潘科，修順延

(大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

突發(fā)環(huán)境下地鐵大客流疏散數(shù)值模擬

潘科，修順延

(大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

以大連地鐵某換乘站為研究背景，對(duì)地鐵站在發(fā)生火災(zāi)等緊急事件人群的疏散情況進(jìn)行了分析.通過(guò)對(duì)調(diào)查統(tǒng)計(jì)人群的數(shù)量、年齡、性別等參數(shù)，應(yīng)用pathfinder軟件，建立地鐵換乘車(chē)站人員疏散模型，并對(duì)該站在不同情況下發(fā)生緊急事件的人群疏散進(jìn)行了研究.通過(guò)疏散模型，模擬不同情況下全部人員疏散至安全區(qū)域的時(shí)間，獲取疏散過(guò)程中不同時(shí)刻的人員分布規(guī)律，找到疏散過(guò)程中不利于人群疏散的“關(guān)卡”.文章結(jié)論可為國(guó)內(nèi)外地鐵換乘通道設(shè)計(jì)、緊急情況下的人群疏散組織及應(yīng)急管理等方面提供一定的指導(dǎo)意義.

地鐵換乘站；人群疏散；微觀仿真；疏散模型

0 引言

地鐵為人流密集的公眾聚集場(chǎng)所，在運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，有限的地下空間內(nèi)承載著大規(guī)模的人群.以北京地鐵為例，隨著網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)格局的形成，日客流量已達(dá)到600萬(wàn)人次，而運(yùn)營(yíng)不久的沈陽(yáng)地鐵的日客流量也已達(dá)到近100萬(wàn)人次.面對(duì)如此大規(guī)模的客流，地鐵大客流疏運(yùn)安全面臨著很大的挑戰(zhàn).當(dāng)在地鐵站臺(tái)、站廳及換乘通道內(nèi)發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，如果不能及時(shí)疏導(dǎo)，極容易產(chǎn)生踩踏事故，如2008年3月4日，北京地鐵5號(hào)線東單站換乘通道內(nèi)設(shè)備故障引起恐慌，由于乘客過(guò)度擁擠發(fā)生踩踏事件，造成10名乘客受傷.地鐵事故風(fēng)險(xiǎn)及突發(fā)事件下的應(yīng)急疏散及管理一直是地鐵運(yùn)營(yíng)安全研究的熱點(diǎn).K. Fridolf[1]根據(jù)地鐵事故案例，得出降低地鐵火災(zāi)后果的最重要手段是完善地鐵消防設(shè)計(jì).Manabu Tsukahara[2]進(jìn)行了地鐵火災(zāi)中人員疏散方向的研究.其認(rèn)為在地鐵站臺(tái)層向下擴(kuò)建一層為火災(zāi)疏散層，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)改變傳統(tǒng)的上行疏散的模式，改為向下疏散人群，再?gòu)氖枭又苯影惭b逃生樓梯將人群疏散至地面，可以有效提高逃生效率.Aysu sagun等[3]針對(duì)疏散能力較低的樓梯進(jìn)行疏散組織優(yōu)化，適當(dāng)拓寬樓梯和出口寬度，可以有效緩解疏散中的擁堵情況，還能緩解心理的恐慌，避免或減輕人員傷亡事故.Enrico Ronchi[4]對(duì)緊急情況下，人群從樓梯疏散所需時(shí)間與人體疲勞度、人的心理變化之間的關(guān)系.楊培忠等[5]利用FDS和Evacuation軟件研究了火災(zāi)對(duì)換乘地鐵站的影響，認(rèn)為火災(zāi)迫使人員改變疏散路徑，乘客選擇相對(duì)安全的逃生出口，而不是選擇最短的逃生路徑.史聰靈等[6]對(duì)大型體育場(chǎng)館連接的車(chē)站在大型活動(dòng)期間面對(duì)突發(fā)大客流疏導(dǎo)問(wèn)題，利用行人仿真動(dòng)力學(xué)的方法，建立地鐵車(chē)站疏運(yùn)模型.王春雪等[7]研究了地鐵應(yīng)急疏散情況下人員恐慌程度，建立地鐵應(yīng)急疏散恐慌程度模型.結(jié)果表明，地鐵應(yīng)急疏散恐慌程度受年齡、攜帶行李情況、接受安全教育程度、相關(guān)事故災(zāi)害經(jīng)歷等人員個(gè)體因素，以及人員密度、疏散環(huán)境復(fù)雜程度、事故災(zāi)害發(fā)生位置等環(huán)境因素影響.

