鐵路客運站旅客應急疏散仿真研究

李海鵬，牟瑞芳

（西南交通大學 交通運輸與物流學院，四川 成都 610031）

現(xiàn)代大型綜合交通客運站不僅具有建筑結(jié)構(gòu)復雜、客流量龐大、交通輻射面廣等特點，而且涉及多種交通方式、不同行為 ( 進站、出站、換乘、購票、中轉(zhuǎn)及商務等 ) 客流的組織管理問題。而鐵路車站也從過去的僅滿足運輸功能逐步向集運輸、各種交通方式換乘和服務功能于一體的方向發(fā)展。目前，隨著我國鐵路旅客運輸?shù)陌l(fā)展和客運專線的大規(guī)模建設，越來越多的大型鐵路客運站相繼建成，由于其具有內(nèi)部設備眾多、布局緊湊、建筑材料不盡相同、人員高度密集、流動性大、人員行為多樣性的特點，站內(nèi)一旦發(fā)生突發(fā)事件，特別是在立體化布局設計、人員密度較高的建筑物內(nèi)，在疏散狀況不理想的情況下，人員容易產(chǎn)生恐懼和慌亂，使生命財產(chǎn)更容易受到威脅，帶來極大的負面影響。因此，在充分考慮車站客流集散特點、客流疏散行為影響因素的前提下，對車站的應急疏散進行分析評價，不僅對確保車站的正常運營和提高安全應急能力，而且對確保城市功能的正常運行和廣大人民的生命安全具有重要意義。以大連站為例，利用仿真技術(shù)建立基于 SIMIO 仿真軟件的人員應急疏散仿真模型，并對大連站的站內(nèi)人員應急疏散進行仿真分析評價。

1 應急條件下站內(nèi)人員分析

現(xiàn)代鐵路客運站體現(xiàn)以人為本的設計思想，包含多種功能區(qū)，如售票、候車區(qū)域，商務功能區(qū)( 餐飲店、零售店等 )，行李交付、傳運區(qū)域，以及與運營相關(guān)的設備用房區(qū)域。除此之外，也有一些車站的結(jié)構(gòu)功能更加復雜，如北京南站，地鐵站出入口也在車站涵蓋范圍內(nèi)。因此，目前鐵路客運站內(nèi)的人員構(gòu)成主要包含 3 種：旅客、工作服務人員及其他人員 ( 商店工作人員等 )。為保證鐵路客運站的正常運營，需要有一定的站內(nèi)工作人員及商店服務人員，這部分人員基本上都接受過必要的業(yè)務技能訓練，能夠及時合理地應對站內(nèi)突發(fā)事件；而旅客由于流動性大，人員構(gòu)成復雜，大部分對車站內(nèi)部環(huán)境不熟悉，因而在應急條件下容易造成恐慌，發(fā)生二次事故。

基于站內(nèi)人員數(shù)量大、臨時性及偶然性的特點，可以將鐵路車站內(nèi)的疏散人員看作一個群集[1]，當在有威脅生命安全的事件發(fā)生需要進行疏散時，組成群集的人員個體間相互影響，并且由個體行為影響擴大化產(chǎn)生倍增效應，使人員很難進行理性的思考和決策。在這種情況下，疏散人員的行為特征可以概括為[2-4]：①每個人都希望以自己最快的速度選擇最短的路徑逃生，而且人越了解環(huán)境，越清楚最短路徑的位置；②個人的行為特征如方向、速度可能因周圍其他乘客的行為發(fā)生突變或波動，產(chǎn)生的現(xiàn)象主要表現(xiàn)為從眾行為，即人群往往集中在一個出口處，而忽略其他的出口，使出口處變得擁擠，出現(xiàn)拱形，出口處的人流速度變慢，造成“欲速則不達”的現(xiàn)象。此外，旅客主要分為長途旅客和短途旅客，一般情況下，長途旅客會攜帶數(shù)量較多的行李，在發(fā)生突發(fā)事件時，行李會大大阻礙人員的疏散效率。

通過研究資料[5-6]得出：當人群密度為 1 人/m2左右時，人流遷移流動呈自由流動狀態(tài)，遷移流動的水平速度為V= 1.3 m/s；當人群密度為 2 人/m2左右時，人流遷移流動開始呈現(xiàn)滯留流動狀態(tài)，遷移流動的水平速度為V= 0.7 m/s；當人群密度為5.38 人/m2左右時，人流遷移流動完全處于停滯狀態(tài)，遷移流動的水平速度為V= 0.0 m/s。

2 站內(nèi)旅客應急疏散建模

選取大連站為研究對象，由于大連站候車室內(nèi)設施復雜、布局緊湊，旅客疏散時可利用空間少，人群群聚效應明顯，個體比較難以獨立采取行動，因而可以忽略個體心理反應等次要因素。此時疏散個人的速度將受限于疏散人群的整體移動速度。在這樣的情況下，假設疏散人員的特征相同，疏散人員的步行可以作為“集體步行”對待。同一類空間內(nèi)步行速度一定，但候車室、走廊等水平通道及樓梯等通道的疏散速度不同，應分別對待。

