基于模擬試驗(yàn)的城市軌道交通車站人員疏散研究*

劉 杰

(重慶公共運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院運(yùn)輸貿(mào)易系， 402247, 重慶//講師)

發(fā)展城市軌道交通是緩解市區(qū)交通擁堵、提高城市交通服務(wù)水平的重要途徑。隨著城市軌道交通的發(fā)展，城市軌道交通車站成為城市重要的乘客集散節(jié)點(diǎn)。出于城市用地規(guī)劃及路網(wǎng)布局的需要，城市軌道交通車站通常采取地下設(shè)站或高架設(shè)站的形式，站內(nèi)設(shè)有多種運(yùn)輸生產(chǎn)輔助設(shè)備，乘客流線復(fù)雜，一旦發(fā)生突發(fā)公共安全事故，如火災(zāi)、恐怖襲擊等，極易造成人員擁堵，引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。

應(yīng)急疏散是確保在突發(fā)事件下人員安全的重要手段[1]，相關(guān)問(wèn)題引起了多方學(xué)者的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[2-5]通過(guò)日常觀測(cè)的方式收集相關(guān)數(shù)據(jù)，以實(shí)際人員疏散演習(xí)的方式研究發(fā)生突發(fā)公共事件時(shí)站內(nèi)人員疏散行為，進(jìn)而總結(jié)出了站內(nèi)人員疏散時(shí)間，以及人群流量、速度、密度之間的關(guān)系，同時(shí)分析了出口通行能力和通道通行能力間的量化表達(dá)方式。文獻(xiàn)[6-7]根據(jù)實(shí)際情況組織演習(xí)，利用相關(guān)設(shè)備記錄演習(xí)的疏散時(shí)間和人員的疏散情況。文獻(xiàn)[8-10]給出了人流密度、人流流量和人流速度之間的計(jì)算公式。

盡管諸多學(xué)者對(duì)應(yīng)急疏散問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，但城市軌道交通車站應(yīng)急疏散與一般建筑物內(nèi)的疏散問(wèn)題存在一定差異：乘客流向有垂直方向和水平方向的疊加作用[1]。而計(jì)算機(jī)模擬也需要基于一定的實(shí)際數(shù)據(jù)[11]，以檢驗(yàn)結(jié)果的有效性。然而現(xiàn)有研究中基于實(shí)際試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集及分析較為少見(jiàn)，組織以實(shí)際車站為背景的應(yīng)急疏散試驗(yàn)有助于分析影響疏散效率的關(guān)鍵因素，對(duì)制定科學(xué)的應(yīng)急疏散方案，提高城市軌道交通運(yùn)營(yíng)安全保障能力具有理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

城市軌道交通車站通常為多層建筑體，其垂向人員疏散的主要途徑是步梯和自動(dòng)扶梯，垂向人員疏散的流向可分為自底向上和自頂向下2種，不同流向人員疏散的差異主要體現(xiàn)在步行速度的不同。通常情況下，垂向人員疏散的目的是使站內(nèi)人員到達(dá)地面安全區(qū)域，因此本文假設(shè)車站為地下設(shè)站，人員疏散的流向?yàn)樽缘紫蛏希煌瑫r(shí)，在站內(nèi)水平方向上，由于各類閘機(jī)等設(shè)施的阻擋，乘客的水平疏散也會(huì)受到一定的阻礙。本文模擬突發(fā)情況下城市軌道交通車站的人員疏散情況，以試驗(yàn)方式獲取不同路徑上的人員流量-時(shí)間變化關(guān)系，研究步梯和扶梯的垂向疏散效率，以及不同類型閘機(jī)對(duì)平面疏散的影響，為相關(guān)車站旅客緊急疏散效率研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2 試驗(yàn)背景

城市軌道交通車站站型各異，本文以香港某地鐵站為背景。該站為2條線路的換乘車站，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、客流量大，具有一定的典型性。引發(fā)車站內(nèi)乘客需應(yīng)急疏散的原因各異，其中火災(zāi)是一類具備典型性的突發(fā)事件，也是實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中城市軌道交通車站面臨的最大安全隱患。火災(zāi)威脅可分為站內(nèi)火災(zāi)威脅和列車火災(zāi)威脅，其安全影響因素不同。為明確研究目標(biāo)，本試驗(yàn)?zāi)M平峰期列車突發(fā)火災(zāi)，對(duì)車站內(nèi)及列車上的乘客進(jìn)行緊急疏散，采集相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在此情境下，假設(shè)站內(nèi)設(shè)施不受發(fā)生火災(zāi)列車的影響，各設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)正常，且忽略因起火列車造成的煙霧、氣味等因素對(duì)人員心理造成的影響，以簡(jiǎn)化試驗(yàn)流程。

