成琳娜

（五邑大學(xué) 軌道交通學(xué)院，廣東 江門(mén) 529020）

基于綜合因子影響下的地鐵站火災(zāi)應(yīng)急疏散仿真研究

成琳娜

（五邑大學(xué) 軌道交通學(xué)院，廣東 江門(mén) 529020）

本文從主觀影響和客觀影響兩方面對(duì)地鐵站火災(zāi)應(yīng)急疏散過(guò)程進(jìn)行了深入分析；提出了綜合因子η的概念，將盡可能多的影響因素定量地反映在疏散人員的速度上；最后，構(gòu)建地鐵站建筑結(jié)構(gòu)及人員特性仿真環(huán)境，利用Pathfinder仿真軟件對(duì)綜合因素影響下的地鐵站火災(zāi)應(yīng)急疏散問(wèn)題進(jìn)行仿真研究.結(jié)果表明，綜合因子η考慮的影響因素越多，仿真疏散過(guò)程就會(huì)越貼合實(shí)際情況，仿真疏散結(jié)果也就越具可靠性.

地鐵站火災(zāi)；應(yīng)急疏散；綜合因子；Pathfinder仿真

隨著我國(guó)城市化的不斷發(fā)展，城市交通問(wèn)題日益嚴(yán)重，地鐵以其安全、快捷、舒適、能耗低等優(yōu)點(diǎn)成為改善交通結(jié)構(gòu)、解決交通擁堵難題的最佳方案.與此同時(shí)，如火如荼的地鐵建設(shè)、運(yùn)營(yíng)也帶來(lái)了亟待解決的地鐵系統(tǒng)安全問(wèn)題，其中最為頻發(fā)、災(zāi)害性最大的就是火災(zāi)安全事故.

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究地鐵站火災(zāi)應(yīng)急疏散問(wèn)題時(shí)主要使用模型求解和軟件仿真兩種方法.文獻(xiàn)[1]以某明挖兩層島式地鐵站為例，對(duì)地鐵火災(zāi)的疏散時(shí)間進(jìn)行了模擬分析，根據(jù)人員不同的疏散行為反應(yīng)過(guò)程，分別計(jì)算出不同階段所需的具體疏散時(shí)間，為評(píng)價(jià)地鐵站結(jié)構(gòu)的合理性提供了有力依據(jù).文獻(xiàn)[2]確立了人員逃生的時(shí)間計(jì)算模型，進(jìn)而構(gòu)建出基于簡(jiǎn)單元胞自動(dòng)機(jī)原理的疏散模型，并開(kāi)發(fā)出地鐵火災(zāi)人員疏散的計(jì)算機(jī)仿真軟件SUBFE，利用該軟件對(duì)實(shí)例進(jìn)行了仿真研究.文獻(xiàn)[3]中指出目前常用于應(yīng)急疏散的仿真軟件有：Legion、SimWalk、PedGo、AnyLogic、VISSIM等.但已有的研究成果在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)仍達(dá)不到預(yù)期效果，且大部分建設(shè)有地鐵的城市也未形成有效的地鐵站火災(zāi)應(yīng)急管理系統(tǒng).因此，對(duì)地鐵站火災(zāi)應(yīng)急疏散問(wèn)題的深入研究是十分迫切和必要的.本文在分析火災(zāi)應(yīng)急疏散影響因素的基礎(chǔ)上，提出了綜合因子η的概念，將盡可能多的影響因素定量地反映在疏散人員的速度上，進(jìn)而對(duì)不同情況下的地鐵站火災(zāi)應(yīng)急疏散過(guò)程進(jìn)行仿真研究.

1　地鐵站火災(zāi)應(yīng)急疏散影響因素分析

1.1主觀影響因素

人員作為地鐵站火災(zāi)疏散的主體對(duì)象，勢(shì)必會(huì)對(duì)疏散過(guò)程產(chǎn)生許多主觀方面的影響，研究人員特性對(duì)疏散過(guò)程所產(chǎn)生的影響可以從宏觀和微觀兩個(gè)角度進(jìn)行.宏觀方面是指行人交通流特性對(duì)疏散過(guò)程的影響，通常用行人流的密度、流量和速度這3個(gè)基本特征量來(lái)進(jìn)行描述[4]；微觀方面是指疏散人員的個(gè)體特征對(duì)疏散過(guò)程的影響，本文主要分析微觀人員個(gè)體特征對(duì)疏散過(guò)程的影響.通過(guò)整理現(xiàn)有研究資料和進(jìn)行實(shí)地調(diào)查得出，影響地鐵站火災(zāi)應(yīng)急疏散的微觀主觀因素主要包括人員的年齡、性別、健康狀況以及受教育程度，對(duì)以上因素的相關(guān)數(shù)據(jù)分析結(jié)果見(jiàn)圖1～圖6[5-7].

