美國動車組車門通過能力與停站時間研究

王 姣 劉雅萍南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司技術(shù)中心 山東青島 266111

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美國動車組車門通過能力與停站時間研究

王 姣 劉雅萍
南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司技術(shù)中心 山東青島 266111

【文章摘要】

動車組的車門通過能力和停站時間，不僅關(guān)系到列車的運(yùn)營效率，而且關(guān)系到運(yùn)載乘客的人身安全。本文利用Pathfinder仿真軟件，依據(jù)美國Amtrak動車組為基本模型，合理構(gòu)建參數(shù)，根據(jù)該模型進(jìn)行仿真分析，并對模型進(jìn)行了深入改進(jìn)。通過對美國Amtrak動車組車輛的人員疏散能力分析，最終確定該型動車組車門的通過能力，并對停站時間給出了相應(yīng)的建議。

【關(guān)鍵詞】

Pathfinder；建模；停站時間

隨著軌道交通技術(shù)的迅猛發(fā)展，軌道交通的管理水平需持續(xù)提升。研究合理的車門通過能力和停站時間，可以有效提高運(yùn)營能力，并能夠使列車運(yùn)營在乘載更多客運(yùn)量的前提下做到準(zhǔn)時、快捷。本文利用Pathfinder仿真軟件對列車的車門通過能力進(jìn)行仿真測試，在乘客攜帶行李上車和下車的高峰時段，對不同客流量提出不同停站時間的建議，從而證明動車組的設(shè)計滿足正常運(yùn)行停留時間的要求。

1 模型的建立

Pathfinder仿真軟件簡介：

該軟件是由美國公司研發(fā)的一款簡單、直觀、易用的新型的智能人員緊急疏散逃生評估系統(tǒng)。它利用計算機(jī)圖形仿真和游戲角色領(lǐng)域的技術(shù)，對多個群體中的每個個體運(yùn)動都進(jìn)行圖形化的虛擬演練，從而可以準(zhǔn)確確定每個個體在災(zāi)難發(fā)生時最佳逃生路徑和逃生時間。Pathfinder特點(diǎn)介紹 ：

1. 內(nèi)部快速建模與DXF, FDS等格式的圖形文件的導(dǎo)入建模相結(jié)合；

2. 三維動畫視覺效果展示災(zāi)難發(fā)生時的場景；

3. 構(gòu)筑物區(qū)域分解功能，同時展示各個區(qū)域的人員逃生路徑；

4. 準(zhǔn)確確定每個個體在災(zāi)難發(fā)生時最佳逃生路徑和逃生時間。

圖1　列車模型

根據(jù)圖1所示的模型，本文運(yùn)用Pathfinder軟件對美國Amtrak動車組進(jìn)行1:1的建模，對男女乘客、攜帶行李的乘客、殘疾人分別進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，設(shè)定門開啟關(guān)閉時間均為10s，通過仿真得出1分鐘，1.5分鐘和2分鐘各車門可以通過的乘客數(shù)量與百分比，并通過仿真結(jié)果對不同客流量下的停站時間做出建議。列車模型根據(jù)美國Amtrak動車組編組建立。座椅與過道均按照實(shí)際尺寸建立，車門寬度為900mm。圖1為本次研究所建立的1號、2號車輛模型，其中綠色區(qū)域為可行走區(qū)域，也就是車上人員可以活動的區(qū)域，與實(shí)際車內(nèi)情況一致。

注：美國Amtrak動車組為8編組列車，1號、8號車輛為一等車，5號車輛為餐車，其他車輛為二等車。

2 參數(shù)設(shè)置

2.1乘客數(shù)量與比例

首先需要在所建立車輛模型內(nèi)添加乘客，乘客均設(shè)置在座椅上，按照實(shí)際情況，每個車輛添加了10%的超員乘客，并讓50%的乘客攜帶行李，每節(jié)車還包括一名殘疾人。乘客按照數(shù)量的規(guī)定在每個車輛內(nèi)隨機(jī)分布在座位上，二等車輛與餐車加設(shè)了10%的站立乘客，滿足規(guī)定的要求。假設(shè)男女比例相同，那么一等、二等車輛需要添加的乘客數(shù)量如下表所示：

表1　模型中各車輛添加的人員數(shù)

2.2乘客肩寬

在軟件中主要是通過設(shè)置肩寬來確定乘客所占用的空間大小，并通過以肩寬為直徑的圓柱來表示乘客的占用空間。其中，為了區(qū)別乘客有無行李，將攜帶行李的乘客的肩寬設(shè)定比不帶行李的乘客大，從而反映攜帶行李造成的影響，而殘疾人設(shè)定統(tǒng)一的400mm作為肩寬。對于男性攜帶行李的乘客，肩寬平均值相比不攜帶行李的只增加了20mm，這是由于模型中座椅的大小限制了可設(shè)置的最大肩寬。攜帶行李所造成的影響還將從行走速度，加速時間，舒適距離這一系列參數(shù)的設(shè)置表現(xiàn)出來，從而讓仿真結(jié)果更接近實(shí)際情況。具體乘客肩寬設(shè)置見下表2。

表2　模型中乘客肩寬設(shè)定值

2.3其他參數(shù)設(shè)定

由于車輛內(nèi)的空間相對狹小，所以在設(shè)計速度的時候考慮速度低于乘客在地面的正常行走速度。其中，男乘客的速度高于女乘客，未攜帶行李乘客的速度高于攜帶行李的旅客的速度，并且未攜帶行李的旅客達(dá)到最大加速的所需的時間也更多，舒適距離也與攜帶行李與否有關(guān)，具體參數(shù)設(shè)置見表3。

