地鐵站密集人群應(yīng)急疏散能力分析模型及仿真

梅艷蘭，謝科范，劉思施，劉 嘉

(1.武漢理工大學 管理學院，湖北 武漢 430070；2.中南財經(jīng)政法大學 信息與工程學院，湖北 武漢 430070)

隨著地鐵的逐漸普及化，地鐵已經(jīng)成為人們?nèi)粘３鲂胁豢苫蛉钡慕煌üぞ撸捎谄淇焖俑咝?、?jié)能環(huán)保、有效避免交通堵塞、方便快捷等優(yōu)勢，因而越來越受到人們的青睞。地鐵站空間狹長受限，人群具有密集性、不均勻性和不可預測性，且大部分地鐵站建于地下，在疏散過程中人群須保持上行狀態(tài)，人群疏散速度較慢。地鐵站應(yīng)急疏散對保障乘客人身安全、應(yīng)對突發(fā)事件至關(guān)重要，而地鐵站的應(yīng)急疏散能力是地鐵應(yīng)急疏散的決定性因素。對地鐵站應(yīng)急疏散能力的研究可以提高地鐵站預防和處置突發(fā)事件的能力，以促進應(yīng)急工作的持續(xù)改進，進而提高應(yīng)急救援水平。

目前針對人群密集場所應(yīng)急疏散能力的研究主要集中在3個方面。①對疏散能力影響因素的研究。任常興等[1]認為，疏散通道、疏散設(shè)施、人員聚集特性、應(yīng)急疏散管理等因素是影響人群密集場所應(yīng)急疏散能力的主要因素。張儉讓等[2]以更宏觀的角度將應(yīng)急疏散能力因素歸結(jié)為人員、建筑、環(huán)境、交通和管理五大類因素，認為針對地鐵站發(fā)生火災(zāi)的特殊情況，應(yīng)著重考慮客流疏散的過程參數(shù)、車站的應(yīng)急組織能力、引導設(shè)備設(shè)施的完善程度、火災(zāi)現(xiàn)場條件影響等因素[3]；同時疏散時間、疏散距離及疏散密度也是不容忽視的重要因素[4]。王以恒[5]從疏散設(shè)施、應(yīng)急設(shè)施和管理因素3個方面的29個因素構(gòu)建指標體系，并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算方法和 MATLAB軟件對北京市9個地鐵站的應(yīng)急疏散能力進行了仿真評估。俞峰等[6]建立了包含5個指標和23個因素的飛機客艙疏散能力評估體系，并通過集對分析確定疏散能力等級。HELBING等[7]認為由于信息不對稱容易造成“快即是慢”的現(xiàn)象，提出信息因素也是影響應(yīng)急疏散能力的因素之一；行人的速度、方向的選擇[8]，以及火災(zāi)中煙氣的走向、人員速度、對出口的選擇[9]同樣制約人群疏散能力。劉朝峰等[10]選取速度、時間負荷裕度、空間負荷裕度、暢通可靠度、行程時間可靠度5個因素，構(gòu)建了基于智能優(yōu)化的應(yīng)急疏散道路自主評價模型。王燕青等[11]針對民航客機特點將安全疏散指標確定為客艙結(jié)構(gòu)特點、安全疏散引導系統(tǒng)、日常管理、機組人員能力。然而針對地鐵站特殊的結(jié)構(gòu)和特殊的人群特點，對應(yīng)急疏散能力影響因素進行系統(tǒng)性研究較少，筆者將從目標分析和約束分析兩個新的維度進行分析。②針對密集人群應(yīng)急疏散能力模型的研究。王永明等[12]探索了區(qū)域網(wǎng)疏散能力評估模型和算法。 任常興等[13]提出了針對人群密集場所應(yīng)急疏散空間的評估模型和應(yīng)急疏散能力檢查表。文獻[3]針對地鐵站火災(zāi)突發(fā)事件，提出人群疏散能力綜合評價模型。陳紹寬等[14]構(gòu)建了地鐵車站與通道乘客疏散能力瓶頸分析模型，并以北京地鐵西直門站進行了驗證。文獻[2]構(gòu)建了人流密集場所應(yīng)急疏散能力的多層次安全評價指標體系。吳薇薇等[15]通過統(tǒng)計學方法，給出了地鐵車站疏散能力的瓶頸點。針對公共場所應(yīng)急疏散能力模型的研究可以科學地預估疏散能力，尋找疏散瓶頸點，為管理者提供快速高效的疏散方案。③對地鐵站應(yīng)急疏散的仿真研究。針對不同的突發(fā)事件、不同的密集人群場所，常運用到的仿真模型有FDS+Evac、Grid flow、Building、Exodus、Steps、Pathfinder、Simulex，文獻[9]對這7種疏散仿真模型的預測力進行了比較分析，指出在人員不同的運動規(guī)則下人員出口選擇的特點。胡凱等[16]運用Building Exodus軟件分別從人群結(jié)構(gòu)、出入口數(shù)量、樓梯寬度及火災(zāi)情況等方面對地鐵車站進行人員安全疏散的模擬仿真研究。馬嘉琪等[17]利用VISSIM仿真軟件對地鐵站同站臺的換乘疏散能力進行了仿真模擬。綜上所述，影響密集人群應(yīng)急疏散能力的因素具有多樣化，地鐵站作為密集人群的高發(fā)場所，針對地鐵站密集人群疏散能力的研究對保障地鐵站內(nèi)人員安全、保證地鐵站正常運營具有重要的意義。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，將地鐵站應(yīng)急疏散能力分析概念模型與仿真軟件相結(jié)合，以更加客觀、直觀地對特定地鐵站進行應(yīng)急疏散能力分析。

