基于AnyLogic 的地鐵應急疏散仿真研究

陳艷紅,劉雯麗,陳向東,蘆 毅

（北京地鐵有限公司運營二分公司,北京 100043）

0 引言

隨著城市軌道交通網絡化形成，乘客出行需求日益增大，地鐵憑借其便捷、快速、高運量和環保等優點，已經成為大城市人們日常生活出行的主要交通工具之一。在城市軌道的地鐵網絡中，地鐵站作為客流集散關鍵節點，在早晚高峰時間段站內會聚集大量的客流，尤其是換乘車站，例如北京地鐵部分大客流車站在高峰小時內的進出站及換乘客流量可達數萬人，一旦發生火災或恐怖襲擊等突發事件，若在短時間內不能將客流及時疏散，將會造成嚴重的人身傷亡。

相較于耗費大量人力、財力和物力且危險性較高的現場實驗和演習，通過計算機仿真再現行人疏散過程成為一種經濟、高效的手段。研究人員基于各種仿真平臺，分析不同心理類別人群在疏散時的偏好差異[1]，研究心理偏好[2]及設施布局[3]對地鐵疏散效率的影響，研究恐怖襲擊情況下的地鐵車站疏散效率及主要影響因素[4]，分析改進社會力模型下大客流多出口應急疏散效率[5]。隨著VR 技術的發展，Unity 三維建模平臺[6]、BIM 建筑信息模型[7]和Pathfinder 人員疏散仿真工具[8]等，也在人員應急疏散仿真方面得到了很好應用。

作為成熟的商業軟件，Anylogic 在模擬行人疏散方面具有很強的適用性，因此該文采用AnyLogic 構建地鐵車站仿真模型，模擬評估緊急疏散情況下地鐵車站疏散能力，為地鐵運營管理部門優化其車站運營管理方案提供數據支撐。

1 地鐵車站應急疏散能力建模分析

1.1 車站仿真建模

該文采用AnyLogic 搭建仿真模型，分析乘客疏散路徑與站內設施的邏輯關系。乘客疏散路徑選取按照就近原則，并可實時調整優化局部路徑，使之更好地模擬實際疏散場景，提升了仿真模型的疏散效率，且仿真結果更貼合實際。

基于AnyLogic 仿真平臺構建突發事件下地鐵站應急疏散的模型流程見圖1。

圖1 車站仿真建模流程

1.2 車站基礎資料

1.2.1 車站概況

金安橋站為北京軌道交通11 號線與既有S1 線、M6線三線換乘站，站點周邊規劃以居住和旅游用地為主，為北京第五座三線換乘車站，預測客流量較大。

11 號線金安橋站為地下三層島式車站，地下一層為站廳層，地下二層為設備層，地下三層為站臺層，乘客通過換乘通道和換乘廳與其他兩條線進行換乘。

站廳和站臺的平面布置與客流流線見圖2，與11 號線站廳相連有三個出入口，由20 m 寬的換乘通道銜接6號線換乘廳。站廳與站臺層通過三組樓扶梯相連，兩側為兩部方向相反的扶梯+中間樓梯組合，站臺中間為兩部扶梯以及一個無障礙電梯。11 號線采用6A 編組，有效站臺長度140 m。

圖2 11 號線站臺、站廳層平面布置和客流流線圖

在緊急疏散情形下，根據地鐵設計規范中的最不利疏散情況，設定東西兩部上行扶梯正常運行，下行扶梯及東側一部上行扶梯停梯停運，樓梯可通行。

各疏散設施位置及尺寸見表1 所示。

表1 金安橋站疏散樓扶梯尺寸

1.2.2 車站客流數據

考慮車站在最不利情況下的疏散能力，按遠期預測客流進行建模和能力檢算。金安橋站遠期2038 年客流預測結果見表2。列車采用6A 編組，高峰小時列車開行18 對。

表2 金安橋站遠期高峰小時斷面客流量

1.3 模型參數設定

1.3.1 樓扶梯選擇概率

正常運營情況下，樓扶梯客流選擇概率與客流量、樓扶梯方向和提升高度等因素有關，一般提升高度越高，乘客選擇扶梯的概率越大。金安橋站臺與站廳間樓扶梯提升高度約為12 m，乘客對樓扶梯選擇較敏感，由于緊急疏散時乘客出站意愿強烈，因此在仿真過程中，乘客按就近原則根據樓扶梯輸送能力選擇樓扶梯。