表3　模型中乘客速度，加速度，舒適距離參數(shù)的設(shè)定值

車輛的具體人員分配和相應(yīng)的出口設(shè)置見下圖2。

圖2　車輛整體分布及出口圖

3 仿真結(jié)果

3.160s內(nèi)通過乘客數(shù)量

規(guī)定車門保持打開的時間為計時開始的第10s-第50s（假設(shè)開門關(guān)門的時間均為10s）。

注：車門的開門時間包括門扇的打開時間和輪椅渡板的伸出、展開時間。

下圖為2號車輛不同時間點(diǎn)車門通過情況：

圖3　2號車輛不同時間點(diǎn)車門通過仿真圖

第50s時車門開始關(guān)閉，1分鐘通過人數(shù)為計時第50s時通過的乘客數(shù)量，如下表：

表4　計時第50s時間內(nèi)通過車門的人數(shù)

圖4　2號車輛不同時間點(diǎn)車門通過情況

3.290s內(nèi)通過乘客數(shù)量

規(guī)定車門保持打開的時間為計時開始的第10s～第80s（假設(shè)開門關(guān)門的時間均為10s）。

第80s時車門開始關(guān)閉，1.5分鐘通過人數(shù)為計時第80s時通過的乘客數(shù)量，如下表：

表5　計時第80s時間內(nèi)通過車門的人數(shù)

5節(jié)2等車輛在計時開始后80s內(nèi)下車人數(shù)不等，平均下車60人，占車內(nèi)全部人數(shù)的78.9%。

3.3120s內(nèi)乘客通過數(shù)量

規(guī)定車門保持打開的時間為計時開始的第10s-第110s。圖5為2號車輛不同時間點(diǎn)車門通過情況：

圖5　2號車輛不同時間點(diǎn)車門通過情況

具體到各個車輛乘客全部通過車門所耗費(fèi)的時間見表6，所耗費(fèi)的平均時間見表7。

表6　全部通過車門所需時間

表7　全部通過車門所用的平均時間

由于關(guān)門需要10s的時間，以上時間加上10s后都小于2分鐘，所以2分鐘內(nèi)一列車的乘客（包括攜帶行李，10%超員與殘疾人）可以從每個車輛打開的一個車門全部下車到站臺上。

4 模型的改進(jìn)

在上面的模型中，對列車整體進(jìn)行了研究，下面對模型進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)。為了研究車門的最終通過能力，從上文已知2號車輛全部乘客下車所耗時間最多。所以本部分單獨(dú)對2號車輛進(jìn)行研究，針對美國列車的下車人數(shù)確定模型。表8給出了針對2號車輛的下車人數(shù)與下車時間的關(guān)系。此處，在進(jìn)行的仿真中，依然采用男女比例1:1，有行李與無行李比例1:1，并且仍舊有一名殘疾人士。

表8　2號車輛下車人數(shù)與下車時間

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)《關(guān)于地鐵換乘站行人流特性和疏散時間模型研究》，針對行人流下車時間所建立的模型，可以知道在車門寬度確定的情況下，指定車輛的下車人數(shù)與下車所耗費(fèi)的時間并不是簡單的線性關(guān)系，而是滿足

為了最終確定關(guān)系函數(shù)，利用表8數(shù)據(jù)并根據(jù)式（1）對原始冪函數(shù)進(jìn)行擬合，于是得到了圖6所示的擬合曲線。

圖6　下車人數(shù)與時間擬合曲線

利用MATLAB2009a軟件的函數(shù)擬合工具箱最終確定了擬合后的函數(shù)如下：

從圖6中可知曲線的擬合程度很高，由圖6曲線可以求得曲線的相關(guān)擬合系數(shù)：

5 結(jié)論

1）一等車輛，餐車通過人數(shù)分析

在仿真結(jié)果中，一等車輛（1號車輛，8號車輛）與餐車（5號車輛）都在1分鐘的時間里完成了所有乘客的下車。要得出停站的參考時間，則應(yīng)對乘客更多的二等車輛進(jìn)行通過人數(shù)分析。

2）二等車輛通過人數(shù)分析

對1分鐘，1.5分鐘，2分鐘時車上乘客通過車門的人數(shù)與百分比進(jìn)行匯總，其中二等車人數(shù)76人包括50%攜帶行李的乘客與10%的超員情況。軟件中主要研究的是車上乘客下車的情況，如考慮上車的乘客，則上表的通過人數(shù)應(yīng)為實(shí)際下車與上車人數(shù)之和。即為不同時間下車門的通過能力（人數(shù)）。具體情況如下表9所示：

表9　不同時間車上乘客通過車門的人數(shù)與百分比

3）不同客流量停站時間的建議

為說明方便，將二等車輛50%攜帶行李的乘客與10%的超員條件下的總?cè)藬?shù)稱為M人。從仿真結(jié)果可以看出，在2分鐘的停站時間下，每節(jié)車輛的一個車門可以通過100%M人；在1.5分鐘的停站時間下，每節(jié)車輛的一個車門可以通過78%M人；在1分鐘的停站時間下，每節(jié)車輛的一個車門可以通過44%M人。其中客流量為單節(jié)車輛的下車人數(shù)與此節(jié)車輛上車人數(shù)之和，M為二等車輛在50%乘客攜帶行李與10%的超員條件下的總?cè)藬?shù)，這里為76人。這里建議的停站時間是在每輛車開一個車門的條件下得出的。對于客流量超過180%M的情況，停站時間需根據(jù)進(jìn)一步仿真計算得出結(jié)論。

由仿真結(jié)果得出不同客流量下合適的停站時間，以保證乘客的下車和上車都能在停站時間之內(nèi)完成。如下表10所示：

表10　不同客流量建議的停站時間

【參考文獻(xiàn)】

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