丁 明 魏慶朝 潘姿華 張風(fēng)河

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，100044，北京；2.北京九州一軌環(huán)境科技股份有限公司智慧運(yùn)維中心，100070，北京；3.山東華宇工學(xué)院校企合作與就業(yè)指導(dǎo)處，253034，德州 ∥ 第一作者，碩士研究生)

中低速磁浮線(xiàn)路具有噪聲低、爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小等優(yōu)點(diǎn)，適用于城市機(jī)場(chǎng)專(zhuān)用線(xiàn)或客流相對(duì)集中的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)線(xiàn)路[1]。為了線(xiàn)路的跨越避讓、沉降控制和方便維修，其常采用高架橋作為下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，這也使事故時(shí)人員疏散具有很大難度。因此，合理設(shè)置橋上應(yīng)急設(shè)施已成為確保人員安全的必要措施。

CJJ/T 262—2017《中低速磁浮交通設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]指出高架區(qū)間應(yīng)設(shè)置縱向疏散平臺(tái)，并對(duì)其最小寬度做了規(guī)定。長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)設(shè)有疏散平臺(tái)和獨(dú)立樓梯，北京中低速磁浮交通示范線(xiàn)(S1線(xiàn))亦設(shè)有疏散平臺(tái)。但目前針對(duì)不同橋上應(yīng)急設(shè)施疏散能力的對(duì)比研究，以及橋上應(yīng)急設(shè)施的部分設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其疏散能力的影響研究仍較為缺乏。多智能仿真技術(shù)在疏散行為研究中應(yīng)用廣泛[3]，相比其它微觀(guān)仿真模型，該仿真技術(shù)在行為個(gè)體、個(gè)體間以及個(gè)體和環(huán)境間相互影響等方面能更真實(shí)地模擬不同場(chǎng)景的疏散過(guò)程[4]，同時(shí)能避免大規(guī)模人員疏散演習(xí)的風(fēng)險(xiǎn)。

基于此，本文利用計(jì)算機(jī)多智能仿真平臺(tái)Pathfinder，以中低速磁浮線(xiàn)路高架橋上人員應(yīng)急疏散為場(chǎng)景，計(jì)算分析不同應(yīng)急設(shè)施及其設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)人員疏散時(shí)間的影響，以期為國(guó)內(nèi)中低速磁浮線(xiàn)路設(shè)計(jì)和建設(shè)提供參考。

1 中低速磁浮線(xiàn)路高架橋上應(yīng)急疏散的特點(diǎn)

中低速磁浮線(xiàn)路橋梁屬于半封閉空間[5]，一旦發(fā)生事故，人員不易疏散，外部救援也難迅速進(jìn)行。按照事故致因特點(diǎn)，可將中低速磁浮線(xiàn)路高架橋上事故分為人為因素事故和非人為因素事故，具體如圖1所示。橋上應(yīng)急疏散主要具有以下特點(diǎn)：

圖1 中低速磁浮線(xiàn)路高架橋上事故分類(lèi)

1) 事故影響因素多。中低速磁浮線(xiàn)路橋梁需要車(chē)輛、線(xiàn)路、牽引供電、列車(chē)運(yùn)行控制等多個(gè)子系統(tǒng)協(xié)同工作[6]。此外，“人-機(jī)-環(huán)境”的整體性和協(xié)調(diào)性也是線(xiàn)路安全運(yùn)營(yíng)中所不可或缺的[7]。中低速磁浮系統(tǒng)的復(fù)雜性使其事故影響因素多。

2) 發(fā)生事故概率大。就目前運(yùn)營(yíng)情況與發(fā)展趨勢(shì)而言，中低速磁浮高架線(xiàn)路占比極高。例如，日本東部丘陵線(xiàn)高架線(xiàn)路占全線(xiàn)的84.3%[8]；我國(guó)長(zhǎng)沙和北京磁浮線(xiàn)路也均以高架為主。事故發(fā)生時(shí)，列車(chē)位于橋上的概率大。

3) 人員疏散較困難。中低速磁浮線(xiàn)路的選線(xiàn)靈活，其高架橋常跨越、避讓基礎(chǔ)設(shè)施和山谷、河流等特殊地形[9]，因而陡坡橋、曲線(xiàn)橋較多且下部環(huán)境復(fù)雜；加之其橋梁結(jié)構(gòu)特殊、位置較高、空間狹窄，事故發(fā)生時(shí)導(dǎo)致人員恐慌與擁擠現(xiàn)象嚴(yán)重。

