中低速磁浮列車疏散能力影響因素研究

李 艷，徐銀光，葉 新

（1.中國中鐵二院工程集團有限責任公司科學技術研究院，四川成都 610031；2.西南交通大學交通運輸與物流學院，四川成都 610031）

1 引言

隨著我國城市化進程的加快，行車擁堵、交通事故、環(huán)境污染等問題給現(xiàn)有地面交通帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。中低速磁浮交通技術是世界軌道交通的前沿技術。作為一種新型的城市中低運量軌道交通運輸工具，中低速磁浮交通正以其非接觸式運行方式及其在安全、舒適、環(huán)保、經(jīng)濟、技術、線路適應性等方面的優(yōu)勢，引領著城市軌道交通的發(fā)展方向，受到越來越多城市的青睞[1]。

中低速磁浮系統(tǒng)利用相對設置的車載?U?型電磁鐵與軌道F型鋼軌，在勵磁電流的作用下產(chǎn)生相互電磁吸引力，以實現(xiàn)電磁懸浮支撐與導向。由于通常需要采用高架軌道型式[2-3]，因此為該系統(tǒng)的乘客緊急疏散和應急救援方式設計帶來了全新挑戰(zhàn)。目前國內(nèi)已運營的高架軌道交通系統(tǒng)（如上海高速磁浮系統(tǒng)、重慶跨座式單軌系統(tǒng)、長沙中低速磁浮示范線等）的疏散方式主要有橫向、垂向和縱向救援?3?種[4-5]。這些疏散方式都需要乘客首先從不安全狀態(tài)下的列車內(nèi)疏散離開，因此如何使列車設計滿足乘客快速離開的需求，對整個疏散過程至關重要。本文基于國內(nèi)現(xiàn)有某型磁浮列車設計特點，研究列車的關鍵參數(shù)設置對疏散能力的影響，為中低速、中速磁浮列車設計提供理論依據(jù)。

2 磁浮列車疏散模型

2.1 Anylogic 疏散模型

本研究中乘客疏散仿真模型主要選用國際通用的?Anylogic?疏散模型[6-8]。Anylogic?是俄羅斯?XJ?Technologies?公司研發(fā)的復雜系統(tǒng)仿真軟件，是一款應用廣泛，能夠?qū)﹄x散、連續(xù)和混合系統(tǒng)建模仿真的軟件。在中低速磁浮車輛的疏散仿真里，致力于模擬特定環(huán)境中的乘客疏散情況，而?Anylogic?的乘客庫（Pedestrian?Library）可以在建筑物（如車站、商場）或街道上建立乘客密集地，能較好地實現(xiàn)仿真要求。乘客庫提供了多種乘客仿真模塊，可方便快速地建立乘客仿真流程圖，并根據(jù)乘客庫建立的模型對疏散時間、乘客密度等進行統(tǒng)計。乘客庫采用社會力模型算法，可精確模擬人物心理對行動的影響。軟件提供模板式結構，用戶可從模板庫已有模型中將所需對象拖拉到工作空間中，并對這些模型對象的屬性和相互間的關系進行設置，建模過程直觀快捷。

Anylogic?仿真建模主要包括環(huán)境和行為兩部分內(nèi)容。仿真環(huán)境依據(jù)導入的仿真比例圖繪制，包括墻體（Walls）、等待區(qū)域（PedWait?Area）、服務區(qū)域（PedService?Area）等。乘客行為需要依據(jù)乘客在仿真環(huán)境中經(jīng)歷的先后順序，結合乘客庫模塊（如乘客源（PedSource）、乘客服務（PedService）、乘客移動（PedGoto）、乘客消逝（PedSink））建立流程圖來實現(xiàn)。最后通過結構模塊（PedConfiguration）和場地對象模塊（PedGround）將環(huán)境與行為聯(lián)系在一起，形成一個基本的乘客仿真環(huán)境。

2.2 磁浮列車模型

本研究的列車模型選用目前國內(nèi)較為常用的?3?編組中低速磁浮列車系統(tǒng)，各節(jié)車輛之間相互貫通，列車模型如圖1所示。每節(jié)車單側設置?2?個車門，車門開度1??300??mm。車門從?1?號車開始編號，依次為車門?1～6。

