李 艷，徐銀光，葉 新

（1.中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司科學(xué)技術(shù)研究院，四川成都 610031；2.西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川成都 610031）

1 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，行車(chē)擁堵、交通事故、環(huán)境污染等問(wèn)題給現(xiàn)有地面交通帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)。中低速磁浮交通技術(shù)是世界軌道交通的前沿技術(shù)。作為一種新型的城市中低運(yùn)量軌道交通運(yùn)輸工具，中低速磁浮交通正以其非接觸式運(yùn)行方式及其在安全、舒適、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、線路適應(yīng)性等方面的優(yōu)勢(shì)，引領(lǐng)著城市軌道交通的發(fā)展方向，受到越來(lái)越多城市的青睞[1]。

中低速磁浮系統(tǒng)利用相對(duì)設(shè)置的車(chē)載?U?型電磁鐵與軌道F型鋼軌，在勵(lì)磁電流的作用下產(chǎn)生相互電磁吸引力，以實(shí)現(xiàn)電磁懸浮支撐與導(dǎo)向。由于通常需要采用高架軌道型式[2-3]，因此為該系統(tǒng)的乘客緊急疏散和應(yīng)急救援方式設(shè)計(jì)帶來(lái)了全新挑戰(zhàn)。目前國(guó)內(nèi)已運(yùn)營(yíng)的高架軌道交通系統(tǒng)（如上海高速磁浮系統(tǒng)、重慶跨座式單軌系統(tǒng)、長(zhǎng)沙中低速磁浮示范線等）的疏散方式主要有橫向、垂向和縱向救援?3?種[4-5]。這些疏散方式都需要乘客首先從不安全狀態(tài)下的列車(chē)內(nèi)疏散離開(kāi)，因此如何使列車(chē)設(shè)計(jì)滿足乘客快速離開(kāi)的需求，對(duì)整個(gè)疏散過(guò)程至關(guān)重要。本文基于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有某型磁浮列車(chē)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，研究列車(chē)的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置對(duì)疏散能力的影響，為中低速、中速磁浮列車(chē)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2 磁浮列車(chē)疏散模型

2.1 Anylogic 疏散模型

本研究中乘客疏散仿真模型主要選用國(guó)際通用的?Anylogic?疏散模型[6-8]。Anylogic?是俄羅斯?XJ?Technologies?公司研發(fā)的復(fù)雜系統(tǒng)仿真軟件，是一款應(yīng)用廣泛，能夠?qū)﹄x散、連續(xù)和混合系統(tǒng)建模仿真的軟件。在中低速磁浮車(chē)輛的疏散仿真里，致力于模擬特定環(huán)境中的乘客疏散情況，而?Anylogic?的乘客庫(kù)（Pedestrian?Library）可以在建筑物（如車(chē)站、商場(chǎng)）或街道上建立乘客密集地，能較好地實(shí)現(xiàn)仿真要求。乘客庫(kù)提供了多種乘客仿真模塊，可方便快速地建立乘客仿真流程圖，并根據(jù)乘客庫(kù)建立的模型對(duì)疏散時(shí)間、乘客密度等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。乘客庫(kù)采用社會(huì)力模型算法，可精確模擬人物心理對(duì)行動(dòng)的影響。軟件提供模板式結(jié)構(gòu)，用戶可從模板庫(kù)已有模型中將所需對(duì)象拖拉到工作空間中，并對(duì)這些模型對(duì)象的屬性和相互間的關(guān)系進(jìn)行設(shè)置，建模過(guò)程直觀快捷。

Anylogic?仿真建模主要包括環(huán)境和行為兩部分內(nèi)容。仿真環(huán)境依據(jù)導(dǎo)入的仿真比例圖繪制，包括墻體（Walls）、等待區(qū)域（PedWait?Area）、服務(wù)區(qū)域（PedService?Area）等。乘客行為需要依據(jù)乘客在仿真環(huán)境中經(jīng)歷的先后順序，結(jié)合乘客庫(kù)模塊（如乘客源（PedSource）、乘客服務(wù)（PedService）、乘客移動(dòng)（PedGoto）、乘客消逝（PedSink））建立流程圖來(lái)實(shí)現(xiàn)。最后通過(guò)結(jié)構(gòu)模塊（PedConfiguration）和場(chǎng)地對(duì)象模塊（PedGround）將環(huán)境與行為聯(lián)系在一起，形成一個(gè)基本的乘客仿真環(huán)境。

