大型鐵路客運(yùn)樞紐設(shè)施應(yīng)急能力匹配度研究

劉福華，趙懷民 ，鄧 瑞

（1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 交通與城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 610031）

目前營(yíng)，管我理國(guó)已大經(jīng)型日鐵趨路完客善運(yùn)，樞但紐仍的存規(guī)在劃設(shè)設(shè)施計(jì)應(yīng)和急運(yùn)能力與疏散客流不相適應(yīng)、設(shè)施之間的應(yīng)急疏散能力不匹配的現(xiàn)象，針對(duì)這些情況有關(guān)人員進(jìn)行了一系列探索性研究?！督ㄖO(shè)計(jì)防火規(guī)范》對(duì)一般的普遍性問(wèn)題進(jìn)行了規(guī)定，給出了建筑出入口數(shù)量、安全疏散口、每部樓梯寬度等設(shè)施設(shè)計(jì)的一般要求。美國(guó)的《NFPA130》在軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范中，對(duì)站臺(tái)上人員的疏散時(shí)間及到達(dá)安全點(diǎn)的疏散時(shí)間進(jìn)行了明確規(guī)定：應(yīng)該有充足的出口容量在 4 min 或更短的時(shí)間內(nèi)，將站臺(tái)上的人員疏散完畢。Greenwich大學(xué)開(kāi)發(fā)的人流仿真軟件 Exodus，可以模擬得到疏散總時(shí)間、疏散速度和疏散瓶頸等指標(biāo)，以評(píng)價(jià)建筑物的設(shè)計(jì)是否合乎規(guī)范的要求；F.Kaakai.et[1]運(yùn)用了混雜 Petri 網(wǎng)建模方法。宋衛(wèi)國(guó)等[2]應(yīng)用社會(huì)力模型分析出入口條件及出口瓶頸寬度對(duì)人員疏散的影響，研究出口寬度、出口厚度等建筑結(jié)構(gòu)特征及期望速度等人群特征與疏散時(shí)間之間的關(guān)系。趙光華等[3]利用 Legion 對(duì)北京五棵松地鐵站疏散能力進(jìn)行了分析。國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在緊急疏散狀態(tài)下的行人行為分析和樞紐行人行為仿真方面的研究，針對(duì)樞紐設(shè)施、設(shè)備的匹配度研究主要是應(yīng)用仿真方法對(duì)人員疏散及建筑設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了分析，而針對(duì)緊急狀態(tài)下樞紐設(shè)施、設(shè)備能力匹配度的研究較少。

1 匹配度的概念與測(cè)度方法

1.1 匹配度的概念

匹配度是指事物之間所具有的一致性和擬合程度，對(duì)于樞紐內(nèi)部設(shè)施應(yīng)急能力的匹配度而言，包括樞紐內(nèi)部各類設(shè)施之間的匹配程度、設(shè)施與整體的匹配程度、相鄰設(shè)施間的匹配程度、節(jié)點(diǎn)設(shè)施(如疏散樓梯口、安全出口、出租車乘降站等瓶頸點(diǎn)) 與匯合設(shè)施的匹配程度等。在大型客運(yùn)樞紐中常見(jiàn)多個(gè)設(shè)施匯入單一設(shè)施的情況。其中，多個(gè)匯入的設(shè)施稱為匯合設(shè)施；該單一設(shè)施稱為節(jié)點(diǎn)設(shè)施。例如，多通道連接的一部樓梯，稱多通道為匯合設(shè)施，樓梯為節(jié)點(diǎn)設(shè)施。

在突發(fā)事件下，人員擁擠是大型鐵路客運(yùn)樞紐最嚴(yán)重的安全隱患，其關(guān)鍵是各類設(shè)施及各個(gè)功能區(qū)是否能夠相互協(xié)調(diào)與匹配。樞紐內(nèi)部設(shè)施的應(yīng)急通行能力不能滿足應(yīng)急疏散需求時(shí)，將導(dǎo)致大量人員滯留，甚至引發(fā)二次衍生擁擠踩踏事故。樞紐內(nèi)部的銜接模式，站臺(tái)、通道、出入口和樓梯等的流線設(shè)計(jì)、寬度、布設(shè)方式不妥當(dāng)，都將成為阻礙樞紐內(nèi)人員安全疏散的最大制約因素，影響樞紐內(nèi)部應(yīng)急交通安全。

