王 姣 劉雅萍南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司技術(shù)中心 山東青島 266111

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美國(guó)動(dòng)車組車門通過(guò)能力與停站時(shí)間研究

王 姣 劉雅萍
南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司技術(shù)中心 山東青島 266111

【文章摘要】

動(dòng)車組的車門通過(guò)能力和停站時(shí)間，不僅關(guān)系到列車的運(yùn)營(yíng)效率，而且關(guān)系到運(yùn)載乘客的人身安全。本文利用Pathfinder仿真軟件，依據(jù)美國(guó)Amtrak動(dòng)車組為基本模型，合理構(gòu)建參數(shù)，根據(jù)該模型進(jìn)行仿真分析，并對(duì)模型進(jìn)行了深入改進(jìn)。通過(guò)對(duì)美國(guó)Amtrak動(dòng)車組車輛的人員疏散能力分析，最終確定該型動(dòng)車組車門的通過(guò)能力，并對(duì)停站時(shí)間給出了相應(yīng)的建議。

【關(guān)鍵詞】

Pathfinder；建模；停站時(shí)間

隨著軌道交通技術(shù)的迅猛發(fā)展，軌道交通的管理水平需持續(xù)提升。研究合理的車門通過(guò)能力和停站時(shí)間，可以有效提高運(yùn)營(yíng)能力，并能夠使列車運(yùn)營(yíng)在乘載更多客運(yùn)量的前提下做到準(zhǔn)時(shí)、快捷。本文利用Pathfinder仿真軟件對(duì)列車的車門通過(guò)能力進(jìn)行仿真測(cè)試，在乘客攜帶行李上車和下車的高峰時(shí)段，對(duì)不同客流量提出不同停站時(shí)間的建議，從而證明動(dòng)車組的設(shè)計(jì)滿足正常運(yùn)行停留時(shí)間的要求。

1 模型的建立

Pathfinder仿真軟件簡(jiǎn)介：

該軟件是由美國(guó)公司研發(fā)的一款簡(jiǎn)單、直觀、易用的新型的智能人員緊急疏散逃生評(píng)估系統(tǒng)。它利用計(jì)算機(jī)圖形仿真和游戲角色領(lǐng)域的技術(shù)，對(duì)多個(gè)群體中的每個(gè)個(gè)體運(yùn)動(dòng)都進(jìn)行圖形化的虛擬演練，從而可以準(zhǔn)確確定每個(gè)個(gè)體在災(zāi)難發(fā)生時(shí)最佳逃生路徑和逃生時(shí)間。Pathfinder特點(diǎn)介紹 ：

1. 內(nèi)部快速建模與DXF, FDS等格式的圖形文件的導(dǎo)入建模相結(jié)合；

2. 三維動(dòng)畫視覺(jué)效果展示災(zāi)難發(fā)生時(shí)的場(chǎng)景；

3. 構(gòu)筑物區(qū)域分解功能，同時(shí)展示各個(gè)區(qū)域的人員逃生路徑；

4. 準(zhǔn)確確定每個(gè)個(gè)體在災(zāi)難發(fā)生時(shí)最佳逃生路徑和逃生時(shí)間。

圖1　列車模型

根據(jù)圖1所示的模型，本文運(yùn)用Pathfinder軟件對(duì)美國(guó)Amtrak動(dòng)車組進(jìn)行1:1的建模，對(duì)男女乘客、攜帶行李的乘客、殘疾人分別進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，設(shè)定門開啟關(guān)閉時(shí)間均為10s，通過(guò)仿真得出1分鐘，1.5分鐘和2分鐘各車門可以通過(guò)的乘客數(shù)量與百分比，并通過(guò)仿真結(jié)果對(duì)不同客流量下的停站時(shí)間做出建議。列車模型根據(jù)美國(guó)Amtrak動(dòng)車組編組建立。座椅與過(guò)道均按照實(shí)際尺寸建立，車門寬度為900mm。圖1為本次研究所建立的1號(hào)、2號(hào)車輛模型，其中綠色區(qū)域?yàn)榭尚凶邊^(qū)域，也就是車上人員可以活動(dòng)的區(qū)域，與實(shí)際車內(nèi)情況一致。

