高速鐵路客運(yùn)站行人疏散特性仿真研究

楊迪

（重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶，400074）

1 高鐵客運(yùn)站應(yīng)急疏散效率影響因素分析

1.1 生理因素

在應(yīng)急疏散過(guò)程中，行人生理因素的差異主要表現(xiàn)在年齡、性別、身體狀況上。一般情況下，20-50歲的成年人要比10歲以下的兒童和60歲以上的老人反應(yīng)迅速，且不同年齡的行人行走速度不同，根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，老人的行走速度大概在0.6-1.2m/s，低于正常青年人的速度[1]。男性和女性在疏散行為的特征方面表現(xiàn)也明顯不同，我國(guó)成年男性的步幅要大于女性，走路的頻率也高于女性，根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料得出，在正常疏散通道內(nèi)男性的平均自由行走速度為1.45m/s，而女性為1.37m/s[2]。除了年齡和性別的影響，行人的身體健康狀況也會(huì)影響疏散效率。比如身體存在殘障或特殊疾病的行人、沉睡中或醉酒的行人，在應(yīng)對(duì)突發(fā)事件時(shí)都難以做出迅速準(zhǔn)確的判斷，也難以及時(shí)采取行動(dòng)措施。

1.2 心理因素

當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，乘客接受到外界環(huán)境的變化，心理狀態(tài)會(huì)跟著發(fā)生改變，主要表現(xiàn)為恐懼心理、焦慮心理、沖動(dòng)和僥幸心理、盲目從眾心理等。而這些心理因素都會(huì)在不同程度上影響行人的疏散效率。因此，具有良好的心理素質(zhì)可以幫助乘客在遇到突發(fā)事件后，保持冷靜的思考，避免因?yàn)楫a(chǎn)生不良心理而導(dǎo)致行為失誤，從而影響整體的疏散效率。

1.3 站內(nèi)環(huán)境和設(shè)施設(shè)備

由于站內(nèi)設(shè)施眾多、客流大量聚集且內(nèi)部空間相對(duì)封閉，造成車站內(nèi)影響客流疏散的因素較多，主要有站內(nèi)空間的布局結(jié)構(gòu)、疏散通道的設(shè)計(jì)和車站管理部門應(yīng)對(duì)緊急疏散的管理等因素。在應(yīng)急疏散中，乘客的疏散流線上總會(huì)遇到一些站內(nèi)設(shè)施設(shè)備，比如檢票口、閘機(jī)、安檢口、樓梯、自動(dòng)扶梯、通道等，由于通過(guò)能力的限制，這些設(shè)施往往會(huì)成為疏散過(guò)程中的瓶頸，造成行人擁堵，降低疏散效率。

2 基于模糊推理的行為決策模型分析

2.1 構(gòu)建隸屬度函數(shù)

本節(jié)主要采用的研究方法是利用Matlab軟件建立一個(gè)三輸入單輸出的模糊推理系統(tǒng)，輸入量分別為生理因素、期望疏散速度、恐慌系數(shù)，輸出量為實(shí)際疏散速度，建立其相互模糊關(guān)系。輸入要考慮的因素有生理因素、期望疏散速度、恐慌系數(shù)，分別用字母A、B、C來(lái)表示；輸出要考慮的是實(shí)際疏散速度，用字母M來(lái)表示。

在生理因素中，可以將行人類別分為成年男性（ADM）、成年女性(ADWM)、老人及兒童(OAC)，對(duì)應(yīng)的比例為2：2：1。那么，生理因素模糊集設(shè)定為

設(shè)定A的論域?yàn)?0,1)，幾個(gè)類別在論域上無(wú)模糊交叉，故設(shè)定隸屬度函數(shù)為 Z/S型。

期望速度模糊集設(shè)定為B={慢速，正常，快速}={S,M,F}，模糊集中三種期望速度的設(shè)定分布在0.8—1.6m/s[3]之間，設(shè)定B的論域?yàn)?0.8,1.6)，由于行人對(duì)期望速度的判定具有模糊性，故設(shè)定高斯型隸屬度函數(shù)。

