吳賢國,劉夢潔,張立茂,方偉立

(華中科技大學土木工程與力學學院,武漢　430074)

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地鐵車站人群集散能力瓶頸風險評價

吳賢國,劉夢潔,張立茂,方偉立

(華中科技大學土木工程與力學學院,武漢430074)

摘要：城市軌道交通日益增長的需求與有限的地鐵站空間之間的矛盾日益加劇,引發(fā)地鐵站內(nèi)擁擠位置的人群集散風險評價及人流控制成為亟待解決的問題,提出選取人流密度、關聯(lián)人群組數(shù)和人流負荷率作為瓶頸點風險的評價指標,給定各指標的量化打分方式并制定各得分情況下指標的風險等級。借鑒LED評分法,提出風險值計算公式D=K·N·S以確定人群集散風險等級,為集散管理提供判斷依據(jù)。結(jié)合武漢市洪山廣場地鐵站乘客流通情況,采用Anylogic仿真模擬得到相關人流參數(shù),根據(jù)制定的瓶頸點風險評價標準對其風險進行評價,得出該車站整體集散風險處于中等水平的結(jié)論,并針對結(jié)果提出應加強乘客引導,增設欄桿分流及增加檢票口等風險控制策略。評價結(jié)果與實際基本相符,為地鐵站內(nèi)人群集散瓶頸風險評價及控制提供決策依據(jù)。

關鍵詞：地鐵車站；集散能力；瓶頸點；風險評價；Anylogic仿真

城市軌道交通建設是我國城市發(fā)展過程中的重要因素，隨著應用的普及，龐大的客流量與有限的車站面積和固定的空間布置之間的矛盾也日漸凸顯。地鐵車站中的人群擁擠乃至踩踏事故時有發(fā)生，且大多位于空間結(jié)構(gòu)變化或流線交叉的瓶頸位置。因此，合理地針對車站瓶頸進行風險評價具有重要的意義。

目前國內(nèi)外對城市軌道交通運營風險的研究主要集中在評價體系的建立上，并形成了相應的成果[1-3]。在疏散研究中，張云明[4]通過模型參數(shù)模型得出了合理的疏散設計應當控制的人流極限值，Hughes R L[5]對地鐵車站集散中人流參數(shù)間的關系及行人路徑方法進行了研究，南海超[6-7]等人編制出通道行人仿真軟件解決地鐵通道寬度設置問題，孫燁輝[7]對地鐵內(nèi)自動售票設施的服務效率進行了研究，為窗口優(yōu)化管理提供了參考和依據(jù)。為了研究交通瓶頸處的擁擠現(xiàn)象，弓晉麗[8]等提出了瓶頸擁擠的識別算法，陳紹寬[9]等也針對地鐵站內(nèi)樓梯和通道建立了瓶頸點分析模型。但從乘客進出站階段人群集散瓶頸的角度，綜合考慮行人感知、通行能力和不確定性等多方面的風險以確定地鐵站人群集散風險的研究比較缺乏。因此，本文通過探討瓶頸形成的原因，分析影響瓶頸點風險水平的因素，并構(gòu)建風險評估體系，結(jié)合Anylogic仿真結(jié)構(gòu)判斷地鐵站集散瓶頸的風險狀況，從而確定整個車站的集散風險，并制定防范措施，為城市軌道交通集散瓶頸識別和風險監(jiān)控提供參考依據(jù)。

1地鐵站集散瓶頸風險評估理論

瓶頸一般指整體中對結(jié)果影響較大的關鍵限制因素。地鐵站集散能力的瓶頸，則是地鐵站內(nèi)人群集散過程中由于結(jié)構(gòu)或設施布置的限制，人流容易發(fā)生擁堵的位置。集散瓶頸一般存在于走道突然變窄的通道處，不便通行的樓梯處，或人流網(wǎng)交叉的地方。根據(jù)瓶頸點位置特點和現(xiàn)場考察的實際情況，得出地鐵站內(nèi)集散瓶頸的形成原因主要有：乘客行走路線路交叉，設施容量不足或布置不合理，設施間的通行能力不匹配等。

