-nosz^cego 1 osoba/m2. Kolejne eksperymenty zaktadaty, ze zag^szczenie ludzi na schodach b^dzie wynosic kolejno 2, 3 i 4 osoby/m2. Ewakuacja rozpocz^ta si? na sygnat dzwi^kowy, a jej przebieg przedstawiono na przyktadowej rycinie 5.
The course of the experiment
The first experiment assumed arranging students in such a way to ensure the volume of human traffic in the staircase amounting to 1 person/m2. The subsequent experiments assumed the following volumes: 2, 3 and 4 people/m2. The evacuation started after hearing an acoustic signal, and its course is exemplified in Figure 5.
Rycina 5. Uczestnicy badania poruszajgcy si^ po pionowej drodze ewakuacyjnej Figure 5. A view of the movement along a vertical escape route Zrodto: opracowanie wtasne. Source: Own elaboration.
Analiza poklatkowa zebranego materiatu z przebiegu eksperymentu I pozwolita na okreslenie catkowitego czasu ewaku-acji pionowq drogq ewakuacyjnq, ktory - z piqtego pi?tra klatki schodowej - wyniost 67 s.
The stop-motion analysis of the material collected during the first experiment made it possible to determine the total time of evacuation along a vertical escape route which amounted - from the fifth floor - to 67 s.
Komputerowa symulacja ewakuacji wykonana w programie Pathfinder
W celu porownania obliczeniowych (modele ewakuacji), rze -czywistych i symulacyjnych (otrzymanych za pomocq modeli komputerowych) czasow ewakuacji z budynku wykorzystano program Pathfinder [4, 5]. Program ten jest specjalnym typem symulatora, w ktorym kazdy zdefiniowany uzytkownik ma szereg indywidualnych cech mogqcych wptywac na jego ruchy i decy-zje podczas symulacji niezaleznie od innych osob.
Technika poruszania siç uzyta w programie Pathfinder (zmienno-sterujgca) jest wariantem w oryginalnej technice sterowania, ktora pozwala modelom uciekaj^cych ludzi wy-bierac takie cz^stkowe kierunki poruszania siç, zeby ich indy-widualny czas ewakuacji byt jak najkrotszy. W kazdym kolejnym kroku czasowym kazdy ewakuujqcy siç uzytkownik budynku wybiera najkorzystniejszq dla siebie drogç ucieczki. Aktuali-zacja modelu zmienno-steruj^cego nastçpuje po 0,1 s. Model ten uwzglçdnia mozliwosc kolizji i bezwtadnosc. Pathfinder zawiera rowniez alternatywny model poruszania siç ttumu ba-zuj^cy na rownaniach opisanych w literaturze przedmiotu [6]. Pozwala to na szybkie okreslenie czasu ewakuacji dla modelu budynku, a nawet dla modelu duzego kompleksu budynkow. W programie domyslne ustawienie generuje postac ludzkq, ktora porusza siç z prçdkosciq 1,19 m/s i ktorej szerokosc ramion wynosi 0,4558 m.
W celu przeprowadzenia symulacji eksperymentu 1 wyko-nanego w IChP w Warszawie zbudowano podesty spocznikow, ktore potqczono schodami. Nastçpnie rozmieszczono poszcze-golne osoby zgodnie z rycinq 4. Dla kazdego eksperymentu wy-konano dwie symulacje komputerowe: jednq z wykorzystaniem modelu SFPE (ryc. 6-8) oraz drugq z wykorzystaniem modelu zmienno-sterujqcego.
A computer simulation of the evacuation, performed using Pathfinder software
With the aim of comparing the calculated (based on evacuation models), real and simulated (obtained through computer models) times of evacuations from buildings, Pathfinder software was used [4, 5]. The software is a special-type simulator in which all pre-defined users are assigned a range of individual features that may influence their movements and decisions in the simulation, independently of other people.
The (variable-control) movement technique used in the software is a variant of an original control technique which enables the evacuee models to choose such partial movement directions that keep their individual evacuation times as short as possible. With each subsequent step, the user evacuating from the building chooses the most convenient escape route. The variable-control model is updated at 0.1 -sec -ond intervals, taking into account potential collisions and inertia. Pathfinder also comprises an alternative model of movement, based on the formulas described in literature on the subject-matter [6]. It enables a prompt determination of the evacuation time for a model building, including a large building complex. Based on default settings, a human model is generated that moves with a speed of 1.19 m/s and has a shoulder width of 0.4558 m.
