李林娜 王保云副教授

(1.云南師范大學(xué) 信息學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南師范大學(xué) 數(shù)學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500)

0 引言

作為主要交通工具之一，火車承載著人員運(yùn)輸?shù)闹厝?，由于火車運(yùn)載量大，運(yùn)輸方便，運(yùn)輸距離長(zhǎng)，已成為春節(jié)及各假期的熱門交通工具之一?；疖囘\(yùn)載量的增加同時(shí)帶來(lái)火車站人員密度的急劇增長(zhǎng)，為火車站人員疏散帶來(lái)極大困難。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在眾多踩踏事故發(fā)生點(diǎn)，樓梯占比35.69%，在人群極度擁擠時(shí)，折返行為極易導(dǎo)致樓梯處發(fā)生踩踏事故。因此，針對(duì)火車站臺(tái)旅客折返行為，有必要提出相應(yīng)擁擠控制對(duì)策。

火車站人員疏散研究，裴磊磊等基于AnyLogic將社會(huì)力模型與疏散仿真相結(jié)合，對(duì)火車站突發(fā)事件進(jìn)行模擬研究，探討隨機(jī)疏散、最短路徑疏散與引導(dǎo)疏散3種策略下的疏散效率；劉坤基于Pathfinder針對(duì)緊急情況下火車站候車室人員疏散進(jìn)行數(shù)值模擬；張思健等利用FDS研究火車站火災(zāi)煙氣擴(kuò)散及人員疏散情況；郭曲以某火車站為例系統(tǒng)研究人員出站的疏散情況。相關(guān)研究大都傾向于極端情況下火車站人員疏散，較少涉及人員折返行為對(duì)疏散的影響。本文以某火車站為例，在火車站臺(tái)旅客上車過(guò)程中加入不同比例的折返行為，研究對(duì)疏散的影響。

1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

1.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景介紹

以某火車站為例，模型分為站臺(tái)層和候車層。將站臺(tái)的有效起始距離用于人群疏散，站臺(tái)長(zhǎng)372m，寬22.5m?；疖囌灸Ｐ凸灿?層，站臺(tái)層和候車室 Ⅰ 位于1層，面積為945m；候車室 Ⅱ 和天橋位于2層，面積為645m。樓梯寬3m，高3m，踏步高0.167m。按照火車車廂長(zhǎng)度，站臺(tái)上靠軌道側(cè)每隔25m設(shè)置一個(gè)出口,出口通往車廂內(nèi)部，其中第一站臺(tái)、第二站臺(tái)各有15個(gè)出口，出口寬度均為1m。在火車站站臺(tái)的疏散過(guò)程中，以車廂門為出口，穿過(guò)車廂門即視為疏散成功?；疖囌菊w布局，如圖1。

圖1 火車站布局Fig.1 Station layout

1.2 模型參數(shù)設(shè)置

根據(jù)成琳娜、劉夢(mèng)潔、趙金龍、劉坤等研究，火車站旅客類型及各自的年齡段、平均速度、肩寬和比例分布等參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 火車站旅客參數(shù)設(shè)定值Tab.1 The set value of passenger parameters in the railway station

考慮到在走錯(cuò)站臺(tái)情況下，旅客在到達(dá)錯(cuò)誤站臺(tái)后即刻折返至正確站臺(tái)。將人員的折返位置分別設(shè)置為各站臺(tái)樓梯口，每個(gè)折返人員選擇的折返樓梯為距其最近的樓梯，相應(yīng)的折返路徑，如圖2。圖2(a)為從第一站臺(tái)折返至第二站臺(tái)：折返人員從候車室Ⅱ出發(fā)，行走至第一站臺(tái)后，在樓梯口折返到天橋上，然后沿與第二站臺(tái)連接的樓梯走到第二站臺(tái)，到達(dá)對(duì)應(yīng)的車廂門后正常疏散；圖2(b)為從第二站臺(tái)折返至第一站臺(tái)：從候車室Ⅱ出發(fā)，沿天橋及與天橋連接的樓梯行走至第二站臺(tái)，在樓梯口折返到天橋上，然后沿與第一站臺(tái)連接的樓梯走到第一站臺(tái)，到達(dá)對(duì)應(yīng)的車廂門后正常疏散。

正在使用的客車中25G型鐵路客車占比最大，故選取25G型鐵路客車作為模型中虛擬客車以計(jì)算車廂人數(shù)。一列火車共16節(jié)車廂，硬座為6節(jié)，定員118人，共計(jì)708人；軟座2節(jié)，定員72人，共計(jì)144人；硬臥4節(jié)，定員66人，共計(jì)264人；軟臥2節(jié)，定員36人，共計(jì)72人；餐車和行李車各一節(jié)，不載人，以上共計(jì)1 188人，一般列車硬座允許超員15%，定員人數(shù)加上超員人數(shù)共1 294人。