地鐵站內(nèi)集散瓶頸風險的大小與人流量、瓶頸點的結(jié)構(gòu)及集散狀態(tài)等因素有關。其風險評估流程如圖1所示。

圖1　集散瓶頸點風險評估流程

首先根據(jù)一般人流風險控制要點確定瓶頸風險等級評價指標，構(gòu)建風險評價體系，并參考行業(yè)規(guī)范及相關研究成果劃分各指標不同取值對應的風險等級，綜合各指標風險等級確定瓶頸點集散風險等級。然后結(jié)合地鐵站空間布局確定乘客走向，確定瓶頸點位置，再根據(jù)選定的風險評價指標針對性地對地鐵站(尤其是瓶頸點)人群集散狀態(tài)進行仿真。最后結(jié)合瓶頸點人群集散狀態(tài)評價地鐵站集散風險，并分析給出風險控制建議。

2地鐵車站行人流參數(shù)分析

2.1　行人流參數(shù)關系模擬

行人流基本參數(shù)主要包括人流量、人流速率、人流密度和行人占用空間。國內(nèi)外大量研究表明人流密度受人流速率的影響，行人占用空間和人流密度均用來描述某區(qū)域內(nèi)的人群密集程度，從數(shù)值上看互為倒數(shù)，因此本文采用最直觀的人流密度指標描述人流擁擠程度。行人流參數(shù)是瓶頸點風險判斷最重要的指標，人流密度和行人流量通常直接被作為瓶頸判斷標準[10]，通過探討兩者之間的關系確定瓶頸點人流密度臨界值。

圖2　通道處人流量與人流密度關系曲線

以武漢市地鐵2號線一期工程洪山廣場地鐵車站為例評價集散瓶頸風險?？紤]到瓶頸點的位置，選擇水平通道和上下樓梯作為研究主體，因為電梯在疏散中不與人流路線產(chǎn)生明顯沖突，本研究中不考慮這一因素。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到水平通道處的人流密度與人流量對應關系如圖2中散點所示，經(jīng)不同函數(shù)模型模擬得出二次多項式模型擬合度最高的結(jié)論，得到水平通道處人流密度K與人流量Q的關系如式(1)所示。采用同樣的方法對樓梯處上行、下行人流的人流密度與人流量關系進行統(tǒng)計，得到圖3、圖4。二次多項式模擬得到關系式(2)、(3)。

(1)

(2)

(3)

式中，Q為人流量，p/min/m；k為人流密度，p/min；R2為曲線擬合平方差，一般認為R2≥0.8表示擬合效果好。

圖3　樓梯處上行人群人流量與人流密度關系曲線

圖4　樓梯處下行人群人流量與人流密度關系曲線

從圖中可以看出，采用二次多項式模擬的擬合度比較高。從擬合關系式可知當人流密度為1.54 p/m2時，通道處的人流量達到最大值，樓梯處上行和下行人流量最大時對應的人流密度分別為2.14 p/m2和1.99 p/m2。當人流密度超過此值時，將出現(xiàn)人群擁堵現(xiàn)象，人流量反而減小。因此，將各點人流量最大時的人流密度作為該點的臨界密度。另外根據(jù)式(1)～式(3)可知，當?shù)罔F站通道內(nèi)、上行、下行樓梯處人流密度分別達到3.10、4.28、4.00 p/m2時人流量降為0，通道處將出現(xiàn)人群鎖死現(xiàn)象，乘客無法通行，因此必須嚴格控制行人流密度。

2.2　行人流密度預警級別劃分

行人流密度作為集散能力評價的重要指標，用于判斷其預警級別具有重要的意義。中華人民共和國國務院于2006年發(fā)布的《國家突發(fā)公共事件總體應急預案》中已明確規(guī)定，對可能發(fā)生和可以預警的突發(fā)公共事件應進行預警，應根據(jù)突發(fā)事件性質(zhì)、規(guī)模、可控程度、危害程度等因素確定預警級別及預警措施，一般將預警級別劃分為四級：Ⅰ級為特別重大級別，也稱紅色預警，Ⅱ級為一般重大級別，為橙色預警，Ⅲ級為較大級別，為黃色預警，Ⅳ級為一般以級別，為藍色預警[11]。目前也有學者根據(jù)上面的要求對公共事件發(fā)生時預警級別的具體確定方法進行了研究[12]，結(jié)合已有研究成果建立以臨界人流密度為指標標準的預警級別劃分細則如表1所示。

