基于數(shù)值模擬的某地鐵車站人群緊急疏散研究

祖銘敏 蔡治勇,2 岳世東

（1.重慶科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，重慶 401331；2.重慶市安全生產(chǎn)科學(xué)研究有限公司，重慶 401331）

0 引言

地鐵車站作為人員密集場所，一旦遇到突發(fā)狀況，如果疏散不利，極易發(fā)生群死群傷事故。因此，開展基于數(shù)值模擬的人群緊急疏散研究在保障乘客安全方面具有重要意義?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外地鐵車站應(yīng)急疏散研究集中于數(shù)值模擬方法，且伴隨著軟件的優(yōu)化、升級，模擬結(jié)果更具有實際性、準(zhǔn)確性。本文以重慶某地鐵車站為例，建立地鐵車站模型，運用數(shù)值仿真軟件Pathfinder，并參考實際的人員行為及通行率等影響因素，對某地鐵車站的緊急疏散時間及疏散人員閾值進(jìn)行模擬研究，可為優(yōu)化城市軌道交通車站的設(shè)計和布局、完善地鐵車站應(yīng)急疏散方案提供技術(shù)支持和數(shù)據(jù)參考。

1 模擬軟件的選擇

關(guān)于人員疏散的研究，在人員疏散仿真軟件開發(fā)之前，采用公式對人員疏散時間進(jìn)行計算是人員疏散研究中最早采用的方法，由于其使用簡便，目前仍然大量應(yīng)用在工程分析中。在地鐵工程中，人員疏散時間計算公式為：進(jìn)行量化。在Pathfinder的Steering模式中，能夠以路徑規(guī)劃、指導(dǎo)機制、碰撞處理相結(jié)合的方式控制人員運動，如果人員之間的距離和最近點的路徑超過閾值，可以再生新的路徑，對環(huán)境的適應(yīng)性更強。因此，本文采用Pathfinder建立疏散模型。

大量人員疏散模擬研究集中在必須疏散時間（RSET）的預(yù)測方面，用得出的必須疏散時間（RSET）與可用疏散時間（ASET）進(jìn)行比較，得出的結(jié)論過于籠統(tǒng)、單一。所以，為了分析地鐵疏散影響因素，提高優(yōu)化疏散效率，本文將運用人員緊急疏散仿真軟件Pathfinder，建立車站緊急疏散仿真模型，研究各區(qū)域人數(shù)變化情況、各連接處的通行速率以及疏散瓶頸位置，提出更具針對性的應(yīng)急疏散策略。

2 研究對象介紹

式中：

Q1—一列列車乘客數(shù)，人；

Q2—站臺上候車乘客和站臺工作人員，人；A1—自動扶梯通行能力，人/（min·m）；

A2—人行樓梯通行能力，人/（min·m）；

N—自動扶梯臺數(shù)；

B—人行樓梯總寬度，m；

1—考慮報警時間和預(yù)動作時間為1min。

這種方法雖然能夠預(yù)測人員疏散時間，但是對于疏散過程中出現(xiàn)的具體情況無法預(yù)測，結(jié)果形式也較為單一。

近年來，一些專家學(xué)者提出了人員疏散的計算模型。按照疏散模型的應(yīng)用特征，可分為優(yōu)化類模型、模擬類模型和風(fēng)險評估類模型。優(yōu)化模型以Evacnet模型為代表，模型中假定人員疏散是按最有效的方式進(jìn)行，即人員特征、疏散出口流動特性和人員疏散路徑都是最佳的；模擬類模型可以表現(xiàn)實際的疏散行為和運動規(guī)律，能較真實的反映人員逃生路徑的選擇情況和一些決策行為，如：Simulex，Building Exodus，STEPS，CFE，Pathfinder等。風(fēng)險評估模型以Crisp和Wayout模型為代表，能夠識別出火災(zāi)時與疏散有關(guān)的危險或事故，并能對事故風(fēng)險

該車站為地下二層島式站臺，其中地下二層為站臺層，有效長度為113m，有效候車寬度為10.4m。地下一層則為站廳層，按功能可劃分為非付費區(qū)和付費區(qū)，并由進(jìn)出站閘機和欄桿分隔。非付費區(qū)面積約1100m2，設(shè)有進(jìn)出站閘機、售票處、調(diào)度室等設(shè)施，付費區(qū)連接非付費區(qū)和站臺，約600m2。緊急情況下，列車上的人員將依次通過站臺、站廳層付費區(qū)、站廳層非付費區(qū)、安全出口，到達(dá)安全區(qū)域。該車站共設(shè)置4個出入口，出口寬度均為6m。

