基于Netlogo的大型客運汽車人員疏散模擬

韓心星， 李舒

(1.清華大學合肥公共安全研究院, 合肥 230601； 2.災害環境人員安全安徽省重點實驗室， 合肥 230601)

公路客運作為一種最常見的交通運輸方式，以其快捷、方便的特點，成為客運方式中不可或缺的一部分[1]。大型客運汽車由于載客量大，依然是中長途公路客運中采用的重要交通工具。一旦出現異常情況，例如發生地震導致的建筑倒塌、路面破壞、山體滑坡、橋梁垮塌及車輛交通事故等，客車內的人員疏散就顯得尤為重要。采用人員演習來探究疏散規律，會浪費較大的人力、物力和財力，而采用計算機仿真技術去模擬人員的疏散規律，可以使得研究更便捷，成本更低廉，不失為一種行之有效的研究方法[2-3]。

關于人員疏散仿真模擬，中外學者做了大量研究。國外學者Von Neumann[4]提出元胞自動機模型；Helbing等[5]提出社會力模型；Okazaki等[6]提出磁場力模型；Muramatsu等[7]提出格子氣模型，通過設置一定的規則去模擬人群的疏散行為。隨著計算機技術的進步，伴隨出現了Legion、Simulex等多種仿真系統平臺[8]。國內學者在該方面研究較晚，在上述理論的基礎上做了拓展和創新[2]；陳長坤等[9]基于元胞自動機方法，研究了人群疏散過程中恐慌情緒的影響；魏詩雨等[10]引入惶恐系數和集體關系因素對傳統社會力模型進行改進，利用AnyLogic軟件對飛機火災下的旅客疏散進行了一體化仿真；趙銳等[11]利用Pathfinder軟件模擬化工企業廠區內人員的應急疏散路徑，得到高危區、中危區和低危區的員工疏散時間；張瑩等[12]采用NetLogo軟件對教室內學生的疏散過程進行研究，探索了不同學生人數、不同出口下的疏散時間。目前關于大型客運汽車內人員疏散的相關研究特別是仿真模擬研究較少，只有部分學者如張碩等[13-14]進行了大型客車乘客疏散特性與制約因素試驗研究以及大型客車事故人員逃生決策模型研究。而基于多智能體的仿真工具NetLogo可以在后臺通過編程設置主體的屬性和運動規則去模擬主體的疏散行為，對于由若干個體構成的較復雜系統的運行機制[15]有著很好的適用性。

因此，現基于NetLogo軟件對大型客運汽車的人員疏散場景進行仿真模擬，探究不同載客人數、不同疏散方案下的人員疏散規律。

1 Netlogo軟件簡介

Netlogo軟件[16]是由美國西北大學研發設計的模擬仿真平臺，其實體主要包括海龜(Turtles)、瓦片(Patches)、鏈接(Links)和觀察者(Observer)，能夠模擬個體之間以及個體與環境之間的交互作用[2,17]。其中海龜是被用戶賦予不同屬性的自由移動個體，瓦片是海龜按照一定運動規則運動的網格環境，鏈接一般鏈接兩個主體表示他們之前的邏輯關系或最短距離，觀察者能夠通過輸入指令控制主體行為[2,17]。該軟件既繼承了Logo語言的基本特征，又彌補了Logo語言只能控制單個個體的缺陷[2,17]，能夠有效地對社會和自然中的宏、微觀現象進行模擬，特別適合模擬隨時間變化的復雜系統。

2 大型客運汽車疏散模型建立

2.1 疏散環境

選取載客38人(含司機)的大型客運汽車作為研究對象進行疏散仿真。首先需要將客運汽車內部疏散環境抽象成由一系列瓦片組成的二維網格。基于我國男、女性的肩寬及胸厚尺寸[18]及客車內部實際情況，將每個網格設置為0.4 m×0.4 m，每位乘客占據一個網格，每個座椅占據一個網格，過道寬度設置為0.4 m，乘客疏散門寬度設置為0.8 m，具體疏散環境如圖1所示，其中橙色部分表示座椅，粉紅色部分表示出口前的疏散樓梯區域。

2.2 乘客屬性及運動規則設置

(1)乘客位置。乘客的位置設置在座椅前方的深藍色區域，以其所處的網格坐標表示。

(2)乘客疏散規則。乘客疏散皆遵循如下規則：首先從座椅前方移動到座椅旁邊的過道區域，然后移動到疏散出口(前門或后門)前的過道區域，最后由疏散口前的疏散樓梯完成疏散。這里將客車內部環境劃分為A、B、C三個區域，將A區域乘客定義為后部乘客，B、C區域的乘客定義為前部乘客，如圖2所示。假設在實際疏散過程中存在下列幾種疏散方案，①方案1：所有乘客皆從前門疏散；②方案2：所有乘客皆從后門疏散；③方案3：A區域和B區域的乘客從后門疏散，C區域的乘客從前門疏散；④方案4：A區域的乘客從后門疏散，B區域和C區域的乘客從前門疏散。