1 地鐵站密集人群應(yīng)急疏散能力分析模型

1.1 地鐵站密集人群應(yīng)急疏散目標分析

地鐵站在規(guī)劃設(shè)計過程中應(yīng)考慮到在突發(fā)事件或者大客流時如何將地鐵站內(nèi)密集人群快速疏散，最大程度地保證乘客的人身安全。但在地鐵站建設(shè)過程中同時受限于地面建筑拆遷成本、建站成本、設(shè)備人員投入等地鐵站建設(shè)成本問題，因此地鐵站上層決策者的目標在于最小化地鐵站建設(shè)成本的同時盡可能地確保站內(nèi)人員應(yīng)急疏散的要求，即minC=C0+Ceva+δ，其中：C0為建設(shè)成本，包括地鐵站地面建筑拆遷成本、地鐵站建設(shè)成本；Ceva為疏散投入成本，包括疏散標識、疏散設(shè)備的投入；δ為其他額外費用。地鐵站內(nèi)工作人員作為下層決策者，處在一個既定的地鐵站環(huán)境，在對地鐵站內(nèi)密集人群進行緊急疏散的過程中，以最短的時間快速將人群疏散到安全位置為目標，即minT=∑ti，其中：疏散時間包括疏散反應(yīng)時間和疏散應(yīng)對時間。而疏散應(yīng)對時間的長短受限于地鐵站建設(shè)，如地鐵站的建設(shè)面積、疏散通道、出口個數(shù)、樓梯個數(shù)、疏散標識、疏散設(shè)備投入等。上層決策影響著下層決策，下層決策者將上層決策作為約束，但同時上層決策與下層決策過程又相互獨立[18]。