列車疏散場景是指列車在超員載客情況下，車內(nèi)突發(fā)緊急情況或列車出現(xiàn)故障，所有乘客均需從車內(nèi)離開至車站、救援列車上或者沿線的疏散平臺上。疏散過程是指從疏散信息發(fā)出至最后一名乘客疏散出列車的整個過程。疏散時間是反映疏散能力的關鍵量化指標，包括乘客在列車內(nèi)的預反應時間、走行時間和等待時間?3?部分，仿真結果為這?3?部分內(nèi)容之和。

圖1 磁浮列車模型

2.3 疏散人員模型

本文參照國內(nèi)某型磁浮列車的實際載客情況確定了模型中的乘客數(shù)量（表1）。仿真模型中暫不考慮乘客性別、年齡差異，著重考慮乘客的疏散速度和肩寬。

表1 列車載客情況 人

我國成人的肩寬一般在?0.35～0.5??m?之間，考慮乘客身體厚度及其在客室內(nèi)的身體轉(zhuǎn)動等因素，疏散模型中乘客所占空間按均勻分布設定，即設置乘客直徑參數(shù)為uniform（0.4，0.45）m。乘客行走速度亦服從均勻分布，初始速度設置為默認值?uniform（0.3，0.7）m/s。當發(fā)生緊急情況時，人行走的速度會加快，通常設為默認值的?2?倍，即設置緊急情況下乘客的期望速度為?uniform（0.6，1.4）m/s。

3 列車疏散能力影響因素分析

通常，人員疏散方式、疏散路徑、疏散通道、可用疏散空間等都影響著列車疏散能力。對于中低速磁浮列車而言，客室內(nèi)座椅布局方式、疏散路徑、車門布局、車門開度、全列貫通型式、可用車門數(shù)等都影響著單節(jié)車輛的疏散能力，進而影響整列車的疏散能力。

3.1座椅布局方式

目前，國內(nèi)城市軌道交通列車的座椅布局主要有?2種，分別是縱列式布局（地鐵系統(tǒng)選用）和橫縱組合式布局（國內(nèi)某型磁浮列車選用），如圖?2?所示。文中針對中間車同一事故點工況，開展了超員情況下不同座椅布局方式對列車疏散能力影響的仿真研究。

圖2 不同座椅布局的單節(jié)車廂平面圖

圖?2?中，①②表示中間車廂與其他車廂連接的貫通道，③④表示車廂客室門，⑤表示車廂中間行李架位置。

假設當中間車左側發(fā)生緊急事件時（如火災等），左側貫通道不能通行，乘客只能通過右側貫通道和2?個客室門離開車廂。文中對每種工況進行了?20?個數(shù)據(jù)采集，統(tǒng)計結果如圖?3?所示。

圖3 不同座椅布局的疏散時間對比圖

對于中間車，橫縱組合式座椅布局車輛的平均疏散時間為?57.3??s，縱列式座椅布局車輛的平均疏散時間為61.55??s。可見，在可用疏散途徑相同且乘客數(shù)量相同的情況下，橫縱組合式座椅布局的車輛疏散速度更快。

對于橫縱組合式座椅布局車輛，因車輛中部過道較窄，乘客都集中站立在車廂兩端離車門較近的位置，當發(fā)生意外情況時，乘客可快速疏散；對于縱列式座椅布局車輛，其車輛中部過道較寬，可站立較多乘客，但乘客離車門相對較遠，且當座椅乘客站起來行走時，易形成擁擠沖突，因此疏散時間比橫縱組合布局方式的疏散時間長。

3.2 乘客數(shù)

基于國內(nèi)某型磁浮列車采用的橫縱組合式座椅布局，分析了不同載客量（定員和超員）情況下的疏散用時，結果如圖?4?所示。由圖可知，定員?107?人的情況下平均疏散時間為50??s，超員?157?人的情況下平均疏散時間為?57.3??s。在可用疏散途徑相同且座椅布局相同的情況下，乘客人數(shù)越少，擁擠沖突也越少，因此定員情況下的疏散速度更快。

圖4 不同載客量的疏散時間對比圖

3.3 客室門可用狀況

從疏散角度出發(fā)，當緊急事件發(fā)生后，乘客可選擇的疏散路徑越多，疏散的效率會越高?？褪议T可使用的數(shù)量影響整體的有效疏散寬度，客室門的位置影響乘客的疏散路徑長短。文中主要討論列車超員時，客室門不同可用狀況對疏散時間的影響。表2?為各工況下的客室門使用狀況及其疏散模擬結果。

