基于數(shù)值模擬的某地鐵車站人群緊急疏散研究

祖銘敏 蔡治勇,2 岳世東

（1.重慶科技學院 安全工程學院，重慶 401331；2.重慶市安全生產(chǎn)科學研究有限公司，重慶 401331）

0 引言

地鐵車站作為人員密集場所，一旦遇到突發(fā)狀況，如果疏散不利，極易發(fā)生群死群傷事故。因此，開展基于數(shù)值模擬的人群緊急疏散研究在保障乘客安全方面具有重要意義。現(xiàn)階段，國內(nèi)外地鐵車站應急疏散研究集中于數(shù)值模擬方法，且伴隨著軟件的優(yōu)化、升級，模擬結(jié)果更具有實際性、準確性。本文以重慶某地鐵車站為例，建立地鐵車站模型，運用數(shù)值仿真軟件Pathfinder，并參考實際的人員行為及通行率等影響因素，對某地鐵車站的緊急疏散時間及疏散人員閾值進行模擬研究，可為優(yōu)化城市軌道交通車站的設計和布局、完善地鐵車站應急疏散方案提供技術支持和數(shù)據(jù)參考。

1 模擬軟件的選擇

關于人員疏散的研究，在人員疏散仿真軟件開發(fā)之前，采用公式對人員疏散時間進行計算是人員疏散研究中最早采用的方法，由于其使用簡便，目前仍然大量應用在工程分析中。在地鐵工程中，人員疏散時間計算公式為：進行量化。在Pathfinder的Steering模式中，能夠以路徑規(guī)劃、指導機制、碰撞處理相結(jié)合的方式控制人員運動，如果人員之間的距離和最近點的路徑超過閾值，可以再生新的路徑，對環(huán)境的適應性更強。因此，本文采用Pathfinder建立疏散模型。

大量人員疏散模擬研究集中在必須疏散時間（RSET）的預測方面，用得出的必須疏散時間（RSET）與可用疏散時間（ASET）進行比較，得出的結(jié)論過于籠統(tǒng)、單一。所以，為了分析地鐵疏散影響因素，提高優(yōu)化疏散效率，本文將運用人員緊急疏散仿真軟件Pathfinder，建立車站緊急疏散仿真模型，研究各區(qū)域人數(shù)變化情況、各連接處的通行速率以及疏散瓶頸位置，提出更具針對性的應急疏散策略。

2 研究對象介紹

式中：

Q1—一列列車乘客數(shù)，人；

Q2—站臺上候車乘客和站臺工作人員，人；A1—自動扶梯通行能力，人/（min·m）；

A2—人行樓梯通行能力，人/（min·m）；

N—自動扶梯臺數(shù)；

B—人行樓梯總寬度，m；

1—考慮報警時間和預動作時間為1min。

這種方法雖然能夠預測人員疏散時間，但是對于疏散過程中出現(xiàn)的具體情況無法預測，結(jié)果形式也較為單一。

近年來，一些專家學者提出了人員疏散的計算模型。按照疏散模型的應用特征，可分為優(yōu)化類模型、模擬類模型和風險評估類模型。優(yōu)化模型以Evacnet模型為代表，模型中假定人員疏散是按最有效的方式進行，即人員特征、疏散出口流動特性和人員疏散路徑都是最佳的；模擬類模型可以表現(xiàn)實際的疏散行為和運動規(guī)律，能較真實的反映人員逃生路徑的選擇情況和一些決策行為，如：Simulex，Building Exodus，STEPS，CFE，Pathfinder等。風險評估模型以Crisp和Wayout模型為代表，能夠識別出火災時與疏散有關的危險或事故，并能對事故風險

該車站為地下二層島式站臺，其中地下二層為站臺層，有效長度為113m，有效候車寬度為10.4m。地下一層則為站廳層，按功能可劃分為非付費區(qū)和付費區(qū)，并由進出站閘機和欄桿分隔。非付費區(qū)面積約1100m2，設有進出站閘機、售票處、調(diào)度室等設施，付費區(qū)連接非付費區(qū)和站臺，約600m2。緊急情況下，列車上的人員將依次通過站臺、站廳層付費區(qū)、站廳層非付費區(qū)、安全出口，到達安全區(qū)域。該車站共設置4個出入口，出口寬度均為6m。