因此，本文以大連地鐵某換乘站為研究背景，通過(guò)對(duì)調(diào)查統(tǒng)計(jì)該換乘車(chē)站人群的數(shù)量、年齡、性別等參數(shù)，應(yīng)用pathfinder軟件，建立疏散模型，并對(duì)該站在不同情況下發(fā)生緊急事件的人群疏散進(jìn)行研究.通過(guò)疏散模型，模擬不同情況下全部人員疏散至安全區(qū)域的時(shí)間，獲取疏散過(guò)程中不同時(shí)刻的人員分布規(guī)律，找到疏散過(guò)程中不利于人群疏散的“關(guān)卡”.這些結(jié)果對(duì)于地鐵站換乘站的疏散設(shè)計(jì)，緊急情況下的人群疏散組織及應(yīng)急管理等方面具有一定的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值.

1 地鐵人員疏散的基本理論及模型建立

1.1 地鐵人員疏散的基本理論

緊急情況下，保證人群能從地鐵站中安全疏散的前提是可以短時(shí)間內(nèi)將人群疏散至安全區(qū)域.根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50157-2013)中第28.2.11條的規(guī)定：車(chē)站站臺(tái)的公共區(qū)域、自動(dòng)扶梯、出口樓梯和疏散通道的寬度，應(yīng)保證在遠(yuǎn)期高峰小時(shí)客流量在發(fā)生緊急情況下，6 min內(nèi)將一列車(chē)乘客和站臺(tái)上候車(chē)的乘客及工作人員全部撤離站臺(tái).提升高度不超過(guò)三層的車(chē)站，乘客從站臺(tái)層疏散至站廳公共區(qū)域或其他安全區(qū)域的時(shí)間按式(1)計(jì)算.

(1)

式中：Q1為遠(yuǎn)期或客流控制期中超高峰小時(shí)一列進(jìn)站列車(chē)的最大客流斷面流量(人)；Q2為遠(yuǎn)期或客流控制期中超高峰小時(shí)站臺(tái)上的最大候車(chē)乘客(人)；A1為一臺(tái)自動(dòng)扶梯的通過(guò)能力(人/min·m)；A2為疏散樓梯的通過(guò)能力(人/min·m)；B為疏散樓梯的總寬度，每組寬度按照0.55的整數(shù)倍計(jì)算.T的單位為min ；N為自動(dòng)扶梯數(shù)量(臺(tái))；1為人員的反應(yīng)時(shí)間；N-1為考慮一臺(tái)自動(dòng)扶梯損壞不能使用的概率；0.9 為自動(dòng)扶梯和樓梯的通過(guò)能力按設(shè)計(jì)的90%計(jì)算.

式(1)的計(jì)算方法著重考慮了自動(dòng)扶梯和樓梯在疏散中對(duì)疏散時(shí)間的影響，但忽略了人在站臺(tái)上行走所用的時(shí)間以及閘機(jī)等對(duì)疏散的影響.

1.2 地鐵人員疏散模型的建立

由于換乘車(chē)站具有換乘、客流量大等特點(diǎn)，本文選擇大連地鐵某換乘站作為研究對(duì)象.該站有地下三層結(jié)構(gòu)，最下層為地鐵2號(hào)線站臺(tái)，中間一層為1號(hào)線站臺(tái)，最上層為站廳，并設(shè)有售票處，調(diào)度室，辦公室等設(shè)施.其中地下二層和三層長(zhǎng)度為115 m，有效候車(chē)站臺(tái)寬度為13.3 m，層高約為5 m，一層站廳長(zhǎng)度為130 m，寬度為21.3 m.2號(hào)線站臺(tái)有兩個(gè)供換乘使用的樓梯，和兩個(gè)直接通向站廳的樓梯，1號(hào)線站臺(tái)設(shè)有兩個(gè)直接通向站廳的樓梯，另外，該站共設(shè)有A，B，D 三個(gè)出站口.其具體布局如圖1～圖3所示.

