史宇峰,吳高華,李 倩
(1.交科院檢測(cè)技術(shù)(北京)有限公司,北京 100013;2.交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院,北京 100029)
近年來(lái),城市軌道交通客流量不斷增加,在車站發(fā)生設(shè)備故障、火災(zāi)或恐怖襲擊等突發(fā)事件時(shí)高效組織乘客疏散,對(duì)保障運(yùn)營(yíng)安全具有重要意義。站臺(tái)區(qū)域人員聚集密度大,加之建筑結(jié)構(gòu)的特殊性,對(duì)運(yùn)營(yíng)管理提出了較高的要求,站臺(tái)區(qū)域的人員疏散成為城市軌道交通應(yīng)急保障研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。
建筑平面內(nèi)的疏散研究主要涉及3 種方法:直接計(jì)算、利用專業(yè)的仿真軟件模擬和自建模型進(jìn)行仿真分析?!兜罔F設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50157—2013)中給出了一種方法用于根據(jù)樓梯、自動(dòng)扶梯的設(shè)置計(jì)算將規(guī)定數(shù)量乘客疏散出站臺(tái)至安全區(qū)域的時(shí)間,并給出了限值[1]。該方法在宏觀上為地鐵車站內(nèi)部樓梯、扶梯的設(shè)置及車站疏散能力的評(píng)估提供了依據(jù),但在微觀層面未涉及乘客的行為模式研究,無(wú)法為運(yùn)營(yíng)管理人員的疏散組織工作提供參考。在利用專業(yè)仿真軟件模擬方面,錢振偉等人[2]通過(guò)Anylogic軟件建模分析了地鐵車站內(nèi)不同空間環(huán)境和布置形式對(duì)疏散時(shí)間的影響;孫金龍等人[3]建立了恐慌狀態(tài)下的地鐵疏散模型,并通過(guò)Anylogic 軟件驗(yàn)證了模型的實(shí)用性。仿真軟件包含多種可選模型并能實(shí)現(xiàn)過(guò)程的可視化,但在特定場(chǎng)景中應(yīng)用存在一定的限制,而針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景單獨(dú)建模分析具有模型參數(shù)定義方便、模型規(guī)則配置靈活、應(yīng)用高效等優(yōu)勢(shì)[4]。目前應(yīng)用較廣的建筑物疏散仿真模型包括社會(huì)力模型[5]、元胞自動(dòng)機(jī)模型(Cellular Automa?ta,CA)[6]、流體力學(xué)模型等[7],元胞自動(dòng)機(jī)模型因其簡(jiǎn)單而高效的特點(diǎn),成為各類離散模型的代表[8]。如:胥旋等人[9]提出了一種考慮人員繞行效應(yīng)的元胞自動(dòng)機(jī)疏散模型,并通過(guò)引入?yún)?shù)分析了出口附近的拱形聚集效應(yīng),但未涉及多個(gè)出口的疏散過(guò)程;陳海濤等人[10]建立了雙出口元胞自動(dòng)機(jī)模型并給出了出口的吸引區(qū)域劃分方法,但未考慮障礙物對(duì)疏散過(guò)程的影響;劉夢(mèng)婷等人[11]在所建疏散模型中提出了出口選擇方案,但沒(méi)有將疏散時(shí)人員對(duì)排隊(duì)時(shí)間和行走距離的抉擇納入考慮;毛占利等人[12]給出了一種用于緊急疏散的模型及算法,但未考慮管理行為對(duì)疏散過(guò)程造成的影響。