1.2 地鐵站密集人群應(yīng)急疏散約束分析

地鐵站在早晚高峰時期、節(jié)假日、特殊活動等特殊時期都容易形成高密度人群，甚至超負荷運營。針對地鐵站的特點，對地鐵站人群應(yīng)急疏散約束因素進行分析，具體約束圖譜如圖1所示，地鐵站密集人群應(yīng)急疏散約束因素可以歸納為地鐵站疏散環(huán)境因素、地鐵站疏散設(shè)備因素和地鐵站疏散管理因素3大類。其中，地鐵站疏散環(huán)境因素包括地鐵站外、站內(nèi)障礙物，障礙物越少人員輸出速率越大；對于地鐵站站臺設(shè)計方式，一般來說側(cè)式結(jié)構(gòu)站臺相對于島式結(jié)構(gòu)站臺更有利于人群疏散[19]，但側(cè)式結(jié)構(gòu)站臺的建設(shè)成本和管理成本相對較高；應(yīng)急疏散出口的數(shù)量越多、寬度越大，越有利于疏散逃生，可縮短疏散時間，但出口數(shù)量越多地鐵站建設(shè)成本越高。其中地鐵站外障礙物、站內(nèi)障礙物、站臺結(jié)構(gòu)都是地鐵設(shè)計過程中的固定因素，不可輕易改變。站臺層與站廳層收費區(qū)域之間通過樓梯、手扶電梯相連，站廳層收費區(qū)域與非收費區(qū)域之間通過閘機口、緊急出口相連，非收費區(qū)域與安全疏散點之間通過出口、疏散通道相連，三者之間應(yīng)急疏散能力應(yīng)該相匹配。地鐵疏散設(shè)備因素是影響地鐵站密集人群應(yīng)急疏散最直觀的因素，地鐵站疏散管理因素對人群直接干擾或控制，從而形成有序的疏散流，降低人群扎堆、從眾現(xiàn)象造成人群過度集中而發(fā)生踩踏事件的風險。

圖1 地鐵站密集人群應(yīng)急疏散能力約束圖譜

圖2 地鐵站密集人群應(yīng)急疏散能力分析的概念模型

1.3 地鐵站密集人群應(yīng)急疏散能力的概念模型

已有研究主要是針對密集人群應(yīng)急疏散能力，而關(guān)于地鐵站特殊空間區(qū)域的密集人群應(yīng)急疏散能力的模型很少。筆者根據(jù)地鐵站的特點給出地鐵站密集人群應(yīng)急疏散能力分析的概念模型，如圖2所示。由圖2可以看出，地鐵站的人群需求與地鐵站的建設(shè)成本預算決定了地鐵站的空間結(jié)構(gòu)，且地鐵站主體結(jié)構(gòu)在一段時期內(nèi)具有一定的穩(wěn)定性，在仿真建模中可對地鐵站主體結(jié)構(gòu)進行真實呈現(xiàn)。地鐵站疏散設(shè)備是人群疏散的硬件設(shè)施，也是地鐵站人群疏散的主要載體，疏散設(shè)施的合理性與完善性直接制約著地鐵站疏散能力，但一般可通過調(diào)整和完善地鐵站疏散設(shè)施來增強疏散能力。地鐵站疏散管理是人群疏散的軟措施，也是地鐵人群疏散過程中最為靈活的改善措施。在既定的地鐵站空間結(jié)構(gòu)、疏散設(shè)備及疏散管理水平條件下，當遇到超負荷客流(如早晚高峰、節(jié)假日、特殊活動以及一些不可預期的大客流)而形成密集人群時，地鐵站密集人群應(yīng)急疏散能力是否承受得住考驗，能否最大程度地保障乘客的生命和財產(chǎn)安全，也是相關(guān)部門和乘客最為關(guān)心的問題。

Pathfinder是由美國Thunderhead Engineering公司開發(fā)的基于人員進出和運動的緊急出口模擬器，能夠靈活地控制人口和行為，集成了用戶界面和2D視圖、三維動畫效果，簡單、直觀、易用，可對建筑物緊急疏散能力進行分析。

