地鐵車站人員疏散仿真研究與應(yīng)用

賈崇強(qiáng) 孟亞東 郭華軍

地鐵車站人員疏散仿真研究與應(yīng)用

賈崇強(qiáng) 孟亞東 郭華軍

摘 要：針對地鐵運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)化需求，對換乘車站設(shè)施設(shè)備進(jìn)行分析，結(jié)合社會力模型，利用AnyLogic軟件對突發(fā)事件人員疏散進(jìn)行建模仿真，計(jì)算高峰狀態(tài)下，行人疏散所需時(shí)間，查找各疏散通道仿真時(shí)間，并進(jìn)行二次優(yōu)化，尋求人員疏散最短時(shí)間，進(jìn)一步提高地鐵運(yùn)營企業(yè)突發(fā)事件應(yīng)對的可控力。

關(guān)鍵詞：地鐵車站；行人疏散；仿真

賈崇強(qiáng)：天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，研究生，天津 300222

0　引言

地鐵以其運(yùn)量大、運(yùn)營空間獨(dú)立、乘客舒適度高、方便快捷等一系列優(yōu)點(diǎn)，成為解決大都市交通擁堵的有效方式。

但地鐵運(yùn)營空間封閉且狹小，通風(fēng)條件差，一旦出現(xiàn)突發(fā)事件難以進(jìn)行有效救援。部分城市實(shí)施車牌限號措施，致使地鐵客流量顯著激增；設(shè)備系統(tǒng)不穩(wěn)定；大量新人上崗；網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營管理經(jīng)驗(yàn)較缺乏；社會不穩(wěn)定等因素給正常運(yùn)營帶來嚴(yán)重威脅[1]。因此，突發(fā)事件下的人員疏散研究尤為必要。目前，各地鐵運(yùn)營企業(yè)都以突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案為基準(zhǔn)，定期開展突發(fā)事件應(yīng)對演練，基本滿足“以防為主、治救結(jié)合、綜合治理”的安全工作總方針。

1　建模需求

人員疏散建模仿真是通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成行人模型，運(yùn)用系統(tǒng)動力學(xué)理論，模擬真實(shí)環(huán)境下的乘客行走路徑。現(xiàn)代仿真技術(shù)逐漸邁向模塊化、對象化、智能化，具有精度較高的特征。通過計(jì)算機(jī)虛擬仿真，結(jié)合地鐵運(yùn)營企業(yè)應(yīng)急演練，可以有效地檢驗(yàn)應(yīng)急預(yù)案及演練方案的可行性，同時(shí)對于出現(xiàn)人員疏散瓶頸的區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，進(jìn)一步提高企業(yè)突發(fā)事件應(yīng)對的可控力[2]。

1.1車站設(shè)施設(shè)備

與地鐵車站人員疏散相關(guān)的主要設(shè)施設(shè)備包括通道類設(shè)施及信息類設(shè)施。通道類設(shè)施包括：出入口、站臺、站廳、通道、樓梯、扶梯、閘機(jī)、防火門等；信息類設(shè)施包括：靜態(tài)運(yùn)營服務(wù)標(biāo)識、動態(tài)信息顯示標(biāo)識等[3]。

1.2社會力模型

社會力(Social Force)的概念是由Helbing等人1951年提出的[4]，是以一種虛擬的方式代表行人的社會心理以及行人之間、行人和環(huán)境之間的相互作用。社會力模型是連續(xù)的微觀仿真模型，認(rèn)為行人在運(yùn)動過程中受到行人運(yùn)動驅(qū)動力、行人運(yùn)動排斥力和行人運(yùn)動吸引力三者的影響。它把人視為橢圓體，相比其他模型精確度較高，參數(shù)有物理意義且可被測量，更真實(shí)地反應(yīng)了行人交通特征。

2　人員疏散仿真建模

2.1建模軟件

AnyLogic是一款典型的集成社會力模型的仿真軟件，它支持幾乎所有現(xiàn)有離散事件和連續(xù)建模方法，能夠比較真實(shí)地反映突發(fā)事件時(shí)影響人員疏散的各種因素，比如環(huán)境、人員的心理和生理情況、人員間互相作用及各種安全設(shè)施對人員疏散的影響。由基礎(chǔ)仿真平臺和企業(yè)庫等組成，行人仿真主要依靠其行人庫實(shí)現(xiàn)[5]。