本試驗(yàn)安排1 500名乘客與50名工作人員參與，試驗(yàn)車站共有4個(gè)站臺(tái)，呈上下2層分布；各站臺(tái)與軌道間設(shè)有屏蔽門，無(wú)列車進(jìn)站時(shí)屏蔽門為常閉狀態(tài)。車站主體為3層結(jié)構(gòu)，地下1層為車站大廳、地下2層及3層為站臺(tái)層，各層平面圖見(jiàn)圖1，空間位置見(jiàn)圖2。其中，H7、H8、H10為地下1層的閘機(jī)出口，S2和E6為連接地下1層與地下2層間的樓梯和自動(dòng)扶梯，S3和E3為連接地下2層與地下3層間的樓梯和自動(dòng)扶梯。

1.3 試驗(yàn)場(chǎng)景

試驗(yàn)場(chǎng)景為模擬起火列車駛?cè)胝九_(tái)引起車內(nèi)乘客及站內(nèi)人員應(yīng)急疏散。假設(shè)發(fā)生火災(zāi)的列車由地下3層站臺(tái)駛?cè)耄?dāng)該著火列車駛?cè)胝九_(tái)后，啟動(dòng)人員疏散應(yīng)急預(yù)案。試驗(yàn)要求：站內(nèi)所有的乘客、工作人員、列車上的乘客均需離開(kāi)車站，到達(dá)地面相關(guān)安全區(qū)域；在此過(guò)程中，乘客在車站工作人員的指引及站內(nèi)導(dǎo)向標(biāo)識(shí)的導(dǎo)引下進(jìn)行疏散，工作人員在確認(rèn)全體乘客疏散完畢后撤離車站，到達(dá)地面層；同時(shí)為保證安全，在疏散過(guò)程中原定駛?cè)朐撜镜钠渌熊嚲辉偻＼嚕稍撜就ㄟ^(guò)后繼續(xù)運(yùn)行至下一站，以簡(jiǎn)化站臺(tái)及車站客流復(fù)雜度。

圖1 試驗(yàn)車站平面示意圖

圖2 試驗(yàn)車站層間空間位置圖

當(dāng)應(yīng)急程序啟動(dòng)時(shí)，假設(shè)相關(guān)工作人員均已到達(dá)相應(yīng)崗位，參與演習(xí)的其他人員按照事先制定的演習(xí)方案分布在車站站臺(tái)及模擬起火的列車上。模擬起火列車為8節(jié)編組，其中列車的后半部發(fā)生火災(zāi)，此時(shí)列車內(nèi)所有乘客均集中在未發(fā)生火災(zāi)的列車前半部分，而發(fā)生火災(zāi)的列車后半部分沒(méi)有乘客。試驗(yàn)范圍內(nèi)的車站站臺(tái)上共有候車乘客960余人。根據(jù)列車車體構(gòu)造情況，全列車共有車門40個(gè)，假設(shè)乘客在站臺(tái)的候車位置與各車門對(duì)應(yīng)，每個(gè)車門對(duì)應(yīng)位置有6位乘客等候，其余乘客以隨機(jī)分布規(guī)律在站廳內(nèi)分布。

1.4 數(shù)據(jù)采集

為采集疏散時(shí)的乘客流量及流向數(shù)據(jù)，在車站內(nèi)選取關(guān)鍵點(diǎn)安裝攝像機(jī)記錄乘客流動(dòng)情況，各攝像機(jī)機(jī)位布置見(jiàn)圖1。在試驗(yàn)開(kāi)始之前，向各位參演人員分發(fā)含有車站地圖的記錄表格，并明確每位參演人員的個(gè)體編號(hào)。在各參演人員就位后，啟動(dòng)攝像機(jī)開(kāi)始數(shù)據(jù)錄取。模擬起火列車進(jìn)入站臺(tái)后，觸發(fā)相應(yīng)的警報(bào)系統(tǒng)，全站啟動(dòng)緊急預(yù)案，開(kāi)始演習(xí)及數(shù)據(jù)采集工作。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與分析

