錢振偉，錢大琳，張輝

(北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044)*

城市軌道交通車站客流應(yīng)急疏散時(shí)間影響要素分析

錢振偉，錢大琳，張輝

(北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044)*

通過對(duì)北京地鐵四惠站的現(xiàn)場(chǎng)以及客流調(diào)研，同時(shí)利用anylogic仿真平臺(tái)的搭建對(duì)于地鐵乘客應(yīng)急疏散行為以及地鐵車站的空間建筑形式對(duì)疏散時(shí)間的影響進(jìn)行分析，總結(jié)疏散時(shí)間主要影響因素并對(duì)調(diào)研車站的疏散方案進(jìn)行優(yōu)化.

城市軌道交通；疏散時(shí)間；anylogic；影響因素

0 引言

我國地鐵車站站臺(tái)層的事故疏散時(shí)間一直采用的是《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中的公式計(jì)算方法.近年來，人群疏散分析已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)獨(dú)立的研究方向，成為國際上安全研究的新熱點(diǎn)，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與人員疏散模擬相結(jié)合，成為火災(zāi)疏散設(shè)計(jì)安全性的有效手段[2].

anylogic的行人庫(Pedestrian Library)是一個(gè)用于仿真“真實(shí)”環(huán)境中的行人流的高級(jí)庫[3].行人庫允許你創(chuàng)建行人建筑(如地鐵站，安檢通道等)或街道(其中具有大量行人).行人庫底層采用社會(huì)力模型算法，精確的模擬了人的心理對(duì)行動(dòng)的影響.除了算法上的優(yōu)勢(shì)以外，還有強(qiáng)大的物理環(huán)境的模擬功能，不管是電梯，樓梯，各種設(shè)備，甚至是電動(dòng)門等等.這對(duì)于影響疏散時(shí)間的主要因素分析及多種場(chǎng)景模擬起到了一定的可行性和便捷性.

1 基于anylogic的地鐵乘客應(yīng)急疏散行為分析

每個(gè)乘客在不同設(shè)施、不同時(shí)刻選擇的走行速度是不同的.但在城市軌道交通車站這類人口密度大的公共場(chǎng)所中，由于乘客個(gè)體難以采取獨(dú)立行動(dòng)，其走行特征受周圍乘客影響較大[4]，因此可以忽略乘客個(gè)體的心理反應(yīng)等因素，只考慮乘客該時(shí)刻所處幾何位置和該位置在一定范圍內(nèi)的客流密度.

本文通過anylogic仿真模擬行人在通道走行的過程，收集不同密度下一定范圍內(nèi)行人的走行速度，來獲取速度與密度的定量關(guān)系.疏散過程中，乘客同向行走，通道內(nèi)基本不存在客流沖突現(xiàn)象，因此選取單向通道進(jìn)行客流仿真， 其中通道寬度為5 m，實(shí)驗(yàn)針對(duì)通道中行人進(jìn)行速度與密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì).

下面是實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)獲取：

設(shè)置客流到達(dá)率為1 000 人 /h，首先得到固定區(qū)域的客流密度隨時(shí)間的分布如圖1所示.

圖1 固定區(qū)域內(nèi)客流密度隨時(shí)間分布圖

可以看到最后密度穩(wěn)定在1.5～2 人/m2之間，并采集速度-密度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到三次關(guān)系如圖2.

圖2 速度與密度的關(guān)系

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)密度是隨流量增加的，故得到速度和流量的關(guān)系：在行人較少的時(shí)候，流量較小，此時(shí)由于可選的空間較大，行人容易達(dá)到較高的速度.隨著行人數(shù)量的不斷增加，流量雖然逐漸增加，但空間逐漸狹小，速度也逐漸減?。划?dāng)行人數(shù)量繼續(xù)增加時(shí)，行人可用空間開始?jí)嚎s，此時(shí)流量和速度都逐漸減小，直至完全擁堵狀態(tài)，行人的速度和流量均減小為零.