表2 不同客室門可用狀況及其疏散模擬結果

（1）工況?1?定義為有?5?個客室門可供乘客疏散，即?1?個客室門處有火源，包括?2?種情況：頭車?1?個客室門有火源，中間車?1?個客室門有火源（圖?5）。

圖5 工況1火源位置示意圖

（2）工況?2?定義為有?4?個客室門可供乘客疏散，即?2?個客室門處有火源，包括?4?種情況：①一頭車?2?處火源；②中間車?2處火源；③頭車和中間車各?1?處火源；④兩頭車各1處火源（圖?6）。

（3）工況?3?定義為有?3?個客室門可供乘客疏散，即?3?個客室門處有火源，包括?3?種情況：①各節(jié)車廂分別有?1?處火源；②頭車?2?處火源，中間車?1?處火源；③頭車?1?處火源，中間車?2?處火源（圖?7）。

圖7 工況3火源位置示意圖

（4）工況?4?定義為有?2?個客室門可供乘客疏散，即?4?個客室門處有火源，包括?3?種情況：①一頭車和中間車各?2?處火源；②一頭車?2?處火源，另一頭車?1?處火源，中間車?1?處火源；③兩頭車各1?處火源，中間車?2?處火源（圖?8）。

（5）工況?5?定義為僅有1個客室門可供乘客疏散，包括?2?種情況：頭車有?1?個門可疏散，中間車有?1?個門可疏散（圖?9）。

根據(jù)表2?可知，伴隨可用客室門數(shù)量的減少，乘客可使用的總客室門有效寬度減小，單位時間內(nèi)通過客室門的總人數(shù)減少，且乘客在車門附近排隊等待的時間增加，從而導致總疏散時間增加。

進一步分析表2?可知，在可用客室門數(shù)量相同而位置分布不同的工況下，疏散時間有一定差異。這主要取決于乘客在車內(nèi)從初始位置走行至可用車門的距離。乘客越靠近可用車門，越能快速疏散出列車，且對其他乘客的擁擠或排隊影響越小，整體疏散時間就越短。

圖8 工況4火源位置示意圖

圖9 工況5火源位置示意圖

3.4 客室門尺寸

當可正常使用的客室門數(shù)量一定時，客室門尺寸即是影響疏散時間的關鍵，客室門開度大小決定了乘客疏散的有效寬度。中低速磁浮系統(tǒng)的區(qū)間疏散主要依靠軌旁疏散平臺，相比于客室門尺寸，疏散平臺欄桿的型式和尺寸才是決定乘客在區(qū)間橫向疏散的關鍵，這也正是中低速磁浮系統(tǒng)疏散的特殊性所在。為了便于對區(qū)間橫向疏散的影響因素進行分析，文中假定疏散平臺欄桿尺寸與客室門尺寸相當，即當客室車門打開時，乘客可以直接通過欄桿通行至疏散平臺。

文中針對?1?個車門處出現(xiàn)緊急事件的情況，開展了?5?種寬度尺寸對疏散時間的影響分析，分析結果見表3。

表3 不同客室門尺寸對應的平均疏散時間

由表3可知，當客室門尺寸在?500??mm?以內(nèi)時，乘客會在客室門處擁堵形成疏散瓶頸，通行速度很慢。仿真中還出現(xiàn)乘客無法完全疏散，一直在車門處徘徊，導致疏散時間不收斂的情況（圖?10）。

圖10 乘客在客室門處無法完全疏散情況示意圖

客室門尺寸為?550??mm?時，乘客可正常進行疏散，與最大尺寸1??300??mm?時的疏散時間相差?126.6??s。當客室門尺寸為?650??mm，即為1?300??mm?的一半時，乘客疏散時間與尺寸為?1??300??mm時的疏散時間相差?19.45??s。因此，隨著客室門尺寸增大，乘客疏散時間減少；當客室門尺寸增至?650??mm?及以上時，疏散時間的差距不明顯。

3.5 端門設置

在列車?2?個端部設置端門，當緊急情況發(fā)生時，乘客可穿過司機室并通過端門疏散至救援列車或其他安全區(qū)域。文中根據(jù)不同的客室門可使用數(shù)量，比較有無端門情況下的疏散時間，其中司機室門和端門尺寸分別設定為?800??mm（既有結構）和?650??mm（參考其他軌道交通方式），仿真結果如表4?所示。