In order to perform the simulation for experiment I in IChP in Warsaw, landings were constructed and connected to one another with stairs. Then, individual people were arranged as shown in Figure 4. For each experiment, two computer simulations were performed - one using the SFPE model (Figs. 6-8) and the other based on the variable-control model.
Rycina 6. Rozpoczçcie symulacji ewakuacji - eksperyment I w IChP w Warszawie Figure 6. Starting the evacuation simulation - experiment I in IChP in Warsaw Zrodto: Opracowanie wtasne. Source: Own elaboration.
Rycina 7. Widok przebiegu ewakuacji. Czas t = 30,2 s od momentu rozpocz^cia ewakuacji - eksperyment I w IChP w Warszawie Figure 7. A view of the evacuation route. Time t = 30.2 s from the beginning of the evacuation- experiment I in IChP in Warsaw Zrodto: Opracowanie wtasne. Source: Own elaboration.
Rycina 8. Koncowy etap ewakuacji. Czas t = 72 s od momentu rozpocz^cia ewakuacji- eksperyment I w IChP w Warszawie Figure 8. Final stage of the evacuation. Time t = 72 s from the beginning of the evacuation - experiment I in IChP in Warsaw Zrodto: Opracowanie wtasne. Source: Own elaboration.
Zgodnie z przeprowadzonq symulaj eksperymentu I w IChP w Warszawie przy wykorzystaniu modelu zachowa-nia SFPE czas ewakuacji 73 osob po pionowej drodze ewaku-acyjnej wyniost 81,5 s, natomiast przy wykorzystaniu modelu zmienno-sterujqcego - 64,3 s. Dla pozostatych eksperymentow postqpiono analogicznie.
Based on the simulation for experiment I in IChP in Warsaw, the evacuation time for 73 people moving along a vertical escape route amounted to 81.5 s using the SFPE model, and to 64.3 s using the variable-control model. Identical procedures were performed for the remaining experiments.
Skrocony opis pozostatych eksperymentow
Jak juz wspomniano, przeprowadzono symulacje ewaku-acji takze z budynkow: TVP w Lodzi, UM w Lodzi oraz JRG KP PSP w Pabianicach.
W budynkach TVP w Lodzi oraz UM w Lodzi ewakuacja rozpoczynata siç po uruchomieniu sygnalizatorow akustycz-nych systemu sygnalizacji pozarowej, natomiast w budyn-ku JRG KP PSP w Pabianicach - po ogtoszeniu komunikatu gtosowego przez gtosniki. W ewakuacji uczestniczyto odpo -wiednio 136 (TVP w Lodzi), 226 (UM w Lodzi) i 10 osob (JRG KP PSP w Pabianicach). Osoby te przemieszczaty siç z po-mieszczen korytarzami o szerokosci 1,4 m, nastçpnie zas klatkami schodowymi, w ktorych szerokosc biegu schodow wynosita 1,2 m, a szerokosc spocznikow na zewnqtrz budyn-kow - 1,5 m.
W celach porownawczych, podobnie jak w przypadku ekspe -rymentow przeprowadzonych w IChP w Warszawie, wykonano symulacje komputerowe w programie Pathfinder. W zbudowa-nych modelach rozmieszczano poszczegolnych uczestnikow ewakuacji zgodnie z listq obecnosci osob uczestnicz^cych w eksperymencie, przyporzqdkowujqc ich do wskazanych miejsc pracy.
A brief description of the remaining experiments
As mentioned above, evacuation simulations were also performed for the following buildings: the Public Television building in Lodz, the Marshal's Office building in Lodz and the building of the Local Fire Rescue Unit in Pabianice.
In the Public Television and Marshal's Office buildings in Lodz, the evacuations started after triggering acoustic signalling devices, forming part of the fire signalling systems, whereas in the building of the Local Fire Rescue Unit in Pabianice it began after sending a voice message through loudspeakers. The evacuations were attended by 136, 226 and 10 people, respectively, in the Public Television building in Lodz, the Marshal's Office building in Lodz and the building of the Local Fire Rescue Unit in Pabianice. These people moved along 1.4-metre-wide corridors, and then on staircases with the flight width of 1.2 m and the external landing width of 1.5 m.