2.2仿真系統(tǒng)組成

仿真系統(tǒng)一般由資源網(wǎng)絡(luò)模塊、流程處理（邏輯）模塊、動畫模塊3部分組成。

資源網(wǎng)絡(luò)模塊主要用于模擬車站乘客集散過程中車站設(shè)備的利用情況，主要包括乘客疏散流程（圖1）。

流程處理模塊主要是為了模擬乘客集散的具體處理過程。車站集散流程對行人流與列車流進(jìn)行模擬，行人流又包括進(jìn)站流及出站流。根據(jù)資源網(wǎng)絡(luò)模塊對進(jìn)出站乘客流程的分析在軟件中嵌入對象（圖2）。

動畫模塊則是為了直觀地反應(yīng)客流在車站內(nèi)移動的情況。該模塊結(jié)合資源網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)車站乘客集散實(shí)際過程的直觀再現(xiàn)，運(yùn)用AnyLogic的布局模塊構(gòu)建動畫組，按照類型分別定義各個分區(qū)節(jié)點(diǎn)（包括通道、檢票閘門等）的位置以及行人流的路線。

圖1　乘客疏散流程圖

圖2　軟件行人疏散邏輯模塊圖

3　應(yīng)急疏散仿真及分析

依據(jù)前述社會力模型和Anylogic軟件的分析，以天津地鐵營口道站為例，針對高峰時(shí)期發(fā)生的突發(fā)事件，建立客流疏散仿真模型并進(jìn)行模擬，尋找疏散時(shí)的瓶頸及問題，進(jìn)行優(yōu)化并提出解決方案。

3.1仿真車站簡介

營口道站位于天津市和平區(qū)營口道與南京路交叉處，是地鐵1號線與3號線的換乘站。由位于道路南北兩側(cè)的出入口、地下站臺、地下站廳、地面集散廳、地面風(fēng)亭和地面變電站所組成。站廳及1號線站臺位于地下1層，3號線站臺位于地下2層。1號線是側(cè)式站臺，站臺寬度5.5 m，并設(shè)有半高安全門。3號線是島式站臺，設(shè)有全高屏蔽門。該站共設(shè)6個出口，較好地滿足了人員疏散仿真的需求。上行雙林方向平面布局圖如圖3所示。

3.2仿真參數(shù)設(shè)置

參考GB50157-2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]及文獻(xiàn)[7～8]，設(shè)置仿真參數(shù)如下：通道行人速度為1.61 m/s、步行樓梯行人速度為0.65 m/s、自動扶梯行人速度為0.35 m/s，行人仿真投影服從[0.2,0.3]上的均勻分布。

天津地鐵1號線車輛為B型車，按照6節(jié)車廂編組，每節(jié)車廂可乘載245人。仿真假設(shè)為高峰極端狀況，設(shè)定列車共載客1 100人，站臺及通道滯留人數(shù)370人。

營口道站上行方向的疏散通道長度設(shè)置如下：通道1長18.8 m、通道2長37.6 m、通道3長50.2 m、通道4長69.2 m。

3.3仿真過程及結(jié)果分析

地鐵車站人員疏散仿真模型主要應(yīng)用Anylogic軟件中的行人模塊，如行人產(chǎn)生模塊、行人走行模塊、行人終點(diǎn)模塊、設(shè)置模塊、行人服務(wù)模塊、行人選擇模塊等。

將現(xiàn)有的營口道站廳層平面圖導(dǎo)入Anylogic中，然后按照真實(shí)的分布對其進(jìn)行修改，主要增加了圍墻、扶梯、自動售票機(jī)、人工售票臺、閘機(jī)等，再按照真實(shí)的客流順序連接好相應(yīng)模塊，進(jìn)行調(diào)試。

仿真假定在地鐵1號線上行方向營口道站發(fā)生突發(fā)事件（如暴力恐怖事件），如圖3所示，需要將該站該列車所有車廂乘客安全疏散至B、C口，其中C口分為C1、C2口。