圖1　不同年齡人員的火災(zāi)行為反應(yīng)時(shí)間比例

圖2　火災(zāi)中不同年齡人員的行為差異統(tǒng)計(jì)

圖3　火災(zāi)中不同性別人員的行為差異統(tǒng)計(jì)

圖4　不同性別人員的火災(zāi)行為反應(yīng)時(shí)間比例

圖5　火災(zāi)中不同身體狀況人員的行為差異統(tǒng)計(jì)

圖6　火災(zāi)中不同受教育程度人員的行為差異統(tǒng)計(jì)

從圖1～圖6的分析結(jié)果可以看出，個(gè)體特征對(duì)人員遇到火災(zāi)時(shí)的行為和反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生明顯不同的影響.例如，人員年齡與應(yīng)急行為能力之間大致呈反向曲線的關(guān)系，即在一定年齡限制內(nèi)，應(yīng)急行為能力隨著年齡的增加而增強(qiáng)，在中青年階段時(shí)達(dá)到能力頂峰，之后隨著年齡的增加，應(yīng)急行為能力則會(huì)逐步減弱.由于女性和男性生理及心理結(jié)構(gòu)的不同，導(dǎo)致女性在遇到突發(fā)事件時(shí)比男性更容易產(chǎn)生緊張、恐慌、焦慮等負(fù)面情緒，更容易表現(xiàn)出退縮、依附、從眾、沒(méi)有主見(jiàn)等心理、行為傾向.人員健康狀況也會(huì)影響其對(duì)火災(zāi)反應(yīng)的靈敏度和疏散速度，且與成功疏散呈正比關(guān)系，即身體健康狀況良好的人員能夠疏散成功的概率要高于健康狀況不佳的人員.另外，人員受到的教育程度不同，也會(huì)使其在火災(zāi)中的行為反應(yīng)有所不同.

除了上述因素外，人員性格、對(duì)車站環(huán)境的熟悉度、是否接受過(guò)消防訓(xùn)練以及人員之間的特殊關(guān)系等其他主觀因素也會(huì)對(duì)應(yīng)急疏散造成不同程度的影響.

1.2客觀影響因素

1.2.1站內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)對(duì)地鐵站火災(zāi)應(yīng)急疏散的影響

站內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)急疏散的影響主要表現(xiàn)為：出入口、疏散通道的通行能力；站內(nèi)建筑物的耐火等級(jí)；報(bào)警、消防設(shè)施的配置情況；疏散出口的數(shù)量、位置；樓梯的位置、寬度；疏散通道的設(shè)計(jì)；指示引導(dǎo)標(biāo)志的設(shè)置情況；站臺(tái)的寬度、長(zhǎng)度；柱子的數(shù)量、位置等.相關(guān)影響情況見(jiàn)表1～表3[8-10].

表1　人員在疏散通道上的走行速度

表2　地鐵站各建筑部位的最大通過(guò)能力

表3　北京南站不同位置的行人平均速度

1.2.2火災(zāi)產(chǎn)物對(duì)地鐵站火災(zāi)應(yīng)急疏散的影響

地鐵站發(fā)生火災(zāi)時(shí)，所產(chǎn)生的煙氣、高溫、熱輻射、對(duì)流熱、毒性等火災(zāi)產(chǎn)物會(huì)嚴(yán)重阻礙人員的安全疏散，燃燒作用同時(shí)會(huì)消耗大量氧氣，使氧氣濃度快速降低，對(duì)人員造成極大傷害，這些因素通常是造成地鐵站內(nèi)人員傷亡的最直接原因.相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4～表6[11-13].

表4　人體所能承受的各種火災(zāi)產(chǎn)物的最大劑量和濃度值

表5　人體可承受的可視度界限值

表6　人體可以忍受的火場(chǎng)溫度臨界條件

除了上述幾方面主要的地鐵站火災(zāi)應(yīng)急疏散影響因素外，還存在著一些其他影響因素，例如生活環(huán)境、職業(yè)、季節(jié)、行李、獲知火災(zāi)線索的途徑等.

2　地鐵站火災(zāi)應(yīng)急疏散仿真環(huán)境的建立

Pathfinder疏散模擬軟件是一個(gè)基于人員運(yùn)動(dòng)的仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)環(huán)境是一個(gè)完整的三維三角網(wǎng)格設(shè)計(jì)環(huán)境，可以配合建筑物實(shí)際層面的建設(shè)模式，給每個(gè)人員設(shè)定一套獨(dú)特的參數(shù)（走行速度、肩寬、出口選擇等），并分別仿真出每個(gè)人員的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)模式，它還提供了圖形用戶界面的模擬設(shè)計(jì)和執(zhí)行，以及三維可視化工具的分析結(jié)果[14].基于以上優(yōu)點(diǎn)，本文選用Pathfinder疏散模擬軟件對(duì)地鐵站火災(zāi)應(yīng)急疏散過(guò)程進(jìn)行仿真研究.