2.1 垂直方向疏散數(shù)據(jù)處理與分析

2.1.1 地下2層與3層間垂向客流疏散效率

地下3層為模擬起火列車的停靠層，其與地下2層間通過(guò)樓梯S3、自動(dòng)扶梯E3相連。其中，樓梯寬度為2 m；扶梯寬度為1 m，其運(yùn)行速度為0.65 m/s，假設(shè)該扶梯保持由地下3層向地下2層的單向運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，地下3層與2層間的垂向疏散時(shí)間如表1所示。

表1 試驗(yàn)車站地下2層與3層間垂向疏散數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中的疏散效率可用于整體疏散過(guò)程的量化評(píng)價(jià)，但由于個(gè)體選擇行為存在差異性，難以體現(xiàn)扶梯及樓梯在整個(gè)疏散過(guò)程中客流量的動(dòng)態(tài)特征。根據(jù)疏散過(guò)程錄像以人工數(shù)據(jù)采集的方式分析樓梯及步梯的乘客疏散效率，結(jié)果顯示步梯的通行效率與扶梯的相差不大，均為2人/s。其原因是，雖然在平常狀態(tài)下步梯與扶梯輸送效率相差不大，但步梯的寬度約為扶梯寬度的兩倍，因此，在同等寬度條件下，扶梯的疏散效率高于樓梯的疏散效率。

2.1.2 地下2層至大廳垂向客流疏散效率

地下2層與車站大廳間通過(guò)樓梯S2、扶梯E6相連。其中，樓梯寬度為4.3 m；扶梯寬度為1.0 m，其運(yùn)行速度為0.65 m/s。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，地下2層與大廳間的垂向疏散時(shí)間如表2所示，其中最大疏散能力取自GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》。

通過(guò)疏散時(shí)間與S2、E6通行時(shí)間的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，S2、E6在疏散時(shí)出現(xiàn)了部分流量為0的情況。這說(shuō)明在疏散過(guò)程中，其絕對(duì)輸送能力未得到充分利用，原因是所需疏散人員數(shù)量低于其絕對(duì)最大疏散能力。

表2 試驗(yàn)車站地下2層與大廳間垂直方向疏散數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2.1.3 車站大廳至地面間垂直疏散效率分析

車站大廳可通過(guò)A、B、C出口通向地面對(duì)應(yīng)的安全區(qū)域，乘客可經(jīng)由上述3個(gè)出口進(jìn)行疏散。根據(jù)試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)相關(guān)疏散信息如表3所示。

表3 試驗(yàn)車站大廳與地面間垂直方向疏散數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

在上述疏散過(guò)程中出現(xiàn)了一個(gè)特殊現(xiàn)象：雖然在每個(gè)出口均設(shè)有自動(dòng)扶梯和步梯，但在試驗(yàn)過(guò)程中，所有乘客均選擇了自動(dòng)扶梯作為疏散通道。造成上述選擇的原因是，站內(nèi)乘客擁擠程度不高，在大廳層至地面的疏散過(guò)程中乘客流量較為平穩(wěn)，疏散壓力不大。

2.1.4 各層間垂向疏散效率比較

上述各層間的旅客疏散效率在數(shù)值上存在一定波動(dòng)，因此需根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析情況研究各平均值的可信度。以5 s為采樣時(shí)間段，根據(jù)各疏散通道的視頻統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算平均通行量；分別以30%、50%和70%最大通過(guò)效率為數(shù)據(jù)，進(jìn)行均值和方差的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表4所示。由表4可知，E3的輸送量大于S3，即相較于樓梯，扶梯的通行效率更高。但與此同時(shí)，隨著試驗(yàn)數(shù)據(jù)量的增加，步梯輸送量的方差呈現(xiàn)逐漸縮小的態(tài)勢(shì)，說(shuō)明步梯在疏散過(guò)程中的穩(wěn)定性較扶梯好。

表4 試驗(yàn)車站各通道及出口疏散效率統(tǒng)計(jì)

2.2 水平方向疏散數(shù)據(jù)處理與分析

城市軌道交通車站除垂直方向上不同樓層間的流動(dòng)外，還存在水平方向的人員流動(dòng)。在發(fā)生應(yīng)急疏散時(shí)，車站內(nèi)的相關(guān)設(shè)備(如閘機(jī)等)可能對(duì)人員流動(dòng)及流向產(chǎn)生影響，因此需要對(duì)水平方向上的疏散情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

