震后楼梯人员疏散行为：视频分析、问卷调查与仿真的综合方法

《Physica A: Statistical Mechanics and its Applications》：Human evacuation behavior in post-earthquake staircases: An integrated approach of video analysis, questionnaire and simulation

　　

摘要

这项单案例观察研究利用同步监控录像，调查了在4.7级地震后，145名主要为年轻师生从一栋九层大学科研楼自发进行楼梯间疏散的情况。基于行人进出时间戳与其特征信息之间的一对一对应关系，分析了实际紧急情况下的疏散模式。共有72名和73名行人分别使用两部楼梯，在189秒内完成楼梯间疏散，平均速度为0.86 ± 0.32 m/s。震后问卷调查和模型模拟帮助我们更好地了解疏散过程及其细节。在紧急情况下，行人的平均移动速度并不一定快于非紧急状态；然而，他们的速度表现出更大的变异性，并且在出口附近，与以往研究报告相比，在可比密度下，他们通常移动得更快。在疏散过程中，行人平均速度与平均密度呈负相关，在9层楼中未观察到疲劳迹象。随着时间的推移，楼内平均密度先升后降，而行人平均速度则持续下降，这表明除了密度外，可能还有其他因素随着时间的推移影响了行人平均速度；可能的解释包括心理状态的变化、行为适应以及累积疲劳。由于观察数据来自一栋建筑、一个相对同质的大学人群以及没有严重拥挤的低占用条件，这些发现应在本案例所代表的人群和密度范围内进行解释。

引言

地震是突发的自然灾害，对城市安全构成巨大威胁。例如，毁灭性的汶川地震和2025年缅甸大地震均造成数万人伤亡。不幸的是，中国许多主要城市仍处于高地震风险中，例如合肥和成都。随着拥挤城市中高层建筑的趋势，为了安全，市民必须通过长楼梯逃离摇晃的建筑，因为根据中国消防法规，电梯是被禁止使用的。因此，研究紧急情况下高层建筑的疏散至关重要。

合肥是一个发展迅速且地震频发的城市，因为靠近世界上最著名的活动断裂带之一——郯庐断裂带 [1]。在2024年期间，合肥发生了6次主震，以及无数次微小的余震 [2]。2024年9月18日，一场4.7级地震袭击了合肥 [3]，引发城市区域的强烈震动，促使居民疏散。我们观察到了大学科研楼楼梯间的自发疏散，并决定对其进行研究。

一些学者通过问卷调查和访谈研究了地震期间的行人行为 [4]，[5]，[6]。Osaragi等人 [6] 收集了受访者的相关信息和偏好，提出了归家意图模型。该模型可以预测行人是否打算回家。Doralie等人 [7] 试图通过分析开放街区、狭窄街道、停车场、室内房间和建筑出口的视频带来定义真实的地震疏散行为。然后，他们基于社会力模型 [8] 定义了户外疏散的主体模型。李等人的深度学习研究项目考虑了多个真实地震疏散视频场景 [9]，旨在建立一种数据驱动的疏散运动学特征表征方法。叶等人 [10] 利用地理信息系统为安全应急预案建立了城市街区级的地震疏散模型。刘等人 [11] 考虑了结构损坏对地震疏散的影响，采用基于主体的疏散模型与复杂建筑环境相结合的方法，主要关注常规选择。赵等人 [12] 进行了基于虚拟现实、集成了脑电和眼动技术的模拟，以评估地震期间的情绪反应。在对收集到的地震疏散案例的分析中，研究人员主要关注两个方面：复杂的建筑平面图和开放空间。同样重要的是对楼梯的检查——具体来说是它们在疏散期间的功能以及与之相关的潜在伤害。在合肥发生的这次地震中，我们捕捉到了发生在建筑楼梯间内的疏散过程。因此，对该疏散过程的分析将成为地震疏散和紧急行人行为研究的重要补充。