圖1 站廳示意圖(地下一層)

圖2 1號(hào)線站臺(tái)示意圖(地下二層)

圖3 2號(hào)線站臺(tái)示意圖(地下三層)

1.3 模擬參數(shù)的確定

考慮到人群數(shù)量、性別、年齡等因素對(duì)于疏散的影響，本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研確定該類(lèi)參數(shù).模擬列車(chē)進(jìn)站時(shí)的人群疏散，需要考慮到車(chē)內(nèi)人數(shù)，大連地鐵所采用的列車(chē)為B2式列車(chē)，總長(zhǎng)度為120m，供乘客使用長(zhǎng)度約為104 m，寬度為2.8 m，車(chē)廂總面積為291.2 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，大連地鐵二號(hào)線高峰期時(shí)上行列車(chē)車(chē)廂內(nèi)的最大人數(shù)約為1100 人，下行列車(chē)車(chē)廂內(nèi)的最大人數(shù)約為800人，均出現(xiàn)在周一的上午7∶00～8∶00時(shí)，所以車(chē)廂乘客密度取為3.2.各年齡段人群人數(shù)比例大致為：10歲以下占2%，10～30歲占55%，30～60歲占38%，60歲以上占5%.男性乘客占43.4%，女性乘客占56.6%.

2 疏散模擬過(guò)程

2.1 高峰期人群疏散模擬(無(wú)列車(chē)進(jìn)站)

經(jīng)分析調(diào)研所得的人群年齡段及性別構(gòu)成數(shù)據(jù)可得，西安路地鐵站人群高峰期無(wú)列車(chē)進(jìn)站時(shí)，地鐵一、二號(hào)線的候車(chē)總?cè)藬?shù)約為900人，站廳層流動(dòng)人數(shù)約為60人，站內(nèi)工作人員為40人，即模擬中需要的疏散的總?cè)藬?shù)約為1 000人.Pathfinder模擬無(wú)列車(chē)進(jìn)站時(shí)的人群疏散結(jié)果，如圖4所示.

(a) 程序運(yùn)行時(shí)間及總疏散時(shí)間

(b) 最后一人到達(dá)站廳示意圖

(c) 最后一人離開(kāi)站廳示意圖

(d) 站內(nèi)人數(shù)與出站人數(shù)變化規(guī)律圖

由上述模擬結(jié)果圖可以得出：當(dāng)無(wú)列車(chē)進(jìn)站時(shí)，若高峰期時(shí)站臺(tái)發(fā)生緊急情況，站臺(tái)中的候乘人員可在169 s內(nèi)全部撤離至站廳層的安全區(qū)域.考慮到危急情況下，人們的緊張心理和反應(yīng)時(shí)間，額外加60 s為人群反應(yīng)時(shí)間，所以總時(shí)間為229 s，小于《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的值.所以，該站能夠滿足此種情況下的人群及時(shí)疏散.若遇到某些極度危險(xiǎn)的情況，如地震、火災(zāi)等，人員需要疏散至地面才能脫離危險(xiǎn).從上圖中可得到，所有人員從地鐵站逃離的時(shí)間為253.3 s，加上人群反應(yīng)時(shí)間60 s，總計(jì)313.3 s，同樣滿足疏散要求.

2.2 高峰期人群疏散模擬(一輛列車(chē)進(jìn)站)

地鐵一號(hào)線位于地鐵站的中間層，當(dāng)發(fā)生意外時(shí)，需要將該層人員及2號(hào)線所有人員疏散至站廳層或地面.將車(chē)內(nèi)人數(shù)按照統(tǒng)計(jì)的人群構(gòu)成比例，設(shè)置于車(chē)廂內(nèi).Pathfinder模擬1號(hào)線有一輛列車(chē)進(jìn)站時(shí)的人群疏散結(jié)果，如圖5所示.

(a) 程序運(yùn)行時(shí)間及總疏散時(shí)間

(b) 模擬疏散過(guò)程中人群示意圖

(c) 站內(nèi)人數(shù)與出站人數(shù)變化規(guī)律圖

圖5 1號(hào)線有一輛列車(chē)進(jìn)站時(shí)Pathfinder模擬下 的人群疏散結(jié)果

由上述模擬結(jié)果圖可知，在360s時(shí)，地鐵站中人群并未疏散完畢，當(dāng)1號(hào)線有一輛列車(chē)進(jìn)站，此時(shí)若發(fā)生緊急情況，無(wú)法滿足360s內(nèi)將站內(nèi)全部人員疏散至安全區(qū)域的要求.

2.3 高峰期人群疏散模擬(兩輛列車(chē)同時(shí)進(jìn)站)

在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研中可以發(fā)現(xiàn)，高峰期會(huì)出現(xiàn)同層站臺(tái)兩側(cè)相向的列車(chē)幾乎同時(shí)到達(dá)的情況，Pathfinder模擬2號(hào)線兩輛列車(chē)同時(shí)進(jìn)站的人群疏散結(jié)果，如6所示.