利用Pathfinder人群疏散軟件對地鐵站特定場景再現(xiàn)，或根據(jù)密集人群量預測值進行預防性仿真，從疏散時間、疏散能力匹配、疏散均衡3個角度對仿真結(jié)果進行分析，并以此來判別該地鐵站密集人群應(yīng)急疏散能力是否符合標準。其中，在地鐵站密集人群應(yīng)急疏散模型中疏散能力匹配包括地鐵站人群需求與地鐵站空間結(jié)構(gòu)容納能力相匹配、地鐵站疏散設(shè)備與預期高峰人流量相匹配及地鐵站疏散設(shè)備之間疏散能力相匹配3個層次。若該地鐵站密集人群應(yīng)急疏散能力不足，則可觀察仿真過程與結(jié)果數(shù)據(jù)尋找和分析瓶頸點，發(fā)現(xiàn)潛在風險點和瓶頸點，并及時采取改進措施和相對應(yīng)的預防方案。

2 地鐵站密集人群應(yīng)急疏散能力仿真的假設(shè)及參數(shù)設(shè)定

2.1 仿真假設(shè)

在Pathfinder疏散仿真系統(tǒng)能夠再還原疏散場景，對應(yīng)急疏散情況進行實景模擬。在地鐵站應(yīng)急疏散仿真過程中進行了如下假設(shè)：

假設(shè)1在疏散仿真過程中所有列車門、閘機口、應(yīng)急疏散出口門、疏散通道門、出口等一直保持打開狀態(tài)。

假設(shè)2在地鐵站應(yīng)急疏散過程中，列車都已經(jīng)停靠入站，列車內(nèi)人員也進行了疏散。

假設(shè)3疏散過程中，假定沒有人員折返、摔倒、踩踏等異?，F(xiàn)象。

2.2 參數(shù)設(shè)置

(1)人員屬性設(shè)置。地鐵站人群構(gòu)成可劃分為少年、青年、中年、老年，針對不同類型乘客可進行年齡、肩寬、速度的設(shè)置。根據(jù)GB 10000-1988《中國成年人人體尺寸》和GB/T 26158-2010《中國未成年人人體尺寸》中不同年齡段人群肩寬的界定，對地鐵站密集人群應(yīng)急疏散人員參數(shù)進行設(shè)置，如表1所示。

表1 地鐵站密集人群應(yīng)急疏散人員參數(shù)設(shè)置

(2)運行參數(shù)的設(shè)置。根據(jù)GB 50157-2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，出入口樓梯和疏散通道的寬度應(yīng)保證在遠期高峰小時客流量時，6min內(nèi)將列車乘客和站臺候車的乘客以及工作人員全部撤離站臺，因此可將疏散時間限制設(shè)置為360s，在360s時模擬將自動停止，其中設(shè)置反應(yīng)時間和預動作時間為30s，此時未到達安全位置的人員則判定為傷亡人員。在人員通過門、通道、出口時很難緊貼邊緣行走，因此要進行最大人員半徑修剪錯誤設(shè)置，保證群體能夠順利通過d=d0+2r(d0為肩寬，r修剪半徑)寬度的空間，一般可設(shè)置為2～5 cm。為了更加貼近現(xiàn)實疏散情況，選擇Steering人員運動模式，并添加基本碰撞處理和碰撞處理。

(3)輸出結(jié)果的設(shè)置。輸出結(jié)果的設(shè)置包括3D輸出頻率、CVS輸出頻率及運行時間輸出頻率等，合理設(shè)置輸出頻率可以得到更清晰的輸出結(jié)果，有利于地鐵站密集人群應(yīng)急疏散能力的分析。

3 地鐵站密集人群應(yīng)急疏散能力仿真：以武漢A地鐵站為例

3.1 空間建模與人群特征設(shè)定

(1)空間建模。依據(jù)武漢A地鐵站建筑空間圖進行建模，對A地鐵站實景進行再現(xiàn)，模擬結(jié)果更加貼切真實。武漢A地鐵站站廳層模型圖如圖3所示，包括4個出口和1個預留與商場對接出口，且每個出口處都設(shè)置有防火簾，因此在火災(zāi)模擬疏散過程中通過防火簾出口后即認為到達安全疏散點。預留與商場對接出口僅作為一個干擾性出口。站臺層與站廳層之間有3部自動扶梯、2個樓梯和1臺升降電梯，為了保證乘客安全，3部自動扶梯和升降電梯在疏散過程中都暫停運行，改作使用樓梯，疏散過程中人群會自動避開障礙物進行疏散。