3 疏散模擬軟件及初始條件設(shè)定

3.1 Pathfinder疏散軟件簡介

筆者采用人員緊急疏散仿真軟件Pathfinder進(jìn)行人群緊急疏散模擬。該軟件的理論基礎(chǔ)是連續(xù)性網(wǎng)格模型，網(wǎng)格是將地鐵車站的疏散空間劃分為單位網(wǎng)格，每個網(wǎng)格設(shè)置為無人、有人和被建筑物占據(jù)等狀態(tài)，根據(jù)算法制定的規(guī)則，使疏散人員在相鄰網(wǎng)格中的移動，網(wǎng)格模型建立的關(guān)鍵在于對疏散人員行為和群聚行為的充分理解上，建立準(zhǔn)確完善的移動規(guī)則[1]。其中的Steering模式能夠模擬行人之間以及行人與環(huán)境之間的相互作用，能夠為行人生成新的路徑，具有較強的環(huán)境適應(yīng)性。

3.2 客流緊急疏散場景設(shè)置

地鐵人員安全疏散分析需要考慮一些不利情況，本文將客流緊急疏散場景設(shè)定為列車火災(zāi)。當(dāng)著火列車?？吭谀耻囌緯r，需要疏散的人員包括：一列列車所承載的乘客；站臺層的候車乘客；站廳層的候車乘客以及工作人員。然而，對于某個車站來說，一列列車乘客和候車乘客數(shù)量在一天中各個時段都有所不同，不能一概而論。

3.3 人員數(shù)量及分布

通過分析重慶軌道交通（集團(tuán)）有限公司提供的本次模擬車站及站間分方向斷面客流量預(yù)測值，發(fā)現(xiàn)一天中不同時段的人員數(shù)量有較大差別，其中，上下班期間，人員急劇增加，人數(shù)約2000人；10：00～15：00時段，人數(shù)變化趨于平和，車站內(nèi)人員約1000人。因此，考慮到不同的人員數(shù)量對疏散時間的影響，筆者將模擬人員的數(shù)量設(shè)置為3組：總?cè)藬?shù)1000人，其中站廳層200人，站臺層800人；總?cè)藬?shù)1500人，其中站廳層500人，站臺層1000人；總?cè)藬?shù)2000人，其中站廳層800人，站臺層1200人。在設(shè)置人群在車站內(nèi)的初始位置時，選擇隨機分布，即人群將根據(jù)車站的建筑結(jié)構(gòu)隨機分布。

3.4 人群初始數(shù)據(jù)

表1 地鐵站人員類型及占比Tab.1 Occupant type and proportion of subway station

表2 人員的行走平均速度Tab.2 Average walking speed

《地鐵安全疏散規(guī)范》（GBT 33668-2017）[2]給出了人員疏散速度、人員比例的推薦值；中國人民武裝警察部隊學(xué)院的徐方通過對大量國內(nèi)外相關(guān)數(shù)據(jù)的搜集、整理和分析，確定了6種模擬所必須的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并確定了可在現(xiàn)有資料中直接獲得并使用的數(shù)據(jù)以及仍需要進(jìn)一步研究確定的數(shù)據(jù)[3]；重慶大學(xué)的張程在地鐵車站內(nèi)開展擁擠狀態(tài)下的人員行走速度觀測試驗，經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，確定了各類人群在樓層平面和樓梯上的移動速度[4]；清華大學(xué)的學(xué)者們采用疏散實驗和常態(tài)現(xiàn)場觀測相結(jié)合的方法，得出了人員密度與行走速度之間的關(guān)系[5]。綜合分析上述研究結(jié)果，得出地鐵站人員類型及占比，見表1，人員的行走平均速度，見表2。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 疏散人員數(shù)量分析

疏散人數(shù)為1000人時，疏散總時間為196.8s；疏散人數(shù)為1500人時，疏散總時間為227.3s；疏散人數(shù)為2000人時，疏散總時間為267.0s。可以看出，車站內(nèi)人員越多，疏散時間越長。當(dāng)人數(shù)增加到2000人時，模擬疏散時間為267.0s，考慮人群反應(yīng)時間60s，總的疏散時間為327s，滿足GB/T 33668-2017《地鐵安全疏散規(guī)范》要求（360s），基本滿足地鐵車站允許疏散時間（360s），但已經(jīng)接近允許的疏散時間。因此，當(dāng)人員數(shù)量超過2000人時，車站管理部門應(yīng)主動控制進(jìn)入車站的人數(shù)，并通知相關(guān)工作人員進(jìn)入疏散準(zhǔn)備狀態(tài)。如果無法控制人員數(shù)量，應(yīng)制定針對大客流的疏散應(yīng)急預(yù)案，通過優(yōu)化疏散路徑、完善標(biāo)識引導(dǎo)、設(shè)置現(xiàn)場疏散指揮等方法，降低疏散時間。