For comparative purposes, as in the case of the experiments conducted in IChP in Warsaw, computer simulations were performed using Pathfinder software. In the constructed models, individual participants of the evacuation were arranged in line with the attendance lists of people taking part in the experiment, by assigning them to their indicated work posts.
Porownanie czasow ewakuacji uzyskanych z wykorzystaniem wybranych modeli matematycznych i symulacji komputerowej
Czasy ewakuacji ludzi z budynkow otrzymane eksperymen-talnie porownano z czasami analogicznych ewakuacji z budyn-kow obliczanymi teoretycznie za pomocq wybranych, dostçp-nych w literaturze modeli:
- krytycznego czasu ewakuacji [7, 8],
- Togawy [7, 9-12],
- Melinek i Booth [12, 13],
- Galbreatha [7, 14],
- Paulsa [7, 11, 12, 14] oraz
- symulacji komputerowej wykonanej w programie Pathfinder.
W celu sprawdzenia, za pomocq ktorego modelu otrzymano najbardziej zblizone wyniki czasu ewakuacji, do przeprowadzonych badan wykorzystano obliczenie odchylenia wyniku [15], ktore wyznaczono zgodnie z rownaniem (1):
O =i
x
-x100%
(1)
A comparison of the evacuation times obtained by means of selected mathematical models and computer simulations
The times of evacuating people from buildings, obtained through experimentation, were compared with the corresponding evacuation times calculated theoretically by means of the selected models described in literature, including:
- the critical evacuation time model [7, 8],
- the Togava model [7, 9-12],
- the Melinek and Booth model [12, 13],
- the Galbreath model [7, 14],
- the Pauls model [7, 11, 12, 14], and
- computer simulations performed using Pathfinder software.
With the aim of verifying which model provided the most accurate evacuation times, the result deviation was applied [15], which was determined as follows (1):
Ox=
x
-x100%
(1)
gdzie:
Ox - odchylenie wyniku,
- wartosc rzeczywista (w naszym przypadku - czas ewakuacji uzyskany w badaniach),
xp - wartosc zmierzona (w naszym przypadku - czas ewakuacji uzyskany za pomocq modeli obliczeniowych).
Czasy ewakuacji otrzymane za pomocg modeli matematycz -nych opisanych w dostçpnej literaturze oraz za pomocq symulacji komputerowych wykonanych w programie Pathfinder wraz z wyznaczonymi odchyleniami wynikow w stosunku do czasow eksperymentalnych przedstawiono w tabeli 1.
where:
O - deviation of the result,
x '
x - the actual value (in our case - the evacuation time obta-
rz *
ined through experimentation),
x - the estimated value (in our case - the evacuation time ob-
p v
tained by means of mathematical models).
The evacuation times obtained by means of the mathematical models described in professional literature as well as through computer simulations performed using Pathfinder software are presented in Table 1, together with the result deviations determined in relation to the experimental times.
%
'Z
X
'z
at o
<i ° 1
" E 1 ' c S =
2 I -oSg
sc = 3 .a "a
■§■ 1 J
= a. N >..£ <U
I .« j £
at a. -a u.
= u>
5 <0 >4- "(0 01 .c
■jf CL CO Q. HI
3
£ c £
> « w c o
3 E
Z js
o c dq re — a!