注：美國(guó)Amtrak動(dòng)車組為8編組列車，1號(hào)、8號(hào)車輛為一等車，5號(hào)車輛為餐車，其他車輛為二等車。

2 參數(shù)設(shè)置

2.1乘客數(shù)量與比例

首先需要在所建立車輛模型內(nèi)添加乘客，乘客均設(shè)置在座椅上，按照實(shí)際情況，每個(gè)車輛添加了10%的超員乘客，并讓50%的乘客攜帶行李，每節(jié)車還包括一名殘疾人。乘客按照數(shù)量的規(guī)定在每個(gè)車輛內(nèi)隨機(jī)分布在座位上，二等車輛與餐車加設(shè)了10%的站立乘客，滿足規(guī)定的要求。假設(shè)男女比例相同，那么一等、二等車輛需要添加的乘客數(shù)量如下表所示：

表1　模型中各車輛添加的人員數(shù)

2.2乘客肩寬

在軟件中主要是通過(guò)設(shè)置肩寬來(lái)確定乘客所占用的空間大小，并通過(guò)以肩寬為直徑的圓柱來(lái)表示乘客的占用空間。其中，為了區(qū)別乘客有無(wú)行李，將攜帶行李的乘客的肩寬設(shè)定比不帶行李的乘客大，從而反映攜帶行李造成的影響，而殘疾人設(shè)定統(tǒng)一的400mm作為肩寬。對(duì)于男性攜帶行李的乘客，肩寬平均值相比不攜帶行李的只增加了20mm，這是由于模型中座椅的大小限制了可設(shè)置的最大肩寬。攜帶行李所造成的影響還將從行走速度，加速時(shí)間，舒適距離這一系列參數(shù)的設(shè)置表現(xiàn)出來(lái)，從而讓仿真結(jié)果更接近實(shí)際情況。具體乘客肩寬設(shè)置見下表2。

表2　模型中乘客肩寬設(shè)定值

2.3其他參數(shù)設(shè)定

由于車輛內(nèi)的空間相對(duì)狹小，所以在設(shè)計(jì)速度的時(shí)候考慮速度低于乘客在地面的正常行走速度。其中，男乘客的速度高于女乘客，未攜帶行李乘客的速度高于攜帶行李的旅客的速度，并且未攜帶行李的旅客達(dá)到最大加速的所需的時(shí)間也更多，舒適距離也與攜帶行李與否有關(guān)，具體參數(shù)設(shè)置見表3。

表3　模型中乘客速度，加速度，舒適距離參數(shù)的設(shè)定值

車輛的具體人員分配和相應(yīng)的出口設(shè)置見下圖2。

圖2　車輛整體分布及出口圖

3 仿真結(jié)果

3.160s內(nèi)通過(guò)乘客數(shù)量

規(guī)定車門保持打開的時(shí)間為計(jì)時(shí)開始的第10s-第50s（假設(shè)開門關(guān)門的時(shí)間均為10s）。

注：車門的開門時(shí)間包括門扇的打開時(shí)間和輪椅渡板的伸出、展開時(shí)間。

下圖為2號(hào)車輛不同時(shí)間點(diǎn)車門通過(guò)情況：

圖3　2號(hào)車輛不同時(shí)間點(diǎn)車門通過(guò)仿真圖

第50s時(shí)車門開始關(guān)閉，1分鐘通過(guò)人數(shù)為計(jì)時(shí)第50s時(shí)通過(guò)的乘客數(shù)量，如下表：

表4　計(jì)時(shí)第50s時(shí)間內(nèi)通過(guò)車門的人數(shù)

圖4　2號(hào)車輛不同時(shí)間點(diǎn)車門通過(guò)情況

3.290s內(nèi)通過(guò)乘客數(shù)量

規(guī)定車門保持打開的時(shí)間為計(jì)時(shí)開始的第10s～第80s（假設(shè)開門關(guān)門的時(shí)間均為10s）。

第80s時(shí)車門開始關(guān)閉，1.5分鐘通過(guò)人數(shù)為計(jì)時(shí)第80s時(shí)通過(guò)的乘客數(shù)量，如下表：

表5　計(jì)時(shí)第80s時(shí)間內(nèi)通過(guò)車門的人數(shù)

5節(jié)2等車輛在計(jì)時(shí)開始后80s內(nèi)下車人數(shù)不等，平均下車60人，占車內(nèi)全部人數(shù)的78.9%。

3.3120s內(nèi)乘客通過(guò)數(shù)量

規(guī)定車門保持打開的時(shí)間為計(jì)時(shí)開始的第10s-第110s。圖5為2號(hào)車輛不同時(shí)間點(diǎn)車門通過(guò)情況：

