基于Anylogic的某高鐵客運站人群疏散設施優化研究

譚家磊副研究員 劉海力副教授 陳云飛 武玉梁教授級高工

(1.湖南人文科技學院 能源與機電工程學院，湖南 婁底417000；2.南京工業大學 安全科學與工程學院，江蘇 南京211816)

0 引言

近年來，高鐵因其快速、便捷、舒適、高效的特性吸引了越來越多的乘客，客流量以及車站的開行對數逐年上升。我國計劃到2025年建成高鐵里程3.8萬千米，車站數量將不斷增多，其通行能力也將不斷增強。高鐵客運站是城市交通運輸系統的樞紐，主要功能是輸送旅客，解決旅客乘車、下車和中轉換車等問題。各種活動形成各種流線，流線按性質可分為旅客流線、行李包裹流線和車輛流線，按流動方向可分為進站流線和出站流線。隨著站內人員密集程度不斷增加，高鐵車站內發生擁擠踩踏事故的風險也在增加，因此針對高鐵車站的人員應急疏散研究是十分必要的。

針對車站內結構以及人群的行為特性，國內外學者對車站人群應急疏散做了大量分析研究，在對該問題進行研究的過程中，其中主要用到3種方法：數學建模、采用實際演練的方式、計算機仿真。在計算機仿真方面主要采用計算機仿真與微觀模型相結合的方式來研究人群疏散行為，其中廖艷芬等基于元胞自動機對高鐵站人群疏散進行仿真，模擬人員疏散過程，找出影響疏散的重要因素，并提出相應的改進措施；張艷芬利用Anylogic仿真軟件對北京南站不同疏散方案的參數進行仿真模擬，并對仿真數據評價分析，為北京南站的應急管理提供建議。研究發現，針對存在設備等障礙物或局部失徑情況下的應急疏散研究較少，本文利用Anylogic仿真模型對多種情況進行模擬研究，最后根據模擬結果，給出不同狀態下人員疏散設施優化的合理建議，在一定程度上可以避免出現人員擁擠踩踏的群死群傷事故。

1 模型構建

1.1 Anylogic仿真軟件概況

由俄羅斯XJ Technologies軟件公司開發的Anylogic仿真軟件是一款應用廣泛的工具軟件，具備對離散、連續和混合系統進行建模仿真功能。Anylogic以最新的復雜系統的設計方法論為理論基礎，能夠支持企業庫、軌道庫、交通庫混合仿真。在多種行人交通仿真軟件中，Anylogic擁有較高成熟度、使用場景廣且便于獲取，因此本文選擇使用Anylogic軟件進行行人應急疏散仿真。

1.2 應急疏散仿真模型構建

本文以某高鐵客運站為例開展客流應急疏散仿真研究，根據客流圖繪制模擬環境如下，候車大廳南北長120m，東西寬34.4m。出站層仿真模型，如圖1。

圖1 出站層仿真模型Fig.1 Platform level simulation model

1.3 行人行為流程模型構建

在高鐵客運站應急疏散仿真過程中，行人行為流程主要分為正常流線和疏散流線。高鐵客運站內行人正常行動流程非常復雜，一部分行人首先通過售票廳購票，然后由進站大門進入高鐵站內部，需要經過安檢機、電梯等服務設施，然后在候車層或者一樓候車大廳內活動，最后在檢票口處通過閘機或人工檢票進站，到達一樓乘車，進站乘車行人流程，如圖2。在發生突發事件后，行人立即停止當前正在進行的活動，開始疏散逃生，而相應服務設施設備也會改變工作狀態，如安檢機將安檢進口轉為出口，閘機停止檢票轉為常開狀態，方便行人通過，一樓的行人直接通過閘機撤離，而二樓的行人先通過扶梯組或樓梯到達一樓，然后通過閘機撤離。高鐵站內模擬3D圖，如圖3。

圖2 進站乘車行人流程圖Fig.2 Flow chart of pedestrians arriving at the station

圖3 高鐵站內模擬3D圖Fig.3 3D railway station model

2 常態下疏散時間影響因素

模擬條件設定人流中男性占60%，女性占40%；成年男女行走平均速度分別為1.5m/s和1.2m/s，老年男女行走平均速度分別為0.9m/s和0.8m/s，未成年男女(10～18歲)行走平均速度分別為1.1m/s和1m/s；閘機數量為5臺。

2.1 疏散時間與疏散人數關系

調整每次模擬的人數，將多次模擬結果取平均值，見表1。

表1 排隊時間、疏散時間與疏散人數的關系Tab.1 The relationship among evacuee number， queue time and evacuation time