H
mat c S 5 Ji ^ai ? ai ££ ■St™
o .c
5 S
(0 c 5? <o
£ S
3 ° ^ i-
aiH o 01 £ _
H ii
Is i! <u at re E
■D 3
[%] unsaj aqi jo uoiiBjAaa
[s] sluu uo!ienoBA3 /[s] !foen>|BM8 sbzq
[%] unsaj aqi jo uoiiBjAaa
[s] sluu uo!ienoBA3 /[s] !foen>|BM8 sbzq
[%] unsaj aqi jo uoiiBjAaa /[%] n>nu/iM 8|U8|Xqopo
[s] sluu uo!ienoeA3 /[s] !foen>|BM8 sbzq
[%] unsaj aqi jo uoiiBjAaa /[%] n>nu/iM 8|U8|Xqopo
[S] SLUH U0|lBn0BA3 /[S] !fOBn>|BM8 SBZQ
[%] unsaj JO U0jJBjA9Q
/[%] n>nu/iM 8|U8|Xqopo
[S] SLUU U0|lBn0BA3 /[S] !fDBn>|BM8 SBZQ
[%] unsaj aqi jo uoiiBjAaa
[S] SLUU U0|lBn0BA3 /[S] !fOBn>|BM8 SBZQ
[%] unsaj aqi jo uoiiBjAaa /[%] n>nu/iM 8|U8|Xqopo
[S] SLUU U0|lBn0BA3 /[S] !fOBn>|BM8 SBZQ
[s] iu3iuu3dx3 - uo;ien3eA3 3i|i jo eimj. /[s] iu3iuXj3ds>|3 - ¡foernjeMS sezo
Z at
Is & *
tn tu
ZK
¥
f ^ t
s
■ §" o 8 o
E w > «1=S
QJ
E
5J3.
< CT CO .E
■ IT !
JA -Q £=
0. ¡^
:
2-a
XJ (U
№ o N it =i O
to
Q- ^
(D TO c £ 2 CO ^
■ jT
8 2 ■ ^^ £ Q ^
•i? JB CL
g a £
'5 .S CD CLTO U1 CD J^
H s ^^
(U o
ESE m
Z przedstawionego zestawienia mozna wywnioskowac, ze czasy ewakuacji obliczone za pomocq modeli matematycznych sq obarczone roznej wielkosci btçdem w porownaniu z czasa-mi ewakuacji uzyskanymi podczas przeprowadzonych eksperymentow. Do czasow ewakuacji uzyskanych eksperymental-nie najbardziej zblizone byty te czasy ewakuacji otrzymane dziçki symulacji komputerowej wykonanej za pomocq progra-mu Pathfinder, ktore obliczono przy wykorzystaniu modelu zmienno-sterujqcego. W ten sposob uzyskane czasy ewakuacji byty obarczone btçdem w stosunku do wszystkich przeprowadzonych doswiadczalnie ewakuacji - od 2,8% (badanie w JRG KP PSP w Pabianicach) do 54,4% (badanie w UM w Lodzi). Najmniejsze odchylenia wynikow w stosunku do czasow rzeczywistych otrzymano w przypadku symulacji wykonanych dla obiektow, ktore miaty nieskomplikowanq geometric i w kto-rych zagçszczenie osob znajdujqcych siç na drogach ewaku-acyjnych byto mate.
Najwiçksze odchylenia wynikow - od 26,2% dla czasu ewa -kuacji z budynku TVP w Lodzi az do 235,2% dla czasu ewakuacji z budynku IChP w Warszawie, przy zagçszczeniu osob na drodze ewakuacyjnej wynoszqcym 4 osoby/m2 - uzyskano za pomocq modelu Paulsa. Moze to wynikac z zatozen modelowych doty-czqcych liczby ludzi ewakuujqcych siç z budynku przypadajqcej na metr efektywnej szerokosci drogi ewakuacyjnej.
Analizujqc tabelç 1, mozna zauwazyc tendencjç, ze wraz ze wzrostem zagçszczenia osob na drogach ewakuacyjnych otrzymane za pomocq rownan matematycznych czasy ewakuacji obarczone sq wiçkszym btçdem. Podobnie jest z geometric uktadu ewakuacyjnego - im prostszy uktad i mniejsza licz-ba ewakuujqcych siç osob, tym czasy ewakuacji sq obarczone sq mniejszym btçdem w stosunku do czasow uzyskanych pod-czas eksperymentow.
Based on the presented compilation, a conclusion can be drawn that the evacuation times calculated using the mathematical models are flawed to various degrees, when compared to the evacuation times obtained through experimentation. The evacuation times obtained through computer simulations performed using Pathfinder software, which were based on the variable-control model, proved to be the most consistent with the evacuation times obtained through experimentation. The evacuation times obtained through simulations were affected by errors, in relation to all evacuations performed experimentally, ranging from 2.8% (for the experiment conducted in the Local Fire Rescue Unit in Pabianice) to 54.4% (for the experiment conducted in the Marshal's Office building in Lodz). The smallest deviations of the results, in relation to actual values, were obtained for the simulations performed for the buildings which had non-complex geometry, and for which the volume of human traffic along the escape paths was low.