对于楼梯疏散，研究人员组织了各种实验进行定量分析。通常，招募志愿者在特定场景下参与实验。下楼或上楼的速度 [13]，[14]、人群密度 [15] 是实验视频产生的直接参数 [16]，有助于量化疏散特征。随着高层建筑数量的增加，高层建筑参与疏散的可能性也增加了。通过追踪行人通过关键特定节点，马等人 [17]、方等人 [13] 以及黄等人 [16] 研究了超高层建筑中的楼梯疏散，发现疲劳效应对高层建筑中行人疏散效率有显著影响。在建筑楼梯间疏散期间，来自不同楼层的行人会在楼梯间合并 [18]，[19]。Hokugo等人 [20] 发现，在合并过程中，来自走廊的行人流占主导地位，占总流量的60%，而来自楼层的流量则较少。霍等人 [21] 发现，参与者在合并过程中速度下降，在此阶段之后速度上升。

在广义的紧急情况（如地震和火灾）中，关于行人疏散的观察实验非常少，且受控实验难以重复并涉及科学伦理问题。尽管如此，一些研究人员仍做出相当大的努力，在受控实验中尽可能诱导出紧急条件。徐等人 [22] 利用金钱激励诱导行人的紧急逃生行为，并建议受激励的行人预期速度最高可达2.61 ± 0.78 m/s，且轨迹更加混乱。徐等人 [23] 释放人造烟雾以代表火灾情况，并激活火灾报警系统的视听警报以触发行人的紧急疏散反应。

难以绕开的事实是，受控实验、消防演练和真实紧急情况之间行人的偏好存在差异。观察最终产生宝贵的数据——这些数据允许识别受控实验、诱导实验和现实疏散情况之间的关键差异。监控录像是研究人员观察突然且真实的疏散反应的好方法。感谢相关部门的许可，我们获得了一栋建筑中师生在4.7级明显震感后疏散的宝贵原始录像。通过视频带分析，我们希望发现行人在真实紧急情况下的疏散特征与实验结果的差异。为了从视频带中发现紧急情况下的疏散特征，我们对疏散时间、平均移动速度、平均区域速度和区域密度进行了多项统计分析，并结合问卷调查和模拟调查。

章节片段

疏散预览

自发紧急疏散发生在合肥一所大学的九层建筑内。该建筑包含两部相同的楼梯，每层有26级台阶（除一楼与二楼之间、二楼与三楼之间为32级外），位于走廊的两端。在地面突然震动后，共有145名师生通过两部楼梯迅速疏散，具体为东部楼梯73人，西部楼梯72人。在审阅了12分钟的

疏散流

图4描述了两个楼梯中疏散人数随时间的变化。结合下表中的表3，东部楼梯的疏散时间较长，是由于楼梯后方的少数行人拖累。从64秒到108秒，出口处的行人数量显示出相同的线性趋势，表明行人出口流量恒定。审阅录像显示，此时所有楼梯出口都出现了轻微拥堵。这也提到在

紧急情况下的速度

楼梯下行速度可能会有很大差异。我们将观察到的平均速度与其他研究报告中的速度进行了比较。值得注意的是，曾等人 [24] 和华尔兹等人 [21] 在与本研究相同的楼梯内进行了疏散实验。曾的实验是单人疏散实验。在完全照明下，最高速度达到2 m/s，平均速度为1.25 ± 0.28 m/s。相反，华尔兹实验中行人是一起疏散的

结论

本文利用监控录像观察了4.7级地震后科研建筑内师生的自发疏散行为。通过捕捉行人进出楼梯间的时间戳，本研究考察了疏散时间、平均移动速度和区域速度，并讨论了紧急情况、起始楼层和时间的影响。为了更好地捕捉行人地震后疏散期间的主观体验和感受并进行比较

CRediT作者贡献声明

许恒陈： 写作 – 原稿，软件，方法，调查，数据整理，概念构思。 阿卜杜勒·拉希姆·拉萨： 写作 – 审查与编辑。 张军： 概念构思。 宋卫国： 写作 – 审查与编辑，监督，项目管理，资金获取，数据整理。

未引用的参考文献

表10，[41]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能会影响本文中报告的工作。作者报告无利益冲突。作者独自对本文章的内容和撰写负责。

致谢

本研究得到了 国家自然科学基金（52574284）的支持。

许恒陈|阿卜杜勒·拉希姆·拉萨|张军|宋卫国

中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230027，中华人民共和国