地鐵站異質人群疏散折返行為模擬分析*

陳長坤，秦文龍

(中南大學 防災科學與安全技術研究所， 湖南 長沙 410075)

0 引言

隨著安全知識的普及，多數人已經擁有較高的安全素養，但當火災等災害場所存有貴重物品或人員時，部分人會有重返災害場所的行為，即折返行為[1]。如2016年5月18日，遂川縣雩田鎮一店鋪發生火災，女子返回火場救兒女，造成該女子和女兒均不幸遇難。除了行人會發生折返行為，必要時救援人員也會發生折返行為。如2015年8月12日天津濱海新區發生爆炸，救援人員折返現場，共造成110名救援人員遇難。因此，預先了解折返行為的規律，開展相應的折返行為研究，則顯得尤為迫切。

折返行為的一個很重要的現象就是行人的相向流。國內外學者早在20世紀90年代就開始研究行人相向流，Muramatsu等[2]提出偏向隨機步行者格子氣模型，研究開放邊界的地鐵通道中行人的逆流；Fukamachi等[3]利用格子氣模型發現，側身行走的速度快于面對面行走，繞路相向行走會在通道中心發生堵塞簇的震蕩；Dai等[4]基于代理模型研究通過瓶頸時的逆流；Guo等[5]考慮行人的速度和密度分布研究走廊內的行人逆流對巷道形成的影響；Jin等[6]考慮身體的轉向行為建立了雙向行人流的元胞自動機模型；Li等[7]研究恐慌下的行人逆流。但上述的這些研究均是基于行人相向流的微觀模型構建。卓亞琦等[8]采用元胞自動機模型研究有親人的折返對行人疏散的影響；Chen等[9]發現若是小學生的教室座位存在一些物品，會有約40%的小學生發生折返行為，其中0.58%的小學生會立即折返。

卓亞琦和Chen的研究雖是基于宏觀折返的研究，但未給出相向行為對整個疏散的影響。所以，基于行人的相向流研究行人在特殊場所的折返行為對疏散及個人的影響顯得尤為重要。由于地鐵站人員密集且多不熟悉環境，一旦發生火災等災害，極易造成較大的人員傷亡[10]。因此，本文選擇某典型地鐵站，研究疏散樓梯寬度、折返比例、折返位置、列車數量等對地鐵站疏散的影響，其結果可為地鐵站的應急預案制定、救援等提供依據。

1 疏散模擬建模

Pathfinder主要用于智能體的運動和疏散[11]，具有2種運動模式，即SFPE模式和Steering模式。SFPE模式基于出口流量，缺乏考慮人員的最短路徑；Steering模式基于人類行為學，可規劃最優路徑、避免碰撞，更符合實際疏散[12]。因此，本文采用Steering模式模擬地鐵車站人員的折返行為。

1.1 模型建立

模型根據某地下雙層島式地鐵車站建立，分為站臺層和站廳層。僅考慮兩有效站臺起始里程之間的人員疏散，模型長度為117 m，寬度為18.3 m，站廳層高4.8 m，站臺層高4.55 m。樓梯踏步高0.15 m，踏步寬0.3 m，自動扶梯寬度1 m，樓梯寬2.5 m。由于某一地鐵站發生事故時，線路上的其他列車會發生緊急制動，不會再駛入，電梯也會停運，所以在模擬時，僅考慮某一地鐵站事故發生時停靠的列車，自動扶梯也被認為是疏散樓梯，默認由站廳層出去即為疏散完成。地鐵站設計CAD圖如圖1和2所示。