The largest deviations of the obtained results - ranging from 26.2% for the time of evacuation from the Public Television building in Lodz to 235.2% for the time of evacuation from the Institute's building in Warsaw, with the volume of human traffic along the escape route amounting to 4 people/m2 - were obtained using the Pauls model. This may result from the model assumptions regarding the number of people escaping from the building per 1 metre of an effective width of the escape route.
By analysing the data presented in Table 1, it can be noted that the increasing volume of human traffic along the escape routes, as determined using the mathematical formulas, leads to evaluation times affected by larger errors. A similar trend is observed for the evacuation system geometry - simpler arrangements and lower numbers of evacuees result in less biased evaluation time estimates, in relation to the actual values obtained through experimentation.
Wnioski
Opisane w dostçpnej literaturze równania matematyczne pozwalajq szybko oszacowac czas przejscia ewakuujqcych siç ludzi. Jednak ze wzglçdu na prostotç tych równan otrzymane za ich pomocq czasy ewakuacji obarczone sq znacznym btç-dem w porównaniu z czasami rzeczywistymi uzyskanymi podczas eksperymentów.
Wystçpujqce róznice miçdzy modelowymi czasami ewakuacji a czasami otrzymanymi eksperymentalnie mogq wynikac z tego, ze autorzy modeli nie wymagali podzielenia drogi ewakuacyjnej na odcinki poziomych i pionowych dróg ewakuacyjnych, na których ludzie poruszajq siç z róznymi prçdkosciami. Wskazane wczesniej modele nie odnoszq siç do konieczno-sci uwzglçdnienia zagçszczenia ludzi na drogach ewakuacyjnych, gdzie wraz z jego wzrostem prçdkosc przemieszczania siç osób maleje. Modele te pozwalajq swobodnie zatozyc prçdkosc, z jakq majq poruszac siç ewakuujqcy siç ludzie, co mozna zro-bic na podstawie dostçpnej literatury.
Conclusions
The mathematical formulas described in the available literature enable quick estimations of the movement times of evacuees. However, given the simplicity of these formulas, the evacuation times obtained in this way are significantly flawed, when compared with the actual time checks obtained through experimentation.
The discrepancy between the model-based evacuation times and the times obtained through experimentation can result from the fact that the authors of the models failed to employ a division into horizontal and vertical escape routes, along which people move with different speeds. In addition, the above-mentioned models do not recognise the necessity of incorporating the volume of human traffic, and the fact that the movement speed tends to decrease with increased volume. However, the models allow for making straightforward assumptions of the movement speed of evacuees, based on the available literature.
Ze wzglçdu na stochastyczny charakter zjawiska do otrzy-manych czasow ewakuacji nalezy podchodzic z pewnym dystan -sem, poniewaz nie jestesmy w stanie przewidziec, jaka grupa ludzi bçdzie siç ewakuowac, ktora z ptci bçdzie w niej domino-wac, jaki bçdzie wiek osob czy ich kondycja fizyczna.
Due to the stochastic nature of the phenomenon, the obtained evaluation time estimates should be approached with caution, as we are not able to foresee the evacuation patterns of a specific group of people, and their prevalent gender, age or physical condition.
Literatura
[1] Rozporzgdzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunkow technicznych, jakim powinny odpowiadac bu-dynki i ich usytuowanie (Dz. U. Nr 75, poz. 690 z pozn zm).
[2] Ctapa I., Cisek M., Tofito P., Dziubinski M, Firefighters ascending and evacuation speeds during counter flow on staircase, „Safety Science" 2015, 78, 35-40.
[3] Tofito P., Cisek M., Lacki K., The study on the effects of the counter-flow on the evacuation of people from tall buildings, w: Pedestrian and Evacuation Dynamics 2012, Edytorzy: Peacock R., Kuligowski E., Averill J., Springer, Londyn 2014, 509-520.
[4] http://www.pyrosim.pl/pathfinder-symulacja-ewakuacji-z-budyn-ku/budownictwo-ogrzewnictwo.html [dost^p: 4.05.2015].
[5] Pathfinder 2011, instrukcja obsfugi - wersja 2011.2, Thunderhead En -gineering, Stigo.