2 高架橋上應(yīng)急疏散模式及疏散設(shè)施

2.1 高架橋上應(yīng)急疏散模式

與橋梁救援定點(diǎn)概念[10]相似，高架橋上應(yīng)急設(shè)施是設(shè)置在橋梁上、引導(dǎo)人員疏散避難和方便救援工作開(kāi)展的設(shè)施。

根據(jù)疏散方向，高架橋上應(yīng)急設(shè)施的設(shè)置模式主要有豎向、縱向、橫向以及“組合”等4種。豎向是指設(shè)置豎向疏散通道以連接橋面與地面以引導(dǎo)人員疏散；縱向是指設(shè)置疏散平臺(tái)等引導(dǎo)人員沿線(xiàn)路方向疏散；橫向是指在上下行之間設(shè)置連接通道，使得雙線(xiàn)互為避難場(chǎng)所；“組合”是指將上述2種或3種疏散模式組合應(yīng)用。圖2為高架橋上應(yīng)急設(shè)施豎向、縱向、橫向疏散示意圖。

圖2 高架橋上應(yīng)急設(shè)施豎向、縱向、橫向疏散示意圖

2.2 高架橋上應(yīng)急疏散設(shè)施

2.2.1 豎向應(yīng)急疏散設(shè)施

豎向應(yīng)急疏散設(shè)施主要包括以下4種：

1) 獨(dú)立樓梯。獨(dú)立樓梯即頂部設(shè)在橋面、梯身由獨(dú)立支柱或橋墩支撐的逃生樓梯[10]。

2) 逃生電梯。逃生電梯又稱(chēng)逃生升降機(jī)。

3) 逃生滑梯。逃生滑梯較為理想，但設(shè)計(jì)與施工難度大[11]。

4) 柔性滑道。柔性滑道隨車(chē)置于密閉箱內(nèi)，使用時(shí)固定于橋面預(yù)留的安裝孔[12]。

圖3 高架橋上的獨(dú)立樓梯

2.2.2 縱向應(yīng)急疏散設(shè)施

縱向應(yīng)急疏散設(shè)施主要是疏散平臺(tái)。目前，應(yīng)用最為普遍的設(shè)置方式主要為單線(xiàn)時(shí)設(shè)于一側(cè)和雙線(xiàn)時(shí)設(shè)在線(xiàn)間兩種。一旦發(fā)生事故，人員可經(jīng)由疏散平臺(tái)步行前往臨近的車(chē)站或者避難點(diǎn)。北京中低速磁浮交通示范線(xiàn)延伸至金安橋站的疏散平臺(tái)如圖4所示。

圖4 磁浮線(xiàn)路延伸至車(chē)站的疏散平臺(tái)

2.2.3 橫向應(yīng)急疏散設(shè)施

如列車(chē)在區(qū)間失去動(dòng)力，經(jīng)調(diào)度指揮由雙線(xiàn)的另一線(xiàn)發(fā)來(lái)列車(chē)，區(qū)間人員方能借助橫向應(yīng)急設(shè)施到達(dá)對(duì)線(xiàn)列車(chē)，并發(fā)往臨近車(chē)站完成疏散。疏散平臺(tái)設(shè)在線(xiàn)間時(shí)可充當(dāng)橫向應(yīng)急設(shè)施；未設(shè)置疏散平臺(tái)時(shí)，人員可通過(guò)隨車(chē)渡板到達(dá)對(duì)線(xiàn)列車(chē)。

3 高架橋上磁浮列車(chē)人員疏散仿真分析

3.1 仿真模型的建立

Pathfinder仿真平臺(tái)可提供先進(jìn)的可視化界面和三維動(dòng)畫(huà)效果等[13]，其Steering模式可以精細(xì)化設(shè)置個(gè)體的路線(xiàn)規(guī)劃和障礙物躲避行為[14]。參考北京中低速磁浮交通示范線(xiàn)，建立6節(jié)編組的高架橋上磁浮列車(chē)人員疏散模型，如圖5所示。列車(chē)長(zhǎng)89.6 m，寬3 m；每輛車(chē)設(shè)對(duì)開(kāi)門(mén)2對(duì)，車(chē)門(mén)寬1.5 m。建模時(shí)，假定人員自由疏散，且在車(chē)內(nèi)均勻分布；忽略性別、年齡等因素的差異，按列車(chē)額定載客數(shù)設(shè)置人員數(shù)量。按我國(guó)成年人人體尺寸，設(shè)置肩寬為40～45 cm的均勻分布；緊急情況下人行走的速度為平常值的2倍，設(shè)置行走速度為0.6～1.4 m/s的均勻分布[15]。以疏散時(shí)間為依據(jù)，考慮隨機(jī)性，將每個(gè)模型分別計(jì)算5次，并取其平均值。

