高速動車組典型火災場景中人員疏散時間仿真研究

溫元尊

(哈爾濱動車段,黑龍江 哈爾濱 150088)

高速列車具有站間距離長,運行環境復雜(長距離高架或隧道)的特點[1]。作為載客主體的高速列車,其舒適性和安全性是體現我國大國形象的重要表現之一,也是高速列車設計的重中之重。當列車在運行過程中發生火災等緊急事故時,對人員進行安全疏散是一項極具挑戰性的任務,尤其是在隧道或高架橋等特殊環境下。

在火災情況下,要保證人員進行安全疏散,需要實現在一般火災時,乘客能在火場環境達到人體耐受極限之前疏散到相對安全的區域,即必需安全疏散時間＜可用安全疏散時間。必需安全疏散時間可通過火災動力學模擬仿真軟件分析火災場景的危害參數結合人員耐受極限判據給出。可用安全疏散時間指從起火時刻起到人員疏散到安全區域的時間,包括探測報警時間、人員反應時間和運動時間。其中報警時間與火災自動探測器的類型、性能及安裝位置等有關；人員反應時間與報警的方式有關；運動時間與人員的疏散能力和車輛的疏散條件有關,可以由疏散模擬軟件(如Pathfinder)進行仿真模擬給出,是可用安全疏散時間的重要組成部分。

本文基于典型高速動車組,采用Pathfinder 軟件對典型火災場景下的列車人員疏散時間(即運動時間)進行模擬。通過對高速動車組車廂內人員疏散時間進行分析,可以為典型火災場景下列車車廂內人員疏散方案的優化提供依據。

1 列車模型和人員屬性分析

1.1 列車模型建立

典型的高速動車組為8 輛編組,如圖1 所示。整車長約210.66m,寬3.3m,高3.8m。車廂結構主要分為司機室、一等座和二等座。圖2 給出了典型車廂TC01(一等座)和TP03(二等座)的俯視圖。

圖1 典型高鐵動車組整車模型

圖2 典型車廂俯視圖及點火源位置示意圖

1.2 人員屬性分析

人員疏散受人員的數量、性別、年齡、身體特征和心理行為等因素影響。本文假設列車處于滿載工況(587 人),將乘客按照座椅分布和數量進行排列,其中每節車廂配備1 名乘務人員(共8 人),餐車配備2 名工作人員,司機室配備1 名司機。人員的性別、年齡、身體特征和步行速度參考文獻[2,3]進行設置,見表1。

表1 人員構成比例及行走速度表

考慮到逃生人員在疏散過程中可能會在凹凸不平的地面或鐵軌上行走,其運動速度低于車廂內疏散速度。根據GB 50016-2014《建筑設計防火規范》[4]規定,人員在凹凸不平的地面或者臺階上疏散的速度大致為在平地上疏散速度的86%,因此,當人員經過隧道內疏散平臺、踏板和月臺間隙時,人員疏散速度的折減系數可取值為0.86。根據劉棟棟等[5]對北京地鐵實地調查統計得到的行人基本特征數據,人員在下樓梯運動速度約為平地上疏散速度的60%,因此,當人員通過逃生梯時,人員疏散速度的折減系數可取值為0.60。

2 疏散場景設計及模擬方法

2.1 火災場景設計

車廂內部典型可燃物為座椅、地板布、墻板等內飾材料,其中座椅的火災荷載超過整體車輛的30%,是主要的可燃物[6]。此外,動車上電氣設備繁多,電氣故障也會產生較大的點火能量,引發電氣設備及周圍可燃物的燃燒。因此,本文的點火源設置在列車中部座椅和二位端電氣柜,并分別選取典型車廂TC01 和TP03 車廂進行模擬,其中TC01 車廂包括商務座和一等座,TP03 車廂為二等座,點火源位置示意圖如圖2所示。

2.2 疏散模擬場景設計

根據人員疏散要素,結合典型動車組列車結構特征和具體運行環境(預計隧道60%、高架20%、地面20%)制定模擬場景,并對外部環境場景、內部環境與人員設計場景做出如下假設和說明(見表2)。