2 城軌車站應(yīng)急疏散時(shí)間影響因素

根據(jù)不同空間環(huán)境(站臺(tái)、通道、樓梯、電梯、出口等)及其不同的建筑布置形式進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，獲取不同方案對(duì)應(yīng)的疏散時(shí)間并進(jìn)行比較分析.其基本涵蓋了整個(gè)疏散過程，即站臺(tái)與樓梯寬度比、通道入口、通道以及出口[4].

2.1 站臺(tái)處樓梯與乘降區(qū)站臺(tái)剩余部分寬度比

如圖3所示，有樓梯的站臺(tái)其去除樓梯的剩余站臺(tái)寬度往往是制約客流的瓶頸之一，故合理選擇樓梯與剩余站臺(tái)寬度比以提高從站臺(tái)到樓梯的整體通過能力是影響疏散時(shí)間的主要因素之一.

下面是所設(shè)置的對(duì)比實(shí)驗(yàn)：

(1)所有站臺(tái)總寬設(shè)置為10 m；

(2)樓梯與剩余站臺(tái)寬度分別設(shè)為2 m和8m，3 m和7 m，4 m和6 m，5 m和5 m，6 m和4 m，7 m和3 m，8 m和2 m；

(3)疏散人數(shù)一定(1 000人)，分兩種情況進(jìn)行模擬：①各組客流到達(dá)率相同(即不管站臺(tái)剩余部分通過能力，以相同的到達(dá)率輸出上樓客流)，得到各組的疏散時(shí)間;②保證站臺(tái)不過分擁堵的情況下設(shè)置不同的客流到達(dá)率，得到各組的疏散時(shí)間.

仿真結(jié)果：

(1)設(shè)置客流到達(dá)率為8 000 人/h(較大)時(shí)，從各組疏散時(shí)間上來看，樓梯的通行能力是制約整個(gè)疏散過程的關(guān)鍵，撇開最后兩組出現(xiàn)極度擁堵的情況，此處得到當(dāng)樓梯與剩余站臺(tái)寬度為5 m和5 m以及6 m和4 m時(shí)，即樓梯和剩余站臺(tái)寬度比為1∶1和3∶2，疏散時(shí)間較短.

(2)根據(jù)各組剩余站臺(tái)寬度設(shè)置客流到達(dá)率：故剩余站臺(tái)寬度分別為8、7、6、5、4、3、2m時(shí)，客流到達(dá)率分別設(shè)為12 500、11 000、9 500、8 000、6 500、5 000、3 500 人/h.從疏散時(shí)間上依舊可以看出樓梯能力與站臺(tái)能力的不匹配導(dǎo)致對(duì)接的樓梯口客流疏散能力嚴(yán)重不足，并得出最佳樓梯與剩余站臺(tái)寬度比為3∶2，如圖3.

圖3 仿真示意圖和站臺(tái)聚集和疏散人數(shù)

2.2 通道入口形式

如圖4，從大廳或站臺(tái)進(jìn)入通道是一個(gè)空間突然縮小的過程，大量客流亦會(huì)在此處聚集，故通道入口布置形式也是影響疏散時(shí)間的主要因素之一.

圖4 仿真示意圖和入口聚集人數(shù)

此處對(duì)于如何設(shè)置入口形式以達(dá)到最大通過率為目的進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)：入口處寬度設(shè)為15m，通道寬度為5m，入口客流到達(dá)率為10 000 人/h，分別設(shè)置入口形式為直角型以及不同程度漏斗型進(jìn)行客流通過模擬，找出最佳通過形式及疏散時(shí)間.所有的客流從圖上都是自下而上的.入口形式中完全漏斗型(即入口截面寬度等于入口寬度)的疏散能力最大，客流滯留能力小，疏散時(shí)間短，如圖5.