2.1 大連站候車室人員應急疏散概念模型

大連站候車室人員應急疏散概念模型如圖 1所示。

（1）人員生成。一次生成一定量的人員實體，依據(jù)相關(guān)的原則合理地將實體分配到大連站的7 個候車區(qū)和其他位置。

（2）疏散路徑。疏散開始后人員經(jīng)反應判斷后選擇疏散的路徑。疏散路徑形式：初始位置→候車室南入口；初始位置→候車室北入口；初始位置→候車區(qū)檢票口。

（3）到達安全區(qū)域。經(jīng)候車室南北出入口疏散的人流以離開候車室為安全，經(jīng)候車區(qū)檢票口疏散的人流以到達站臺為安全。

2.2 應急疏散速度模型

（1）水平通道上的疏散速度。一般情況下，為了應對可能發(fā)生的重大事故或災害，車站都會預先制訂應急疏散方案。應急方案是指為保證迅速、有序、有效地開展應急與救援行動，降低事故損失而制訂的有關(guān)計劃或方案[7]。在應急條件下，影響站內(nèi)人員疏散效率的因素有很多，如人員、設施設備、管理等。結(jié)合大連站的實際，疏散個人的速度受限于疏散人群的整體移動速度。為了便于仿真參數(shù)的設定，選用木村幸一和 Togawa[8]等人提出的疏散速度函數(shù)作為水平通道上的疏散速度模型，即

式中：ρ是人群密度，V= 人數(shù)/面積，人/m2；V0是常量，m/s；m是人群密度指數(shù)，參考木村幸一的速度模型和 Togawa 的速度模型，V0=1.1 m/s、m= 0.795 4，V0=1.34 m/s、m= 0.800 0。

（2）對于人員在樓梯及自動扶梯上的疏散速度，根據(jù)相關(guān)規(guī)范中規(guī)定的通行能力經(jīng)換算后得出相應的服務時間值。

2.3 應急疏散仿真模型參數(shù)設定

（1）仿真人數(shù)。車站最高聚集人數(shù)是指車站全年上車旅客最多月份中一晝夜在候車室內(nèi)瞬時( 8～l0 min ) 出現(xiàn)的最大候車 ( 含送客 ) 人數(shù)的平均值。將最高聚集人數(shù)的概念引入候車室大客流疏散情況分析，根據(jù)大連站調(diào)研數(shù)據(jù)可知：候車室旅客最高聚集人數(shù)為 4 790 人 ( 不含大連站工作人員及閑散人員 )，在此次仿真模型中取整數(shù) 5 000 人。由《 大連站行車工作細則 》可以查得候車室最多容納 6 593 人，仿真中仿真人數(shù)最大值為 6 500 人。

（2）人群密度參數(shù)。各候車區(qū)人群密度參數(shù)取值如下：一候車區(qū)ρ= 0.05 ×N/330，二候車區(qū)ρ= 0.15 ×N/330，三候車區(qū)ρ= 0.15 ×N/418，四候車區(qū)ρ= 0.15 ×N/286，五候車區(qū)ρ= 0.15 ×N/220，六候車區(qū)ρ= 0.15 ×N/330，八候車區(qū)ρ= 0.15 ×N/528，其他區(qū)域ρ= 0.05 ×N/132；其中N為人群數(shù)量。

（3）各服務設施服務時間參數(shù)。各服務設施的服務時間參數(shù)如表 1 所示。

表1 各設施的服務時間參數(shù)

（4）人員疏散路徑選擇權(quán)重參數(shù)。依據(jù)有關(guān)研究結(jié)果[9]及大連站調(diào)研統(tǒng)計數(shù)據(jù)，得到各候車區(qū)人員疏散時的疏散路徑選擇比例，如表 2 所示。

（5）其他參數(shù)。疏散仿真中人員疏散采取規(guī)定的疏散路徑；候車室所有出入口人員只出不進；所有自動扶梯均設置為下行方向；各候車區(qū)人員疏散時只開放 3 個人工檢票口；對于殘疾人假設在相關(guān)人員協(xié)助下能夠從專用通道疏散，仿真模型中不計其疏散時間；兒童的疏散速度假設在家長的協(xié)助下等同于其家長的速度。

表2 不同位置人員的疏散路徑選擇

3 仿真實驗

根據(jù)大連站的實際情況，分別設計了 4 個實驗，并且每個實驗包含有 4 個方案。其中：實驗 1考慮仿真人數(shù)N對疏散結(jié)果的影響；實驗 2 考慮仿真人數(shù)N對疏散結(jié)果的影響，但在實驗一的基礎上改變了人群密度指數(shù)m和自然速度常量V0的大??；實驗 3 考慮自然速度常量V0對疏散結(jié)果的影響；實驗 4 考慮人群密度指數(shù)m對疏散結(jié)果的影響。各實驗方案如表 3 所示。