綜上,在已有研究中,直接計(jì)算疏散時(shí)間的方法無(wú)法模擬人員的微觀行為;仿真軟件采用配置好的模型庫(kù),難以靈活改變規(guī)則;由于城市軌道交通站臺(tái)具備多個(gè)出口、存在立柱等障礙物,已有的自建仿真模型難以模擬其復(fù)雜的運(yùn)行場(chǎng)景。另外,乘客在疏散過(guò)程中會(huì)權(quán)衡排隊(duì)時(shí)間與行走距離,并且疏散過(guò)程通常是在管理人員的介入下進(jìn)行的,故在仿真建模時(shí)應(yīng)考慮人員對(duì)環(huán)境的認(rèn)知及管理因素對(duì)疏散過(guò)程造成的影響?;诖耍疚闹荚诮⒁粋€(gè)契合城市軌道交通站臺(tái)建筑布局的CA 疏散模型,綜合考慮人員的認(rèn)知行為與管理因素,對(duì)站臺(tái)區(qū)域疏散進(jìn)行模擬分析,并通過(guò)對(duì)元胞演化規(guī)則的設(shè)置得出更加有序、高效的疏散策略,以期為運(yùn)營(yíng)管理人員的應(yīng)急疏散組織工作提供參考。
元胞自動(dòng)機(jī)是定義在有限個(gè)元胞組成的離散空間上,按照一定局部規(guī)則,在離散時(shí)間上進(jìn)行演化的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng),具有模擬復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)空演化過(guò)程的能力。元胞是組成元胞自動(dòng)機(jī)的基本單元,具有記憶狀態(tài)的功能,并可按照規(guī)則不斷更新?tīng)顟B(tài)。由于本文的研究對(duì)象為站臺(tái)區(qū)域的疏散過(guò)程,乘客采用樓梯、扶梯、電梯任意一種方式離開(kāi)站臺(tái)即認(rèn)為完成了疏散,因此采用二維元胞自動(dòng)機(jī)對(duì)站臺(tái)疏散過(guò)程進(jìn)行模擬。元胞可按照三角形、四方形或六邊形進(jìn)行網(wǎng)格排列,為了簡(jiǎn)單直觀地顯示乘客行為特征,本文采用四方形的排列方式。四方形元胞自動(dòng)機(jī)按照鄰居類型主要分為馮諾依曼型和摩爾型[13]兩種,如圖1 所示。城市軌道交通站臺(tái)應(yīng)急疏散過(guò)程中,在運(yùn)營(yíng)人員的管理以及乘客排隊(duì)意識(shí)的作用下,乘客的移動(dòng)方向選擇為前后左右,不大可能作出斜向的移動(dòng)選擇,因此選擇馮諾依曼CA 模型作為站臺(tái)的疏散模型。
圖1 馮諾依曼型和摩爾型CA模型
模型中元胞大小采用經(jīng)典疏散模型的設(shè)置,為0.4m×0.4m[14],元胞狀態(tài)設(shè)置為占用、空閑、障礙3 種,即方格內(nèi)有人、方格內(nèi)無(wú)人、方格處為障礙物。其中占用與空閑狀態(tài)可以相互演化,狀態(tài)為障礙的元胞保持不變。
建立CA 疏散仿真模型的關(guān)鍵在于研究疏散人員規(guī)避障礙物的路徑規(guī)劃方法、面對(duì)多個(gè)出口時(shí)的出口選擇方法,進(jìn)而制定每個(gè)時(shí)間步下的模型演化規(guī)則。
由于城市軌道交通站臺(tái)面積不大,乘客在任意位置都可知道出口位置和人員分布情況,因此求站臺(tái)疏散路徑屬于已知周圍環(huán)境下的路徑規(guī)劃問(wèn)題[15],采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法可搜索指定起點(diǎn)至終點(diǎn)的全部路徑。首先,為每個(gè)元胞設(shè)置1個(gè)路徑值,初始狀態(tài)下元胞路徑值的定義為:0 代表空閑元胞,1代表有人占用元胞,2代表障礙物元胞。每次開(kāi)始路徑規(guī)劃時(shí),將起點(diǎn)元胞的路徑值設(shè)為4,終點(diǎn)元胞的路徑值設(shè)為5,對(duì)地圖作如下變換:①將所有路徑值為1的元胞的路徑值設(shè)為0;②對(duì)于地圖中每個(gè)路徑值為0 的元胞,如果其存在路徑值大于等于5 的馮諾依曼鄰居,則其路徑值為其路徑值大于等于5 的馮諾依曼鄰居中最小的路徑值加1;③重復(fù)步驟②直至地圖中每個(gè)元胞的路徑值不再變化。圖2 所示為一個(gè)3×3 地圖的路徑規(guī)劃示例。