利用Origin軟件對數據進行處理得到疏散時間、排隊時間隨疏散人數變化圖，如圖4。

圖4 疏散時間、排隊時間隨疏散人數變化圖Fig.4 Variation chart of evacuation time and queue time with the change of evacuee number

對疏散人數與疏散時間、排隊時間的曲線進行擬合，得出疏散人數越多，所需疏散時間和排隊時間也越長，且增長速率基本上滿足二元一次方程。

2.2 疏散時間與樓梯寬度的關系

疏散時間獲取與表1方法相同，考慮疏散時間與樓梯寬度的關系，暫不考慮一層的疏散人數。設置二樓疏散人數為100人，閘機數量為2臺，控制樓梯的寬度進行模擬，多次模擬結果取平均值，見表2。

表2 疏散時間與樓梯寬度的關系Tab.2 Relationship between evacuation time and staircase width

利用Origin軟件繪圖得到疏散時間與樓梯寬度的關系圖，如圖5。

圖5 疏散時間與樓梯寬度的關系圖Fig.5 The relation of evacuation time and staircase width

從圖5可以看出，隨著樓梯寬度增加，疏散時間先減少后增加并趨于穩定。開始時，隨著樓梯寬度的增加，同一時間內下樓人數增加，樓梯總的通過人流量增加，不會發生樓梯口擁堵情況，所以人群的疏散時間有比較明顯的下降。到達最低點之后，隨著樓梯寬度繼續增加，快速通過的人流導致閘機口形成排隊擁擠，反而會導致總疏散時間增加。之后樓梯寬度繼續增加，人流下樓不會造成擁擠時，下樓速度趨于穩定，排隊時間趨于穩定，總疏散時間也趨于穩定。在此場景下，樓梯寬度設置為2.5m最合理。

2.3 疏散時間和閘機數量關系

控制候車廳內疏散人數為300人，一層和二層分別為150人。然后依次改變閘機數量，獲取疏散時間，并多次模擬取平均值，得到數據，見表3。

表3 排隊時間、疏散時間與閘機數量的關系Tab.3 Relationship among ticket gates， evacuation time and queue time

運用Origin軟件對數據處理、繪圖，并進行擬合得到疏散時間、排隊時間與閘機數量的關系圖，如圖6。

圖6 疏散時間、排隊時間與閘機數量的關系圖Fig.6 The relation of evacuation time， queue time and number of ticket gates

從圖6可以看出，疏散時間與閘機數量大致上成反比例函數，即閘機數量越多，疏散時間越短，但是隨著閘機數量增加，疏散時間減少的比例也在不斷下降。因此考慮到經濟性，閘機數量應與該高鐵站人流量相匹配，并不是越多越好。

2.4 出口處人流密度和人流量隨時間變化

控制疏散人數為300人，隨閘機數不同，出口處人流密度也有所不同，如圖7。

從圖7可以看出，剛開始疏散時人流密度為0，當行人達到出口區域時，人流密度開始增大，且閘機數量越多，起始人流密度也越大，由于出口處閘機的限制，行人在出口處的通過速度處于相對穩定狀態，所以人流密度也會趨于穩定。因疏散人數為300人，人流密度越大，同一時間內通過人數也會越多，造成疏散時間減少，所以閘機數量越多，疏散越快，人流密度也會更快下降。通過Origin軟件繪制出口處人流量隨時間變化圖，如圖8。

圖7 出口處人流密度隨時間變化圖Fig.7 Passenger flow density at exit with time change

圖8 出口處人流量隨時間變化圖Fig.8 Passenger number at exit with time change

從圖8可以看出，隨著候車廳人流開始疏散，出口區域的人數在一段時間之后會激增，由于行人過閘機需要時間，所以出口處的人流量會呈階梯狀增長。可見，閘機數量越多，人流量增長速度也越快，在人數一定情況下，疏散速度也會更快，也更容易造成區域內擁擠，從而誘發一些其他危險因素。