圖1 客車內部疏散環境Fig.1 Evacuation environment inside the passenger bus

圖2 客車內部疏散環境區域劃分Fig.2 Division of evacuation environment areas inside the passenger bus

(3)乘客移動速度。當乘客從座椅起身，移動到中間過道時，其速度較慢，同時考慮網格尺寸大小為0.4 m×0.4 m，將速度設置為0.4 m/s；當乘客從座椅旁邊的過道區域向出口前的過道區域移動時，由于行人疏散時的平均速度通常為1～1.2 m/s[18]，但在實際客車疏散過程中，會受到中間過道兩側的乘客影響(兩側乘客有步入中間過道的傾向)，在一定程度上會遲滯疏散速度，同時考慮到網格的尺寸大小，這里將速度設置為0.8 m/s；當從出口前的疏散樓梯疏散時，由于下樓梯的速度較慢，考慮到網格的尺寸大小，將其速度設置為0.4 m/s。另外，在所有的疏散過程中，如果前方的位置有人占據，則在原位置保持不動，待前方乘客離開后再向前移動。

3 模擬結果分析

3.1 不同載客人數下疏散全部人員

按照上述疏散規則進行疏散，當載客人數分別為7、14、21、28、35、38人(本文皆包含司機)時，比較4種疏散方案下的疏散效果。除了司機固定座位外，其他乘客上車后所坐的位置隨機分布，這里為減小乘客隨機選座的影響，不同載客人數、疏散方案下分別以模擬10 000次的疏散時間的平均值作為該方案下的疏散時間。每種疏散方案下疏散完不同人數所用時間如圖3所示。

由圖3可知，采用方案1和方案2，其疏散時間要大于方案3和方案4的疏散時間，表明單車門的疏散時間要大于雙車門的疏散時間，單車門疏散時風險更大。故客車在突發事件發生時為節省疏散時間，要盡可能保證兩扇車門都能正常打開。

圖3 不同疏散方案下疏散全部人員的疏散時間Fig.3 Evacuation time for evacuating all personnel under different evacuation schemes

對于單車門疏散，比較方案1(全部從前門疏散)和方案2(全部從后門疏散)可知，方案1的疏散時間多于方案2的疏散時間，且隨著乘客數量的增加，相對于方案1，方案2的疏散效果越好。這主要是因為，當所有乘客皆從前門疏散時，位于客車后部的乘客離前門較遠，完全疏散需要較長時間。所以單從前門疏散比單從后門疏散，其帶來的風險更大。

對于雙車門疏散，比較方案3(前部乘客分開疏散)和方案4(前部乘客從前門疏散、后部乘客從后門疏散)可知，方案3的疏散時間皆大于方案4的疏散時間，這主要是因為采用方案3，雖然B區域的乘客離后門較近，但B區域乘客和A區域的乘客皆從后門疏散，會帶來很大的疏散壓力，由于疏散門寬度有限，后門疏散的乘客需要排隊等待疏散，會增加疏散風險。

3.2 不同載客人數下疏散相同人數

上文分析了不同載客人數下疏散全部人員對疏散效果的影響，這是從疏散的整體層面去評估疏散效果，現在分析疏散過程中的疏散規律。當載客人數分別為7、14、21、28、35、38人，分別疏散7、14、21、28、35人時，比較4種疏散方案下的疏散效果。為減小乘客隨機選座的影響，仍然以模擬10 000次的疏散時間的平均值作為該方案下的疏散時間。不同載客人數下采用不同疏散方案，疏散相同人數所用時間如圖4所示。

圖4 不同疏散方案下疏散相同人數的疏散時間Fig.4 Evacuation time for evacuating the same number of people under different evacuation schemes

由圖4可知，不同載客數下，疏散相同人數其疏散時間隨著載客數的增加而減小，主要是因為載客數較少，乘客隨機分布，部分乘客離疏散口較遠，疏散起來會耗費較長時間。當載客數越來越多時，鄰近疏散口的最先疏散，疏散所需時間越來越少。

由圖4可知，對于單車門疏散，無論載客多少人，疏散多少人，方案1(從前門疏散)的疏散時間皆大于方案2(從后門疏散)的時間，主要也是因為全部從前門疏散，位于車輛后部的乘客到前門所用的時間較長，故采用方案2疏散，其疏散風險較小。