1.2 應(yīng)急能力與需求匹配度

大型鐵路客運(yùn)樞紐內(nèi)部各類設(shè)施的應(yīng)急能力若不能滿足突發(fā)事件的需求會(huì)影響人員的安全疏散。在緊急情況下人員受事故位置空間結(jié)構(gòu)、事故狀態(tài)、群體行為、心理等因素影響移動(dòng)速度與常態(tài)下的人員平均流量存在區(qū)別[4]，相應(yīng)的設(shè)施通行能力將會(huì)受到影響。應(yīng)急能力與需求匹配度是指緊急情況下樞紐內(nèi)部設(shè)施應(yīng)急通行能力與應(yīng)急需求之間的貼近程度。樞紐設(shè)施的應(yīng)急能力可以用通道類設(shè)施單位時(shí)間的通行能力衡量，按以下公式計(jì)算：

式中：Ny為緊急狀態(tài)下的人員通過(guò)系數(shù)；By為設(shè)施的有效寬度。

緊急狀態(tài)下行人的自組織行為、從眾行為等群體行為明顯，并且疏散對(duì)象大部分是對(duì)建筑不熟悉的行人，故人員緊急狀態(tài)下的群體行動(dòng)能力有別于正常狀態(tài)，根據(jù)《地鐵防火規(guī)范詳解》規(guī)定，緊急狀態(tài)下的群體行動(dòng)能力為：疏散者的平均步行速度為 1.00 m/s，平均樓梯步行速度 0.50 m/s，樓梯流出系數(shù)為 1.3人/(m.s)，水平流出系數(shù)為 1.5人/(m.s)。因此，應(yīng)急能力與需求的匹配度 Py可以用下式進(jìn)行測(cè)度：

式中：Qy為突發(fā)事件下的行人流量，用常態(tài)下各類設(shè)施的設(shè)計(jì)行人流量 Qc乘以相應(yīng)的緊急狀態(tài)影響系數(shù) (修正系數(shù)) α 計(jì)算，匹配度值越高說(shuō)明設(shè)施的緊急疏散能力與應(yīng)急需求的差異越大。

1.3 節(jié)點(diǎn)設(shè)施匹配度

當(dāng)各個(gè)匯合設(shè)施流出率的最大值之和小于節(jié)點(diǎn)設(shè)施的流出速度時(shí)，在該節(jié)點(diǎn)設(shè)施處不會(huì)出現(xiàn)滯留現(xiàn)象；當(dāng)節(jié)點(diǎn)設(shè)施的應(yīng)急通行能力不能滿足匯合設(shè)施的應(yīng)急需求時(shí)將產(chǎn)生人員滯留現(xiàn)象。滯留人員過(guò)多，將給防火分區(qū)隔離等應(yīng)急安全措施帶來(lái)影響，甚至造成擁擠踩踏等二次衍生事故。節(jié)點(diǎn)設(shè)施是疏散過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，故對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)施的匹配度進(jìn)行量度具有重要意義。節(jié)點(diǎn)是樞紐內(nèi)部應(yīng)急疏散流線的連接點(diǎn)和交叉點(diǎn)，其應(yīng)急通行能力應(yīng)與相應(yīng)的銜接設(shè)施相互匹配，能夠在緊急情況下與樞紐設(shè)施系統(tǒng)協(xié)調(diào)匹配。節(jié)點(diǎn)設(shè)施 j 的匹配度 Pj可以用下式進(jìn)行測(cè)度：

1.4 疏散流線匹配度

疏散流線匹配度主要包括單一疏散流線內(nèi)各個(gè)設(shè)施之間的匹配程度和設(shè)計(jì)疏散流線之間的匹配度。緊急狀態(tài)下為保證人員安全，快速將所有人員疏散至安全場(chǎng)所是至關(guān)重要的，故可將疏散時(shí)間作為分析疏散流線匹配度的重要因素。由流線分析可知，疏散完成的總時(shí)間可用人員在各個(gè)設(shè)施的移動(dòng)時(shí)間、滯留時(shí)間表示，用 ti表示疏散流線上 i 設(shè)施的移動(dòng)時(shí)間，tiw表示單一疏散流線內(nèi)部在 i 設(shè)施處的滯留時(shí)間，疏散過(guò)程中最長(zhǎng)滯留時(shí)間為各個(gè)設(shè)施滯留時(shí)間最大值 Tmax，故該單一流線疏散完成時(shí)間 tr可表示為：

疏散流線內(nèi)設(shè)施 i 的匹配度 Pi可以采用下式進(jìn)行測(cè)度：

式中：Pi為樞紐設(shè)施 i 滯留時(shí)間與疏散流線內(nèi)部各個(gè)設(shè)施滯留時(shí)間平均值的比值。該匹配度值越高說(shuō)明該設(shè)施的應(yīng)急能力與流線整體疏散能力的差異程度越大。