表2 人員疏散模擬工況表

關于外部環境場景,有如下假設和說明:

(1)按照一般緊急預案原則,車廂某部位著火后,需要結合火勢和車輛損壞程度,判斷是否繼續運行。當車輛運行至安全停車地點時,除著火車廂的車門封閉外,乘客可從其他車輛的車門進行疏散。

(2)對于站臺疏散場景,假設乘客僅從列車單側門進行疏散。

(3)對于隧道內緊急停車疏散場景,若軌道一側有疏散平臺,則乘客沿著疏散平臺疏散至安全地點。若軌道無疏散平臺,則需借助逃生梯疏散到地面,此時外部車門均不能通過。

根據實際情況,本文假設列車上的應急逃生設施放置在1、4、5、8 號車廂端部的備品柜內,不考慮轉移逃生設備對人員疏散的影響,在仿真中假設應急逃生設施可以順利轉移至架設位置。

關于內部環境與人員設計場景,有如下假設和說明:

(1)著火車廂封堵后,考慮火勢擴大風險和人員安全,車廂兩端的外部車門均不能通行。

(2)忽略打開車門所花費的時間；進行軌道面逃生梯疏散仿真時,忽略架設所花費的時間；將乘客完全轉移出著火車廂并下車后定義為安全。

2.3 人員安全疏散模擬方法

本文采用Pathfinder 進行人員疏散運動時間模擬。Pathfinder 是由美國Thunderhead engineering 公司開發的一個基于人員進出和運動的模擬器。Pathfinder 可以導入CAD、FDS 模型,Pathfinder 的人員運動模式包括SFPE 模式和Steering 模式[3]。SFPE 行為是最基本的行為,以流量為基礎的選擇意味著人員會自動轉移到最近的出口。人員不會相互影響,但是列隊將符合SFPE 假設。這種模式基于SFPE 工程指南:人類行為利用空間密度確定運動速度。Steering 模式使用路徑規劃、指導機制和碰撞處理相結合控制人員運動。如果人員之間的距離和最近點的路徑超過某一閾值,可以再生新的路徑,以適應新的形勢。Pathfinder 利用計算機圖形仿真和游戲角色領域的技術,對多個群體中的每個個體運動都進行圖形化的虛擬演練,從而可以準確確定每個個體在災難發生時最佳疏散路徑和逃生時間。

Pathfinder 不受模擬環境的限制和網格大小的制約,可以計算每個乘客獨立運動并給予了一套獨特的參數(最高速度、出口的選擇等等),能夠很好地應用到軌道列車車廂內部,模擬車廂內部的狹長空間。在實際列車人員疏散中,人員運動行為復雜,Steering 模式能更為合理地模擬人員疏散行為,因此本文采用Steering 模式進行模擬。

3 疏散結果及分析

3.1 列車停靠在站臺環境下的疏散時間

通過對典型火災場景下的人員疏散時間進行模擬,記錄不同場景下的疏散時間,包括起火車廂疏散時間和整車疏散時間,結果見表3。由模擬疏散時間可知,在正常無火災情況下,所有人從車內往站臺上疏散需78.3 s。

表3 不同模擬場景中人員的疏散時間統計表

當列車處于停車狀態且停靠在站臺時,即乘客已經上車但暫未發車或者列車剛到站,此時若TC01 中部座椅著火(場景2),全部人員疏散到站臺的時間為79.5 s,該時間與場景1 正常情況下緊急疏散時間相近,這可能是由于著火位置位于TC01 車中部且該工況下未減少疏散出口,因此沒有造成乘客聚集擁堵情況。當著火位置位于TC01 二位端電氣柜時(場景3),整車人員最終到達站臺時間更久,需要147.0 s,是場景2 所需時間的1.85 倍。TP03 車廂電氣柜著火(場景4)所需的整車人員疏散時間與場景3 的所需時間相近,但場景4 所需的整車疏散時間是TP03 車中部座椅著火時間的1.62倍。