1.3.2 行人走行參數

影響乘客疏散效率的重要參數包括走行速度和行人尺寸。走行速度與個體的自身特性及走行環境密切相關，根據前人研究結論，期望速度范圍取為0.80~1.2 m/s，且服從正態分布；此外，行人個體尺寸對疏散結果，尤其在易產生擁堵的瓶頸處有較大影響，該文參考我國成年人尺寸統計數據將行人直徑設置為0.35~0.5 m。

2 疏散能力評估

2.1 評估指標選擇

2.1.1 疏散時間

疏散時間是檢驗地鐵站疏散效率的另一個重要的指標，依據《地鐵設計規范》（GB50157—2013）、北京市《城市工程設計規范》（DB11/995—2013）、《地鐵設計防火標準》（GB51298—2018）中相關安全疏散條款，軌道交通車站疏散應滿足如下條件：遠期或客流控制期中超高峰小時最大客流量時，一列進站列車所載乘客及站臺上的候車乘客在4 min 內全部撤離站臺，并在6 min 內疏散至站廳公共區或其他安全區域。

2.1.2 客流密度

車站內客流密度反映了疏散過程中疏散設施的擁擠水平，該指標直觀反映了疏散時客流的安全狀態，該文采用JJ.Fruin 服務水平分級標準（見表3）。

表3 密度與服務水平等級表

2.2 疏散時間

根據模型輸出結果，得出站臺層各主要樓扶梯口排隊人數隨時間變化曲線，如圖3 所示，樓扶梯口的客流數在疏散開始后的20~50 s 持續處于峰值階段，之后排隊人數逐漸下降。在考慮極限客流的條件下，11 號線金安橋站站臺乘客疏散時間為220 s。

圖3 樓扶梯口行人排隊曲線

站臺乘客最長疏散時間為219 s，滿足在4 min 內所有乘客撤離站臺區域的疏散要求；乘客從站臺撤離到站臺安全區所需的最長時間為324 s，也滿足規范中不超過6 min 要求。

2.3 客流密度

圖4~5 分別表示站臺層和站廳層在緊急疏散開始后60 s、140 s 和200 s 的行人密度云圖。云圖可以直觀地反映行人的移動情況。

圖4 站臺層不同時刻客流密度云圖

圖5 站廳層不同時刻客流密度云圖

由圖4~5 可知：

（1）站臺層樓扶梯口兩側行人密度最大，且擁堵持續時間長。這是由于疏散開始后，乘客從站臺兩側向就近的樓扶梯口聚集，受樓扶梯通行能力限制，乘客無法快速疏散，在樓扶梯口短時間內形成乘客聚集而產生擁堵。站臺邊沿的受力柱對乘客疏散路徑造成了較大干擾，形成了擁堵現象最嚴重的瓶頸處，影響了疏散效率。

（2）站廳層疏散路徑順暢，加上乘客在從站臺疏散至站廳過程中已經在樓扶梯處受到通過能力限制，因此擁堵現象不明顯，能夠保證站廳乘客快速疏散至安全區域。

3 結論

該文基于AnyLogic 平臺模擬北京地鐵金安橋站緊急疏散情景下的行人疏散過程，對車站疏散能力進行分析和評估，得出主要結果如下：

（1）仿真結果顯示乘客離開站臺最長時間為220 s，乘客撤離至站廳安全區域所需的最長時間為324 s，滿足規范允許的范圍。考慮站臺中部區域距離疏散樓扶梯口較遠，且中部樓梯處行人折返較多等因素，實際疏散難以保證疏散樓扶梯在整個疏散過程中全部滿載運行，因此實際疏散時間略大于計算值，但仍能滿足遠期超高峰小時客流量在緊急情況下4 min 內將一列車滿載乘客和站臺上候車乘客（上車及換乘）撤離站臺的相關要求。

（2）在突發事件等需要緊急疏散乘客的情況下，站臺樓扶梯口由于短時間內聚集大量乘客，是客流疏散的瓶頸處。兩側的受力柱靠近樓扶梯口，由于障礙效應會降低乘客行走速度，增加乘客反應時間，在柱子附近區域出現小范圍擁堵現象，持續時間約2~3 min，存在安全隱患，應作為開通后運營管理的重點監控風險點。