(a) 程序運(yùn)行時(shí)間及疏散總時(shí)間

(b) 模擬疏散過(guò)程中人群示意圖

(c) 站內(nèi)人數(shù)與出站人數(shù)變化規(guī)律圖

圖6 2號(hào)線有兩輛列車(chē)進(jìn)站時(shí)Pathfinder模擬 下的人群疏散結(jié)果

由上述模擬結(jié)果圖可知，當(dāng)人群疏散進(jìn)行到360 s時(shí)，仍有部分人員未到達(dá)地下二層以上的安全位置，站內(nèi)仍有大量人員，所以，當(dāng)2號(hào)線有兩輛列車(chē)同時(shí)到站時(shí)，不管是將地下二層以上視為安全區(qū)域或者車(chē)站外作為安全區(qū)域，在360 s內(nèi)，均不能使所有人員疏散至安全區(qū)域.

3 疏散模擬結(jié)果分析及建議

(1)完善災(zāi)害探測(cè)、應(yīng)急電話系統(tǒng)和報(bào)警控制系統(tǒng)

縮短人群的反應(yīng)時(shí)間和行動(dòng)時(shí)間可以有效提高人員的疏散效率.在發(fā)生緊急情況時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)工作人員比乘客要更熟悉站內(nèi)情況，因此，要在第一時(shí)間內(nèi)采用有效的措施向乘客、指揮中心傳達(dá)危險(xiǎn)情況，指揮中心接到匯報(bào)后，要及時(shí)采取措施，如：關(guān)閉下行電梯，開(kāi)啟所有閘機(jī)等，為群疏散創(chuàng)造最佳條件.

(2)提高工作人員及乘客的安全意識(shí)與自救能力

現(xiàn)場(chǎng)工作人員必須具備一定的消防安全知識(shí)，要定期對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行培訓(xùn)教育和實(shí)戰(zhàn)演練.確保員工在任何一個(gè)位置都能熟知疏散線路，正確引導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)群眾疏散.加大地鐵安全宣傳，如在站內(nèi)張貼安全標(biāo)語(yǔ)，在列車(chē)內(nèi)播放應(yīng)急疏散視頻，提高乘客自身的安全意識(shí)與自救能力.通過(guò)有效的人員疏導(dǎo)和人員培訓(xùn)，可以有效提高人員疏散時(shí)的步行速度.

(3)制定合理的列車(chē)調(diào)度時(shí)間，控制站內(nèi)人數(shù)站內(nèi)人群密度過(guò)大，是導(dǎo)致疏散無(wú)法按時(shí)完成的重要原因.因此，為避免站內(nèi)人數(shù)過(guò)多，就要避免有多輛列車(chē)同時(shí)進(jìn)站的情況，保證同一時(shí)間內(nèi)，只有一輛列車(chē)進(jìn)入站內(nèi)，從而減少緊急情況發(fā)生時(shí)需要疏散人員的基數(shù).當(dāng)遇到特殊情況，如大連國(guó)際馬拉松比賽日當(dāng)天，地鐵的人流量為平時(shí)的10倍，在這種情況下，應(yīng)控制進(jìn)入站臺(tái)候車(chē)的人數(shù)數(shù)量，保證人群密度低于0.56 m2.

(4)保證疏散過(guò)程中“瓶頸”位置的通暢

模擬中可以得到，在疏散過(guò)程中，屏蔽門(mén)、樓梯口、閘機(jī)為疏散過(guò)程中的關(guān)鍵位置，為提高疏散效率，這些位置應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注.首先，在日常情況下，應(yīng)保證這些位置無(wú)人群逗留，以免危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)造成疏散不便，其次可以適當(dāng)增加閘機(jī)的寬度來(lái)提高人員的疏散效率.屏蔽門(mén)處的候車(chē)人員，應(yīng)有序的站在車(chē)門(mén)位置的兩側(cè)，避免緊急情況發(fā)生時(shí)，影響車(chē)內(nèi)乘客的疏散.緊急情況發(fā)生時(shí)，要保證上述設(shè)備的正常使用，并安排工作人員在對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行疏導(dǎo)，安撫人群慌張心理，組織人群快速高效的撤離.

當(dāng)提高閘機(jī)口的寬度0.2 m及提高人群步行速度0.2 m/s后，Pathfinder對(duì)1號(hào)線有一輛列車(chē)進(jìn)站的模擬可以將疏散時(shí)間由原來(lái)的528 s減少到423 s，其效率提高了20%.