2輛列車同時(shí)到達(dá)，設(shè)置疏散總?cè)藬?shù)為2 588人。人員初始位置分布于候車室Ⅰ 1 294人、候車室Ⅱ 1 294人，其中兒童130人、少年388人、青年男性453人、青年女性453人、中年男性388人、中年女性388人、老年388人。

圖2 折返路徑Fig.2 Reentry route

1.3 折返比例設(shè)置

將折返人員比例設(shè)置為5%、10%、15%、20%、25%。在折返比例不同的情況下，人員數(shù)量設(shè)置，見(jiàn)表2。

表2 不同折返比例的人員數(shù)量Tab.2 The number of occupant under different reentry ratios

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在不同的折返比例下，疏散的規(guī)律不同。在運(yùn)行過(guò)程中，選擇高峰期2輛火車同時(shí)到達(dá)，隨機(jī)選擇5%、10%、15%、20%、25%的折返人群，折返路徑及折返點(diǎn)，如圖2。

為清晰表示出折返比例對(duì)疏散的影響，選擇疏散時(shí)間(

t

)、不同折返點(diǎn)處人數(shù)(

N

)、達(dá)到高峰期時(shí)間(

t

)的密度(

ρ

)參數(shù)，計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表3。

表3 不同折返比例、不同折返點(diǎn)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experimental results under different reentry ratios and different reentry points

式中：

ρ

—疏散人數(shù)達(dá)到最高峰時(shí)折返點(diǎn)處的最大密度，人/m；

S

—折返點(diǎn)處的面積，m；

t

—最高峰時(shí)間，s；

N

—高峰期人數(shù)。

表3可以得到，折返比例增加，折返點(diǎn)(a)的疏散時(shí)間增加；折返點(diǎn)(b)的疏散時(shí)間大致隨折返比例的增加而增加。在折返比例10%時(shí)，折返點(diǎn)(b)的疏散時(shí)間較折返比例為5%時(shí)的疏散時(shí)間短，據(jù)高峰期時(shí)間來(lái)看，因折返人數(shù)位置隨機(jī)，導(dǎo)致折返人員離檢票口遠(yuǎn)的人數(shù)較多，高峰期時(shí)間靠后，大部分未折返人群在高峰期時(shí)間之前已疏散完成，故疏散時(shí)間較短。

折返點(diǎn)(a)人數(shù)達(dá)到最高峰的時(shí)間比折返點(diǎn)(b)人數(shù)達(dá)到最高峰的時(shí)間要短，這是因?yàn)檎鄯迭c(diǎn)(a)較折返點(diǎn)(b)距離候車室近，行人在行走速度不變的情況下，到達(dá)距離短的目標(biāo)點(diǎn)所用時(shí)間也短。同時(shí)，可以看到，在不同的折返比例下，折返點(diǎn)(a)和折返點(diǎn)(b)行人人數(shù)達(dá)到最高峰時(shí)密度相差不大，在1上下浮動(dòng)，這說(shuō)明折返路徑的長(zhǎng)短會(huì)影響疏散時(shí)間而不會(huì)影響到最高峰時(shí)的人群密度，因?yàn)榛疖囌緝?nèi)人數(shù)設(shè)置已經(jīng)達(dá)到最大容量，故在人群數(shù)量極大的情況下，折返位置并不會(huì)影響到人群疏散時(shí)的最大密度。

圖3為折返點(diǎn)(a)不同折返比例的火車站內(nèi)滯留人數(shù)的變化規(guī)律。折返點(diǎn)(b)的不同折返比例的火車站內(nèi)滯留人數(shù)曲線與圖3類似。當(dāng)沒(méi)有折返人員時(shí)，火車站內(nèi)的疏散時(shí)間為994.78s,加入不同比例的折返人員之后，疏散時(shí)間增長(zhǎng)。當(dāng)折返比例為5%時(shí)，疏散時(shí)間比無(wú)折返比例時(shí)增加了2.41%；折返比例以5%的差距遞增時(shí)，疏散時(shí)間呈遞增趨勢(shì)，

t

比

t

增加4.42%，

t

比

t

增加4.79%，

t

比

t

增加3.14%，

t

比

t

增加4.35%，從不同比例的疏散時(shí)間增加程度看，折返比例為15%相較于折返比例為20%時(shí)，漲幅較小，這說(shuō)明折返比例為15%和20%對(duì)疏散時(shí)間的影響比較接近。當(dāng)折返比例為25%時(shí)，相比于無(wú)折返人員情況，疏散效率降低20.58%。

圖3 折返點(diǎn)(a)、不同折返比例下火車站滯留人數(shù)Fig.3 Reentry point (a) and the number of stranded people at railway stations under different reentry ratios