2.2 磁浮列車(chē)模型

本研究的列車(chē)模型選用目前國(guó)內(nèi)較為常用的?3?編組中低速磁浮列車(chē)系統(tǒng)，各節(jié)車(chē)輛之間相互貫通，列車(chē)模型如圖1所示。每節(jié)車(chē)單側(cè)設(shè)置?2?個(gè)車(chē)門(mén)，車(chē)門(mén)開(kāi)度1??300??mm。車(chē)門(mén)從?1?號(hào)車(chē)開(kāi)始編號(hào)，依次為車(chē)門(mén)?1～6。

列車(chē)疏散場(chǎng)景是指列車(chē)在超員載客情況下，車(chē)內(nèi)突發(fā)緊急情況或列車(chē)出現(xiàn)故障，所有乘客均需從車(chē)內(nèi)離開(kāi)至車(chē)站、救援列車(chē)上或者沿線的疏散平臺(tái)上。疏散過(guò)程是指從疏散信息發(fā)出至最后一名乘客疏散出列車(chē)的整個(gè)過(guò)程。疏散時(shí)間是反映疏散能力的關(guān)鍵量化指標(biāo)，包括乘客在列車(chē)內(nèi)的預(yù)反應(yīng)時(shí)間、走行時(shí)間和等待時(shí)間?3?部分，仿真結(jié)果為這?3?部分內(nèi)容之和。

圖1 磁浮列車(chē)模型

2.3 疏散人員模型

本文參照國(guó)內(nèi)某型磁浮列車(chē)的實(shí)際載客情況確定了模型中的乘客數(shù)量（表1）。仿真模型中暫不考慮乘客性別、年齡差異，著重考慮乘客的疏散速度和肩寬。

表1 列車(chē)載客情況 人

我國(guó)成人的肩寬一般在?0.35～0.5??m?之間，考慮乘客身體厚度及其在客室內(nèi)的身體轉(zhuǎn)動(dòng)等因素，疏散模型中乘客所占空間按均勻分布設(shè)定，即設(shè)置乘客直徑參數(shù)為uniform（0.4，0.45）m。乘客行走速度亦服從均勻分布，初始速度設(shè)置為默認(rèn)值?uniform（0.3，0.7）m/s。當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，人行走的速度會(huì)加快，通常設(shè)為默認(rèn)值的?2?倍，即設(shè)置緊急情況下乘客的期望速度為?uniform（0.6，1.4）m/s。

3 列車(chē)疏散能力影響因素分析

通常，人員疏散方式、疏散路徑、疏散通道、可用疏散空間等都影響著列車(chē)疏散能力。對(duì)于中低速磁浮列車(chē)而言，客室內(nèi)座椅布局方式、疏散路徑、車(chē)門(mén)布局、車(chē)門(mén)開(kāi)度、全列貫通型式、可用車(chē)門(mén)數(shù)等都影響著單節(jié)車(chē)輛的疏散能力，進(jìn)而影響整列車(chē)的疏散能力。

3.1座椅布局方式

目前，國(guó)內(nèi)城市軌道交通列車(chē)的座椅布局主要有?2種，分別是縱列式布局（地鐵系統(tǒng)選用）和橫縱組合式布局（國(guó)內(nèi)某型磁浮列車(chē)選用），如圖?2?所示。文中針對(duì)中間車(chē)同一事故點(diǎn)工況，開(kāi)展了超員情況下不同座椅布局方式對(duì)列車(chē)疏散能力影響的仿真研究。

圖2 不同座椅布局的單節(jié)車(chē)廂平面圖

圖?2?中，①②表示中間車(chē)廂與其他車(chē)廂連接的貫通道，③④表示車(chē)廂客室門(mén)，⑤表示車(chē)廂中間行李架位置。

假設(shè)當(dāng)中間車(chē)左側(cè)發(fā)生緊急事件時(shí)（如火災(zāi)等），左側(cè)貫通道不能通行，乘客只能通過(guò)右側(cè)貫通道和2?個(gè)客室門(mén)離開(kāi)車(chē)廂。文中對(duì)每種工況進(jìn)行了?20?個(gè)數(shù)據(jù)采集，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖?3?所示。

圖3 不同座椅布局的疏散時(shí)間對(duì)比圖

對(duì)于中間車(chē)，橫縱組合式座椅布局車(chē)輛的平均疏散時(shí)間為?57.3??s，縱列式座椅布局車(chē)輛的平均疏散時(shí)間為61.55??s。可見(jiàn)，在可用疏散途徑相同且乘客數(shù)量相同的情況下，橫縱組合式座椅布局的車(chē)輛疏散速度更快。

