突發環境下地鐵大客流疏散數值模擬

潘科，修順延

(大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028)

突發環境下地鐵大客流疏散數值模擬

潘科，修順延

(大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028)

以大連地鐵某換乘站為研究背景，對地鐵站在發生火災等緊急事件人群的疏散情況進行了分析.通過對調查統計人群的數量、年齡、性別等參數，應用pathfinder軟件，建立地鐵換乘車站人員疏散模型，并對該站在不同情況下發生緊急事件的人群疏散進行了研究.通過疏散模型，模擬不同情況下全部人員疏散至安全區域的時間，獲取疏散過程中不同時刻的人員分布規律，找到疏散過程中不利于人群疏散的“關卡”.文章結論可為國內外地鐵換乘通道設計、緊急情況下的人群疏散組織及應急管理等方面提供一定的指導意義.

地鐵換乘站；人群疏散；微觀仿真；疏散模型

0 引言

地鐵為人流密集的公眾聚集場所，在運行時間內，有限的地下空間內承載著大規模的人群.以北京地鐵為例，隨著網絡化運營格局的形成，日客流量已達到600萬人次，而運營不久的沈陽地鐵的日客流量也已達到近100萬人次.面對如此大規模的客流，地鐵大客流疏運安全面臨著很大的挑戰.當在地鐵站臺、站廳及換乘通道內發生突發事件時，如果不能及時疏導，極容易產生踩踏事故，如2008年3月4日，北京地鐵5號線東單站換乘通道內設備故障引起恐慌，由于乘客過度擁擠發生踩踏事件，造成10名乘客受傷.地鐵事故風險及突發事件下的應急疏散及管理一直是地鐵運營安全研究的熱點.K. Fridolf[1]根據地鐵事故案例，得出降低地鐵火災后果的最重要手段是完善地鐵消防設計.Manabu Tsukahara[2]進行了地鐵火災中人員疏散方向的研究.其認為在地鐵站臺層向下擴建一層為火災疏散層，當火災發生時改變傳統的上行疏散的模式，改為向下疏散人群，再從疏散層直接安裝逃生樓梯將人群疏散至地面，可以有效提高逃生效率.Aysu sagun等[3]針對疏散能力較低的樓梯進行疏散組織優化，適當拓寬樓梯和出口寬度，可以有效緩解疏散中的擁堵情況，還能緩解心理的恐慌，避免或減輕人員傷亡事故.Enrico Ronchi[4]對緊急情況下，人群從樓梯疏散所需時間與人體疲勞度、人的心理變化之間的關系.楊培忠等[5]利用FDS和Evacuation軟件研究了火災對換乘地鐵站的影響，認為火災迫使人員改變疏散路徑，乘客選擇相對安全的逃生出口，而不是選擇最短的逃生路徑.史聰靈等[6]對大型體育場館連接的車站在大型活動期間面對突發大客流疏導問題，利用行人仿真動力學的方法，建立地鐵車站疏運模型.王春雪等[7]研究了地鐵應急疏散情況下人員恐慌程度，建立地鐵應急疏散恐慌程度模型.結果表明，地鐵應急疏散恐慌程度受年齡、攜帶行李情況、接受安全教育程度、相關事故災害經歷等人員個體因素，以及人員密度、疏散環境復雜程度、事故災害發生位置等環境因素影響.

因此，本文以大連地鐵某換乘站為研究背景，通過對調查統計該換乘車站人群的數量、年齡、性別等參數，應用pathfinder軟件，建立疏散模型，并對該站在不同情況下發生緊急事件的人群疏散進行研究.通過疏散模型，模擬不同情況下全部人員疏散至安全區域的時間，獲取疏散過程中不同時刻的人員分布規律，找到疏散過程中不利于人群疏散的“關卡”.這些結果對于地鐵站換乘站的疏散設計，緊急情況下的人群疏散組織及應急管理等方面具有一定的指導意義和應用價值.

1 地鐵人員疏散的基本理論及模型建立

1.1 地鐵人員疏散的基本理論

緊急情況下，保證人群能從地鐵站中安全疏散的前提是可以短時間內將人群疏散至安全區域.根據《地鐵設計規范》(GB 50157-2013)中第28.2.11條的規定：車站站臺的公共區域、自動扶梯、出口樓梯和疏散通道的寬度，應保證在遠期高峰小時客流量在發生緊急情況下，6 min內將一列車乘客和站臺上候車的乘客及工作人員全部撤離站臺.提升高度不超過三層的車站，乘客從站臺層疏散至站廳公共區域或其他安全區域的時間按式(1)計算.