圖1 地鐵站站廳層Fig.1 Subway station hall floor

圖2 地鐵站站臺層Fig.2 Subway station platform

1.2 參數設計與假設

參考張立茂等[13]、劉夢潔[14]、潘科等[15]的研究，將疏散人員按照年齡、性別分為7類：兒童(12歲以下)、少年(13～18歲)、青年男性(19～40歲)、青年女性(19～40歲)、中年男性(41～60歲)、中年女性(41～60歲)、老人(60歲以上)，突發狀況下的運動速度分別為1，1.35，1.55，1.50，1.52，1.40和1.1 m/s的均值，肩寬分別為0.3，0.32，0.4，0.37，0.41，0.38和0.4 m的均值，對應的人員比例為3%，18%，19%，17%，22%，17%和4%。列車車廂人數按M9線設計運輸能力確定，M9線車輛采用標準B型車，3動3拖，初期(2014年)、近期(2021年)、遠期(2036年)的列車定員均為1 460人，最小運行間隔分別為3，2.73，2.14 min，每小時最大發車對數分別為20，22，28對，每小時定員最大運輸能力分別為29 200，32 120，40 880人，所以每列車初期模擬人數設計為1 460人[16]，高峰期的站廳層和站臺層的人數分別取為550人和400人[12]。

考慮高峰期無列車到站、高峰期1輛車到站和高峰期2輛車到站時的人員數量。人員的折返位置分別為站臺層樓梯口(樓梯前)、站廳層樓梯口(樓梯后)和閘機處，每個折返人員的折返樓梯為與其距離較近的樓梯，對應的折返路徑分別為：折返人員由初始位置先走到站臺層樓梯口然后折返回到初始位置再正常疏散；折返人員由初始位置從站臺層經過樓梯走向站廳層樓梯口，然后返回到初始位置正常疏散；折返人員由初始位置經過樓梯走向閘機口，然后返回到初始位置正常疏散。

為研究異質人員折返對地鐵站疏散的影響，本文做了以下假設：

1)為統一變量，每種工況的折返人員均為同一類型，且折返人員的初始位置全部在站臺層。

2)不考慮工作人員的疏散，不考慮人員反應時間。

3)不同工況需對比時，疏散人員的初始位置不變；不同折返人員需對比時，兩折返人員之間的距離不大于1 m，且折返路徑相同。

1.3 工況設置

為研究人員的折返意向，調查了220人面對貴重物品遺落和家人被困時的折返行為，如圖3～4所示。

由圖3～4可以看出，70%以上的人面對貴重物品遺落不會折返，當然也有約1%的人表現出一定會折返；近50%的人面對家人被困時一定會折返。這表明折返行為普遍存在，且不同場所的疏散會存在著不同的折返情況。但人員在疏散過程中遺漏物品或是有家人遺留的情況很少，實際折返人員的比例會遠低于調查人員的折返比例，所以在本次的折返比例設置為0，0.5%，1.0%，

2.0%，3.0%和4.0%。工況設置如表1所示。

圖3 面對貴重物品遺落的折返意向Fig.3 Backtracking intention when valuables is left behind

圖4 面對家人被困時的折返意向Fig.4 Backtracking intention when relative is trapped

2 結果分析

2.1 不同疏散樓梯寬度影響分析

站臺層通往站廳層的樓梯寬度會影響站臺層人員的疏散進而影響整個地鐵站的疏散。選擇高峰期1列車到站，隨機挑選0.5%的同類人員進行折返，折返位置為站廳層樓梯口(樓梯后)。

表1 工況設置Table 1 Working condition setting

圖5給出了不同樓梯寬度下青年男性折返時地鐵站剩余人數的變化規律，其他類人員折返的地鐵站剩余人數曲線也類似圖5。以0.6倍疏散寬度下的剩余人數曲線為例，地鐵站人數在0～30 s急劇下降，隨后有約50 s的過渡期，80 s之后人員數量開始呈一定斜率下降，即將完成疏散時，曲線又開始平緩。通過對疏散過程的觀察，前30 s疏散出去的完全是站廳層人員；過渡期的發生是由于該時期站廳層人員距離出口較近，站臺層人員距出口遠未來得及完成疏散引起的；80 s之后達到穩定的疏散期。即將完成疏散的平緩期是由于折返人員的疏散距離增加引起的。

圖5 不同樓梯寬度下地鐵站剩余人數分析(青年男性折返)Fig.5 Analysis of the remaining number of subway stations under different stairs width (young male backtracking)