恐慌程度模糊集設(shè)定為C={較差，普通，較好}={N,M,P,}，文獻(xiàn)[4][5]中對(duì)火災(zāi)中疏散的恐慌現(xiàn)象做了深入研究，對(duì)不同性別、年齡、受教育程度的人群進(jìn)行了恐慌程度分析，推測(cè)其對(duì)疏散速度的影響。本文中設(shè)定恐慌程度的論域?yàn)?0.6,1.0)，恐慌程度較差的行人恐慌系數(shù)取0.6，恐慌程度較好的行人恐慌系數(shù)取1.0，由于恐慌程度的判定具有模糊性，因此隸屬度函數(shù)為高斯型。

對(duì)于輸出量疏散速度模糊集設(shè)定為V={負(fù)大，負(fù)小，中，正小，正大}={NB,NS,M,PS,PB}，實(shí)際疏散速度的論域與期望速度論域的相同，設(shè)定M的論域?yàn)?0.8,1.6)，實(shí)際疏散速度的判定同樣具有模糊性，故設(shè)定高斯型隸屬度函數(shù)。

2.2 構(gòu)建模糊規(guī)則

所謂的模糊規(guī)則，是具有一系列if-then規(guī)則的語(yǔ)句，它們具有式（2）的表達(dá)式：

根據(jù)實(shí)際情況，最后構(gòu)建的模糊規(guī)則如圖1所示。

圖1 模糊規(guī)則的構(gòu)建

2.3 基于MATLAB的模糊仿真的實(shí)現(xiàn)

在MATLAB軟件中模糊邏輯工具箱（fuzzy工具箱）可以實(shí)現(xiàn)Mamdani型的模糊推理系統(tǒng)的構(gòu)建。因此，本文使用fuzzy工具箱來(lái)建立模糊推理系統(tǒng)即FIS。

首先，在MATLAB主界面的菜單中輸入fuzzy命令行，此時(shí)會(huì)彈出一個(gè)FIS編輯器，可以對(duì)系統(tǒng)的輸入變量、輸出變量和模糊規(guī)則進(jìn)行設(shè)置。在完成輸入變量和輸出變量參數(shù)的設(shè)置之后，根據(jù)之前構(gòu)建的模糊規(guī)則，建立一個(gè)模糊推理系統(tǒng)。最后利用規(guī)則觀測(cè)器和曲面觀測(cè)器來(lái)查看模糊規(guī)則的推理和輸出曲面，可以直觀地反映出輸入變量和輸出變量之間的關(guān)系。

圖2 模糊推理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出

圖3 生理因素和期望疏散速度對(duì)實(shí)際疏散速度的影響

圖4 生理因素和恐慌系數(shù)對(duì)實(shí)際疏散速度的影響

圖5 期望疏散速度和恐慌系數(shù)對(duì)實(shí)際疏散速度的影響

根據(jù)觀察并分析上述模糊推理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出圖和輸入與輸出變量的關(guān)系圖可以看出，當(dāng)生理因素取0.5即成年女性，期望疏散速度取1.2m/s即正常速度，恐慌系數(shù)取0.8即心理狀態(tài)處于普通的條件下，實(shí)際的疏散速度為1.11m/s。當(dāng)生理因素取值為0-0.4之間即成年男性，期望疏散速度取值為1.2m/s-1.6m/s之間即快速撤離時(shí)，實(shí)際的疏散速度可達(dá)到最大，有利于疏散；當(dāng)生理因素取值為0-0.4即成年男性，恐慌系數(shù)取值為0.8-1時(shí)，實(shí)際的疏散速度逐漸增大，有利于提高疏散效率；當(dāng)期望疏散速度取值為1.2m/s-1.6m/s，恐慌系數(shù)取值為0.8-1時(shí)，實(shí)際的疏散速度會(huì)越來(lái)越快直至達(dá)到最大，可節(jié)約疏散時(shí)間，對(duì)疏散效率產(chǎn)生有利影響。