4.2 疏散過程分析

以車站內(nèi)總?cè)藬?shù)為1500人的情況為例，進(jìn)行疏散過程分析，筆者把疏散過程劃分為3個部分：從站臺層到站廳層付費區(qū)；從站廳層付費區(qū)到非付費區(qū)；從非付費區(qū)到安全出口。

（1）站臺層到站廳層付費區(qū)。

站臺上的人員通過連接站臺層和站廳層的樓梯疏散到站廳層付費區(qū)內(nèi)，共有3處樓梯可供疏散。此次模擬中，通過站臺左側(cè)樓梯疏散355人，用時199s，通過站臺中央樓梯疏散290人，用時163.4s，通過站臺右側(cè)樓梯疏散355人，用時200.9s。疏散開始后，人群迅速向樓梯口移動，在15s后出現(xiàn)了明顯的人員聚集，樓梯口擁堵時間約120s。圖1為站臺層人數(shù)隨時間的變化趨勢，可以看出人數(shù)幾乎勻速下降，結(jié)合3D結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，原因在于影響站臺層人員數(shù)量的主要因素是樓梯口寬度。

（2）站廳層付費區(qū)到非付費區(qū)。

人群到達(dá)站廳層付費區(qū)后，則需要經(jīng)過自動檢票閘機通往站廳層非付費區(qū)，該車站共設(shè)有22部閘機，每部寬度為550mm，緊急情況下，閘機將全部打開以保證安全疏散通道暢通。

圖1 站臺層人數(shù)隨時間變化情況Fig.1 Number of occupants on platform floor over time

圖2為站廳層付費區(qū)人數(shù)隨時間的變化趨勢，可以看出，閘機通行速率快，滯留人數(shù)下降明顯，到39s后由于站臺層人員大量進(jìn)入，付費區(qū)人數(shù)出現(xiàn)緩慢上升的趨勢，但并未出現(xiàn)人員快速積累的情況，閘機通行速率與連接樓梯通行速率基本相當(dāng)，付費區(qū)未出現(xiàn)明顯人員擁堵。

圖2 站廳層付費區(qū)人數(shù)隨時間變化情況Fig.2 Number of occupants on station hall paid area over time

（3）站廳層非付費區(qū)到安全出口。

表3為首個人到達(dá)出口和最后一個人離開出口的時刻、各個出口的總?cè)藬?shù)以及平均通行速率?？梢钥闯?，3號出口和4號出口的總疏散人數(shù)相當(dāng)，使用率高，1號出口和2號出口的疏散總?cè)藬?shù)相對較少，使用率較低，尤其是2號出口在疏散開始42s后，再沒有人員通過，被使用的時間最短。這是由于通往3號出口的路徑和通往4號出口的路徑平均行走路徑相對較長，結(jié)合眾多有關(guān)緊急情況下人員疏散行為的研究結(jié)果，得出在緊急情況下，人們更傾向于離自己較近的出口，這就導(dǎo)致了3、4號出口使用率高，此現(xiàn)象與真實情況較為相符。在通過速率方面，四個出口均未出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象，四個出口的寬度一致，受到使用人數(shù)的影響，1、2號出口的通過率較低，疏散開始50s后，通過速率維持在每秒1至2人。

表3 各出口使用情況Tab.3 Service condition of exits

5 結(jié)論

經(jīng)過對該車站的實地調(diào)研以及計算機仿真模擬，得出以下結(jié)論及建議：

（1）該車站目前的設(shè)置和疏散路徑下的疏散預(yù)警點為2000人，車站管理部門應(yīng)主動控制進(jìn)入車站的人數(shù)。如果無法控制人員數(shù)量，應(yīng)制定針對大客流的疏散應(yīng)急預(yù)案，通過優(yōu)化疏散路徑、完善標(biāo)識引導(dǎo)、設(shè)置現(xiàn)場疏散指揮等方法，降低疏散時間。

（2）疏散瓶頸出現(xiàn)在站臺層疏散樓梯處，擁堵時間約為120s，且站臺層人數(shù)越多，擁堵時間越長。若車站有緊急情況發(fā)生，應(yīng)盡量采取過站不停車的方式，減少站臺層人員數(shù)量。若必須疏散車上乘客，則有必要做好現(xiàn)場指揮工作，穩(wěn)定乘客情緒，消除恐慌，保證有序疏散，避免踩踏事故的發(fā)生。

（3）站廳層閘機數(shù)量的確定應(yīng)結(jié)合連接樓梯的通行速率。若閘機數(shù)量過少，導(dǎo)致閘機處通行速率緩慢，小于連接樓梯的疏散速率，將會出現(xiàn)人員在站廳層付費區(qū)內(nèi)快速積累，并在閘機處形成疏散瓶頸，延長疏散時間。