3 局部路徑失效情況下的疏散密度分布

設置閘機數量為5臺，候車廳內疏散人數為100人，獲取出口層的人流密度分布。正常疏散情況，如圖9。

圖9 正常疏散情況下人流密度圖Fig.9 Passenger flow density under normal condition

通過模擬可知，閘機隊列區域屬于疏散時的一個瓶頸。模擬疏散時間為130.9s，排隊時間為84.0s。設置緊急事件發生時局部路徑失效情況：

情況①，火災發生在右側樓梯附近時，導致右側樓梯無法使用，在此情況下，二樓的行人只能通過左側樓梯撤離，二樓的人流密度，如圖10。

圖10 情況①時二樓人流密度圖Fig.10 Passenger flow density at second floor under condition ①

二樓人流集中往左側樓梯疏散，避開右側區域。此時左側扶梯組和樓梯口區域屬于疏散時瓶頸，容易在此區域造成擁擠。除此之外，一樓疏散時情況跟上述相似，人流集中在閘機處隊列。疏散時間157.4s，排隊時間75.3s。

情況②，出口處發生火災，導致人流只可以選擇左側出口疏散。情況②時一樓人流密度，如圖11。

圖11 情況②時一樓人流密度圖Fig.11 Passenger flow density at first floor under condition ②

在這種情況下，行人疏散經過閘機之后會在進站大門的出口處形成擁擠，并且伴隨著出口故障，會影響疏散效率和疏散安全。疏散時間為143.7s，排隊時間為87.4s。

對上述數據比較分析得到：情況①火災發生在右側樓梯附近，二樓人流都往左側樓梯疏散，會導致左側樓梯口處產生擁擠狀況，相同時間內，二樓撤離到一樓人數減少，會降低一樓過閘機的排隊時間，緩解一樓的排隊壓力，但是由于整體上人群疏散速度的降低，會一定程度上增加疏散時間。

情況②出口處火災導致部分出口無法使用，這會導致出口處人流擁擠，但是對候車廳內閘機處排隊不會產生很大影響，所以排隊時間沒有太大變化，但是由于人流在出口處擁擠，會造成部分堵塞，導致人流疏散到室外的時間增加，因此總疏散時間也會增加。

針對情況②，設置另外的出口，總閘機數量不變。將一部分閘機轉移到新出口，可以有效地緩解單一出口處人流擁擠問題，如圖12。除此之外，稍微增大閘機與閘機間距，可以有效降低區域內人流密度，提高疏散時的安全性，從而提高整體疏散效率。此時疏散時間為132.6s，排隊時間為81.5s。由于總閘機數量沒有改變，行人排隊時間也較之前沒有太大變化，但是在單一出口處擁擠問題可以有效解決，很大程度上提高了疏散時的安全性。

圖12 情況②修改后一樓人流密度圖Fig.12 Passenger flow density at first floor under condition ② amendment

4 基于仿真結果的人群應急疏散建議

利用Anylogic軟件對某高鐵客運站人群疏散進行模擬，并定性、定量對疏散擁堵和瓶頸進行分析，可用以下策略來完善疏散方案：

(1)在候車廳增設緊急疏散出口，并把閘機分布在不同區域，控制閘機與閘機之間的距離，避免疏散時閘機區域處人流密度過大，造成不必要的危害。并在出站層各個閘機口配備專職安全管理人員，負責對任何時候到達閘機口的人群進行引導，使其有序疏散。

(2)將安檢機布置在與進出站閘機距離較遠的位置，減少三者間的干擾，提高客流集散能力。

(3)在設計高鐵站內部環境時，應注意加強和完善導向標識系統。

(4)在設計高鐵站內部結構時，應根據疏散人數、行走速度等設置相匹配的樓梯寬度和閘機臺數，如果只是一味增加，不僅會造成資源浪費，還會影響疏散進程，使得疏散時間變長。

5 結論

利用Anylogic軟件，對某高鐵站的行人應急疏散進行仿真研究，建立疏散仿真模型，通過不斷調整疏散人員數量、疏散樓梯寬度、閘機臺數等影響因素進行仿真模擬，得到結論如下：

(1)隨著樓梯寬度的增加，總疏散時間會逐漸減小，但是并不會持續減小，當樓梯寬度增加到一定程度時，總疏散時間反而會增大然后趨于穩定。由此可以得出，樓梯寬度的設置應與閘機臺數相配合，才能更加有效地進行疏散。

(2)閘機臺數的增加，剛開始也會使總疏散時間減小，這說明閘機臺數的增加能夠加快疏散效率，但是繼續增加閘機臺數，總疏散時間會逐漸趨于穩定，因此盲目增多閘機臺數可能會造成資源浪費。

(3)分散設置疏散出口，適當控制閘機與閘機之間的距離，避免閘機出口處人流密度過高從而誘發一些不必要的危險因素。

本文雖然對高鐵站站內行人活動進行仿真，但是如何更準確地模擬出行人不同行為對疏散時間的影響有待進一步研究。