圖5 仿真示意圖和入口聚集人數(shù)

2.3 通道設(shè)置形式

單一長直的通道反而會(huì)降低其通過能力，故將如何設(shè)計(jì)直道部分也作為影響疏散時(shí)間的主要因素之一.下面是單一直道設(shè)計(jì)方案，并通過模擬驗(yàn)證其通過能力：

單一長直的通道在客流稍大的情況下比較容易在局部聚集大量客流，造成局部客流擁堵滯留，并且擁堵會(huì)很快擴(kuò)散，形成大面積擁堵，對(duì)于疏散工作有很大的不利影響.故在此考慮到為長直通道進(jìn)行局部拓寬處理，這樣可以適當(dāng)容納局部聚集客流并使擁堵擴(kuò)散得到緩沖以及化解，具體看模擬結(jié)果.所有客流從圖上均為自西向東，設(shè)置初始通道寬度為5m，拓寬部分長6m，最大截面寬度為6m.

按各自通道的客流最大通過率分別設(shè)置初始通道的客流到達(dá)率為8 000 人/h和拓寬通道的客流到達(dá)率為9 000 人/h.初始通道聚集人數(shù)如圖6.客流通過流暢，無擁堵出現(xiàn)，通道利用率高.拓寬通道聚集人數(shù)如圖7.

圖6 初始通道(8 000/h)及通道人數(shù)

圖7 拓寬通道(9 000/h)及通道人數(shù)

客流通過流暢，無擁堵出現(xiàn)，通道利用率高.就疏散時(shí)間的角度來看，拓寬通道流暢地完成疏散使用的疏散時(shí)間更短.可以看出拓寬后的通道在通過人數(shù)以及疏散時(shí)間上的優(yōu)勢(shì)，雖然從拓寬通道人數(shù)時(shí)間分布圖上可以看出峰值處也會(huì)有短時(shí)間的擁堵，不過由于拓寬部分對(duì)于擁堵客流起到一個(gè)很好的緩沖稀釋作用，擁堵部分立馬又恢復(fù)了通暢，從圖上顯示為通道人數(shù)從峰值的回落，這樣維持了整個(gè)疏散過程的流暢進(jìn)行.

3 調(diào)研車站應(yīng)急疏散優(yōu)化

3.1 調(diào)研車站

四惠站是北京地鐵的車站，編號(hào)是124和BT01，為連接1號(hào)線與八通線的第一個(gè)換乘站.

選站理由：四惠作為北京地鐵客流量極高的一號(hào)線與八通線的換乘站點(diǎn)，對(duì)于此站的安全應(yīng)急研究具有很強(qiáng)的意義.并且地面站相對(duì)地下站在疏散難度上更有可控性，如火災(zāi)時(shí)的煙氣擴(kuò)散問題可以弱化考慮，減少了一些因研究跨度太大而難以解決的問題.

3.2 站臺(tái)疏散

通過以上對(duì)于各個(gè)影響因素的分析，將結(jié)合實(shí)際調(diào)研的車站的建筑形式，針對(duì)疏散過程的各個(gè)環(huán)節(jié)的建筑形式以及參數(shù)作適當(dāng)修改，設(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)急疏散優(yōu)化方案，獲得疏散時(shí)間，并與未優(yōu)化情況進(jìn)行對(duì)比：

疏散人數(shù)確定：疏散客流組成：兩列車乘客+站臺(tái)候車乘客.兩列車乘客數(shù)(人)不再單純的只取列車滿載人數(shù)(例如：B型車一列車滿載 1460 人)，而是取遠(yuǎn)期或客流控制期超高峰小時(shí)一列進(jìn)站列車客流斷面流量(人)，使得計(jì)算結(jié)果更為嚴(yán)謹(jǐn)，可信.站臺(tái)上等候乘客我們指的是發(fā)車間隔時(shí)間內(nèi)站臺(tái)上的等候乘客(其取值是高峰小時(shí)下進(jìn)站客流除以列車對(duì)數(shù)).

根據(jù)調(diào)查以北京地鐵一號(hào)線單節(jié)車廂200人計(jì)算，6節(jié)編組的車輛兩列總共有乘客2 400 人.根據(jù)調(diào)研高峰小時(shí)進(jìn)站乘客人數(shù)得到一號(hào)線站臺(tái)等候乘客數(shù)為4 500/h，以2min的發(fā)車間隔計(jì)算，單個(gè)發(fā)車間隔內(nèi)站臺(tái)等候人數(shù)為150 人.所以得到四惠站1號(hào)線疏散人數(shù)為2 550 人.