水平方向的人員流動(dòng)在某些狹窄區(qū)域會(huì)形成瓶頸，是影響疏散效率的關(guān)鍵，本文在研究水平方向疏散時(shí)著重研究出口瓶頸的限制。根據(jù)圖1所示的車站平面圖，出口A附近的H7安裝有8臺(tái)三桿式閘機(jī)和1臺(tái)雙開(kāi)門式閘機(jī)；B出口附近的H8安裝有6臺(tái)三桿式閘機(jī)，H10處安裝有6臺(tái)三桿式閘機(jī)。上述閘機(jī)是客流平面輸送的瓶頸區(qū)段，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)瓶頸處的客流量信息，結(jié)果如表5所示，其中每臺(tái)閘機(jī)的最大疏散能力根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》數(shù)值折算。

表5 試驗(yàn)車站水平方向疏散瓶頸處的疏散效率

由表5可知，H10處的疏散效率已經(jīng)接近該處設(shè)備的最大通過(guò)能力，同時(shí)H7、H8處的設(shè)備尚存在部分能力富余。相較H10，H7處的三桿式閘機(jī)及雙開(kāi)門式閘機(jī)的利用效率較低，原因是地下2層人員經(jīng)過(guò)S2到達(dá)地下1層后，人員可以選擇H7或H8作為疏散通道，而經(jīng)E6到達(dá)地下1層的人員只能選擇H10作為疏散通道，從而使得該通道的利用效率較高。

3 試驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，可以得到以下結(jié)論：

(1) 垂直方向上自動(dòng)扶梯相較步梯輸送能力更高。應(yīng)急疏散情況時(shí)，乘客通常不會(huì)像日常乘坐扶梯一樣原地站立等待扶梯傳送，而是會(huì)以一定的步速在扶梯上行走，因此，同等寬度下，自動(dòng)扶梯在垂直方向上的輸送速度高于步梯，從而增加輸送能力。但需注意的是，試驗(yàn)中輸送能力最大的自動(dòng)扶梯E3也僅達(dá)到了《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定能力的90%左右，且通常自動(dòng)扶梯的寬度小于樓梯寬度，因此應(yīng)合理評(píng)估其輸送能力。

(2) 水平方向上三桿式閘機(jī)對(duì)乘客疏散的效率影響較雙開(kāi)門式閘機(jī)大。這是由于三桿式閘機(jī)在疏散時(shí)的作用狀態(tài)與日常作用狀態(tài)幾乎沒(méi)有區(qū)別，仍需遵循一人一桿的作用機(jī)理，而雙開(kāi)門式閘機(jī)可以通過(guò)閘門的常開(kāi)動(dòng)作極大減少對(duì)人流水平運(yùn)動(dòng)的阻礙，因此雙開(kāi)門式閘機(jī)在應(yīng)急疏散過(guò)程中的通行效率更穩(wěn)定。

需要說(shuō)明的是，上述試驗(yàn)結(jié)論是在站內(nèi)未受起火列車影響的假設(shè)下得出的，在此條件下站內(nèi)人員的疏散較為平靜，同時(shí)站內(nèi)設(shè)施不受影響。當(dāng)站內(nèi)人員受火災(zāi)影響造成心理波動(dòng)時(shí)，由于扶梯的踏步高，相較步梯不適宜自然行走，因此易造成疏散安全性降低；同時(shí)，若站內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，則扶梯受到高溫影響易造成相關(guān)部件失效，從而造成嚴(yán)重的安全隱患。因此，在垂向通道的設(shè)置上應(yīng)保留步梯設(shè)置，同時(shí)在站內(nèi)發(fā)生火災(zāi)或受火災(zāi)影響時(shí)應(yīng)限制扶梯的使用，以提供更高的安全保障。

4 結(jié)語(yǔ)

采用實(shí)地演習(xí)的方式獲取城市軌道交通車站應(yīng)急疏散相關(guān)數(shù)據(jù)，著重分析了多層車站不同層間的乘客疏散效率以及同層間乘客的水平疏散效率，其中在垂向疏散方面，分析比較了步梯和自動(dòng)扶梯兩種設(shè)備的疏散效率；在水平疏散方面，研究了不同類型閘機(jī)的疏散效率。

由于城市軌道交通車站結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，完全通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬的疏散試驗(yàn)存在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不足、難以復(fù)現(xiàn)復(fù)雜情況下人員疏散流線的缺陷，因此實(shí)地演習(xí)是獲取實(shí)際數(shù)據(jù)的重要途徑。本文研究中選取非高峰時(shí)段，客流量較為平穩(wěn)，模擬高峰擁擠時(shí)段的數(shù)據(jù)及分析將是下一步試驗(yàn)工作的重點(diǎn)。