雙層巴士火災(zāi)事故人員疏散研究

孫 滔,張小曼,任靚蓓,鄭必江

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

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雙層巴士火災(zāi)事故人員疏散研究

孫 滔,張小曼,任靚蓓,鄭必江

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

為提高雙層巴士的安全性，從乘客逃生的角度分析，運(yùn)用Pathfinder構(gòu)建疏散模型，并進(jìn)行模擬分析。研究雙層巴士內(nèi)部樓梯設(shè)計(jì)對乘客疏散的影響，得出將雙層巴士的樓梯寬度從0.8 m增加至1.0 m時(shí)，疏散時(shí)間能夠縮短14.8 s；在前后兩個(gè)樓梯總寬度為1.0 m的情況下，雙樓梯結(jié)構(gòu)比單樓梯結(jié)構(gòu)雙層巴士的疏散時(shí)間縮短20 s。通過引入人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了改進(jìn)雙層巴士的樓梯能夠在一定程度上降低事故帶來的風(fēng)險(xiǎn)，該研究結(jié)果可為雙層巴士的設(shè)計(jì)及火災(zāi)事故人員疏散提供一定的理論基礎(chǔ)。

人員疏散；疏散時(shí)間；Pathfinder；雙層巴士

公交車作為城市公共交通的重要組成部分，具有人員密度大、快速便捷、經(jīng)濟(jì)舒適等特點(diǎn)，成為人們出行的重要交通工具之一[1]。雙層巴士由于具有比單層巴士搭載能力強(qiáng)，觀賞性好等特點(diǎn)，已經(jīng)在北京、上海、深圳、成都、武漢等大城市相繼投入使用，日均運(yùn)客量均達(dá)幾萬人次。但近年來各類城市雙層巴士群死群傷事故時(shí)有發(fā)生，給社會(huì)帶來惡劣的影響和嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失[2]。如2013年3月26日，南非開普敦一雙層巴士發(fā)生事故，導(dǎo)致24人遇難，73人不同程度受傷；2013年9月18日，加拿大渥太華一輛公交車發(fā)生車禍，導(dǎo)致6人死亡，30多人受傷；2014年7月20日，滬昆高速一輛雙層巴士和貨車相撞發(fā)生火災(zāi)爆炸，造成41人死亡，6人受傷。由此可見，公交車一旦發(fā)生事故，人員安全疏散相當(dāng)困難，目前公交車安全疏散的研究主要集中在單層巴士上，針對雙層巴士人員疏散的研究相對較少。而雙層巴士作為公共交通的組成部分，由于其具有人員密度大和空間密閉的特點(diǎn)，一旦發(fā)生火災(zāi)等事故，人員難以及時(shí)疏散，極易造成重大傷亡事件。如何提高雙層巴士人員疏散效率，確保緊急情況下人員的安全性，已成為現(xiàn)階段亟待解決的問題。

1 構(gòu)建模型

1.1 疏散軟件原理

Pathfinder是一套專門用于人員疏散模擬仿真的軟件，目前廣泛應(yīng)用于火災(zāi)、消防性能設(shè)計(jì)和評估中[3]。Pathfinder中的Steering模式能夠通過路徑規(guī)劃、碰撞規(guī)避來控制人員的前進(jìn)[4]。其中，路徑規(guī)劃即路徑選擇，人員根據(jù)當(dāng)前位置和距離閾值來選擇路徑，如選擇最近出口、繞行超越等；碰撞規(guī)避即速度調(diào)節(jié)，如果前方不發(fā)生阻塞，人員傾向于加速到最大速度，如果前方受到無法超越的阻擋，人員可以減速直至停止[5]。Steering模式能客觀形象地反映出火災(zāi)事故情況下公交車疏散過程的特點(diǎn)和乘客逃生的本能，因此，選取其進(jìn)行建模和模擬計(jì)算[6]。