表1　人流密度監(jiān)測預警級別劃分

注：kp表示預測行人流密度，K表示臨界人流密度。

根據(jù)表1給定的人流密度預警級別劃分標準和各區(qū)域人流密度臨界值，可以確定地鐵車站內(nèi)通道處或樓梯處的人流密度檢測標準。通過計算得到預警級別與各區(qū)域人流密度的關系如表2所示。

表2　地鐵站內(nèi)預警級別與預測人流密度關系

3瓶頸點風險等級評價

地鐵站人群集散瓶頸點的形成是由多種因素相互影響共同作用的結(jié)果。本文將識別影響瓶頸點集散風險的因素，并給出指標確定方法及風險等級劃分原則，為地鐵站瓶頸點集散風險等級評價提供理論依據(jù)。

3.1　瓶頸點集散風險等級評價影響因素識別

目前地鐵站人群集散瓶頸點確定時大多只考慮人流密度因素，而人群擁擠及疏散的復雜性決定了影響因素的多樣性，人群集散過程中人流速度和人流量等基本參數(shù)、人群成拱現(xiàn)象、疏散時間及空間結(jié)構(gòu)的復雜程度等也會對人群集散瓶頸產(chǎn)生影響[12-13]。本研究綜合考慮各種因素，結(jié)合運營過程中地鐵站的實際狀況，從重要性、獨立性和便于測量的角度考慮，選取人流密度、關聯(lián)點個數(shù)和人流負荷率三個指標作為集散風險等級評價指標。實際上，行人恐慌程度、人群組成等也會對集散風險產(chǎn)生影響，考慮到這些因素不便于測量評價，且一定程度上能從選定的評價指標中反應出來，因此不單獨考慮這些因素的影響。

(1)人流密度(a1)：指單位面積上的行人人數(shù)，單位是p/m2。瓶頸點集散風險評價指標的人流密度是指根據(jù)地鐵站疏散仿真得到的預測人流密度值。

(2)關聯(lián)人群組數(shù)(a2)：指與瓶頸點相連通的人群組數(shù)。由于地鐵站內(nèi)行人行走目標確定，同一進站點、接受相同服務項目的乘客一般具有相似的走向，因此可以建立地鐵站內(nèi)的行人流線網(wǎng)，從而確定瓶頸點的關聯(lián)人群組數(shù)。

(3)人流負荷率(a3)：指滯留人數(shù)與通行人數(shù)的比值，從通行量的角度反應人群擁擠狀況。在地鐵站瓶頸點，存在集散風險時一般伴隨著行人滯留，及時有效的行人疏散是降低集散風險的重要方法，而人群滯留狀態(tài)能否緩解受滯留人數(shù)與通行水平的共同影響。人流負荷率的計算如公式(4)、(5)所示[12,14]。

(4)

(5)

式中，a3為人流負荷率；Ns為滯留人數(shù)，人；P為特定通行時間內(nèi)的人流量，人，根據(jù)通道性質(zhì)的不同，水平通道處通行時間取10 s，樓梯處每層通行時間取30 s；T為疏散總時間，s；T0為開始發(fā)生人群滯留的時刻，s；fi(t)為通道的第i個分支入口t時刻的人群流動系數(shù)，人/m·s；f(t)為通道出口t時刻人群流動系數(shù)，人/m·s；bi(t)為第i個分支入口t時刻人流寬度，m；B(t)為通道出口t時刻人流寬度，m，通常用出口寬度代替；n為分支入口的數(shù)目。