3 火災(zāi)場(chǎng)景下的行人疏散實(shí)例仿真

3.1 沙坪壩站站內(nèi)候車層疏散環(huán)境分析

沙坪壩站高架候車層位于地面一層，是行人進(jìn)站候車的主要區(qū)域。高架候車層北側(cè)為進(jìn)站口，北進(jìn)站口有3個(gè)安檢口，行人進(jìn)行安檢后可以直接進(jìn)入候車大廳候車，候車大廳可分為4個(gè)候車區(qū)，北側(cè)兩邊分別設(shè)置1個(gè)安全應(yīng)急通道。東西兩側(cè)分別有5個(gè)檢票口與鐵路站臺(tái)層連接，每個(gè)檢票口有4個(gè)自動(dòng)檢票閘機(jī)和1個(gè)人工檢票通道。為了便于進(jìn)行疏散仿真，并進(jìn)行疏散流線的設(shè)計(jì)，需要對(duì)沙坪壩站高架候車層各區(qū)域的功能進(jìn)行劃分，各區(qū)域劃分示意圖如圖6所示。

圖6 候車大廳區(qū)域劃分示意圖

3.2 基于AnyLogic的火災(zāi)場(chǎng)景疏散模型的構(gòu)建

首先打開AnyLogic仿真軟件，將候車層的高清CAD底圖導(dǎo)入，按照原始尺寸設(shè)置圖片的大小，然后在行人庫(kù)中找到演示模塊的圖像屬性，將該屬性拖入到Main框架下，之后在仿真底圖上添加相應(yīng)的空間標(biāo)記，比如墻、目標(biāo)線和服務(wù)線等，再將其拖動(dòng)到Main框架里，由此來(lái)進(jìn)行候車層物理模型的建立。根據(jù)實(shí)際的疏散流線，可以對(duì)站內(nèi)行人建立相應(yīng)的邏輯模型。如下圖7、圖8所示分別為物理模型構(gòu)建圖和邏輯模型構(gòu)建圖。

圖7 物理模型構(gòu)建圖

圖8 邏輯模型構(gòu)建圖

3.3 仿真結(jié)果分析評(píng)價(jià)

3.3.1 疏散時(shí)間分析

行人的必要安全疏散時(shí)間（RSET）主要包括突發(fā)事件察覺(jué)時(shí)間(taware)、預(yù)動(dòng)作時(shí)間(tpre)和行人疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間(tmove)。設(shè)定taware=10s，tpre=30s。

通過(guò)多次模擬仿真沙坪壩站的火災(zāi)疏散模型，在設(shè)定最高聚集人數(shù)800人和1000人的條件下，當(dāng)站內(nèi)乘客達(dá)到設(shè)定的最高聚集人數(shù)時(shí)，event事件會(huì)觸發(fā)火災(zāi)，便開始疏散，站內(nèi)人數(shù)的變化情況如下圖9，圖10所示。在運(yùn)行疏散模型時(shí)，可以得到疏散規(guī)模分別為800人和1000人的情況下所需要的疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間tmove，根據(jù)必要安全疏散時(shí)間的計(jì)算公式REST=taware+tpre+tmove，得到了兩種疏散規(guī)模下的必要安全疏散時(shí)間示意圖，如下圖11所示。800人疏散規(guī)模經(jīng)10次仿真，可知最大用時(shí)為223s即3min43s，1000人疏散規(guī)模經(jīng)10次仿真，可知最大用時(shí)為226s即3min46s，滿足國(guó)家制定的行人聚集在公共建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)，應(yīng)對(duì)突發(fā)事件時(shí)需要在3min至6min內(nèi)逃生到安全區(qū)域的規(guī)定。