由于天橋?yàn)槌丝妥哌M(jìn)站臺(tái)的必經(jīng)之路，折返路徑無(wú)論是從第一站臺(tái)到第二站臺(tái)，還是從第二站臺(tái)到第一站臺(tái)，折返行為導(dǎo)致的擁擠現(xiàn)象都會(huì)在天橋處產(chǎn)生。為更好地對(duì)比不同的折返點(diǎn)對(duì)疏散時(shí)間的影響，以折返點(diǎn)(a)和折返點(diǎn)(b)在天橋處的滯留人數(shù)為參考，構(gòu)建天橋的人員數(shù)量隨時(shí)間變化，如圖4。

圖4 不同折返點(diǎn)、不同折返比例下天橋上的滯留人數(shù)Fig.4 The number of stranded occupants on the flyover at different reentry points and different reentry ratios

由圖4可知，折返比例相同時(shí)，折返點(diǎn)(b)的天橋滯留人數(shù)比折返點(diǎn)(a)的滯留人數(shù)多。從火車站布局可以得知，折返點(diǎn)(b)離候車室Ⅱ的距離比折返點(diǎn)(a)離候車室Ⅱ的距離遠(yuǎn)，所以在折返點(diǎn)(b)，天橋上滯留人數(shù)多。同時(shí)，在不同的折返比例下折返點(diǎn)(b)天橋滯留人數(shù)、疏散時(shí)間曲線都出現(xiàn)高峰，而折返點(diǎn)(a)天橋滯留人數(shù)和疏散時(shí)間曲線較為平緩，主要由于折返點(diǎn)(b)的折返路徑長(zhǎng)，距離候車室Ⅱ遠(yuǎn)，所以容易產(chǎn)生人員堆積，比折返點(diǎn)(a)更為擁擠。

在加入折返人員后，因運(yùn)動(dòng)方向相反，2股反向流動(dòng)的人群產(chǎn)生擁擠，導(dǎo)致行走速度驟降。隨著折返比例的增加，天橋滯留人數(shù)也在增加，這和火車站滯留人數(shù)變化情況相一致。

3 擁擠控制對(duì)策

折返人群在站臺(tái)之間的往返路徑都必須通過(guò)樓梯經(jīng)過(guò)天橋，且只有這一條路徑可以選擇，因此人群擁擠主要發(fā)生在樓梯及天橋處。為緩解人群擁擠，在與所有天橋連接的樓梯處增加單向行走樓梯作為折返通道，如圖5。優(yōu)化后折返點(diǎn)(a)和折返點(diǎn)(b)的折返路徑，如圖6。

圖5 折返通道設(shè)置Fig.5 Reentry passageway setup

圖6 優(yōu)化后的折返路徑Fig.6 The optimized reentry route

加入折返通道后，避免人群對(duì)流導(dǎo)致在樓梯上擁擠現(xiàn)象，降低疏散時(shí)間，減少高峰期擁擠人數(shù)。改造后實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表4。

表4 改造后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Experimental results after modification

在不同的折返比例下，設(shè)置折返通道后，疏散時(shí)間及折返點(diǎn)人群密度較之前均有所改善，但在折返比例為15%、25%時(shí)，折返點(diǎn)(b)的人群密度有所上升，這是因?yàn)檎鄯等藛T隨機(jī)導(dǎo)致的誤差，例如當(dāng)折返人員為小孩，且小孩同時(shí)聚集在樓梯處時(shí)，會(huì)造成樓梯處人群堵塞，從而增大折返點(diǎn)的人群密度。

在加入折返通道后，疏散效率提高。以折返點(diǎn)(a)的天橋處滯留人數(shù)為衡量標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，得到不同折返比例下折返點(diǎn)(a)的天橋處滯留人數(shù)曲線圖，如圖7。

圖7 折返點(diǎn)(a)、不同折返比例下天橋滯留人數(shù)Fig.7 The number of stranded occupants under different reentry ratios at the reentry point "a"

當(dāng)折返比例為5%時(shí)，改造前后的天橋滯留人數(shù)曲線大致相同，在折返比例較小的情況下折返通道的設(shè)置效果不明顯；當(dāng)折返比例大于等于10%時(shí)，改造后的天橋人員滯留時(shí)間明顯縮短，改善天橋上的人群擁擠。

4 結(jié)論

在火車站站臺(tái)的人群疏散中加入折返行為，更加真實(shí)地模擬現(xiàn)實(shí)中的人員疏散情況。同時(shí)疏散效率大致隨折返比例的增加而增加，疏散過(guò)程中會(huì)受到折返人員類型和位置的影響。通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)?zāi)M過(guò)程，在增加折返通道后，疏散效率明顯提高，且天橋滯留時(shí)間也有所縮短，人群擁擠現(xiàn)象明顯緩和，各指標(biāo)均有所提升。

因折返人員隨機(jī)，實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有充分考慮折返人員的原始位置對(duì)疏散的影響，將會(huì)在以后的實(shí)驗(yàn)工作中進(jìn)一步探索研究。