3.3.1優(yōu)化前仿真結(jié)果分析

運(yùn)行仿真程序，結(jié)果顯示如表1所示。表1中通道1疏散人數(shù)245人，疏散時(shí)間最短，僅為99.2 s；通道2以及通道3疏散人數(shù)相當(dāng)，都為490人，但通道3疏散時(shí)間為220.8 s，疏散時(shí)間較長；通道4疏散人數(shù)245人，疏散時(shí)間為208.2 s。人員疏散結(jié)束時(shí)間是由各通道疏散時(shí)間的最大值為條件的，因而人員仿真疏散時(shí)間為通道3的疏散時(shí)間220.8 s。

行人疏散仿真過程中，站臺行人主要通過各車廂車門前行至各疏散通道。列車6節(jié)車廂共有12個車門均勻分布在站臺，行人按照最短路徑前行至各疏散通道。通過仿真數(shù)據(jù)，可以直觀的得到通道1疏散時(shí)間最短，其余通道疏散時(shí)間相當(dāng)。

圖3　營口道站上行雙林方向平面布局圖

表1　優(yōu)化前各通道疏散行人數(shù)及時(shí)刻表

表2　優(yōu)化后各通道疏散行人數(shù)及時(shí)刻表

圖4　優(yōu)化前行人疏散仿真結(jié)果示意圖

3.3.2優(yōu)化后仿真結(jié)果分析

根據(jù)以上仿真結(jié)果，優(yōu)化方案主要針對通道2及通道3的疏散人群，具體措施為：通過站臺安全管理人員、站廳值班人員引導(dǎo)指示及廣播系統(tǒng)進(jìn)行滾動語音播報(bào)等干預(yù)措施進(jìn)行人群疏散二次分流。將站臺車門5、6即將通往通道2的部分疏散人群分流至通道1；將站臺車門7 ～12即將通往通道3的部分疏散人群分流至通道4，加快疏散人員時(shí)間。

再對優(yōu)化方案進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，運(yùn)行仿真程序，結(jié)果顯示如表2所示。

通過比較優(yōu)化前與優(yōu)化后的通道疏散行人數(shù)及時(shí)刻表（表1、表2）、疏散仿真結(jié)果示意圖（圖4、圖5），可以得到整體行人疏散時(shí)間降至178.2 s，比原方案減少42.6 s，極大提高了行人疏散時(shí)間。優(yōu)化后各通道沒有太大的擁堵區(qū)域，疏散人員數(shù)量基本維持在350～390人之間，疏散時(shí)間大體相當(dāng)，處于147.5 s至178.2 s之間，基本滿足突發(fā)事件條件下的人員疏散要求。合理的進(jìn)行人工干預(yù)措施，加快疏散人員出站，減少疏散時(shí)間，減輕由行人選擇最短路徑的自發(fā)現(xiàn)象造成的擁堵。

圖5　優(yōu)化后行人疏散仿真結(jié)果示意圖

4　結(jié)語

運(yùn)用AnyLogic仿真軟件對地鐵站內(nèi)突發(fā)事件進(jìn)行行人疏散仿真，得出初始仿真運(yùn)行時(shí)間，針對出現(xiàn)的空余通道進(jìn)行優(yōu)化再仿真，最終得到完全疏散行人流的最短時(shí)間，為地鐵運(yùn)營安全部門提供客觀的決策數(shù)據(jù)支持，同時(shí)將該研究結(jié)果運(yùn)用至地鐵運(yùn)營突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案演練實(shí)際中，將極大地減少實(shí)際演練中的較為被動的決策，為疏散行人提供了科學(xué)可靠的新的工作模式，具有省時(shí)省力、資源節(jié)約的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯 凌晨

Study and Application of Simulation of Personnel Evacuation in Metro Station

Jia Chongqiang, Meng Yadong, Guo Huajun

Abstract:Aiming at the metro operational network demand, the paper carries out the analysis on station facilities and equipment, using the social force model and the AnyLogic software to conduct emergency evacuation modeling simulation. The paper makes calculation of the peak state, pedestrian evacuation time required, the evacuation time simulation for all exits, and conducts second time optimization for the shortest evacuation time, and further improves the emergency response capacity of the metro operators.

Keywords:metro station, personnel evacuation, simulation

收稿日期2014-06-19

中圖分類號：U231.92