3 疏散模擬軟件及初始條件設定

3.1 Pathfinder疏散軟件簡介

筆者采用人員緊急疏散仿真軟件Pathfinder進行人群緊急疏散模擬。該軟件的理論基礎是連續(xù)性網(wǎng)格模型，網(wǎng)格是將地鐵車站的疏散空間劃分為單位網(wǎng)格，每個網(wǎng)格設置為無人、有人和被建筑物占據(jù)等狀態(tài)，根據(jù)算法制定的規(guī)則，使疏散人員在相鄰網(wǎng)格中的移動，網(wǎng)格模型建立的關鍵在于對疏散人員行為和群聚行為的充分理解上，建立準確完善的移動規(guī)則[1]。其中的Steering模式能夠模擬行人之間以及行人與環(huán)境之間的相互作用，能夠為行人生成新的路徑，具有較強的環(huán)境適應性。

3.2 客流緊急疏散場景設置

地鐵人員安全疏散分析需要考慮一些不利情況，本文將客流緊急疏散場景設定為列車火災。當著火列車停靠在某車站時，需要疏散的人員包括：一列列車所承載的乘客；站臺層的候車乘客；站廳層的候車乘客以及工作人員。然而，對于某個車站來說，一列列車乘客和候車乘客數(shù)量在一天中各個時段都有所不同，不能一概而論。

3.3 人員數(shù)量及分布

通過分析重慶軌道交通（集團）有限公司提供的本次模擬車站及站間分方向斷面客流量預測值，發(fā)現(xiàn)一天中不同時段的人員數(shù)量有較大差別，其中，上下班期間，人員急劇增加，人數(shù)約2000人；10：00～15：00時段，人數(shù)變化趨于平和，車站內(nèi)人員約1000人。因此，考慮到不同的人員數(shù)量對疏散時間的影響，筆者將模擬人員的數(shù)量設置為3組：總?cè)藬?shù)1000人，其中站廳層200人，站臺層800人；總?cè)藬?shù)1500人，其中站廳層500人，站臺層1000人；總?cè)藬?shù)2000人，其中站廳層800人，站臺層1200人。在設置人群在車站內(nèi)的初始位置時，選擇隨機分布，即人群將根據(jù)車站的建筑結(jié)構(gòu)隨機分布。

3.4 人群初始數(shù)據(jù)

表1 地鐵站人員類型及占比Tab.1 Occupant type and proportion of subway station

表2 人員的行走平均速度Tab.2 Average walking speed

《地鐵安全疏散規(guī)范》（GBT 33668-2017）[2]給出了人員疏散速度、人員比例的推薦值；中國人民武裝警察部隊學院的徐方通過對大量國內(nèi)外相關數(shù)據(jù)的搜集、整理和分析，確定了6種模擬所必須的基礎數(shù)據(jù)，并確定了可在現(xiàn)有資料中直接獲得并使用的數(shù)據(jù)以及仍需要進一步研究確定的數(shù)據(jù)[3]；重慶大學的張程在地鐵車站內(nèi)開展擁擠狀態(tài)下的人員行走速度觀測試驗，經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，確定了各類人群在樓層平面和樓梯上的移動速度[4]；清華大學的學者們采用疏散實驗和常態(tài)現(xiàn)場觀測相結(jié)合的方法，得出了人員密度與行走速度之間的關系[5]。綜合分析上述研究結(jié)果，得出地鐵站人員類型及占比，見表1，人員的行走平均速度，見表2。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 疏散人員數(shù)量分析

疏散人數(shù)為1000人時，疏散總時間為196.8s；疏散人數(shù)為1500人時，疏散總時間為227.3s；疏散人數(shù)為2000人時，疏散總時間為267.0s。可以看出，車站內(nèi)人員越多，疏散時間越長。當人數(shù)增加到2000人時，模擬疏散時間為267.0s，考慮人群反應時間60s，總的疏散時間為327s，滿足GB/T 33668-2017《地鐵安全疏散規(guī)范》要求（360s），基本滿足地鐵車站允許疏散時間（360s），但已經(jīng)接近允許的疏散時間。因此，當人員數(shù)量超過2000人時，車站管理部門應主動控制進入車站的人數(shù)，并通知相關工作人員進入疏散準備狀態(tài)。如果無法控制人員數(shù)量，應制定針對大客流的疏散應急預案，通過優(yōu)化疏散路徑、完善標識引導、設置現(xiàn)場疏散指揮等方法，降低疏散時間。