4 結(jié)論

(1)應(yīng)用pathfinder軟件模擬了不同條件下的人群疏散情況.通過(guò)模擬仿真，可以得到人群的疏散時(shí)間與疏散人數(shù)之間的關(guān)系，而且可以直觀的對(duì)整個(gè)疏散過(guò)程和人群的分布動(dòng)態(tài)進(jìn)行觀察，及時(shí)找出疏散過(guò)程中的“瓶頸位置”，如：樓梯，閘機(jī)和屏蔽門(mén)，按300 s的總疏散時(shí)間為例，疏散個(gè)體在站臺(tái)及站廳中的行動(dòng)時(shí)間僅為總時(shí)間的1/3，而在“瓶頸位置”滯留時(shí)間則超過(guò)總時(shí)間的1/2；

(2)通過(guò)模擬得到在不同情況下人群的疏散時(shí)間分別為：無(wú)列車(chē)進(jìn)站時(shí)，站臺(tái)上全部乘客疏散至站廳安全區(qū)域的時(shí)間為229 s，疏散至站外的時(shí)間為313.5 s，均滿足規(guī)定的安全疏散時(shí)間360 s的要求.1號(hào)線有一輛列車(chē)進(jìn)站時(shí)，人群疏散至安全區(qū)域需要528s，不滿足規(guī)定的要求，2號(hào)線有兩輛列車(chē)同時(shí)進(jìn)站時(shí)，人群疏散至安全區(qū)域需要662 s，均超出了規(guī)定的安全疏散時(shí)間；

(3)提出了突發(fā)環(huán)境下地鐵大客流人群管理的有關(guān)對(duì)策，如改進(jìn)閘機(jī)口的寬度、有效的人群管理和應(yīng)急疏導(dǎo)等措施可以有效的減少疏散時(shí)間，提高疏散效率，當(dāng)提高閘機(jī)口的寬度0.2 m和人群步行速度0.2 m/s,，疏散時(shí)間減少了105 s，效率提高了20%.

[1]FRIDOLF K. Fire Evacuation in Underground Transportation systems: A Review of Accidents and Empirical Research[J].Fire Technology, 2013, 49 (2): 451-475.

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[6]史聰靈，鐘茂華.與體育場(chǎng)館連接地鐵車(chē)站大客流疏運(yùn)能力計(jì)算模擬分析[J]. 中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，21(3):34- 41.

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表貼式永磁同步電機(jī)鐵耗計(jì)算仿真分析

馬思群1，袁冰1，辛志峰2,孫彥彬1

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 2.天津電力機(jī)車(chē)有限公司，天津 300452)

摘 要：基于FLUX對(duì)某型號(hào)表貼式永磁同步電機(jī)鐵耗進(jìn)行仿真分析研究，根據(jù)電機(jī)的傳統(tǒng)鐵耗Bertottti計(jì)算模型，得出電機(jī)不同磁密的定子鐵心損耗；在考慮旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)影響的條件下，首先利用有限元法改進(jìn)計(jì)算模型，通過(guò)對(duì)定子鐵心仿真分析，得到不同區(qū)域特征點(diǎn)磁場(chǎng)分布情況及磁密變化曲線；然后將徑向和切向磁密分量疊加得到損耗，計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)模型進(jìn)行對(duì)比，鐵耗增加比例為19.325%，與最新研究文獻(xiàn)的研究結(jié)果相符.

Numerical Simulation of Large Metro Passenger Evacuation under Emergency Environmental

PAN Ke, XIU Shunyan

(School of Civil & Safety Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028, China)

The evacuation situation of metro station in fire and other emergency situations is analyzed based on the research background of certain transfer station in Dalian metro. Through the survey of the number, age, gender and other parameters, the evacuation models are established. The models consider the different cases of emergency evacuation of the crowd with the application of Pathfinder software. The time of all evacuation to a safe area and evacuation at different times in the process of personnel distribution are obtained. That evacuation process is not conducive to the crowd evacuation "level" is found through the evacuation model and simulation under different circumstances. The conclusions of the study can be used as a reference for similar metro systems. These results also can be used as a reference for formulation of emergency crowd, evacuation organization, related emergency management and other aspects.

metro transfer station; crowd evacuation; microscopic simulation; evacuation model

1673- 9590(2017)04- 0142- 05

2016-07-01

遼寧省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(L2015096)

潘科(1980-)，男，講師，博士研究生，主要從事系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)及評(píng)價(jià)相關(guān)的研究E- mail:parker_9@126.com.

A