大型鐵路樞紐內(nèi)部各疏散流線之間的匹配度用各條設(shè)計(jì)疏散流線 k (k＝1,2,…,m) 上旅客疏散所需的疏散時(shí)間與總疏散時(shí)間平均值的比值表示，其中 m 為設(shè)計(jì)疏散流線的數(shù)量。Pk用公式表示為：

式中：Pk為樞紐各設(shè)計(jì)疏散流線之間的匹配度。該匹配度值越高說(shuō)明設(shè)計(jì)疏散流線之間的應(yīng)急能力與大型鐵路客運(yùn)樞紐整體設(shè)施能力的差異程度越大。

2 設(shè)施能力匹配度優(yōu)化模型

基于大型鐵路客運(yùn)樞紐設(shè)施的應(yīng)急能力與需求匹配度、節(jié)點(diǎn)設(shè)施匹配度、疏散流線匹配度，建立樞紐設(shè)施應(yīng)急能力匹配度優(yōu)化模型，通過(guò)設(shè)施應(yīng)急能力的量化處理，把匹配度問(wèn)題歸結(jié)到目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題上，同時(shí)引入漂移參數(shù)以解決系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性。匹配度優(yōu)化模型的表達(dá)式為：

式中：F 表示目標(biāo)函數(shù)；PY為樞紐應(yīng)急能力與需求匹配度函數(shù)，由各類設(shè)施的應(yīng)急需求匹配度值決定；PI為樞紐疏散流線的總體匹配度函數(shù)，由各流線的匹配度值決定；PJ為樞紐節(jié)點(diǎn)設(shè)施匹配度函數(shù)，由各個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)施匹配度值決定；PK為樞紐內(nèi)各條設(shè)計(jì)疏散流線之間的匹配度，由各條疏散流線間的匹配度值決定；ξ 表示漂移函數(shù)；TA表示安全疏散時(shí)間。

公式⑻表示各條流線的疏散須在安全疏散時(shí)間內(nèi)完成，是基于安全時(shí)間的約束條件。

針對(duì)突發(fā)事件下樞紐的安全保障設(shè)施設(shè)計(jì)，可根據(jù)能力匹配度函數(shù) F 的值對(duì)樞紐內(nèi)部設(shè)施整體匹配度進(jìn)行判別，并進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整以達(dá)到整體設(shè)施的協(xié)調(diào)與匹配。設(shè)施的匹配度可以從兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化和改善：①減少設(shè)施所分配的客流數(shù)量及客流種類，調(diào)整應(yīng)急疏散流線設(shè)計(jì)；②提高設(shè)施能力。前者的主要措施是改變客流組織策略，更改換乘流線，關(guān)閉或開(kāi)啟部分出入口；針對(duì)通道等設(shè)施，為了減少多種客流交織對(duì)通道內(nèi)行人通行的影響，通常會(huì)設(shè)置隔離帶。后者對(duì)于步行類設(shè)施，提高能力的主要方法是改變?cè)O(shè)施幾何參數(shù)，如拓寬通道、樓梯、站廳，增加站臺(tái)面積或增加扶梯數(shù)量；針對(duì)交通服務(wù)類設(shè)施及輔助服務(wù)類設(shè)施，則可以通過(guò)提高設(shè)施的數(shù)量來(lái)提高設(shè)施能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)樞紐設(shè)施應(yīng)急能力匹配度的概念給出了相應(yīng)的測(cè)度方法，通過(guò)匹配度的分析與計(jì)算尋找樞紐內(nèi)部不能滿足應(yīng)急需求的設(shè)施及節(jié)點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算應(yīng)急疏散流線匹配度分析大型客運(yùn)樞紐疏散流線的應(yīng)急能力。在滿足疏散流線安全時(shí)間的要求下，優(yōu)化應(yīng)急能力匹配度、節(jié)點(diǎn)設(shè)施匹配度和疏散流線匹配度，使大型鐵路客運(yùn)樞紐內(nèi)部設(shè)施整體協(xié)調(diào)匹配。

[1]Kaakai F，Hayat S，Moudni.A.El. A hybrid petrinets-based simulation model for evaluating the design of railway transit station[J]. Simulation Modelling Practice and Theory，2007，15(8)：935-969.

[2]宋衛(wèi)國(guó)，于彥飛，陳 濤. 出口條件對(duì)人員疏散的影響及其分析[J]. 火災(zāi)科學(xué)，2003，12(2)：100-104.

[3]趙光華. 行人仿真在奧運(yùn)地鐵站的應(yīng)用研究[D]. 北京：北京工業(yè)大學(xué)，2007.

[4] 劉文婷. 城市軌道交通車站乘客緊急疏散能力研究[D]. 上海：同濟(jì)大學(xué)，2008.