2.1站內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)仿真環(huán)境

本文以西安地鐵二號(hào)線的鐘樓站為基礎(chǔ)，將仿真地鐵站設(shè)計(jì)為非換乘地鐵站Q站.采用5列A型車編組，A型車長(zhǎng)22.1m，為了方便仿真過(guò)程，取為整數(shù)22 m，車寬為3 m.站臺(tái)（島式）計(jì)算長(zhǎng)度（列車?？繀^(qū)域）為112 m，總長(zhǎng)度為120 m，寬度為24 m，站廳層位于站臺(tái)層上方高5.7 m處，在站臺(tái)中部采用兩組相同規(guī)格的樓梯連通站臺(tái)層與站廳層，分別由兩段傾角為26°、長(zhǎng)為6.5 m，寬為4.5 m的樓梯和一個(gè)長(zhǎng)為2 m，寬為4.5 m，高為2.85 m的過(guò)渡平臺(tái)組成，并標(biāo)定連接站臺(tái)層與過(guò)渡平臺(tái)的兩段樓梯分別為stair1和stair2，連接過(guò)渡平臺(tái)與站廳層的兩段樓梯分別為stair3和stair4，每段樓梯又分別用下側(cè)的入口door1和上側(cè)的出口door2來(lái)表示.站廳層采用A、B、C 3個(gè)出口在不同方向與地面相連通，分別設(shè)計(jì)A、B出口寬度為5 m、C出口寬度為9 m.

2.2站內(nèi)疏散人員仿真環(huán)境

依據(jù)圖1～圖6及表1～表6中對(duì)主要影響因素相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，將站內(nèi)疏散人員劃分為不同類別.首先如表7所示按年齡不同將疏散人員劃分為五類，再進(jìn)一步根據(jù)性別不同將疏散人員具體劃分為7類：兒童、少年、青年男性、青年女性、中年男性、中年女性和老年人，并且設(shè)定不同類別的疏散人員在緊急狀況下的平均速度見(jiàn)表8.

表7　疏散人員類別

表8　人員在緊急狀況下的平均速度

設(shè)定一般情況下人員平均肩寬為0.38 m、穿衣厚度為0.02 m、緩沖區(qū)域?yàn)?.60 m，得出圓形投影的行人空間為0.79 m2/人，站臺(tái)層、站廳層和列車的基本容量約為2 200人、3000人和1050人.

3　地鐵站火災(zāi)應(yīng)急疏散仿真研究

基于前文對(duì)地鐵站火災(zāi)應(yīng)急疏散影響因素的分析，它們具有多樣性、復(fù)雜性、隨機(jī)性、不確定性等特性.因此，本文提出了一個(gè)與疏散過(guò)程中人員走行速度相關(guān)的變量綜合因子η，對(duì)不同影響因素下疏散人員的速度進(jìn)行調(diào)整，即

其中，ηn表示不同影響因素所對(duì)應(yīng)的子因子，其值根據(jù)不同情況下的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等推算得出，并且定義某類人員在某條件下疏散過(guò)程中的實(shí)際速度等于緊急狀況下該類人員的平均速度與該條件下綜合因子的乘積.后文設(shè)定起火點(diǎn)位于Q地鐵站內(nèi)連通站臺(tái)層與站廳層的樓梯下方，并將站內(nèi)疏散人員按中青年男性、中青年女性、未成年人和老年人這3大類平均分配，在該條件下對(duì)綜合因子η的應(yīng)用加以說(shuō)明.

1）不利影響因素較多時(shí)

定義η=η1· η2·η3·η4·η5·η6·η7·η8，其中η1表示站內(nèi)疏散通道有多處拐彎等復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)，取0.95；η2表示客流平峰期，取1.00；η3表示冬季，取0.95；η4表示大部分疏散人員對(duì)站內(nèi)環(huán)境不熟悉，取0.95；η5表示大部分疏散人員攜帶大量行李，取0.90；η6表示出現(xiàn)較多的緊張、慌亂等負(fù)面情緒，取0.90；η7表示站內(nèi)消防設(shè)施未能及時(shí)發(fā)揮有效的滅火作用，取0.85；η8表示疏散引導(dǎo)標(biāo)志無(wú)法清晰辨識(shí)，取0.95.得到η=0.56，各類疏散人員特征參數(shù)見(jiàn)表9.

為了體現(xiàn)不同人員的反應(yīng)特性，設(shè)定不同的反應(yīng)延遲時(shí)間比例：列車內(nèi)有2.5%的人員延遲1s后開(kāi)始疏散行為；站臺(tái)內(nèi)有2%的人員延遲1s后開(kāi)始疏散行為；1.5%的人員延遲2 s后開(kāi)始疏散行為；1%的人員延遲3s后開(kāi)始疏散行為；0.5%的人員延遲4 s后開(kāi)始疏散行為.