運(yùn)用Pathfinder建模的基本流程大致可以分為3個(gè)步驟[7]：①根據(jù)研究對象的主體構(gòu)建人員疏散的可行域，包括可能會(huì)涉及的房間、門、樓梯、電梯和出口等；②設(shè)定人員屬性，包括人員的肩寬尺寸、受限空間內(nèi)的行走速度、反應(yīng)時(shí)間等；③設(shè)定模擬參數(shù)并執(zhí)行模擬實(shí)驗(yàn)，模擬輸出結(jié)果主要包括各個(gè)時(shí)間各出口對應(yīng)的疏散人數(shù)、門和出口處的疏散統(tǒng)計(jì)信息及3D結(jié)果顯示[8]。

1.2 雙層巴士建模與乘客屬性設(shè)置

筆者以現(xiàn)在普遍使用的大容量城市電動(dòng)雙層公交車為模擬對象，經(jīng)實(shí)際測量，雙層巴士車廂的長×寬×高為13.0m×2.5m×4.2m，車廂座椅尺寸為0.4m×0.4m，前后門開門寬度均為1.1m。雙層巴士內(nèi)部空間可分為前、中、后3個(gè)區(qū)域。前部區(qū)域兩側(cè)分布少量座椅，地面通道連通前車門，但難以滿足雙人并行通過；中部區(qū)域由于樓梯的影響空間最小，兩側(cè)分布適量座椅，地面通道連通后車門，是主要的疏散通道；后部區(qū)域較大，兩側(cè)分布大量座椅，地面通道連通中部區(qū)域，但無法滿足雙人并行通過，是主要的乘坐區(qū)。為獲取安全的疏散結(jié)果，取站立區(qū)乘客的人均占用面積為0.2 m2/人，乘客肩寬設(shè)置為45.58 cm，此時(shí)，人與人直接身體接觸，處于不舒服的狀態(tài)[9]?？紤]常見的雙層巴士座椅分布形式，構(gòu)建雙層巴士的單樓梯和雙樓梯結(jié)構(gòu)模型，分別如圖1和圖2所示。

圖1 雙層巴士單樓梯結(jié)構(gòu)模型

圖2 雙層巴士雙樓梯結(jié)構(gòu)模型

2 人員疏散場景設(shè)置及模擬

雙層巴士人員疏散是一個(gè)復(fù)雜的場景，其影響因素來自各個(gè)方面，如事故發(fā)生的地理位置、乘客的反應(yīng)時(shí)間、車輛能否及時(shí)控制、事故發(fā)生后車門是否損壞、受限空間內(nèi)是否存在乘客傷亡情況及是否能夠利用其他方式逃生等。為避免結(jié)果過于復(fù)雜和不確定，筆者僅從車輛自身結(jié)構(gòu)分析，在構(gòu)建模擬場景時(shí)做出以下假設(shè)：①不考慮災(zāi)害種類、強(qiáng)度和位置，僅從人員疏散運(yùn)動(dòng)的角度分析其風(fēng)險(xiǎn)；②設(shè)定模擬時(shí)各場景人員速度、布局、年齡特征等均一致；③車輛靜止，不考慮車輛停止前的運(yùn)動(dòng)過程；④疏散開始車門即開；⑤不考慮乘客的死傷情況；⑥保守規(guī)定車窗不作為疏散出口。

疏散場景重點(diǎn)討論雙層巴士的樓梯形式對疏散的影響，疏散場景設(shè)置如表1所示，其中3個(gè)場景中前后門開門寬度均設(shè)置為1.1 m。通過對不同場景的模擬，分析制約公交車乘客安全疏散的關(guān)鍵因素，提出有利于雙層巴士人員疏散的結(jié)構(gòu)。