圖5 高架橋上磁浮列車(chē)人員疏散模型

3.2 豎向疏散仿真計(jì)算

3.2.1 4種豎向應(yīng)急疏散設(shè)施的對(duì)比

根據(jù)城市軌道交通橋梁的實(shí)際情況，取不同磁浮列車(chē)距地面的高度，并按照各推薦值[10-12]設(shè)置4種豎向應(yīng)急疏散設(shè)施，分別建立豎向疏散模型。

對(duì)于豎向疏散，考慮人員全部離開(kāi)應(yīng)急設(shè)施的時(shí)間為疏散時(shí)間，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，隨著磁浮列車(chē)距地面高度增加，各豎向應(yīng)急設(shè)施疏散時(shí)間均增加，其中獨(dú)立樓梯、逃生滑梯和柔性滑道疏散時(shí)間增加緩慢，而逃生電梯疏散時(shí)間增加顯著。獨(dú)立樓梯疏散效率和安全性能較高，因此建議推廣；逃生電梯疏散效率較低，但可作為特定人員的輔助設(shè)施，建議配合使用；逃生滑梯和柔性滑道建議作為備用手段。

圖6 磁浮列車(chē)豎向應(yīng)急疏散設(shè)施的疏散時(shí)間

3.2.2 樓梯寬度對(duì)獨(dú)立樓梯的影響

通過(guò)改變獨(dú)立樓梯的寬度，計(jì)算得到其對(duì)疏散時(shí)間的影響，見(jiàn)表1。由表1可知，隨著樓梯寬度增加，獨(dú)立樓梯疏散時(shí)間減少。因此，在工程經(jīng)濟(jì)等條件允許的情況下，建議適當(dāng)增加樓梯寬度。

表1 不同樓梯寬度時(shí)獨(dú)立樓梯的疏散時(shí)間

3.2.3 每次開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)間對(duì)逃生電梯的影響

針對(duì)逃生電梯，改變每次開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)間，計(jì)算得到其對(duì)疏散時(shí)間的影響，見(jiàn)表2。由表2可知，隨著每次開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)間增加，逃生電梯疏散時(shí)間增加。因此，在人員安全等條件允許的情況下，建議適當(dāng)減少每次開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)間。

表2 每次不同開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)間時(shí)逃生電梯的疏散時(shí)間

3.3 縱向疏散仿真計(jì)算

3.3.1 單側(cè)開(kāi)門(mén)數(shù)量對(duì)疏散平臺(tái)的影響

由于車(chē)門(mén)在事故中的可用數(shù)量存在不確定性，取不同單側(cè)開(kāi)門(mén)數(shù)量，分別建立縱向疏散模型。

對(duì)于縱向疏散，當(dāng)人員離開(kāi)事故列車(chē)即可抵達(dá)相對(duì)安全的區(qū)域，考慮人員全部離開(kāi)事故列車(chē)的時(shí)間為疏散時(shí)間，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，隨著列車(chē)單側(cè)開(kāi)門(mén)數(shù)量減少，離開(kāi)列車(chē)途徑變少，但同時(shí)也限制了平臺(tái)人群密度快速增加，降低了人流沖突。

表3 不同單側(cè)開(kāi)門(mén)數(shù)量時(shí)疏散平臺(tái)的縱向疏散時(shí)間

3.3.2 平臺(tái)寬度對(duì)疏散平臺(tái)的影響

平臺(tái)寬度和欄桿間隔均對(duì)縱向疏散時(shí)間有影響。欄桿間隔對(duì)于人員離開(kāi)列車(chē)的影響類(lèi)似于橫向疏散時(shí)的情況。通過(guò)改變平臺(tái)寬度，計(jì)算得到縱向疏散模式下其對(duì)疏散時(shí)間的影響，見(jiàn)表4。由表4可知，當(dāng)平臺(tái)寬度≥600 mm時(shí)，縱向疏散時(shí)間隨平臺(tái)寬度增加而減少，其中平臺(tái)寬度由600 mm增加至1 200 mm時(shí)，疏散時(shí)間減少得更快。由此可見(jiàn)，增大平臺(tái)寬度可以顯著縮短縱向疏散時(shí)間，因此，在工程經(jīng)濟(jì)等條件允許的情況下，建議增加平臺(tái)寬度至1 200 mm或更大值。