(1)

式中：Q1為遠期或客流控制期中超高峰小時一列進站列車的最大客流斷面流量(人)；Q2為遠期或客流控制期中超高峰小時站臺上的最大候車乘客(人)；A1為一臺自動扶梯的通過能力(人/min·m)；A2為疏散樓梯的通過能力(人/min·m)；B為疏散樓梯的總寬度，每組寬度按照0.55的整數倍計算.T的單位為min ；N為自動扶梯數量(臺)；1為人員的反應時間；N-1為考慮一臺自動扶梯損壞不能使用的概率；0.9 為自動扶梯和樓梯的通過能力按設計的90%計算.

式(1)的計算方法著重考慮了自動扶梯和樓梯在疏散中對疏散時間的影響，但忽略了人在站臺上行走所用的時間以及閘機等對疏散的影響.

1.2 地鐵人員疏散模型的建立

由于換乘車站具有換乘、客流量大等特點，本文選擇大連地鐵某換乘站作為研究對象.該站有地下三層結構，最下層為地鐵2號線站臺，中間一層為1號線站臺，最上層為站廳，并設有售票處，調度室，辦公室等設施.其中地下二層和三層長度為115 m，有效候車站臺寬度為13.3 m，層高約為5 m，一層站廳長度為130 m，寬度為21.3 m.2號線站臺有兩個供換乘使用的樓梯，和兩個直接通向站廳的樓梯，1號線站臺設有兩個直接通向站廳的樓梯，另外，該站共設有A，B，D 三個出站口.其具體布局如圖1～圖3所示.

圖1 站廳示意圖(地下一層)

圖2 1號線站臺示意圖(地下二層)

圖3 2號線站臺示意圖(地下三層)

1.3 模擬參數的確定

考慮到人群數量、性別、年齡等因素對于疏散的影響，本文通過現場調研確定該類參數.模擬列車進站時的人群疏散，需要考慮到車內人數，大連地鐵所采用的列車為B2式列車，總長度為120m，供乘客使用長度約為104 m，寬度為2.8 m，車廂總面積為291.2 m，根據現場調研，大連地鐵二號線高峰期時上行列車車廂內的最大人數約為1100 人，下行列車車廂內的最大人數約為800人，均出現在周一的上午7∶00～8∶00時，所以車廂乘客密度取為3.2.各年齡段人群人數比例大致為：10歲以下占2%，10～30歲占55%，30～60歲占38%，60歲以上占5%.男性乘客占43.4%，女性乘客占56.6%.

2 疏散模擬過程

2.1 高峰期人群疏散模擬(無列車進站)

經分析調研所得的人群年齡段及性別構成數據可得，西安路地鐵站人群高峰期無列車進站時，地鐵一、二號線的候車總人數約為900人，站廳層流動人數約為60人，站內工作人員為40人，即模擬中需要的疏散的總人數約為1 000人.Pathfinder模擬無列車進站時的人群疏散結果，如圖4所示.

(a) 程序運行時間及總疏散時間

(b) 最后一人到達站廳示意圖

(c) 最后一人離開站廳示意圖

(d) 站內人數與出站人數變化規律圖

由上述模擬結果圖可以得出：當無列車進站時，若高峰期時站臺發生緊急情況，站臺中的候乘人員可在169 s內全部撤離至站廳層的安全區域.考慮到危急情況下，人們的緊張心理和反應時間，額外加60 s為人群反應時間，所以總時間為229 s，小于《地鐵設計規范》中規定的值.所以，該站能夠滿足此種情況下的人群及時疏散.若遇到某些極度危險的情況，如地震、火災等，人員需要疏散至地面才能脫離危險.從上圖中可得到，所有人員從地鐵站逃離的時間為253.3 s，加上人群反應時間60 s，總計313.3 s，同樣滿足疏散要求.