2）不利影響因素較少時(shí)

定義η′=η1′ ·η2′·η3′ ·η4′·η5′ ·η6′·η7′·η8′，此時(shí)設(shè)定與前文完全相反的疏散條件，因此η1′、η2′、η3′、η4′、η5′、η6′、η7′、η8′取值分別為1.05、1.00、1.05、1.00、0.95、0.95、1.10、1.00.得到η′=1.09，各類疏散人員特征參數(shù)見(jiàn)表10，并且設(shè)定不同的反應(yīng)延遲時(shí)間比例.

表9　不利影響因素較多時(shí)Q地鐵站人員特征參數(shù)表

表10　不利影響因素較少時(shí)Q地鐵站人員特征參數(shù)表

對(duì)比兩種條件下的仿真運(yùn)行結(jié)果，提取出主要的分析結(jié)果如表11~表12所示.

表11　仿真結(jié)果匯總1

表12　仿真結(jié)果匯總2

對(duì)比兩個(gè)仿真實(shí)例，站內(nèi)疏散人員結(jié)構(gòu)一定時(shí)，疏散環(huán)境中較多的不利因素會(huì)嚴(yán)重影響到人員的走行速度，并使人員走行的持續(xù)性降低.表11和表12中的仿真結(jié)果表明，不利影響因素較少時(shí)，整體疏散時(shí)間明顯減少，站內(nèi)總疏散時(shí)間和站臺(tái)層疏散時(shí)間的減少幅度分別達(dá)到了40%和38%；對(duì)比出口和樓梯口出現(xiàn)第一個(gè)疏散人員的時(shí)間可以看出，整體疏散速度明顯提高，提高幅度為30%左右；對(duì)比樓梯內(nèi)人員數(shù)量變化、樓梯口和出口的通過(guò)人流量得出，各類疏散通道的通過(guò)能力都有較大提升，平均提升幅度為53%左右；從出口C的累計(jì)通過(guò)人員數(shù)量變化情況得出，有更多的疏散人員放棄距離較近，但出口寬度較小、擁堵程度較嚴(yán)重的A和B出口，而選擇距離較遠(yuǎn)，但出口寬度較大、擁堵程度較輕的C出口.綜上所述，在不利影響因素較少時(shí)，人員疏散行為的主動(dòng)性和理智性有了明顯提高，有利于地鐵站火災(zāi)時(shí)應(yīng)急疏散和救援工作的有效開(kāi)展.

4　結(jié)論

本文以西安地鐵二號(hào)線的鐘樓站為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出非換乘仿真地鐵站Q站，進(jìn)而在系統(tǒng)考慮各類影響因素的基礎(chǔ)上，提出了綜合因子η的概念，并對(duì)兩種相反條件下Q站火災(zāi)應(yīng)急疏散過(guò)程進(jìn)行仿真研究.仿真結(jié)果表明，利用綜合因子η描述出不同條件下影響地鐵站火災(zāi)應(yīng)急疏散過(guò)程的各類因素，能夠直觀反應(yīng)出不同的影響結(jié)果，并且能夠考慮的影響因素越多，仿真疏散結(jié)果越具可靠性，從而可以找出瓶頸因素，制定有針對(duì)性的措施，對(duì)地鐵站的防火建筑設(shè)計(jì)以及火災(zāi)時(shí)的人員應(yīng)急疏散管理具有一定參考價(jià)值.如何合理定義η，從而盡可能全面地將各類影響因素體現(xiàn)在疏散速度上，是需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題.

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[責(zé)任編輯：韋 韜]

Research on Subway Station Fire Emergency Evacuation Simulation Based on Multi-stress

CHENG Lin-na
(School of Railway Tracks and Transportation,Wuyi University,Jiangmen 529020,China)

The influencing factors in a subway station fire emergency evacuation process are discussed from both subjective and objective perspectives and the concept of multi-stress η is advanced to reflect quantificationally as many influencing factors as possible in the speed of the evacuation; and finally,a simulation study of subway station fire emergency evacuation is made by simulating the subway environment including the building structure and personnel characteristics using the Pathfinder simulation software.The results show that the more influencing factors are taken into consideration,the closer is the simulation to the actual situation of the evacuation process and the more reliable are the simulation results.

subway station fires; emergency evacuation; multi-stress; Pathfinder simulation

U291.6

A

1006-7302（2016）01-0034-07

2015-11-02

江門(mén)市科技計(jì)劃項(xiàng)目（20150030003955）

成琳娜（1988—），女，甘肅金昌人，助教，碩士，主要研究方向?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸規(guī)劃與管理.