對(duì)于橫縱組合式座椅布局車(chē)輛，因車(chē)輛中部過(guò)道較窄，乘客都集中站立在車(chē)廂兩端離車(chē)門(mén)較近的位置，當(dāng)發(fā)生意外情況時(shí)，乘客可快速疏散；對(duì)于縱列式座椅布局車(chē)輛，其車(chē)輛中部過(guò)道較寬，可站立較多乘客，但乘客離車(chē)門(mén)相對(duì)較遠(yuǎn)，且當(dāng)座椅乘客站起來(lái)行走時(shí)，易形成擁擠沖突，因此疏散時(shí)間比橫縱組合布局方式的疏散時(shí)間長(zhǎng)。

3.2 乘客數(shù)

基于國(guó)內(nèi)某型磁浮列車(chē)采用的橫縱組合式座椅布局，分析了不同載客量（定員和超員）情況下的疏散用時(shí)，結(jié)果如圖?4?所示。由圖可知，定員?107?人的情況下平均疏散時(shí)間為50??s，超員?157?人的情況下平均疏散時(shí)間為?57.3??s。在可用疏散途徑相同且座椅布局相同的情況下，乘客人數(shù)越少，擁擠沖突也越少，因此定員情況下的疏散速度更快。

圖4 不同載客量的疏散時(shí)間對(duì)比圖

3.3 客室門(mén)可用狀況

從疏散角度出發(fā)，當(dāng)緊急事件發(fā)生后，乘客可選擇的疏散路徑越多，疏散的效率會(huì)越高。客室門(mén)可使用的數(shù)量影響整體的有效疏散寬度，客室門(mén)的位置影響乘客的疏散路徑長(zhǎng)短。文中主要討論列車(chē)超員時(shí)，客室門(mén)不同可用狀況對(duì)疏散時(shí)間的影響。表2?為各工況下的客室門(mén)使用狀況及其疏散模擬結(jié)果。

表2 不同客室門(mén)可用狀況及其疏散模擬結(jié)果

（1）工況?1?定義為有?5?個(gè)客室門(mén)可供乘客疏散，即?1?個(gè)客室門(mén)處有火源，包括?2?種情況：頭車(chē)?1?個(gè)客室門(mén)有火源，中間車(chē)?1?個(gè)客室門(mén)有火源（圖?5）。

圖5 工況1火源位置示意圖

（2）工況?2?定義為有?4?個(gè)客室門(mén)可供乘客疏散，即?2?個(gè)客室門(mén)處有火源，包括?4?種情況：①一頭車(chē)?2?處火源；②中間車(chē)?2處火源；③頭車(chē)和中間車(chē)各?1?處火源；④兩頭車(chē)各1處火源（圖?6）。

（3）工況?3?定義為有?3?個(gè)客室門(mén)可供乘客疏散，即?3?個(gè)客室門(mén)處有火源，包括?3?種情況：①各節(jié)車(chē)廂分別有?1?處火源；②頭車(chē)?2?處火源，中間車(chē)?1?處火源；③頭車(chē)?1?處火源，中間車(chē)?2?處火源（圖?7）。

圖7 工況3火源位置示意圖

（4）工況?4?定義為有?2?個(gè)客室門(mén)可供乘客疏散，即?4?個(gè)客室門(mén)處有火源，包括?3?種情況：①一頭車(chē)和中間車(chē)各?2?處火源；②一頭車(chē)?2?處火源，另一頭車(chē)?1?處火源，中間車(chē)?1?處火源；③兩頭車(chē)各1?處火源，中間車(chē)?2?處火源（圖?8）。

（5）工況?5?定義為僅有1個(gè)客室門(mén)可供乘客疏散，包括?2?種情況：頭車(chē)有?1?個(gè)門(mén)可疏散，中間車(chē)有?1?個(gè)門(mén)可疏散（圖?9）。

根據(jù)表2?可知，伴隨可用客室門(mén)數(shù)量的減少，乘客可使用的總客室門(mén)有效寬度減小，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)客室門(mén)的總?cè)藬?shù)減少，且乘客在車(chē)門(mén)附近排隊(duì)等待的時(shí)間增加，從而導(dǎo)致總疏散時(shí)間增加。