圖2 路徑規(guī)劃示例
圖2 中給出了左上角元胞到右下角元胞的路徑規(guī)劃示例,按照路徑值順序“4→8→7→6→5”得到3 條路徑,本文采用基于雙棧協(xié)同操作的非遞歸算法求起點(diǎn)至終點(diǎn)的所有路徑,如圖3所示。在步長(zhǎng)最短的路徑中隨機(jī)選擇一條作為起點(diǎn)到終點(diǎn)的最終路徑。
圖3 求全部路徑的算法
疏散人員選擇出口時(shí)會(huì)考慮兩個(gè)因素,一是自身與出口的距離,二是自身到出口路徑上的排隊(duì)人數(shù),因此本文考慮如下兩種出口選擇方案。
(1)方案一:僅考慮元胞至出口的距離。計(jì)算元胞至每個(gè)出口的歐式距離,距離最短的出口作為該元胞的目標(biāo)出口。
(2)方案二:綜合考慮距出口的距離和排隊(duì)人數(shù)。引入等效距離表征元胞至出口的距離,其計(jì)算公式為:
式(1)中:D為元胞至出口的等效距離;N1,N2分別為元胞至出口最優(yōu)路徑中狀態(tài)值為1,0 的元胞個(gè)數(shù);r為排隊(duì)權(quán)重系數(shù),且在閉區(qū)間[0,1]內(nèi)取值,表示行走距離與排隊(duì)時(shí)間兩因素的權(quán)重。計(jì)算元胞至每個(gè)出口的等效距離,等效距離最短的出口作為該元胞的目標(biāo)出口。
由于元胞自動(dòng)機(jī)是在時(shí)間上離散的模型,每一次演進(jìn)作為一步,因此使用時(shí)間步作為模型在時(shí)間維度上的度量。城市軌道交通站臺(tái)疏散是通過(guò)樓梯、扶梯、換乘通道等進(jìn)行的,疏散時(shí)自動(dòng)扶梯關(guān)閉電源當(dāng)作樓梯使用,乘客在站臺(tái)區(qū)域內(nèi)部的移動(dòng)速度與從樓梯上行離開(kāi)站臺(tái)的速度不同。在疏散過(guò)程中,乘客通過(guò)上行樓梯的速度小于在站臺(tái)內(nèi)行走的速度,假設(shè)其站臺(tái)內(nèi)行走速度為上樓梯速度的2 倍,則模型的演化時(shí)間步為:疏散區(qū)域內(nèi)的元胞每個(gè)時(shí)間步發(fā)生1 次演化;出口處的元胞每2 個(gè)時(shí)間步發(fā)生1 次演化,即離開(kāi)疏散區(qū)域。
根據(jù)城市軌道交通站臺(tái)實(shí)際疏散過(guò)程,確定站臺(tái)疏散CA模型的演化應(yīng)遵循以下規(guī)則:
(1)每次演化,疏散人員只能向周圍的4 個(gè)方向移動(dòng)或保持原位置不動(dòng);
(2)當(dāng)疏散最優(yōu)路徑方向有人時(shí),疏散人員保持原地不動(dòng),等待前方人員移動(dòng),即排隊(duì)等候;
(3)當(dāng)多人競(jìng)爭(zhēng)1 個(gè)空位置時(shí),隨機(jī)決定移動(dòng)權(quán)獲得者,其他人保持原地不動(dòng);
(4)位于出口處的人下一次演化離開(kāi)疏散區(qū)域,該位置變?yōu)榭臻e元胞,直到整個(gè)疏散區(qū)域內(nèi)沒(méi)人剩余,疏散結(jié)束。
建立一個(gè)由40×8 個(gè)元胞組成的站臺(tái),如圖4所示。突發(fā)事件發(fā)生后,通過(guò)站臺(tái)中央的樓梯和站臺(tái)邊緣的樓梯2 個(gè)出口(圖中的開(kāi)口處)疏散人員,2個(gè)出口的寬度均為2個(gè)元胞長(zhǎng)度。站臺(tái)中的樓梯占3×2 個(gè)元胞空間,站臺(tái)上下行方向等間距分布若干占據(jù)1 個(gè)元胞的立柱,表示為圖中藍(lán)色圓形元胞。