表4 端門設置對疏散時間的影響

可見，隨著可用客室門數(shù)量的減少，無端門與有端門的平均疏散時間的差值逐漸增大（圖?11），列車端門的重要性越來越明顯。

圖11 有無端門平均疏散時間差值趨勢圖

3.6 司機室門尺寸

乘客在向端門疏散的過程中必須途經(jīng)司機室門，因此司機室門尺寸亦會影響通過能力，仿真結果如表5?所示。

可見，隨著可用客室門數(shù)量的減少，不同司機室門尺寸對應的平均疏散時間的差值將逐漸增大（圖?12），即較大尺寸的司機室門更有利于快速疏散。

圖12 不同司機室門尺寸下平均疏散時間差值趨勢圖

表5 司機室門尺寸對疏散時間的影響

4 結論

通過對中低速磁浮列車的疏散能力進行仿真，發(fā)現(xiàn)客室內(nèi)的座椅布局方式、乘客數(shù)量、客室門可用狀況、客室門尺寸、端門設置及司機室門尺寸等都是影響磁浮列車疏散能力的主要因素：

（1）橫縱組合式座椅布局車輛的疏散能力較縱列式座椅布局車輛更優(yōu)，且乘客數(shù)越多，此優(yōu)勢越明顯；

（2）在可用疏散途徑和座椅布局（橫縱組合式）相同的情況下，乘客人數(shù)越少，擁擠沖突越少，車輛疏散能力越好，乘客疏散速度越快；

（3）在座椅布局和乘客人數(shù)相同的情況下，疏散可用的客室門數(shù)越少，疏散時間越長，且因客室門位置分布的不同，疏散時間有一定差異；

（4）當疏散平臺欄桿可用于疏散的尺寸與客室門尺寸相當、座椅布局和乘客人數(shù)相同的情況下，客室門尺寸越大，乘客疏散時間越少；且當客室門尺寸增至650??mm?及以上時，疏散用時之間的差距將不斷縮短；

（5）當可用疏散客室門數(shù)量不斷減少時，列車端門的重要性不容忽視，且司機室門尺寸越大，疏散能力越強。

從中低速磁浮列車疏散的角度出發(fā)，既有的橫縱組合式座椅布局、定員配備、客室門尺寸設置和司機室門尺寸設置是合理的。若要進一步提高中低速磁浮列車的疏散能力，可考慮增設通行寬度不小于?650??mm?的列車端門并提高列車車門的可靠性，保證緊急情況下列車車門可用數(shù)達?85%?以上，即保證有?5?個可用客室門。為充分保證各種緊急情況下的列車疏散能力，車輛制造廠商還需進一步借鑒地鐵等城市軌道交通方式的設計經(jīng)驗和工程運營經(jīng)驗，綜合考慮各類疏散結構和措施，以確保中低速磁浮交通系統(tǒng)最優(yōu)的疏散能力。

[1]蔡文鋒，徐銀光，李艷.中低速磁浮交通發(fā)展與展望[C].綜合軌道交通工程建設與城市化協(xié)同發(fā)展學術交流會論文集，四川成都，2014.

[2]彭奇彪.中低速磁懸浮交通系統(tǒng)技術及工程應用[J].機車電傳動，2014（3）：6-9，43.

[3]李艷，蔡文鋒，顏華.中低速磁浮線F型鋼軌軌道接頭伸縮調(diào)節(jié)器結構設計[J].城市軌道交通研究，2016，19（1）：118-122.

[4]師維，方從明，楊文學.跨座式單軌交通乘客區(qū)間疏散救援方法[J].都市快軌交通，2008（1）：28-30.

[5]張強，王孔明，張茂帆，等.懸掛式單軌列車乘客區(qū)間緊急疏散方案研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2015（4）：44-47，52.

[6]劉興國.城市軌道交通車站大客流疏散方法研究[D].重慶：重慶交通大學，2016.

[7]胡明偉，史其信.行人交通仿真模型與相關軟件的對比分析[J].交通信息與安全，2009，27（4）：122-127.

[8]魏震.基于行為特征分析的行人疏散模式研究[D].廣東廣州：華南理工大學，2012.

[9]彭奇彪，羅華軍，佟來生，等.中低速磁浮車輛懸浮架的技術特征[J].電力機車與城軌車輛，2012，35（6）：7-11.

[10]馬衛(wèi)華.中低速磁懸浮列車動力學性能計算[R].四川成都：西南交通大學，2011.