4.2 疏散過程分析

以車站內(nèi)總?cè)藬?shù)為1500人的情況為例，進行疏散過程分析，筆者把疏散過程劃分為3個部分：從站臺層到站廳層付費區(qū)；從站廳層付費區(qū)到非付費區(qū)；從非付費區(qū)到安全出口。

（1）站臺層到站廳層付費區(qū)。

站臺上的人員通過連接站臺層和站廳層的樓梯疏散到站廳層付費區(qū)內(nèi)，共有3處樓梯可供疏散。此次模擬中，通過站臺左側(cè)樓梯疏散355人，用時199s，通過站臺中央樓梯疏散290人，用時163.4s，通過站臺右側(cè)樓梯疏散355人，用時200.9s。疏散開始后，人群迅速向樓梯口移動，在15s后出現(xiàn)了明顯的人員聚集，樓梯口擁堵時間約120s。圖1為站臺層人數(shù)隨時間的變化趨勢，可以看出人數(shù)幾乎勻速下降，結(jié)合3D結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，原因在于影響站臺層人員數(shù)量的主要因素是樓梯口寬度。

（2）站廳層付費區(qū)到非付費區(qū)。

人群到達站廳層付費區(qū)后，則需要經(jīng)過自動檢票閘機通往站廳層非付費區(qū)，該車站共設有22部閘機，每部寬度為550mm，緊急情況下，閘機將全部打開以保證安全疏散通道暢通。

圖1 站臺層人數(shù)隨時間變化情況Fig.1 Number of occupants on platform floor over time

圖2為站廳層付費區(qū)人數(shù)隨時間的變化趨勢，可以看出，閘機通行速率快，滯留人數(shù)下降明顯，到39s后由于站臺層人員大量進入，付費區(qū)人數(shù)出現(xiàn)緩慢上升的趨勢，但并未出現(xiàn)人員快速積累的情況，閘機通行速率與連接樓梯通行速率基本相當，付費區(qū)未出現(xiàn)明顯人員擁堵。

圖2 站廳層付費區(qū)人數(shù)隨時間變化情況Fig.2 Number of occupants on station hall paid area over time

（3）站廳層非付費區(qū)到安全出口。

表3為首個人到達出口和最后一個人離開出口的時刻、各個出口的總?cè)藬?shù)以及平均通行速率。可以看出，3號出口和4號出口的總疏散人數(shù)相當，使用率高，1號出口和2號出口的疏散總?cè)藬?shù)相對較少，使用率較低，尤其是2號出口在疏散開始42s后，再沒有人員通過，被使用的時間最短。這是由于通往3號出口的路徑和通往4號出口的路徑平均行走路徑相對較長，結(jié)合眾多有關緊急情況下人員疏散行為的研究結(jié)果，得出在緊急情況下，人們更傾向于離自己較近的出口，這就導致了3、4號出口使用率高，此現(xiàn)象與真實情況較為相符。在通過速率方面，四個出口均未出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象，四個出口的寬度一致，受到使用人數(shù)的影響，1、2號出口的通過率較低，疏散開始50s后，通過速率維持在每秒1至2人。

表3 各出口使用情況Tab.3 Service condition of exits

5 結(jié)論

經(jīng)過對該車站的實地調(diào)研以及計算機仿真模擬，得出以下結(jié)論及建議：

（1）該車站目前的設置和疏散路徑下的疏散預警點為2000人，車站管理部門應主動控制進入車站的人數(shù)。如果無法控制人員數(shù)量，應制定針對大客流的疏散應急預案，通過優(yōu)化疏散路徑、完善標識引導、設置現(xiàn)場疏散指揮等方法，降低疏散時間。

（2）疏散瓶頸出現(xiàn)在站臺層疏散樓梯處，擁堵時間約為120s，且站臺層人數(shù)越多，擁堵時間越長。若車站有緊急情況發(fā)生，應盡量采取過站不停車的方式，減少站臺層人員數(shù)量。若必須疏散車上乘客，則有必要做好現(xiàn)場指揮工作，穩(wěn)定乘客情緒，消除恐慌，保證有序疏散，避免踩踏事故的發(fā)生。

（3）站廳層閘機數(shù)量的確定應結(jié)合連接樓梯的通行速率。若閘機數(shù)量過少，導致閘機處通行速率緩慢，小于連接樓梯的疏散速率，將會出現(xiàn)人員在站廳層付費區(qū)內(nèi)快速積累，并在閘機處形成疏散瓶頸，延長疏散時間。