圖4 仿真站臺(tái)
在地圖的空閑位置均勻生成100 個(gè)狀態(tài)為占用的元胞模擬疏散初始狀態(tài)下站臺(tái)人員的位置分布,按照出口選擇方案一進(jìn)行疏散仿真,隨時(shí)間步的推移,站臺(tái)上剩余人員數(shù)量如圖5所示。
圖5 乘客初始分布均勻時(shí)采用出口選擇方案一的疏散過(guò)程
由于每個(gè)時(shí)間步疏散空間內(nèi)的元胞會(huì)發(fā)生1次演化,每2 個(gè)時(shí)間步所有出口并行向外疏散1次,所以剩余人數(shù)曲線呈階梯狀。初始有100人,出口共占4個(gè)元胞,每2個(gè)時(shí)間步疏散1次,所以理想狀態(tài)下將所有乘客疏散離開(kāi)站臺(tái)共需50個(gè)時(shí)間步。圖5 中,曲線擬合的結(jié)果大致為2 段斜率不同的直線,前段直線斜率的絕對(duì)值為2,說(shuō)明在這段時(shí)間內(nèi),2 個(gè)出口在每個(gè)時(shí)間步都在并行向外疏散乘客;后段直線斜率的絕對(duì)值變小,表示部分出口附近的乘客已經(jīng)疏散完,只有剩余的其他出口仍在向外疏散乘客。上述疏散過(guò)程的不同階段如圖6 所示,圖中黑色方形元胞代表站臺(tái)上的乘客。
圖6 乘客初始分布均勻時(shí)疏散的不同階段
圖6 中,圖6(a)為初始時(shí)刻的乘客分布,圖6(b)是3個(gè)時(shí)間步后的乘客分布,可以看出,每個(gè)乘客就近選擇出口排隊(duì),2 處出口均可并行向外疏散;圖6(c)為30 個(gè)時(shí)間步后的乘客分布,此時(shí)處于疏散過(guò)程中第一段直線后段;圖6(d)是50個(gè)時(shí)間步后的乘客分布,可以看出右側(cè)出口附近的乘客已經(jīng)疏散完畢,左側(cè)出口附近剩下少量乘客。60 個(gè)時(shí)間步后,站臺(tái)區(qū)域的乘客全部疏散完畢。
上述仿真中模擬了站臺(tái)區(qū)域乘客分布大致均勻情況下的疏散過(guò)程,而實(shí)際很多時(shí)候站臺(tái)區(qū)域的乘客分布并不均勻。為了直觀地模擬這種場(chǎng)景,在地圖一側(cè)生成50個(gè)狀態(tài)為占用的元胞用來(lái)模擬站臺(tái)乘客的初始分布,采用出口選擇方案一進(jìn)行疏散仿真,過(guò)程如圖7所示。
在圖7(a)中,疏散過(guò)程剩余人數(shù)擬合曲線是由斜率絕對(duì)值分別為1和0.5的兩段直線銜接而成的折線,由于乘客初始分布集中于站臺(tái)一側(cè),距左出口的歐氏距離小于距右出口的歐式距離,因此所有乘客選擇從左側(cè)出口疏散。左側(cè)出口由2 個(gè)元胞組成,每2 個(gè)時(shí)間步疏散2 個(gè)人,因此斜率的絕對(duì)值為1;后段因只有1 個(gè)出口進(jìn)行疏散,所以直線斜率的絕對(duì)值為0.5,圖7(b)~圖7(d)印證了這一過(guò)程。
圖7 乘客初始分布不均時(shí)采用出口選擇方案一的疏散過(guò)程和疏散階段
然而在實(shí)際情況下,排在后方的乘客一般會(huì)繞行到距離較遠(yuǎn)但排隊(duì)人數(shù)少的出口盡快離開(kāi),出口選擇方案一顯然不能模擬這一過(guò)程。出口選擇方案二引入了參數(shù)排隊(duì)權(quán)重系數(shù)r來(lái)模擬乘客這一行為,r值越大表示乘客認(rèn)為排隊(duì)時(shí)間越長(zhǎng),也即更傾向于選擇路程較遠(yuǎn)的出口。出口選擇方案二的疏散過(guò)程模擬結(jié)果如圖8 所示,排隊(duì)權(quán)重參數(shù)r設(shè)置為0.8。