[6] Engineering guide to human behavior in fire, SFPE, 2003.
[7] Ctapa I, Porowski R. Dziubinski M., Wybrane modele obliczeniowe czasowewakuacji, BiTP Vol. 24 Issue 4, 2011.
[8] Shih N.J., Lin C.Y., Yang C.H., A virtual-reality-based feasibility study of evacuation time compared to the traditional calculation metod, „Fire Safety Journal" 2000(34), 377-391.
[9] Mizielinski B., Systemy oddymiania budynkow wentylacja, Wydaw-nictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1999.
[10] Procedury organizacyjno-techniczne w sprawie spelnienia wymagah wzakresie bezpieczehstwa pozarowego winny sposob, niz to okreslo-no wprzepisach techniczno-budowlanych, wprzypadkach wskazanych w tychprzepisach, orazstosowania rozwiqzahzamiennych, Komenda Gtowna PSP, Warszawa 2008.
[11] Cote A.E., Fire Protection Handbook, National Fire Protection Association, Quincy, MA 2003.
[12] Ctapa I., Analysis of selected calculation models for evacuation times, w: Emergency Evacuation of People from Buildings, P. Kçpka, W. Ja-skotowski (red.), BEL Studio, Warszawa 2011, 71-81.
[13] Siikonen M.L., Hakonen H., Efficient evacuation methods in tall buildings, „Elevator World" 2003, 8, 117-123.
[14] Pauls J., Calculating evacuation times for tall buildings, „Fire Safety Journal" 1987, 12.
[15] http://www.wstt.edu.pl/pliki/materialy/fizyka/pomiarfizyczny.pdf [dostçp: 12.03.2017].
MGR INZ. IWONA ORtOWSKA - absolwentka Wydziatu Inzynierii Bezpieczenstwa Pozarowego Szkoty Gtöwnej Stuzby Pozarniczej w War-szawie, funkcjonariusz Panstwowej Strazy Pozarnej. Obecnie jest doktorantkg na Wydziale Inzynierii Procesowej i Ochrony Srodowiska Politechniki tödzkiej. Jako przedmiot swoich zainteresowan nauko-wych wybrata modelowanie numeryczne procesöw ewakuacji oraz inzynierii bezpieczenstwa pozarowego.
PROF. DR HAB. INZ. MAREK DZIUBINSKI - pracownik naukowy Politechniki tödzkiej. Na tej uczelni obecnie petni funkj kierownika Ka-tedry Inzynierii Chemicznej na Wydziale Inzynierii Procesowej i Ochrony Srodowiska. Naukowo interesuje si^: przeptywami wielofazowymi ze szczegölnym uwzgl^dnieniem przeptywöw dwufazowych ciecz - gaz cieczy newtonowskich i nienewtonowskich, reologig i reome-trig techniczng, elementami ryzyka i bezpieczenstwa procesowego (wyptywy jedno- i dwufazowe z rurociggöw i zbiorniköw) oraz utrzy-mywaniem emulsji i ich wtasciwosciami.
IWONA ORtOWSKA, M.ENG. - she graduated from the Faculty of Fire Safety Engineering at the Main School of Fire Service in Warsaw. She is an officer of the State Fire Service. Currently a Ph.D. student at the Faculty of Process and Environmental Engineering of the Lodz University of Technology. Her principal research interests involve the numerical modelling of evacuation processes and fire safety engineering.
PROF. MAREK DZIUBINSKI, D.SC. ENG. - a research fellow at the Lodz University of Technology, currently serves as the Head of the Department of Chemical Engineering at the Faculty of Process Engineering and Environmental Protection. His scientific interests revolve around multiphase flows, with particular emphasis on Newtonian and non-Newtonian liquid-gas liquid flows, rheology and technical rheom-etry, risk and process safety elements (single- and two-phase outflows from pipelines and reservoirs), and the maintenance of emulsions and their properties.
Mlnlsterstwo Naukl i Szkolnictwa Wyzszego
Stworzenie anglojçzycznych wersji oryginalnych artykutow naukowych wydawanych w kwartalniku „BITP. Bezpieczenstwo i Technika Pozarnicza" - zadanie finansowane w ramach umowy 658/P- DUN/2018 ze srodkow Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyzszego przeznaczonych na dziatalnosc upowszechniajqcq naukç.