進(jìn)一步分析表2?可知，在可用客室門(mén)數(shù)量相同而位置分布不同的工況下，疏散時(shí)間有一定差異。這主要取決于乘客在車(chē)內(nèi)從初始位置走行至可用車(chē)門(mén)的距離。乘客越靠近可用車(chē)門(mén)，越能快速疏散出列車(chē)，且對(duì)其他乘客的擁擠或排隊(duì)影響越小，整體疏散時(shí)間就越短。

圖8 工況4火源位置示意圖

圖9 工況5火源位置示意圖

3.4 客室門(mén)尺寸

當(dāng)可正常使用的客室門(mén)數(shù)量一定時(shí)，客室門(mén)尺寸即是影響疏散時(shí)間的關(guān)鍵，客室門(mén)開(kāi)度大小決定了乘客疏散的有效寬度。中低速磁浮系統(tǒng)的區(qū)間疏散主要依靠軌旁疏散平臺(tái)，相比于客室門(mén)尺寸，疏散平臺(tái)欄桿的型式和尺寸才是決定乘客在區(qū)間橫向疏散的關(guān)鍵，這也正是中低速磁浮系統(tǒng)疏散的特殊性所在。為了便于對(duì)區(qū)間橫向疏散的影響因素進(jìn)行分析，文中假定疏散平臺(tái)欄桿尺寸與客室門(mén)尺寸相當(dāng)，即當(dāng)客室車(chē)門(mén)打開(kāi)時(shí)，乘客可以直接通過(guò)欄桿通行至疏散平臺(tái)。

文中針對(duì)?1?個(gè)車(chē)門(mén)處出現(xiàn)緊急事件的情況，開(kāi)展了?5?種寬度尺寸對(duì)疏散時(shí)間的影響分析，分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同客室門(mén)尺寸對(duì)應(yīng)的平均疏散時(shí)間

由表3可知，當(dāng)客室門(mén)尺寸在?500??mm?以內(nèi)時(shí)，乘客會(huì)在客室門(mén)處擁堵形成疏散瓶頸，通行速度很慢。仿真中還出現(xiàn)乘客無(wú)法完全疏散，一直在車(chē)門(mén)處徘徊，導(dǎo)致疏散時(shí)間不收斂的情況（圖?10）。

圖10 乘客在客室門(mén)處無(wú)法完全疏散情況示意圖

客室門(mén)尺寸為?550??mm?時(shí)，乘客可正常進(jìn)行疏散，與最大尺寸1??300??mm?時(shí)的疏散時(shí)間相差?126.6??s。當(dāng)客室門(mén)尺寸為?650??mm，即為1?300??mm?的一半時(shí)，乘客疏散時(shí)間與尺寸為?1??300??mm時(shí)的疏散時(shí)間相差?19.45??s。因此，隨著客室門(mén)尺寸增大，乘客疏散時(shí)間減少；當(dāng)客室門(mén)尺寸增至?650??mm?及以上時(shí)，疏散時(shí)間的差距不明顯。

3.5 端門(mén)設(shè)置

在列車(chē)?2?個(gè)端部設(shè)置端門(mén)，當(dāng)緊急情況發(fā)生時(shí)，乘客可穿過(guò)司機(jī)室并通過(guò)端門(mén)疏散至救援列車(chē)或其他安全區(qū)域。文中根據(jù)不同的客室門(mén)可使用數(shù)量，比較有無(wú)端門(mén)情況下的疏散時(shí)間，其中司機(jī)室門(mén)和端門(mén)尺寸分別設(shè)定為?800??mm（既有結(jié)構(gòu)）和?650??mm（參考其他軌道交通方式），仿真結(jié)果如表4?所示。

表4 端門(mén)設(shè)置對(duì)疏散時(shí)間的影響

可見(jiàn)，隨著可用客室門(mén)數(shù)量的減少，無(wú)端門(mén)與有端門(mén)的平均疏散時(shí)間的差值逐漸增大（圖?11），列車(chē)端門(mén)的重要性越來(lái)越明顯。

圖11 有無(wú)端門(mén)平均疏散時(shí)間差值趨勢(shì)圖

3.6 司機(jī)室門(mén)尺寸

乘客在向端門(mén)疏散的過(guò)程中必須途經(jīng)司機(jī)室門(mén)，因此司機(jī)室門(mén)尺寸亦會(huì)影響通過(guò)能力，仿真結(jié)果如表5?所示。

可見(jiàn)，隨著可用客室門(mén)數(shù)量的減少，不同司機(jī)室門(mén)尺寸對(duì)應(yīng)的平均疏散時(shí)間的差值將逐漸增大（圖?12），即較大尺寸的司機(jī)室門(mén)更有利于快速疏散。