3.2　瓶頸點集散風險等級劃分

本研究確定了3個影響因素，具有不同的評價標準，為了便于量化評價，根據(jù)各指標值與集散風險間的關系，將風險等級用極高、較高、中等、一般、低表示，對應的安全評價得分依次為1～5分，得到風險分級見表3[15]。

表3　瓶頸點集散能力影響因素風險狀態(tài)分級及得分

瓶頸點最終的風險等級評價借鑒LEC評價法(格雷厄姆評價法)。風險值D=L×E×C，其中L表示事故發(fā)生的可能性，E表示人員暴露于危險環(huán)境中的頻繁程度，C表示事故發(fā)生可能造成的后果，D表示系統(tǒng)的危險性。本研究確定瓶頸點的集散風險時采用人流密度、關聯(lián)人數(shù)組數(shù)和人流負荷率作為風險評價指標，其中人流密度直觀顯示人群集散的結(jié)果，類似于LEC評價法中的“C”，關聯(lián)人群組數(shù)表征能夠引發(fā)集散問題的可能性，類似于“L”，人流負荷率反映當前狀態(tài)下人群通行量超過正常負荷的程度，類似于“E”，因此可以建立類似于“LEC評價法”的“KNS風險評價法”。定義風險評價值D=K×N×S，其中，K表示人流密度得分，N表示關聯(lián)人群組數(shù)得分，S表示人流負荷率得分。D值越小說明該點集散風險越高。根據(jù)實際工程中風險狀態(tài)與各瓶頸指標得分的關系，確定風險評價值D的取值與瓶頸點風險等級的關系如表4所示。

表4　安全風險評價值與風險等級劃分

確定某地鐵站瓶頸點安全風險狀態(tài)時，首先應通過初步觀察和模擬確定瓶頸點，然后根據(jù)實際運營現(xiàn)狀確定各瓶頸點對應的各指標所處的風險狀態(tài)，并采用量化得分R=[K，N，S]表示，再根據(jù)D=K×N×S確定風險評價值，最后根據(jù)表4確定瓶頸點風險等級。例如，某地鐵站內(nèi)某瓶頸點各指標取值依次為：R=[3，2，3]，則該點風險評價值為18，說明瓶頸點處于中等風險狀態(tài)，需采取專業(yè)集散安全防范措施。

4案例分析

以武漢市洪山廣場地鐵站為例進行研究。該地鐵站是武漢軌道交通2號線和4號線的換乘車站，由地下一層的站廳層和地下二層、三層的站臺層組成。該車站共有15個出入口，人流量較大。地下三層的換乘布置形式使得人流交叉點較多，垂直通行的人流擁擠風險增大。為了便于仿真，本研究以包含乘客上下、水平通行和車站出入的地下一層中的第一付費區(qū)為例進行瓶頸點風險分析。

4.1　地鐵站人流參數(shù)Anylogic仿真

Anylogic是一款可以對離散、連續(xù)和混合系統(tǒng)建模和仿真的工具，采用Anylogic中以社會力模型為基礎的行人庫模塊對洪山廣場地下一層第一付費區(qū)行人集散情況進行模擬，仿真基礎平面如圖5所示。

將搜集整理和現(xiàn)場調(diào)查得到的客流量和路徑選擇比例等參數(shù)導入模型后，對模擬區(qū)域內(nèi)的人流狀況進行初步識別，得到該區(qū)域內(nèi)瓶頸點主要位于付費區(qū)出入口、上下扶梯口和行人流線交叉點等位置，如圖5中A、B、C、D1、D2、E1、E2、F1、F2點所示，模擬結(jié)果和實際調(diào)查結(jié)果基本相符。模擬過程中某一時刻三維圖如圖6所示，各位置的局部人流狀況如圖7所示。