由圖5還可以看出不同樓梯寬度在穩定疏散期的剩余曲線斜率不同，即疏散速率不同，如表2所示。可以看出，折返會導致地鐵站整體人員疏散速率降低；隨著疏散樓梯寬度倍數的增加，地鐵站穩定疏散期疏散速率不斷增加，且倍數越大，疏散速率增加的幅度越大；少年和青年男性折返時地鐵站穩定疏散期的疏散速率較高，中年女性和老年折返時地鐵站穩定疏散期的疏散速率較低；兒童和青年女性在疏散寬度倍數為0.5～0.7倍時，疏散速率低，疏散寬度為0.8～1.0倍時，疏散速率高。說明地鐵站的疏散速率與折返人員的肩寬和運動速度有關，且肩寬的影響多于運動速度，肩越窄、運動速度越快，地鐵站人員的疏散速率越高，對地鐵站人員的疏散越有利。

圖6為地鐵站人員疏散時間隨疏散樓梯寬度倍數增加下的變化規律。

圖6 不同樓梯寬度下地鐵站人員疏散時間分析Fig.6 Analysis of evacuation time of subway station personnel under different stairs width

人/s

可以看出，折返導致地鐵站人員的疏散時間增加；隨著疏散樓梯寬度倍數的增加，地鐵站人員疏散時間不斷的降低；0.5和0.6倍樓梯寬度的疏散時間較長；0.6～0.7倍地鐵站整體疏散時間急劇下降；0.8～1.0倍疏散時間較短，原因是人員的肩寬為0.30～0.41 m。0.5和0.6倍時，樓梯寬度只能通過1個人；0.6～0.7倍之間，肩部較窄的可以通過2人；0.8～1.0倍時，樓梯寬度可以通過2人，但通過3人還存在一定問題。對比不同類折返人員地鐵站整體疏散時間，兒童和老年折返的地鐵站疏散時間較長，青年男性和青年女性折返的疏散時間較短，少年折返的疏散時間在0.5～0.7倍疏散寬度時，疏散時間長，在0.8～1.0倍疏散寬度時，疏散時間短。地鐵站的疏散時間與折返人員的肩寬和運動速度有關，且運動速度的影響多于肩寬，肩寬越窄、疏散速度越快，地鐵站的疏散時間越短，對地鐵站人員的疏散越有利。

2.2 不同折返比例影響分析

不同折返比例對疏散的影響規律不同。選擇高峰期1列車到站，隨機挑選1.0%，2.0%，3.0%和4.0%的同類人員折返，折返位置為站廳層樓梯口(樓梯后)。

表3為不同折返比例下地鐵站穩定疏散期疏散速率。可以看出，折返導致地鐵站人員的疏散速率降低；隨著折返比例的增加，穩定疏散期疏散速率不斷下降，即折返比例越高，地鐵站人員穩定疏散期疏散速率越低；青年男性折返的地鐵站穩定期的疏散速率大于青年女性折返的地鐵站穩定疏散速率。

表3 不同折返比例下地鐵站穩定疏散期疏散速率Table 3 Evacuation rate table of stable evacuation period of subway stations under different backtrack ratios 人/s

圖7為不同折返比例下地鐵人員疏散時間。可以看出，折返導致地鐵站人員疏散時間增加；隨著折返比例的增加，地鐵站人員的疏散時間也在不斷的增加；青年男性折返的地鐵站疏散時間大于青年女性，雖然青年男性有著更高的運動速度，但青年女性有肩窄的優勢。

圖7 不同折返比例下地鐵人員疏散時間分析Fig.7 Analysis of evacuation time of subway personnel underdifferent backtrack ratios

2.3 不同折返位置影響分析

折返發生的位置也是比較重要的疏散影響因素。選擇高峰期1列車到站，隨機挑選0.5%的同類人員進行折返。折返位置分別為站臺層樓梯口(樓梯前)、站廳層樓梯口(樓梯后)和閘機處。