在現(xiàn)有條件下的站臺(tái)疏散仿真如圖8.設(shè)置客流到達(dá)率為3 600 人/h，即每個(gè)車門1s出1個(gè)人，每個(gè)出門的客流到達(dá)率以及疏散人數(shù)相同.圖8為疏散開始，乘客從車輛跑出跑向樓梯；疏散進(jìn)行中，車輛已經(jīng)清空，客流大量聚集在樓梯四周；以及站臺(tái)疏散快結(jié)束的狀態(tài)，由于設(shè)置初始以就近為原則，故西側(cè)第一對(duì)樓梯聚集的人數(shù)少于西側(cè)第二對(duì)樓梯，而西側(cè)第二對(duì)樓梯客流擁堵極其嚴(yán)重.

圖8 站臺(tái)疏散過程(優(yōu)化前)及站臺(tái)人數(shù)

最后得到站臺(tái)疏散時(shí)間為1 820s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于6min.故對(duì)于站臺(tái)進(jìn)行疏散優(yōu)化：

首先樓梯的設(shè)置就極不合理，平行設(shè)置兩個(gè)同向樓梯增加了乘客上行的選擇和猶豫時(shí)間，只會(huì)造成樓梯的擁堵與滯留情況，使流線變得混亂不堪.

另外列車車門沒有相對(duì)于樓梯均勻設(shè)置，由于一般人逃跑都是就近選擇的心理，這樣會(huì)造成各組樓梯疏散壓力不平衡，部分樓梯口擁堵極為嚴(yán)重.故對(duì)平行設(shè)置的同向樓梯進(jìn)行合并，其寬度根據(jù)之前對(duì)比實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果設(shè)置，即樓梯與剩余站臺(tái)寬度比為3∶2，得到合并后樓梯寬5.4m.并通過人群梳理將客流均勻分配至每一個(gè)樓梯.得到疏散優(yōu)化仿真結(jié)果,如圖9.圖9為疏散開始，乘客從車輛跑出跑向樓梯；疏散進(jìn)行中，經(jīng)客流有效疏導(dǎo)后，四個(gè)樓梯疏散壓力相近；最后四個(gè)樓梯幾乎同時(shí)疏散完畢.

圖9 站臺(tái)疏散過程(優(yōu)化后)及站臺(tái)人數(shù)

最后得到站臺(tái)疏散時(shí)間為470s，相較于之前未優(yōu)化方案有了很大的提升.其實(shí)從疏散的仿真截圖來看，在疏散過程中站臺(tái)的很大一部分面積幾乎沒有客流到達(dá)，故可以設(shè)想在空白區(qū)域繼續(xù)添加樓梯以吸引客流到達(dá)并且進(jìn)一步提高疏散效率，但由于此方案與站廳結(jié)構(gòu)無法結(jié)合所以不予操作，僅供假設(shè).

3.3 站廳疏散

有了站臺(tái)疏散的結(jié)果，接下來進(jìn)行站廳疏散.由于八通線站臺(tái)與1號(hào)線基本對(duì)稱，故假設(shè)八通線站臺(tái)疏散情況與1號(hào)線相同，按8 min的站臺(tái)疏散時(shí)間來計(jì)算，站廳層所有樓梯的客流到達(dá)率為4 800 人/h，按照優(yōu)化前平行同向樓梯的形式即各樓梯2 400/h.

現(xiàn)按照就近原則，即每個(gè)乘客選擇距離自己最近的出口疏散，進(jìn)行仿真，如圖10.