圖5　洪山廣場地下一層第一付費區(qū)平面

圖6　洪山廣場一層行人模擬三維圖

圖7　地鐵站內(nèi)局部人流狀況模擬

利用Anylogic對這些點人流參數(shù)進行采集，得到地鐵到站后的6 min內(nèi)各瓶頸點的平均人流密度和人流量，考慮到地鐵站內(nèi)人流通行狀況受多種因素的影響，人流量及行人通行狀況存在較大不確定性，因此本研究對該地鐵站的人流狀況進行了50次模擬，針對各考察點得到50組人流密度和人流量平均值，再對50次模擬結(jié)果取平均值得到各點最終的人流密度值及人流量，如表5所示。其中以A點為例，得到50次模擬中人流密度與人流量平均值如圖8所示。

表5　瓶頸點區(qū)域密度及人流量統(tǒng)計

圖8　瓶頸點A處人流密度與人流量統(tǒng)計圖

4.2　人群集散瓶頸風險等級評價

分析整理Anylogic仿真統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到各瓶頸點的各指標值及對應的風險等級如表6所示。各瓶頸點的人流密度(a1)指標值直接由統(tǒng)計值得到，關聯(lián)人群組數(shù)(a2)指標值根據(jù)平面布局得到，例如：A點人流狀況受來自每組電梯的乘客和進站乘客的共同影響，如圖5所示，因此共有5組關聯(lián)人群。考慮到進站乘客進站比率較均勻，下行乘客通過扶梯后有較大的行走空間，基本不會影響扶梯上乘客的通行，因此從一層通往二層及三層的自動扶梯上的人流僅考慮受到扶梯入口和扶梯上人流分布兩組人群的影響。

表6　瓶頸點指標值及風險等級劃分

從表6可以看出，洪山廣場地鐵車站站廳層內(nèi)瓶頸點B的集散風險最高，即靠近檢票口的二層自動扶梯口處乘客集散風險最大，其次是由此通往地下2層的自動扶梯下行扶梯D1處，處于二級風險狀態(tài)。檢票口A處及其周圍兩個由地下二層通往一層的自動扶梯D2、F2上的乘客也存在明顯的集散風險，處于三級風險狀態(tài)。相對遠離站臺，由地下三層通往站臺層的扶梯E2處和由入口進入地下二層的扶梯F1處，存在風險等級為四級的較低人群集散風險。瓶頸點C和瓶頸點E1處的風險很低，可以忽略。

總體上看，處于三級和四級風險的瓶頸點占監(jiān)測總量的50%，說明大多數(shù)瓶頸點處于中等風險狀態(tài)，車站管理人員應加強高峰期人流疏散管理。另外，三級風險以上的瓶頸點A、B、D1、D2、F2均與地下二層有關，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)與地下三層有關的點則風險較低。可以看出，越靠近檢票口的位置集散風險越高，反之則越低。

4.3　地鐵站瓶頸點集散風險控制建議

通過地鐵站內(nèi)瓶頸點集散風險分析可知，瓶頸點風險主要受所處位置及人流量的影響。進出站乘客多根據(jù)就近原則選擇離檢票口近的通道進入候車廳，而當?shù)叵露?、三層的乘客客流量相差不大時，由于通往地下三層的自動扶梯有更大的空間，因此人流密度相對減小，考慮到乘客在自動扶梯上一般不行走，其集散風險也就大大降低。針對本研究得到的站廳層第一付費區(qū)內(nèi)瓶頸點風險分析結(jié)果，為了降低人群集散風險，提出以下建議。

(1)仿真表明，正對檢票口的位置及其對應的扶梯通道內(nèi)，人流量較低，未出現(xiàn)明顯的人流聚集，集散風險可以忽略，而靠近檢票口的區(qū)域人流聚集現(xiàn)象明顯，說明由于乘客存在就近選擇出入口的心理，第一付費區(qū)內(nèi)的人流分布不均。為改善現(xiàn)狀，地鐵站入口處及地下二、三層通往地下一層的位置應加強乘客導向管理，可通過增加引導人員及導向標識實現(xiàn)。