圖9 800人規(guī)模疏散時(shí)間示意圖

圖10 1000人規(guī)模疏散時(shí)間示意圖

圖11 必要安全疏散時(shí)間示意圖

3.3.2 疏散速率分析

分析并統(tǒng)計(jì)各個(gè)疏散出口疏散速率的目的是為了分析各個(gè)疏散出口的疏散能力，兩種疏散規(guī)模的疏散速率統(tǒng)計(jì)圖如圖12、圖13所示。通過(guò)對(duì)疏散速率統(tǒng)計(jì)圖的觀察可以發(fā)現(xiàn)，兩種規(guī)模下各個(gè)疏散出口單位時(shí)間內(nèi)疏散人數(shù)的變化趨勢(shì)大致相同，基本都呈現(xiàn)出先高后低的走勢(shì)。

圖12 800人疏散速率統(tǒng)計(jì)圖

圖13 1000人疏散速率統(tǒng)計(jì)圖

3.3.3 疏散密度分析

在兩種不同疏散規(guī)模的情況下，站內(nèi)行人的疏散密度也會(huì)存在差異，且行人流的速度和密度之間存在著密切關(guān)系。分析在800人和1000人的疏散規(guī)模下獲得的仿真數(shù)據(jù)，能夠得到候車大廳內(nèi)各區(qū)域行人的平均疏散密度示意圖，如下圖14、圖15所示。

圖14 800人的平均疏散密度示意圖

圖15 1000人的平均疏散密度示意圖

由上圖可以看到，候車區(qū)內(nèi)行人平均疏散密度的變化情況與整個(gè)候車大廳內(nèi)疏散過(guò)程的變化情況相符。結(jié)合仿真過(guò)程中行人的密度分布動(dòng)態(tài)圖來(lái)看，在檢票口和應(yīng)急通道出口處都存在一定的瓶頸情況，分析其產(chǎn)生瓶頸的主要原因是行人在此處的通行能力會(huì)受到檢票口尺寸和通道里障礙物的限制，而產(chǎn)生受阻滯留現(xiàn)象。隨著聚集人數(shù)的增加，很可能發(fā)生沖突，導(dǎo)致一定程度的擁擠堵塞。

3.4 優(yōu)化建議

通過(guò)上述對(duì)沙坪壩站火災(zāi)疏散的仿真模擬實(shí)驗(yàn)，在疏散規(guī)模為800人和1000人的情況下，得出相對(duì)應(yīng)的必要安全疏散時(shí)間分別為3min43s和3min46s，總體來(lái)看兩種規(guī)模的疏散效率都比較高，也符合國(guó)家相關(guān)規(guī)定對(duì)于車站內(nèi)行人進(jìn)行安全疏散的時(shí)間要求。但是經(jīng)過(guò)對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)的多次觀察，發(fā)現(xiàn)還是存在一些問(wèn)題影響了總體的疏散效率，繼而提出兩點(diǎn)優(yōu)化建議，可以進(jìn)一步提高沙坪壩站的整體疏散效率。

（1）針對(duì)北進(jìn)站口處的瓶頸區(qū)域，可以提高該處設(shè)施設(shè)備的通行能力，建議將此處出口通道的寬度進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐貙挘员銘?yīng)對(duì)緊急突發(fā)情況。

（2）針對(duì)各檢票口處的瓶頸區(qū)域，可以適當(dāng)增加閘機(jī)的數(shù)量。但是在每個(gè)檢票口處都增設(shè)閘機(jī)的工程量和建設(shè)成本都比較大，所以可以選擇在行人疏散密度較大的檢票口處增設(shè)一臺(tái)閘機(jī)或再開通一個(gè)人工檢票通道，這樣行人對(duì)于閘機(jī)通道的可選性增多，也減少了在閘機(jī)面前排隊(duì)和等待的時(shí)間，以此加快行人的疏散速度。