表4 不同平臺(tái)寬度時(shí)疏散平臺(tái)的縱向疏散時(shí)間

3.4 橫向疏散仿真計(jì)算

3.4.1 隨車(chē)渡板與疏散平臺(tái)的對(duì)比

橫向疏散包括隨車(chē)渡板和疏散平臺(tái)兩種方式。取不同的兩車(chē)正對(duì)車(chē)門(mén)對(duì)數(shù)，分別建立橫向疏散模型。

對(duì)于橫向疏散，考慮人員全部進(jìn)入對(duì)線(xiàn)列車(chē)的時(shí)間為疏散時(shí)間，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)兩車(chē)正對(duì)車(chē)門(mén)對(duì)數(shù)相同時(shí)，采用隨車(chē)渡板的疏散時(shí)間總比采用疏散平臺(tái)時(shí)要少；隨著兩車(chē)正對(duì)車(chē)門(mén)對(duì)數(shù)減少，兩種方式下的疏散時(shí)間均增加，其中，采用疏散平臺(tái)的疏散時(shí)間增加更為顯著，究其原因是進(jìn)入對(duì)線(xiàn)列車(chē)時(shí)疏散平臺(tái)與車(chē)門(mén)人流易產(chǎn)生沖突(見(jiàn)圖8)。需注意，由仿真計(jì)算得到的疏散時(shí)間很短，但是實(shí)際中需要考慮事故嚴(yán)重程度、調(diào)度等因素，這些因素會(huì)影響橫向疏散的可行性和疏散時(shí)間。經(jīng)多方面考慮，建議優(yōu)先在兩線(xiàn)間設(shè)置疏散平臺(tái)，如存在不允許設(shè)置疏散平臺(tái)的地段，建議配備隨車(chē)渡板。

圖7 磁浮列車(chē)橫向應(yīng)急疏散設(shè)施的疏散時(shí)間

圖8 疏散平臺(tái)與車(chē)門(mén)人流沖突

3.4.2 欄桿間隔對(duì)疏散平臺(tái)的影響

對(duì)于人員橫向走行而言，平臺(tái)寬度變化對(duì)疏散時(shí)間的影響不大。通過(guò)改變欄桿間隔，計(jì)算得到不同欄桿間隔時(shí)的疏散時(shí)間，見(jiàn)表5。由表5可知，當(dāng)欄桿間隔為600～1 200 mm時(shí)，隨著欄桿間隔增加，采用疏散平臺(tái)時(shí)的橫向疏散時(shí)間減少；當(dāng)欄桿間隔大于1 200 mm時(shí)，橫向疏散時(shí)間減少速度略放緩。因此，在保證人員安全的情況下，建議適當(dāng)增加欄桿間隔至1 200 mm。

表5 不同欄桿間隔時(shí)疏散平臺(tái)的橫向疏散時(shí)間

4 結(jié)論

1) 中低速磁浮線(xiàn)路高架橋上應(yīng)急疏散模式可分為豎向、縱向、橫向等，利用Pathfinder仿真平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高架橋上人員多種應(yīng)急疏散場(chǎng)景的模擬，以及對(duì)不同應(yīng)急設(shè)施的不同設(shè)計(jì)參數(shù)下疏散時(shí)間的分析。

2) 疏散平臺(tái)可同時(shí)作為縱向和橫向應(yīng)急設(shè)施，建議對(duì)其進(jìn)行沿線(xiàn)設(shè)置。疏散平臺(tái)寬度對(duì)縱向疏散時(shí)間有顯著影響，建議其值取1 200 mm或在工程條件允許時(shí)取更大值。當(dāng)疏散平臺(tái)用作橫向疏散通道時(shí)，建議欄桿間隔取1 200 mm。如線(xiàn)上不允許設(shè)置疏散平臺(tái)，建議配備隨車(chē)渡板。

3) 豎向疏散推薦采用獨(dú)立樓梯和逃生電梯，通過(guò)增加樓梯寬度、減少逃生電梯單次開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)間可縮短疏散時(shí)間。

4) 未來(lái)可考慮建立組合疏散模式下的橋上列車(chē)人員疏散模型，并對(duì)疏散設(shè)施配置等進(jìn)行研究，從而提高中低速磁浮線(xiàn)路高架橋上人員安全疏散技術(shù)水平。