表4為不同折返位置下地鐵站穩定疏散期的疏散速率。可以看出，隨著折返距離以及折返難度的增加，折返導致地鐵站穩定疏散期的速率不斷降低；樓梯前折返可能會導致有折返的疏散速率大于無折返的疏散速率，尤其體現在兒童、少年、中年女性、老年折返時，其原因是這幾類折返人員的運動速度較慢，折返時剛好錯開了樓梯的擁擠；樓梯后與閘機處折返的地鐵站穩定疏散期疏散速率與折返人員的肩和運動速度相關，且肩寬占主導，折返人員的運動速度越快、肩越窄，穩定疏散期疏散速率越大。

圖8給出了不同折返位置不同類人員折返下地鐵站整體疏散時間。可以看出，隨著折返難度以及距離的增加，地鐵站整體疏散時間有了明顯的上升；兒童、少年、老年折返導致地鐵站疏散時間上升較大，青年男性折返導致地鐵站疏散時間上升較小；折返人員的運動速度越快、肩越窄，且運動速度影響多于肩寬影響，折返導致地鐵站整體疏散時間的增加越小；由于兒童的運動速度最慢，在其折返時，對整體疏散時間的影響巨大。

表4 不同折返位置下地鐵站穩定疏散期疏散速率Table 4 Evacuation rate table of stable evacuation period of subway stations under different backtrack positions 人/s

圖8 不同折返位置下地鐵站整體疏散時間分析Fig.8 Analysis of the overall evacuation time of subway stations under different backtrack positions

2.4 不同數量列車到站影響分析

列車到站的數量不同，需要疏散的人員數量也不同，折返行為導致的地鐵站疏散情況也會有所差異。典型列車到站的數量有3種：無列車、1輛列車、2輛列車，折返比例為0.5%，折返位置為站廳層樓梯口(樓梯后)。

表5為不同列車到站時地鐵站穩定疏散期疏散速率。可以看出，折返行為會降低地鐵站整體人員的疏散速率；隨著列車進站數量(需要疏散的人數)增多，除兒童、少年折返的情況下，發生折返行為的地鐵站疏散速率不斷的增加，即在一定范圍內疏散速率會隨著疏散人數的增加而增加；兒童和少年折返導致的地鐵站疏散速率較大，其原因是兒童和少年的疏散速率較慢、肩較窄，這些人員的折返會錯開行人的相向流；兒童、少年、青年女性、中年女性折返的地鐵站疏散速率較快，即肩越窄，折返對地鐵站穩定疏散期的疏散速率影響越小。

表5 不同列車到站下地鐵站穩定疏散期疏散速率Table 5 Evacuation rate table for stable evacuation period of different number of trains arriving at the station 人/s

圖9為不同列車進站時地鐵站人員的整體疏散時間。可以看出，折返行為會導致地鐵站整體疏散時間的增加，且列車進站的數量越多，發生折返行為的疏散相較于未發生折返行為的疏散需要更多的疏散時間；老年、兒童折返導致的地鐵站疏散時間增加的最多，青年男性、中年男性折返導致的地鐵站疏散時間增加的最少，符合肩越窄、運動速度越快，折返對疏散時間影響越小的規律。

圖9 不同列車到站下地鐵站疏散時間分析Fig.9 Analysis of evacuation time of different number of trains arriving at the station

3 結論

1)隨著疏散樓梯寬度倍數的增加，發生折返行為的地鐵站人員疏散時間不斷降低，穩定疏散期的疏散速率不斷增加。

2)隨著折返比例或是折返距離、難度的增加，穩定疏散期疏散速率不斷下降，地鐵站人員疏散時間不斷增加。

3)隨著地鐵站列車數的增加，地鐵站需要的疏散的人數也會越來越多，相應的疏散時間也在增加；穩定疏散期的疏散速率與折返人員的肩寬和運動速度相關。

4)地鐵站穩定疏散期的疏散速率、整體疏散時間與折返人員的肩寬、運動速度相關，肩越窄、運動速度越快，穩定疏散期的疏散速率越大，整體疏散時間短，且肩寬主導穩定疏散期的疏散速率，運動速度主導整體疏散時間。