圖3 武漢A地鐵站站廳層模型圖

(2)人群特征設(shè)置。通過對密集人群進行大量視頻采集和反復試驗，利用視頻再處理技術(shù)進行大數(shù)據(jù)分析，得出地鐵站在不同時期的人群密度、人群組成、人行速度及人群比例。對武漢A地鐵站早高峰期進行模擬仿真，通過實地調(diào)研和地鐵站的早高峰人群的視頻分析與人群統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)早高峰期老年人群比例較少，少年和中年人次之，青年上班族最多，因此可設(shè)置不同人群比例為少年：青年：中年：老年=2∶5∶2∶1，其中男女比例各占一半，且隨機分布，人群相關(guān)屬性設(shè)置見表1。早高峰時列車內(nèi)人群密度可高達3～8 人/m2，站臺層可達到1～3 人/m2，站廳層可達到0～2 人/m2。①A地鐵站站內(nèi)車型為B型，一節(jié)車廂的面積為53 m2，共6節(jié)車廂，站臺為島式結(jié)構(gòu)，在地鐵出行早高峰時列車內(nèi)人群平均密度為5人/m2，該密度下乘客與乘客之間會相互接觸，因此一列列車內(nèi)的人數(shù)為N0=53×5×6=1 590人。②A地鐵站站臺層可用于排隊等待候車面積約為1 200 m2，在站臺層排隊等待上車人群平均密度為1.5 人/m2，則站臺層人數(shù)為N1=1.5×1 200=1 800人。③A地鐵站站廳層可用于進站候車面積約為1 400 m2，其中非付費區(qū)約為800 m2，付費區(qū)約為600 m2。一般來說非付費區(qū)安檢處、閘機口處人群密度較大，其他區(qū)域人員相對寬松，可假設(shè)其平均密度為1 人/m2，則站廳層人數(shù)可設(shè)置為N2=1×1 400=1 400人。且在群體設(shè)置過程中可將閘機口、安檢口人群密度設(shè)置為2人/m2。因此，在武漢A地鐵站高峰期某時間橫斷面上站內(nèi)總?cè)藬?shù)為6 380人。

3.2 仿真結(jié)果分析

對武漢A地鐵站進行實景呈現(xiàn)，利用Pathfinder軟件進行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示，可看出在75 s時，1～4號出口人流率先快速升至最高點再降至最低，且保持在一個區(qū)間內(nèi)波動，說明在75 s時，站廳層原有人員已經(jīng)基本全部撤離。1～4號出口寬度為6 m，75 s后人流率卻僅保持在1～3 人/s，顯然出口利用率不足。在75 s時，列車內(nèi)乘客通過列車門到達站臺層，站臺層人群圍繞疏散樓梯形成3個疏散圈，且人群密度大于3 人/m2，僅邊緣區(qū)域人群密度較為稀薄，小于2 人/m2。根據(jù)就近疏散原則，1～4號疏散樓梯(或電梯)承載著更多的疏散量，此時出現(xiàn)兩側(cè)人群量較大的現(xiàn)象。由于站廳層收費區(qū)域通往非收費區(qū)域的閘機口、應(yīng)急疏散出口狹窄，且距離樓梯口/電梯口較近，使得在站廳層樓梯口處人群高度聚集，同時也阻塞樓梯處人員上行，導致3、4、5號樓梯/電梯人群密度過大，人群密度大于2.5 人/m2。由于應(yīng)急疏散出口位于樓梯出口處，大部分人群就近選擇應(yīng)急出口逃生，在應(yīng)急疏散出口處人群疏散成拱型，形成一種阻礙力，使得進站閘機口即使處于打開狀態(tài)但使用率仍不高。站廳層4個出口區(qū)域及其他區(qū)域的人群密度較小，小于1.5 人/m2。由于站臺層至站廳層輸送能力嚴重不足，站臺層出現(xiàn)嚴重堵塞，而站廳層出口利用率不足，站臺層至站廳層疏散能力嚴重不足，疏散能力不匹配。在360 s模擬結(jié)束時，有大量人群沒有疏散到安全區(qū)域，而錯過最佳逃生時間的人數(shù)為2 729人，該類人群非死即傷；若將所有人群疏散至安全區(qū)域則需要731.8 s，遠超過了安全疏散時間360 s的界限。