當列車發生火災時,著火車廂的出口可能無法通行,且相鄰車廂的部分車門也可能被封鎖,由此導致可用疏散出口數量減少,最終使得人員疏散時間相比于正常情況下的下車要更久。當列車端部發生火災時,端部著火使乘客只有一個方向可供轉移,大量人員擁堵在走廊內或座椅過道區等待轉移,因此端部著火所需的整車疏散時間要高于中部座椅所需的疏散時間。

3.2 列車運行狀態著火并停靠至站臺場景下的疏散時間

當列車運行過程中著火且不具備立即停車疏散的條件時,著火車廂的人員優先往相鄰安全車廂轉移,最后停留在安全車廂的走廊、通過區和其他非座椅區位置。當列車運行若干時間并到達安全站點時,人員再疏散至站臺。

在著火位置分別位于TC01 中部座椅(場景12)、TC01二位端電氣柜(場景13)、TP03 二位端電氣柜(場景14)、TP03 中部座椅(場景15)時,人員從著火車廂轉移至安全車廂的時間分別為32.8 s、51.2 s、154.3 s、77.1 s。對比人員從著火車廂轉移到其他車廂的疏散時間可知,TC01 端部著火所需人員疏散時間是TC01 中部著火所需疏散時間的1.56倍,而TP03 車端部著火所需人員疏散時間是TP03 中部著火所需疏散時間的2.0 倍。出現這種現象的原因與3.1 節中所述原因類似,即當列車端部發生火災時,乘客只有一個方向可供轉移,人員易擁堵在走廊內或座椅過道區。在這種場景下,相鄰安全車廂的過道等疏散通道不能有行李等阻礙物,否則會增大人員轉移到安全車廂的疏散時間。最終列車運行若干時間后到站,上述四種場景列車內所有人下車所需時間分別為93.5 s、147.0 s、135.8 s、122.0 s。

3.3 列車停靠在非站臺環境下的疏散時間

當列車在隧道等非站臺環境下著火且立即停車疏散,在著火位置分別位于TC01 中部座椅(場景6)、TP03 二位端電氣柜(場景8)、TP03 中部座椅(場景10)三種情況下,若采用疏散平臺進行疏散,所需疏散時間分別為496.8 s、481.5 s、488.5 s,要遠高于場景2、場景4 和場景5 在站臺直接疏散的時間；若采用逃生梯方式進行地面疏散,則所需時間分別為1016.0 s(場景7)、621.0 s(場景9)、626.5 s(場景11),即采用逃生梯方式所需疏散時間遠多于相同工況下采用疏散平臺或站臺直接疏散的所需時間。

相比于站臺環境,非站臺環境下如隧道環境中疏散平臺寬度比站臺寬度更小且逃生梯數量有限,乘客只能排隊等待疏散,且乘客本身因素(如行走速度)也會影響整個疏散過程,因此非站臺環境下采用疏散平臺或逃生梯進行疏散的時間要遠高于直接在站臺進行疏散的時間。在非站臺停車環境下,采用疏散平臺和逃生梯進行疏散時,采用疏散平臺進行疏散時乘客可以直接從開啟的車門處疏散至疏散平臺,而當采用逃生梯進行疏散時,逃生梯作為唯一出口,其數量少于車門,因此導致疏散效率降低,疏散時間要高于采用疏散平臺的疏散時間。

4 結論

本文對典型高速動車組典型火災場景下不同車輛運行狀態和疏散地點下的人員疏散時間進行模擬分析,得到以下結論:

4.1 在正常無火災情況下,所有人從車內往站臺上疏散需78.3 s。

4.2 火源位置和可用疏散出口數量是影響人員安全疏散的重要因素。當列車停靠在站臺環境時著火或在運行過程中著火,TC01 或TP03 端部著火人員所需疏散時間是中部著火所需疏散時間的1.5 倍以上。

4.3 在非站臺停車環境下,使用逃生梯要比采用疏散平臺的疏散方式所用時間更多。對比場景8 與場景9、場景10與場景11,使用疏散平臺要比采用逃生梯的疏散方式所用時間分別降低22.5%和22.0%。