場景1 16.5 s時(shí)一層前半部分疏散完畢情況與各時(shí)刻的人員疏散情況分別如圖3和圖4所示，并在102.8 s人員全部疏散完畢。

表1 疏散場景設(shè)置

圖3 場景1 16.5 s時(shí)一層前半部分疏散完畢的情況

圖4 場景1各時(shí)刻人員疏散情況

場景2與場景3在16.5 s左右時(shí)的人員疏散情況分別如圖5和圖6所示。場景2、場景3各個(gè)時(shí)刻的人員疏散情況分別如圖7和圖8所示。

圖5 場景2 16.4 s時(shí)的人員疏散情況

圖6 場景3 16.5 s時(shí)的人員疏散情況

圖7 場景2各時(shí)刻人員疏散情況

圖8 場景3各時(shí)刻人員疏散情況

3 雙層巴士火災(zāi)乘客疏散風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 雙層巴士乘客可用安全疏散時(shí)間(ASET)的計(jì)算

乘客在進(jìn)行疏散的過程中，疏散時(shí)間的長短決定了風(fēng)險(xiǎn)的大小。乘客能否進(jìn)行安全疏散的關(guān)鍵在于可用安全疏散時(shí)間(available safe egress time，ASET)與必須安全疏散時(shí)間(required safe egress time，RSET)兩者之間的關(guān)系。其中，ASET是指災(zāi)害發(fā)生對人員構(gòu)成威脅所需要的時(shí)間，RSET是指人員疏散到安全區(qū)域所需要的時(shí)間[10]。當(dāng)TASETTRSET，乘客能在受到威脅前全部撤離。因此，當(dāng)雙層巴士發(fā)生火災(zāi)后，出口往往出現(xiàn)人員擁堵情況，全體乘客通過出口的可用安全疏散時(shí)間TASET如式(1)所示。

(1)

式中：P為在受限空間內(nèi)的乘客數(shù)量；N為可用于疏散的出口數(shù)目；V為乘客疏散的平均速度；W為疏散出口的寬度；L為乘客擺臂或攜帶貨物的邊界影響，一般取值為15 cm。在受限空間內(nèi)的人員疏散速度很大程度上取決于人員密度，研究表明當(dāng)乘客密度達(dá)到一定范圍時(shí)，乘客的疏散速度趨于一個(gè)固定值，因此，筆者設(shè)定V=0.8 m/s。

根據(jù)雙層巴士及乘客屬性可知，雙層巴士前后門寬度均為1.1 m；逃生出口數(shù)量2個(gè)；乘客密度為5人/m2；場景1和場景2的乘客總?cè)藬?shù)為132人，場景3的總?cè)藬?shù)為127人，因此根據(jù)式(1)可以得到場景1～場景3的可用安全疏散時(shí)間分別為TASET1=86.0 s，TASET2=86.0 s，TASET3=83.0 s。

3.2 雙層巴士火災(zāi)乘客傷亡風(fēng)險(xiǎn)分析

通過雙層巴士發(fā)生火災(zāi)事故造成的傷亡率來表征火災(zāi)事故給乘客帶來的生命風(fēng)險(xiǎn)的大小。雙層巴士火災(zāi)事故的傷亡率可以通過可用安全疏散時(shí)間對應(yīng)時(shí)刻的滯留人數(shù)和總?cè)藬?shù)之間的比值得到?？紤]最不利情況，假定到達(dá)可用安全疏散時(shí)間后，還沒疏散到指定安全區(qū)域的按傷亡情況處理[11]。具體表達(dá)式為：

(2)

式中：R為火災(zāi)事故帶來的傷亡風(fēng)險(xiǎn)；P為雙層巴士內(nèi)乘客總數(shù)；P′為某一時(shí)刻已疏散的乘客人數(shù)。因此，由式(2)和各場景所需的疏散時(shí)間可得到各場景的乘客傷亡風(fēng)險(xiǎn)：