圖4 1～4出口流動率

綜上可知，武漢A地鐵站應(yīng)急疏散能力嚴重不足的主要癥結(jié)在于：站臺層與站廳層之間應(yīng)急疏散能力嚴重不匹配，主要制約于疏散樓梯/電梯數(shù)量少且狹窄；在早高峰時期，站臺人員密度過于集中，若列車人員到達站臺層，人群快速聚集，站臺層負荷量過大；閘機口間距小且不易通過，造成了站廳層收費區(qū)域至站廳層非收費區(qū)域之間的通行障礙，形成人群堵塞。

3.3 改進建議

針對武漢A地鐵站的仿真結(jié)果，通過反復仿真和疏散設(shè)施設(shè)備調(diào)整，在控制成本和確保人員安全疏散的基礎(chǔ)上，提出如下改進措施，并進行仿真：①增加兩條由站臺層直接至站廳層非收費區(qū)域的樓梯，作為應(yīng)急疏散樓梯儲備。在正常情況下樓梯處于關(guān)閉狀態(tài)，在發(fā)生突發(fā)事件需要應(yīng)急處理時啟用；②在預留與商場對接出口處新增應(yīng)急救援出口；③增寬閘機口的寬度和應(yīng)急疏散出口寬度；④在人群密集的情況下，控制站臺候車人數(shù)和站廳層收費區(qū)域人數(shù)，降低站臺層負荷。

改進后疏散空間結(jié)構(gòu)如圖5所示。在相同人群屬性和參數(shù)條件下進行模擬仿真，仿真結(jié)果如圖6所示,可看出人群全部疏散至安全區(qū)域共耗時355.5 s，小于安全疏散時間360 s，疏散能力達標。在疏散至100 s時，5個出口的流動率都急劇下降且之后在一定范圍內(nèi)波動，其中，1～4號出口波動情況相似，出口利用率相對均衡。由于新增應(yīng)急疏散出口與客服中心之間距離偏小形成堵塞，人群擁擠、相互碰撞，選擇該出口人數(shù)呈現(xiàn)間斷性增多，該出口人流率波動較大。新增疏散樓梯1和2分別分擔了兩側(cè)樓梯/電梯的人流量，形成相對均衡的5股疏散流，可增強站臺層至站廳層的疏散能力，也可贏取寶貴的逃生時間。仿真完成后所有人員都及時疏散至安全區(qū)域，因此針對武漢A地鐵站所采取的疏散措施是有效的。

圖5 武漢A地鐵站改進后站廳層模型圖

圖6 1～4出口及預留出口流動率

4 結(jié)論

地鐵站是密集人群高發(fā)場所，增強地鐵站密集人群應(yīng)急疏散能力，是避免突發(fā)事件造成群死群傷的有力措施。開展地鐵站應(yīng)急疏散能力的研究對加強地鐵站安全管理有著重要的意義。筆者建立了地鐵站密集人群應(yīng)急疏散能力分析的概念模型，為地鐵站密集人群應(yīng)急疏散能力測評和改進提供了基礎(chǔ)；通過仿真發(fā)現(xiàn)了武漢地鐵A站應(yīng)急能力的缺陷并提出了相應(yīng)的改進建議。在進一步的研究中，將針對不均勻人群、人員折返現(xiàn)象、人群對沖及人群異常時的擾動效應(yīng)等進行模擬，并針對地鐵站應(yīng)急疏散過程中的決策和規(guī)劃問題，如應(yīng)急疏散路徑規(guī)劃、應(yīng)急預案生成、應(yīng)急策略選擇等問題進行深入研究。