圖8 乘客初始分布不均時(shí)采用出口選擇方案二的疏散過(guò)程和疏散階段
在圖8(a)中,疏散過(guò)程擬合曲線是由1 條斜率絕對(duì)值為1 的直線、1 條斜率絕對(duì)值為2 的直線和1 條斜率絕對(duì)值為1 的直線銜接而成的折線。從圖8(b)中可看出,一部分乘客選擇從沒(méi)人排隊(duì)但路程較遠(yuǎn)的右側(cè)出口進(jìn)行疏散。為比較排隊(duì)權(quán)重參數(shù)取不同值時(shí)的疏散情況,將r值分別設(shè)置為0.7,0.8,0.9,1,相同時(shí)間步后的疏散結(jié)果分別見(jiàn)圖9。
圖9 不同排隊(duì)權(quán)重系數(shù)下的出口選擇(方案二)
從圖9中可以看出,r值越大,越多的乘客選擇排隊(duì)人少但路程較遠(yuǎn)的出口,達(dá)到了排隊(duì)權(quán)重參數(shù)設(shè)置的目的。當(dāng)站臺(tái)上乘客的初始分布均勻時(shí),采用出口方案一不需要額外配置參數(shù),可方便快捷地模擬乘客的疏散過(guò)程;當(dāng)站臺(tái)上乘客的初始分布不均勻時(shí),采用出口選擇方案二可模擬乘客選擇路徑遠(yuǎn)但排隊(duì)人少的出口這一行為,并能通過(guò)排隊(duì)權(quán)重參數(shù)調(diào)整做這一選擇的人數(shù),更符合實(shí)際情況。
城市軌道交通客流在時(shí)間上分布不均衡,高峰和平峰時(shí)站臺(tái)聚集的乘客數(shù)量有很大差異。另外,列車進(jìn)站下客也會(huì)造成站臺(tái)乘客的聚集。因此,研究模型對(duì)不同乘客數(shù)量疏散過(guò)程的仿真具有必要性。采用出口選擇方案一,分別模擬站臺(tái)初始乘客數(shù)量為20 人和100 人下的疏散過(guò)程,結(jié)果如圖10所示。
在站臺(tái)初始乘客數(shù)量為20 人的情況下,2 處出口共4 個(gè)元胞在理想情況下每2 個(gè)時(shí)間步疏散離開(kāi)站臺(tái)4 人,經(jīng)由10 個(gè)時(shí)間步即可完成疏散。但從圖10(a)中可看出,實(shí)際用了15個(gè)時(shí)間步,這是因?yàn)檎九_(tái)上的乘客數(shù)量較少,一定時(shí)間內(nèi)出口并未全部在向外疏散乘客。當(dāng)站臺(tái)上乘客很多時(shí),如圖(b)中的100人,大部分時(shí)間內(nèi)所有出口前都有乘客在排隊(duì),出口均在向外疏散,因此剩余人數(shù)與時(shí)間步的函數(shù)圖像為一段斜率固定的直線,在疏散過(guò)程的尾段,只剩某處出口還剩余少量乘客,所以整個(gè)站臺(tái)的疏散速率下降。
圖10 不同初始乘客數(shù)量下的疏散過(guò)程(方案一)
由上述仿真可知,本文建立的城市軌道交通站臺(tái)疏散CA 模型可模擬站臺(tái)地形下的乘客疏散過(guò)程,主要達(dá)到了以下目的:
(1)利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方法完成了乘客元胞疏散路徑的規(guī)劃,疏散路徑可實(shí)現(xiàn)對(duì)站臺(tái)上樓梯、扶梯、立柱等障礙物的規(guī)避;
(2)通過(guò)對(duì)每個(gè)乘客元胞進(jìn)行疏散路徑規(guī)劃,實(shí)現(xiàn)了對(duì)乘客排隊(duì)行為的模擬,更加符合城市軌道交通在運(yùn)營(yíng)人員的組織管理下進(jìn)行應(yīng)急疏散這一實(shí)際;