圖5　2號(hào)車輛不同時(shí)間點(diǎn)車門通過(guò)情況

具體到各個(gè)車輛乘客全部通過(guò)車門所耗費(fèi)的時(shí)間見表6，所耗費(fèi)的平均時(shí)間見表7。

表6　全部通過(guò)車門所需時(shí)間

表7　全部通過(guò)車門所用的平均時(shí)間

由于關(guān)門需要10s的時(shí)間，以上時(shí)間加上10s后都小于2分鐘，所以2分鐘內(nèi)一列車的乘客（包括攜帶行李，10%超員與殘疾人）可以從每個(gè)車輛打開的一個(gè)車門全部下車到站臺(tái)上。

4 模型的改進(jìn)

在上面的模型中，對(duì)列車整體進(jìn)行了研究，下面對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)。為了研究車門的最終通過(guò)能力，從上文已知2號(hào)車輛全部乘客下車所耗時(shí)間最多。所以本部分單獨(dú)對(duì)2號(hào)車輛進(jìn)行研究，針對(duì)美國(guó)列車的下車人數(shù)確定模型。表8給出了針對(duì)2號(hào)車輛的下車人數(shù)與下車時(shí)間的關(guān)系。此處，在進(jìn)行的仿真中，依然采用男女比例1:1，有行李與無(wú)行李比例1:1，并且仍舊有一名殘疾人士。

表8　2號(hào)車輛下車人數(shù)與下車時(shí)間

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)《關(guān)于地鐵換乘站行人流特性和疏散時(shí)間模型研究》，針對(duì)行人流下車時(shí)間所建立的模型，可以知道在車門寬度確定的情況下，指定車輛的下車人數(shù)與下車所耗費(fèi)的時(shí)間并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是滿足

為了最終確定關(guān)系函數(shù)，利用表8數(shù)據(jù)并根據(jù)式（1）對(duì)原始冪函數(shù)進(jìn)行擬合，于是得到了圖6所示的擬合曲線。

圖6　下車人數(shù)與時(shí)間擬合曲線

利用MATLAB2009a軟件的函數(shù)擬合工具箱最終確定了擬合后的函數(shù)如下：

從圖6中可知曲線的擬合程度很高，由圖6曲線可以求得曲線的相關(guān)擬合系數(shù)：

5 結(jié)論

1）一等車輛，餐車通過(guò)人數(shù)分析

在仿真結(jié)果中，一等車輛（1號(hào)車輛，8號(hào)車輛）與餐車（5號(hào)車輛）都在1分鐘的時(shí)間里完成了所有乘客的下車。要得出停站的參考時(shí)間，則應(yīng)對(duì)乘客更多的二等車輛進(jìn)行通過(guò)人數(shù)分析。

2）二等車輛通過(guò)人數(shù)分析

對(duì)1分鐘，1.5分鐘，2分鐘時(shí)車上乘客通過(guò)車門的人數(shù)與百分比進(jìn)行匯總，其中二等車人數(shù)76人包括50%攜帶行李的乘客與10%的超員情況。軟件中主要研究的是車上乘客下車的情況，如考慮上車的乘客，則上表的通過(guò)人數(shù)應(yīng)為實(shí)際下車與上車人數(shù)之和。即為不同時(shí)間下車門的通過(guò)能力（人數(shù)）。具體情況如下表9所示：

表9　不同時(shí)間車上乘客通過(guò)車門的人數(shù)與百分比

3）不同客流量停站時(shí)間的建議

為說(shuō)明方便，將二等車輛50%攜帶行李的乘客與10%的超員條件下的總?cè)藬?shù)稱為M人。從仿真結(jié)果可以看出，在2分鐘的停站時(shí)間下，每節(jié)車輛的一個(gè)車門可以通過(guò)100%M人；在1.5分鐘的停站時(shí)間下，每節(jié)車輛的一個(gè)車門可以通過(guò)78%M人；在1分鐘的停站時(shí)間下，每節(jié)車輛的一個(gè)車門可以通過(guò)44%M人。其中客流量為單節(jié)車輛的下車人數(shù)與此節(jié)車輛上車人數(shù)之和，M為二等車輛在50%乘客攜帶行李與10%的超員條件下的總?cè)藬?shù)，這里為76人。這里建議的停站時(shí)間是在每輛車開一個(gè)車門的條件下得出的。對(duì)于客流量超過(guò)180%M的情況，停站時(shí)間需根據(jù)進(jìn)一步仿真計(jì)算得出結(jié)論。

由仿真結(jié)果得出不同客流量下合適的停站時(shí)間，以保證乘客的下車和上車都能在停站時(shí)間之內(nèi)完成。如下表10所示：

表10　不同客流量建議的停站時(shí)間

【參考文獻(xiàn)】

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