4 模擬結(jié)果分析

各個(gè)場景的疏散結(jié)果如表2所示，由模擬結(jié)果可知，與場景1相比，場景2的疏散時(shí)間縮短了14.8 s；場景3比場景2的疏散結(jié)果縮短了20 s。結(jié)合圖3和圖5的模擬結(jié)果可知，前門所承擔(dān)的人流量相對較少，在大約17 s過后，二層的乘客基本只通過后門進(jìn)行疏散，前門閑置，這一設(shè)置顯然有明顯的缺陷。增設(shè)場景3，模擬結(jié)果顯示雙樓梯結(jié)構(gòu)緩解了后門疏散壓力，也為雙層巴士突發(fā)事故提供了疏散路徑，縮短了疏散時(shí)間。結(jié)合乘客可用安全疏散時(shí)間與軟件模擬的疏散結(jié)果得到各場景的乘客傷亡風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果表明場景3乘客可用安全疏散時(shí)間大于乘客必須安全疏散時(shí)間，即乘客能夠及時(shí)疏散，不會(huì)造成人員傷亡；場景2較場景1在一定程度上降低了火災(zāi)事故給乘客帶來的傷亡風(fēng)險(xiǎn)。

表2 乘客疏散結(jié)果

綜上所述，雙層巴士通過增加樓梯寬度至1.0 m或增設(shè)樓梯數(shù)目，能不同程度地縮短人員疏散時(shí)間，緩解疏散壓力，對降低火災(zāi)事故風(fēng)險(xiǎn)具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

5 結(jié)論

為提高雙層巴士人員疏散效率，確保發(fā)生事故時(shí)快速有效地疏散，針對雙層巴士的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，筆者研究得出以下結(jié)論：①將雙層巴士的樓梯寬度加大至1.0 m，比樓梯寬度0.8 m的疏散時(shí)間縮短了14.8 s，有效提高了人員疏散的效率；②單樓梯結(jié)構(gòu)的雙層巴士，其前門在17 s后基本閑置，利用率低，后門承擔(dān)了主要的疏散壓力，資源分配不均，存在一定的弊端；③雙層巴士前部車門的瓶頸式結(jié)構(gòu)限制了前車門的疏散能力。因此，應(yīng)該重視前車門的疏散作用，可以將二層的乘客通過增設(shè)樓梯的方式，引導(dǎo)乘客從前門疏散。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在樓梯總寬度均為1.0 m的情況下，雙樓梯結(jié)構(gòu)的雙層巴士比單樓梯結(jié)構(gòu)的雙層巴士的疏散時(shí)間縮短了20 s；④引入乘客傷亡風(fēng)險(xiǎn)，將計(jì)算得到的各場景下乘客可用安全疏散時(shí)間與乘客必須安全疏散時(shí)間進(jìn)行比較，得到場景1～場景3的乘客傷亡風(fēng)險(xiǎn)分別為9.85%、1.25%和0.00%，表明改進(jìn)雙層巴士的樓梯結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上降低事故帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

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SUN Tao:Postgraduate; School of Engineering, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430070, China.

Research on Evacuation of Double-decker Bus Fire Accident

SUNTao,ZHANGXiaoman,RENLiangbei,ZHENGBijiang

In order to improve the safety of double- deck bus, with the help of pathfinder the evacuation model is built, and the simulation analysis is carried out from the angle of the passenger escape. According to study on double-decker bus internal staircase design influence on the evacuation of passengers, the result shows that when the bus stair width increase from 0.8m to 1m, 14.8s can be shorten the evacuation time; when the two stairs total width is 1m, the double staircase structure than the single double-decker bus structure of the staircase evacuation time can be shortened 20s. By introducing the risk of casualties, further validation of the double deck bus to the improvement of the stairs to a certain extent, reduce the risk of accident. This study provides a theoretical basis for the design of double-deck bus and the evacuation of fire accidents.

crowd evacuation; evacuation time; Pathfinder; double-decker bus

2095-3852(2017)02-0158-04

A

2016-12-07.

孫滔(1993-)，男，湖南岳陽人，中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)榘踩抡婕夹g(shù).

X928.7

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.02.008