表3 疏散設計方案

3.1 實驗 1 仿真結(jié)果

實驗 1 疏散人數(shù)與時間的關(guān)系如圖 2 所示。從圖 2 可以看出，當疏散總?cè)藬?shù)達到 4 500 人左右時，疏散人數(shù)與疏散時間幾乎完全呈現(xiàn)為線性關(guān)系，而且其線性指數(shù)較高。隨著疏散人數(shù)進一步的增加，疏散人數(shù)與疏散時間之間的線性關(guān)系逐步減弱，漸漸表現(xiàn)為非線性關(guān)系。當疏散時間為 5 min左右時，疏散總?cè)藬?shù)已經(jīng)達到了 5 000 人。對實驗1 仿真結(jié)果采用線性差值方法計算，得到大連站6 min內(nèi)可以安全疏散 5 263 人，因而可以得出符合大連站 5 000 人的應急疏散要求。

圖2 實驗 1 仿真結(jié)果

3.2 實驗 2 仿真結(jié)果

實驗 2 疏散人數(shù)與時間的關(guān)系如圖 3 所示。從圖 3 可以看出，當大連站疏散人數(shù)達到 4 000 人左右時，疏散人數(shù)與疏散時間之間也呈現(xiàn)出較為明顯的線性關(guān)系。隨著疏散時間的增加，疏散人數(shù)與疏散時間之間開始呈現(xiàn)為非線性關(guān)系。當疏散總?cè)藬?shù)達到 5 000 人時，所用的疏散時間在 5 min 左右，即實驗 2 也滿足 5 000 人應急疏散要求。

3.3 實驗 3 仿真結(jié)果

實驗 3 仿真結(jié)果如圖 4 所示。從運行結(jié)果可以看出：速度常量與疏散時間之間總體上呈現(xiàn)出一定的線性關(guān)系，速度常量越小，疏散時間用的越長。由于實驗 3 僅有 4 個方案，兩相鄰點之間呈現(xiàn)出 3 種變化，表現(xiàn)為“慢-快-慢”。即V0從 1.34 m/s變化到 1.24 m/s 時，疏散時間增加了 1.32%，變化率為 0.762 1 min/(m/s)；V0從 1.24 m/s 變化到 1.14 m/s時，疏散時間增加 2.32%，疏散時間變化率為1.359 6 min/(m/s)；V0從1.14 m/s 變化到 1.04 m/s時，疏散時間增加了1.73%，疏散時間變化率為 1.036 7 min/(m/s)。

3.4 實驗 4 仿真結(jié)果

實驗 4 仿真結(jié)果如圖 5 所示。從圖 5 可以看出當疏散人數(shù)相同時，人群密度指數(shù)與疏散時間之間表現(xiàn)為較強線性關(guān)系，而且線性指數(shù)幾乎為 0，即選用不同人群密度指數(shù)得出的總疏散時間在圖中幾乎呈現(xiàn)在一條直線上，因而可以得出：當m值在0.795 4～0.800 0 間變化時，人群密度指數(shù)m對疏散時間的影響很小。

圖3 實驗 2 仿真結(jié)果

圖4 實驗 3 仿真結(jié)果

圖5 實驗 4 仿真結(jié)果

3.5 結(jié)果分析

（1）實驗 1 和實驗 2 可以看作是 1 組對比試驗，基于其仿真結(jié)果可以看出：自然疏散速度常量在 1.1～1.34 m/s 取值時，大連站可以滿足 5 000人安全疏散的要求，但實驗1可以在更短的時間內(nèi)完成疏散 4 500 人的任務，如果發(fā)生的突發(fā)事件危險性比較大，宜采用實驗 1 方案；當客流數(shù)超過這一數(shù)值且小于 5 500 人時，若不采取其他措施，則有可能造成旅客的傷亡；當客流在 5 500～6 500 人時，所設計的大連站疏散方案不能滿足安全疏散的要求。

（2）實驗 3 的運行結(jié)果表明，客流群聚效應下的人群自然疏散速度常量與疏散時間之間呈現(xiàn)出負線性關(guān)系，而且人群自然速度常量的取值對安全疏散的總時間影響大，但是僅能證明在一定范圍內(nèi)存在這種現(xiàn)象。

（3）實驗 4 的結(jié)果可以看出：當人群密度指數(shù)m在 0.795 4～0.800 0 范圍內(nèi)取值時，對站內(nèi)人數(shù)疏散時間的影響很小，因而在仿真實驗中可以選取0.800 0 作為參數(shù)。

4 結(jié)束語

基于應急條件下站內(nèi)人員疏散的重要性，分析了疏散時站內(nèi)人員的行為特征。以大連站為例，結(jié)合疏散速度模型，分別設計了實驗，利用 SIMIO軟件進行了模擬仿真，分析得出當站內(nèi)人數(shù)不超過 5 000 人時，大連站可以滿足疏散要求。同時，還得出人群自然速度常量的取值對疏散時間的影響較大，以及人群密度指數(shù)對疏散時間的影響較小。

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