圖10 站廳疏散過程(優(yōu)化前)及站廳人數(shù)

可以看出東西兩側(cè)閘機(jī)內(nèi)客流聚集較多，并且樓梯口拐彎處也比較擁堵，另外樓梯上也較為擁堵，樓梯能力略顯不足.由于擁堵西側(cè)閘機(jī)口甚至出現(xiàn)了堵死的情況，這對(duì)于實(shí)際情況是相當(dāng)危險(xiǎn)的.經(jīng)過分析我認(rèn)為此處是由于站廳的常態(tài)疏散與站臺(tái)的優(yōu)化疏散不匹配所造成的，這里姑且再將樓梯的客流到達(dá)率降低為600 人/h.得到站廳聚集人數(shù)隨時(shí)間分布如圖10.雖然整個(gè)疏散較為流暢，聚集人數(shù)也始終保持在一個(gè)較低的水平，但疏散時(shí)間超過了2 000 s，實(shí)在過于緩慢，沒有任何實(shí)際意義.

下面進(jìn)行站廳疏散優(yōu)化：

同樣將平行同向樓梯進(jìn)行合并以增大能力并減少流線交叉.適當(dāng)改變流線，盡量使客流直線行走，避免出現(xiàn)90°～180°的拐彎，加開緊急疏散出口，適當(dāng)拆除護(hù)欄，平衡各出口以及閘機(jī)的疏散壓力.(此處加開的出口位于南側(cè)，與E口相對(duì)).此處對(duì)應(yīng)站臺(tái)優(yōu)化方案，設(shè)置各樓梯的客流到達(dá)率為4 800 人/h.如圖11.

圖11 站廳疏散過程(優(yōu)化后)及站廳人數(shù)

首先說明此處修改如圖箭頭所示，可以看出仍然有聚集擁堵.但擁堵點(diǎn)都不在出口、閘機(jī)等關(guān)鍵位置.最后得到站廳疏散時(shí)間為802 s，相比未優(yōu)化方案同樣有很大的提高.由于四惠站出口較多，且仿真過程中可以看見各出口基本沒有擁堵出現(xiàn)，所以此處對(duì)于出口形式以及進(jìn)入出口通道的入口形式就不作修改.由于站廳疏散時(shí)間在疏散優(yōu)化前后均大于站臺(tái)疏散時(shí)間，且從站臺(tái)到站廳的時(shí)間忽略不計(jì).根據(jù)不同疏散環(huán)節(jié)在時(shí)間上的重疊得出結(jié)論，疏散優(yōu)化前后此車站的疏散時(shí)間分別為2351 s和802s.

4 結(jié)論

本文針對(duì)城市軌道交通車站的應(yīng)急疏散問題進(jìn)行了研究，主要就疏散過程中各個(gè)主要環(huán)節(jié)所涉及的建筑形式進(jìn)行了深入詳細(xì)地探討，利用anylogic仿真軟件更加形象直觀地表現(xiàn)不同形式的疏散效果，以及整體疏散方案優(yōu)化后疏散時(shí)間的減短和疏散效果的改善，并且進(jìn)行了大量地鐵車站乘客交通行為數(shù)據(jù)的采集，以代替繁瑣費(fèi)時(shí)的人工采集記錄，得到了較為準(zhǔn)確的地鐵車站乘客行為的描述.同時(shí)對(duì)于典型車站的實(shí)地調(diào)研不僅是建立所有仿真模擬不可缺少的基礎(chǔ)，同時(shí)也是模擬結(jié)果評(píng)判的重要依據(jù).

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Analysis of Factors Impacting Passenger Emergency Evacuation Time in Urban Railway Station

QIAN Zhenwei，QIAN Dalin，ZHANG Hui

(School of Traffic and Transportation, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Based on Beijing Sihui Subway Station site and passenger investigation survey, evacuation the behaviors of subway passengers are analyzed and the constructional influence of subway station on emergency evacuation time via a simulation platform is built by anylogy to summarize the main factors and optimize the evacuation program of the surveyed station.

urban railway; evacuation time; anylogy; impact factors

1673- 9590(2017)02- 0006- 05

2016-05-10

錢振偉(1992-)，男，碩士研究生； 錢大琳(1963-)，女，教授，博士，主要從事系統(tǒng)工程的研究

A

E- mail:dlqian@bjtu.edu.cn .