2.2 高峰期人群疏散模擬(一輛列車進站)

地鐵一號線位于地鐵站的中間層，當發生意外時，需要將該層人員及2號線所有人員疏散至站廳層或地面.將車內人數按照統計的人群構成比例，設置于車廂內.Pathfinder模擬1號線有一輛列車進站時的人群疏散結果，如圖5所示.

(a) 程序運行時間及總疏散時間

(b) 模擬疏散過程中人群示意圖

(c) 站內人數與出站人數變化規律圖

圖5 1號線有一輛列車進站時Pathfinder模擬下 的人群疏散結果

由上述模擬結果圖可知，在360s時，地鐵站中人群并未疏散完畢，當1號線有一輛列車進站，此時若發生緊急情況，無法滿足360s內將站內全部人員疏散至安全區域的要求.

2.3 高峰期人群疏散模擬(兩輛列車同時進站)

在現場調研中可以發現，高峰期會出現同層站臺兩側相向的列車幾乎同時到達的情況，Pathfinder模擬2號線兩輛列車同時進站的人群疏散結果，如6所示.

(a) 程序運行時間及疏散總時間

(b) 模擬疏散過程中人群示意圖

(c) 站內人數與出站人數變化規律圖

圖6 2號線有兩輛列車進站時Pathfinder模擬 下的人群疏散結果

由上述模擬結果圖可知，當人群疏散進行到360 s時，仍有部分人員未到達地下二層以上的安全位置，站內仍有大量人員，所以，當2號線有兩輛列車同時到站時，不管是將地下二層以上視為安全區域或者車站外作為安全區域，在360 s內，均不能使所有人員疏散至安全區域.

3 疏散模擬結果分析及建議

(1)完善災害探測、應急電話系統和報警控制系統

縮短人群的反應時間和行動時間可以有效提高人員的疏散效率.在發生緊急情況時，現場工作人員比乘客要更熟悉站內情況，因此，要在第一時間內采用有效的措施向乘客、指揮中心傳達危險情況，指揮中心接到匯報后，要及時采取措施，如：關閉下行電梯，開啟所有閘機等，為群疏散創造最佳條件.

(2)提高工作人員及乘客的安全意識與自救能力

現場工作人員必須具備一定的消防安全知識，要定期對現場工作人員進行培訓教育和實戰演練.確保員工在任何一個位置都能熟知疏散線路，正確引導現場群眾疏散.加大地鐵安全宣傳，如在站內張貼安全標語，在列車內播放應急疏散視頻，提高乘客自身的安全意識與自救能力.通過有效的人員疏導和人員培訓，可以有效提高人員疏散時的步行速度.

(3)制定合理的列車調度時間，控制站內人數站內人群密度過大，是導致疏散無法按時完成的重要原因.因此，為避免站內人數過多，就要避免有多輛列車同時進站的情況，保證同一時間內，只有一輛列車進入站內，從而減少緊急情況發生時需要疏散人員的基數.當遇到特殊情況，如大連國際馬拉松比賽日當天，地鐵的人流量為平時的10倍，在這種情況下，應控制進入站臺候車的人數數量，保證人群密度低于0.56 m2.

(4)保證疏散過程中“瓶頸”位置的通暢

模擬中可以得到，在疏散過程中，屏蔽門、樓梯口、閘機為疏散過程中的關鍵位置，為提高疏散效率，這些位置應重點關注.首先，在日常情況下，應保證這些位置無人群逗留，以免危險發生時造成疏散不便，其次可以適當增加閘機的寬度來提高人員的疏散效率.屏蔽門處的候車人員，應有序的站在車門位置的兩側，避免緊急情況發生時，影響車內乘客的疏散.緊急情況發生時，要保證上述設備的正常使用，并安排工作人員在對應位置進行疏導，安撫人群慌張心理，組織人群快速高效的撤離.

當提高閘機口的寬度0.2 m及提高人群步行速度0.2 m/s后，Pathfinder對1號線有一輛列車進站的模擬可以將疏散時間由原來的528 s減少到423 s，其效率提高了20%.