(2)與地下二層關聯(lián)的瓶頸點風險較高，一方面是由于通道所處的位置靠近出入口，乘客路線選擇趨向過于明顯，另一方面是因為扶梯較短，而扶梯上的人流速度小于乘客正常通行速度，導致人群滯留，另外，D1、D2扶梯間的距離太近導致扶梯進出口人流聚集。針對此問題，可在付費區(qū)入口處適當設置欄桿引導乘客分流，同時在D1、D2扶梯處加欄桿分開上行和下行乘客。為保證乘客通行，地鐵進站檢票閘機盡量不要設置在扶梯口處，以免排隊候車乘客堵塞通道。

(3)本研究涉及到的風險問題都與檢票口有直接或間接的關系，因此增設檢票口使得乘客從根本上分流對于改善地鐵站內(nèi)人群集散有重要意義。根據(jù)地鐵站結(jié)構(gòu)設計實際情況，可以原檢票口左側(cè)的位置增設檢票口，充分利用大廳空間，從而降低集散風險。

5結(jié)論

結(jié)合目前地鐵站內(nèi)人群集散瓶頸的研究成果，選取了瓶頸風險評價指標，并制定了風險等級評價標準。以武漢市洪山廣場地鐵站為例，采用Anylogic對地鐵站站廳層第一付費區(qū)內(nèi)的人流進行了仿真，并參照給定的評價標準對其集散風險等級進行了評價，為降低地鐵站內(nèi)人群集散風險提供決策依據(jù)。本研究可以得出以下結(jié)論。

(1)參考國內(nèi)外研究成果，得出影響或反映乘客集散能力的主要因素有：人群擁擠狀況、結(jié)構(gòu)復雜性以及行人的心理因素等，經(jīng)分析，本文采用人流密度、關聯(lián)人群組數(shù)和人流負荷率為瓶頸點集散風險評價指標，并給出了各指標的量化方法。

(2)參考一般安全風險指標劃分的原則，根據(jù)實際情況為評價指標劃分風險狀態(tài)等級，并進行量化打分R=[K，N，S]。借鑒LED風險評分法，以D=K×N×S確定風險評價值，并根據(jù)評價值D的大小確定瓶頸點的風險等級。

(3)以武漢市洪山廣場地鐵站站廳層第一付費區(qū)為例，采用本文制定的集散瓶頸風險評價標準對其進行評價，該車站的整體集散風險處于中等水平，根據(jù)評價結(jié)果，該車站可以從加強乘客引導，增設欄桿分流及增加檢票口等方面控制集散風險。該評價結(jié)果與地鐵運營現(xiàn)狀實際基本相符，說明本文建立的集散能力評價方法對于改善地鐵站內(nèi)評價點的高風險狀態(tài)，降低人群集散風險具有重要意義。

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Risk Analysis of Bottleneck in Gathering and Distributing of Subway StationWU Xian-guo, LIU Meng-jie, ZHANG Li-mao, FANG Wei-li

(School of Civil Engineering and Mechanics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Abstract：Because of the increasing demands of urban rail transit station and the limited station place, the risk control of crowded places must be addressed. In this paper, pedestrian density, associated group number and pedestrian loading rate are chosen for evaluation, and the corresponding calculation methods and risk level are given. With reference to LED method, the formula is used to calculate the risk value of the bottleneck. With the data of the Hongshan Square subway station in Wuhan, the traffic situation is simulated using Anylogic software, and the risk level of the station bottleneck is evaluated with the criteria set up in the paper. As can be seen from the results, the overall distributing risk is at a medium level. Such risk control strategies are proposed as strengthening passenger guidance, adding railings for more effective distribution, and increasing wickets. The risk assessment results are in consistent with operational status quo, indicating that the risk evaluation system can provide guidelines for risk identification and evaluation.

Key words：Subway station; Gathering and distributing capacity; Bottleneck point; Risk assessment; Anylogic simulation

中圖分類號：X951

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.027

文章編號：1004-2954(2016)02-0130-06

作者簡介：吳賢國(1964—)，女，教授，2006年畢業(yè)于華中科技大學工程管理專業(yè)，博士。

基金項目：國家自然科學基金(51378235)；湖北省自然科學基金(2014CFA117)；武漢市科技計劃(201334)

收稿日期：2015-06-02； 修回日期：2015-07-09