(3)建立了站臺(tái)邊緣的出入口、站臺(tái)中央的扶梯等多處疏散出口,并給出了兩種出口選擇方案,出口選擇方案一在站臺(tái)乘客分布較為均勻的情況下可實(shí)現(xiàn)對(duì)疏散過(guò)程的模擬,出口選擇方案二通過(guò)引入?yún)?shù)可模擬乘客選擇路程較遠(yuǎn)但排隊(duì)時(shí)間較少的出口這一行為。
綜上,本模型可根據(jù)實(shí)際站臺(tái)的尺寸建立地圖;根據(jù)實(shí)際出口數(shù)量與位置設(shè)定出口;根據(jù)站臺(tái)上建筑的布局設(shè)置障礙物位置與大??;在出口選擇方案二中可通過(guò)配置參數(shù)調(diào)整選擇不同疏散出口的乘客人數(shù),從而較為真實(shí)地模擬站臺(tái)疏散過(guò)程,具有較強(qiáng)的可用性與可靠性。
通過(guò)仿真分析疏散過(guò)程,對(duì)城市軌道交通站臺(tái)的疏散組織工作提出如下建議:
(1)疏散速度取決于站臺(tái)區(qū)域的人數(shù)、出口數(shù)量、出口寬度,對(duì)于城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)管理者來(lái)說(shuō),乘客聚集在疏散出口處并不能加快整個(gè)疏散過(guò)程,反而可能會(huì)因擁堵造成安全事故,因此應(yīng)組織乘客有序排隊(duì);
(2)當(dāng)站臺(tái)上的乘客分布不均勻時(shí),由于站臺(tái)構(gòu)造復(fù)雜,乘客可能不知道其他出入口的排隊(duì)情況,運(yùn)營(yíng)管理人員了解站臺(tái)環(huán)境且擁有專用通信設(shè)備,可建立管理人員間實(shí)時(shí)聯(lián)系組織部分乘客由排隊(duì)人數(shù)較少的出口進(jìn)行疏散,從而均衡各出口的排隊(duì)人數(shù),提高疏散效率。
本文結(jié)合城市軌道交通站臺(tái)應(yīng)急疏散過(guò)程中的乘客行為特征,建立了城市軌道交通站臺(tái)疏散仿真CA 模型。通過(guò)對(duì)路徑規(guī)劃方法、出口選擇方案、時(shí)間步控制方法及模型演化規(guī)則等進(jìn)行研究,確定了城市軌道交通站臺(tái)應(yīng)急疏散過(guò)程中的最優(yōu)路徑獲取方法,提出了基于歐式距離的出口選擇方案和綜合考慮排隊(duì)與路徑長(zhǎng)度的出口選擇方案;給出了乘客在站臺(tái)內(nèi)和出口處移動(dòng)速度不同情況下的時(shí)間步控制方式以及CA 模型的演化規(guī)則。最后通過(guò)仿真模擬,驗(yàn)證了所建模型可滿足城市軌道交通站臺(tái)多出口、多障礙物的疏散過(guò)程模擬,具有良好的可用性和可靠性;基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的路徑規(guī)劃方法可模擬乘客自發(fā)排隊(duì)的過(guò)程;建立的兩種出口選擇方案對(duì)于模擬乘客在不同初始分布下的疏散具有較強(qiáng)的可行性;模型的演化規(guī)則可成為運(yùn)營(yíng)管理人員組織疏散工作的依據(jù)。
由于CA 模型在時(shí)間和空間上具有離散性,主要用于對(duì)疏散過(guò)程乘客微觀行為的模擬,難以用來(lái)精確計(jì)算疏散時(shí)間;CA 模型中每個(gè)元胞所占的空間大小是固定的,因此模型無(wú)法模擬乘客擁擠情況下的疏散過(guò)程;另外,時(shí)間復(fù)雜度隨地圖的增大會(huì)大幅增加也是CA 模型的固有特點(diǎn),所以在真實(shí)站臺(tái)尺寸下仿真疏散過(guò)程將花費(fèi)大量的時(shí)間,模型算法有待進(jìn)一步優(yōu)化。