圖12 不同司機(jī)室門(mén)尺寸下平均疏散時(shí)間差值趨勢(shì)圖

表5 司機(jī)室門(mén)尺寸對(duì)疏散時(shí)間的影響

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)中低速磁浮列車(chē)的疏散能力進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)客室內(nèi)的座椅布局方式、乘客數(shù)量、客室門(mén)可用狀況、客室門(mén)尺寸、端門(mén)設(shè)置及司機(jī)室門(mén)尺寸等都是影響磁浮列車(chē)疏散能力的主要因素：

（1）橫縱組合式座椅布局車(chē)輛的疏散能力較縱列式座椅布局車(chē)輛更優(yōu)，且乘客數(shù)越多，此優(yōu)勢(shì)越明顯；

（2）在可用疏散途徑和座椅布局（橫縱組合式）相同的情況下，乘客人數(shù)越少，擁擠沖突越少，車(chē)輛疏散能力越好，乘客疏散速度越快；

（3）在座椅布局和乘客人數(shù)相同的情況下，疏散可用的客室門(mén)數(shù)越少，疏散時(shí)間越長(zhǎng)，且因客室門(mén)位置分布的不同，疏散時(shí)間有一定差異；

（4）當(dāng)疏散平臺(tái)欄桿可用于疏散的尺寸與客室門(mén)尺寸相當(dāng)、座椅布局和乘客人數(shù)相同的情況下，客室門(mén)尺寸越大，乘客疏散時(shí)間越少；且當(dāng)客室門(mén)尺寸增至650??mm?及以上時(shí)，疏散用時(shí)之間的差距將不斷縮短；

（5）當(dāng)可用疏散客室門(mén)數(shù)量不斷減少時(shí)，列車(chē)端門(mén)的重要性不容忽視，且司機(jī)室門(mén)尺寸越大，疏散能力越強(qiáng)。

從中低速磁浮列車(chē)疏散的角度出發(fā)，既有的橫縱組合式座椅布局、定員配備、客室門(mén)尺寸設(shè)置和司機(jī)室門(mén)尺寸設(shè)置是合理的。若要進(jìn)一步提高中低速磁浮列車(chē)的疏散能力，可考慮增設(shè)通行寬度不小于?650??mm?的列車(chē)端門(mén)并提高列車(chē)車(chē)門(mén)的可靠性，保證緊急情況下列車(chē)車(chē)門(mén)可用數(shù)達(dá)?85%?以上，即保證有?5?個(gè)可用客室門(mén)。為充分保證各種緊急情況下的列車(chē)疏散能力，車(chē)輛制造廠商還需進(jìn)一步借鑒地鐵等城市軌道交通方式的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和工程運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮各類(lèi)疏散結(jié)構(gòu)和措施，以確保中低速磁浮交通系統(tǒng)最優(yōu)的疏散能力。

[1]蔡文鋒，徐銀光，李艷.中低速磁浮交通發(fā)展與展望[C].綜合軌道交通工程建設(shè)與城市化協(xié)同發(fā)展學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，四川成都，2014.

[2]彭奇彪.中低速磁懸浮交通系統(tǒng)技術(shù)及工程應(yīng)用[J].機(jī)車(chē)電傳動(dòng)，2014（3）：6-9，43.

[3]李艷，蔡文鋒，顏華.中低速磁浮線F型鋼軌軌道接頭伸縮調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].城市軌道交通研究，2016，19（1）：118-122.

[4]師維，方從明，楊文學(xué).跨座式單軌交通乘客區(qū)間疏散救援方法[J].都市快軌交通，2008（1）：28-30.

[5]張強(qiáng)，王孔明，張茂帆，等.懸掛式單軌列車(chē)乘客區(qū)間緊急疏散方案研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2015（4）：44-47，52.

[6]劉興國(guó).城市軌道交通車(chē)站大客流疏散方法研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2016.

[7]胡明偉，史其信.行人交通仿真模型與相關(guān)軟件的對(duì)比分析[J].交通信息與安全，2009，27（4）：122-127.

[8]魏震.基于行為特征分析的行人疏散模式研究[D].廣東廣州：華南理工大學(xué)，2012.

[9]彭奇彪，羅華軍，佟來(lái)生，等.中低速磁浮車(chē)輛懸浮架的技術(shù)特征[J].電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛，2012，35（6）：7-11.

[10]馬衛(wèi)華.中低速磁懸浮列車(chē)動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算[R].四川成都：西南交通大學(xué)，2011.