由圖4(a)和圖4(b)可知，當疏散人數不多(例如疏散7人、14人時)，隨著乘客人數的增加，采用方案3疏散所用的時間先大于后小于采用方案4所用的疏散時間。這主要是因為載客人數不多時，乘客為避免擁擠，會隨機坐在車輛的各個位置。當疏散時，A區域和B區域的乘客很可能會在較短時間范圍內于后車門附近(包括鄰近后車門的過道)聚集，需要排隊進行疏散，增加了疏散時間。但當載客數較多，疏散人數又不多時，此時靠近疏散口的乘客率先疏散，采用方案3，B區域的人離后門較近，從后門疏散可以節省疏散時間，故采用方案3的疏散時間較少。

由圖4(c)～圖4(e)可知，當疏散21、28、35人時，采用方案3的疏散時間皆大于采用方案4的時間，這主要是因為，疏散人數較多，采用方案3，A區域和B區域的乘客會在后門附近排隊進行疏散，導致疏散時間增加。

3.3 具體疏散過程風險

在乘客疏散過程中，除了要對不同載客數下，疏散全部人員以及疏散相同人數的疏散規律進行研究，還要對特定載客人數下，疏散全部人數的具體疏散過程風險進行分析。分別選取載客28、35、38人，整個疏散過程中每多疏散7人所增加的疏散時間如圖5所示。

由圖5可知，在疏散過程中，每次疏散相同人數，其新增疏散時間存在較大變化。采用方案1時，每疏散7人，其新增疏散時間先上升后逐漸穩定，說明疏散新增風險越來越大，最后基本保持恒定。這主要因為方案1是所有乘客皆從前門疏散，首先鄰近前門的乘客先疏散，離前門較遠的位于汽車后部的乘客逐步向前門移動，故每疏散7人其新增疏散時間會逐漸增大，直至剩下乘客皆在前門附近(包括鄰近前門的過道)排隊疏散，此時新增疏散時間逐漸趨于穩定。

圖5 每次疏散7人所用時間Fig.5 Time spent evacuating 7 people each time

采用方案2時，每疏散7人，其新增疏散時間先減小后逐漸增大，說明疏散新增風險先降低后上升，是因為剛開始鄰近后門的乘客先疏散，第一次疏散7人時，這7人還要從座位起身走到后車門。第二次疏散7人時，由于離后門不遠，他們已經在后門附近等待疏散，所以新增疏散時間會減少。接著，離后車門較遠處的乘客會在座椅前方或過道中排隊走向后門完成疏散，其新增疏散時間又呈上升趨勢。

采用方案3和方案4時，每疏散7人，剛開始的新增疏散時間近似穩定或下降，后面新增疏散時間逐漸增加。其主要原因和采用方案2時類似，這里不做贅述。只是在圖5(a)中，當載客28人，采用方案3時，第二次疏散7人增加的時間比第一次疏散7人的時間略高一點，這可能是因為載客人數并不是很多時，乘客隨機分布。第二次疏散的7人從離后門較遠處逐步聚集到后門完成疏散，故疏散增加的時間略微偏高。

4 討論

基于Netlogo軟件對載客38人的大型客運汽車內的乘客疏散規律進行了初步探索，得到了一些規律，例如，雙車門疏散的風險小于單車門疏散的風險；單車門疏散時，后門疏散風險小于前門疏散風險；雙車門疏散時，前部乘客從前門疏散、后部乘客從后門疏散的風險小于前部乘客分開疏散的風險等等。這些研究結果也為平時的客車(包括車門)的維護保養以及突發情況下車內的人員應急疏散提供建議。但該研究只是基于人員疏散的一般行為特征所做的仿真模擬，沒有考慮人員角色(包括性別、年齡、文化程度)差異、人員心理(從眾、競爭、恐慌等)、是否有應急疏散經歷等因素的影響。另外，基于Netlogo軟件本身網格分布特點，對客車內的疏散環境的建立基本能反映客車內實際情況，但也有微小差異，在將來的研究中，這些因素都應該考慮在內，使模擬仿真更接近現實，更好地支撐大型客運汽車的應急疏散。

5 結論

(1)單車門疏散時，完成疏散采用方案2(全部從后門疏散)所用的疏散時間小于采用方案1(全部從前門疏散)所用的時間，且隨著乘客數的增加，方案2的疏散優勢越來越明顯。

(2)雙車門疏散時，其疏散時間皆小于單車門疏散時間。完成疏散采用方案4(前部乘客從前門疏散、后部乘客從后門疏散)所用的疏散時間小于采用方案3(前部乘客分開疏散)所用時間，且隨著乘客數的增加，方案4的疏散優勢越來越明顯。

(3)不同載客數下，疏散相同人數其疏散時間隨著載客數的增加而減小。且相對于方案1，方案2始終存在疏散優勢。當疏散較多人數時，相對于方案3，方案4存在疏散優勢，疏散風險較小。

(4)在具體疏散過程中，除了采用方案1，其疏散新增風險逐步增大外，采用其他方案疏散，其疏散新增風險一般都是先下降(或近似不變)，后逐漸上升。