4 結論

(1)應用pathfinder軟件模擬了不同條件下的人群疏散情況.通過模擬仿真，可以得到人群的疏散時間與疏散人數之間的關系，而且可以直觀的對整個疏散過程和人群的分布動態進行觀察，及時找出疏散過程中的“瓶頸位置”，如：樓梯，閘機和屏蔽門，按300 s的總疏散時間為例，疏散個體在站臺及站廳中的行動時間僅為總時間的1/3，而在“瓶頸位置”滯留時間則超過總時間的1/2；

(2)通過模擬得到在不同情況下人群的疏散時間分別為：無列車進站時，站臺上全部乘客疏散至站廳安全區域的時間為229 s，疏散至站外的時間為313.5 s，均滿足規定的安全疏散時間360 s的要求.1號線有一輛列車進站時，人群疏散至安全區域需要528s，不滿足規定的要求，2號線有兩輛列車同時進站時，人群疏散至安全區域需要662 s，均超出了規定的安全疏散時間；

(3)提出了突發環境下地鐵大客流人群管理的有關對策，如改進閘機口的寬度、有效的人群管理和應急疏導等措施可以有效的減少疏散時間，提高疏散效率，當提高閘機口的寬度0.2 m和人群步行速度0.2 m/s,，疏散時間減少了105 s，效率提高了20%.

[1]FRIDOLF K. Fire Evacuation in Underground Transportation systems: A Review of Accidents and Empirical Research[J].Fire Technology, 2013, 49 (2): 451-475.

[2]MANABU TSUKAHARA. Effectiveness of downward evacuation in a large-scale subway fire using Fire Dynamics simulator[J].Tunnel ling and Underground space Technology，2011，26(4):573-581.

[3]AYSU SAGUN，DINO BOUCHLAGHEM，CHIMAY J ANUMBA．Computer simulations vs building guidance to enhance evacuation performance of buildings during emergency events[J]．simulation Modelling Practiceand Theory，2011，19(5)：1007-1019.

[4]ENRICO RONCHI. A conceptual fatigue-motivation model to represent pedestrian movement during stair evacuation[J]. Applied Mathematical Modelling , 2015, 40(7-8):4380- 4396.

[5]YANG PEIZHONG，LI CHAO，CHEN DEHU．Fire emergency evacuation simulation based on integrated fire-evacuation model with discrete design method [J].Advances in Engineering software，2013，65(9)：101-111.

[6]史聰靈，鐘茂華.與體育場館連接地鐵車站大客流疏運能力計算模擬分析[J]. 中國安全科學學報，2011，21(3):34- 41.

[7]王春雪，索曉，呂淑然，等. 地鐵應急疏散恐慌程度模型研究[J]. 中國安全科學學報，2015，25(2):171-176.

表貼式永磁同步電機鐵耗計算仿真分析

馬思群1，袁冰1，辛志峰2,孫彥彬1

(1.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028； 2.天津電力機車有限公司，天津 300452)

摘 要：基于FLUX對某型號表貼式永磁同步電機鐵耗進行仿真分析研究，根據電機的傳統鐵耗Bertottti計算模型，得出電機不同磁密的定子鐵心損耗；在考慮旋轉磁場影響的條件下，首先利用有限元法改進計算模型，通過對定子鐵心仿真分析，得到不同區域特征點磁場分布情況及磁密變化曲線；然后將徑向和切向磁密分量疊加得到損耗，計算結果與傳統模型進行對比，鐵耗增加比例為19.325%，與最新研究文獻的研究結果相符.

Numerical Simulation of Large Metro Passenger Evacuation under Emergency Environmental

PAN Ke, XIU Shunyan

(School of Civil & Safety Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028, China)

The evacuation situation of metro station in fire and other emergency situations is analyzed based on the research background of certain transfer station in Dalian metro. Through the survey of the number, age, gender and other parameters, the evacuation models are established. The models consider the different cases of emergency evacuation of the crowd with the application of Pathfinder software. The time of all evacuation to a safe area and evacuation at different times in the process of personnel distribution are obtained. That evacuation process is not conducive to the crowd evacuation "level" is found through the evacuation model and simulation under different circumstances. The conclusions of the study can be used as a reference for similar metro systems. These results also can be used as a reference for formulation of emergency crowd, evacuation organization, related emergency management and other aspects.

metro transfer station; crowd evacuation; microscopic simulation; evacuation model

1673- 9590(2017)04- 0142- 05

2016-07-01

遼寧省教育廳科學研究計劃資助項目(L2015096)

潘科(1980-)，男，講師，博士研究生，主要從事系統風險及評價相關的研究E- mail:parker_9@126.com.

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