復(fù)雜客流條件下鐵路客運站應(yīng)急疏散仿真研究

楊子賢，陳軍華

（北京交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院，北京 100044)

0 引言

既有線鐵路客運站的客流往往比較復(fù)雜，因乘客的年齡、性別、文化、教育背景的不同，每位乘客在面對突發(fā)事件時做出的反應(yīng)都有很大的差別，客流在結(jié)構(gòu)、數(shù)量以及動態(tài)特性上趨于復(fù)雜。與此同時，既有線的鐵路客運站在設(shè)計時并不以客流組織為主要導(dǎo)向，站內(nèi)流線復(fù)雜交織，客運組織難以應(yīng)對突發(fā)事件發(fā)生，容易造成擁擠、踩踏等情況發(fā)生，因而應(yīng)加強對具有復(fù)雜客流的既有線鐵路客運站進行應(yīng)急疏散的研究。

有許多學(xué)者從不同方面對行人的應(yīng)急疏散進行研究。Jun Zhang等[1]通過實驗和建模2個方面研究了學(xué)生在課堂上的疏散過程，發(fā)現(xiàn)了行人疏散的典型特征。Song等[2]運用社會力模型研究了出口寬度等疏散條件對不同疏散速度下行人疏散的影響?；谏鐣δＰ停珼R Parisi等[3]研究了行人恐慌程度對于疏散效率的影響。姚國偉[4]建立地鐵車站客流疏散仿真系統(tǒng)EvaSim及疏散步距目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)等，對地鐵車站結(jié)構(gòu)和設(shè)施的協(xié)調(diào)進行了研究。劉文婷[5]在建立了乘客緊急疏散路徑選擇的蟻群算法模型的基礎(chǔ)上，對車站疏散能力、車站空間布局、車站疏散對軌道交通線網(wǎng)運營的影響3方面的評價指標(biāo)進行分析與標(biāo)定。周金旺等[6]基于元胞自動機模型，研究了行人的整體跟隨行為現(xiàn)象對疏散過程的影響。岳昊等[7]運用仿真研究了行人在正常疏散環(huán)境下，系統(tǒng)規(guī)模、疏散人數(shù)、安全出口寬度、多個安全出口布局對行人疏散時間的影響。杜麗娟[8]運用元胞自動機模型進行大量仿真實驗，研究不同應(yīng)急標(biāo)識數(shù)量對疏散過程的影響。李穎[9]運用Anylogic及Java編程，提出了基于密度分配的疏散策略優(yōu)化方案。張艷芬[10]在分析客運站的特點、突發(fā)事件特征及旅客行為特征的基礎(chǔ)上，利用Anylogic仿真軟件建立了北京南站的客流疏散模型，并對客運站的不同疏散方案進行仿真模擬，對不同方案的仿真數(shù)據(jù)進行評價分析。牛天河[11]利用Anylogic建立了應(yīng)急疏散模型，分析了疏散過程中的結(jié)伴、攜帶行李和瓶頸口競爭行為對疏散過程的影響。

然而，這些研究對具有復(fù)雜客流特征的既有線鐵路客運站應(yīng)急疏散的研究較少。因此，通過對既有線鐵路客運站的客流特點分析，以社會力模型作為行人行為的動力學(xué)基礎(chǔ)，給出疏散方案的設(shè)計要點和仿真模型的構(gòu)建流程。以蘭州站為例，基于不同的客運設(shè)備布局，設(shè)計不同的應(yīng)急疏散流線，同時運用Anylogic建立應(yīng)急疏散模型，通過模型輸出的數(shù)據(jù)，得出關(guān)于客運設(shè)備布局的結(jié)論。

1 復(fù)雜客流條件下鐵路客運站應(yīng)急疏散分析

1.1 鐵路客運站的客流特點

復(fù)雜客流是部分既有線鐵路客運站的客流特點，其復(fù)雜性體現(xiàn)在以下方面。

（1）客流成分復(fù)雜。客運站乘客的年齡差異、文化背景差異、受教育程度差異、性別差異，使得他們面對客運站流線組織的反應(yīng)各不相同，很容易造成部分乘客在站內(nèi)的等待時間變長。

（2）客流數(shù)量龐大。主要體現(xiàn)在需求旺季時，如寒暑假、春節(jié)等各種節(jié)假日。

（3）客流流線復(fù)雜。因車站建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當(dāng)旅客對于車站不夠熟悉時，乘客在站內(nèi)的走行會變得復(fù)雜，使得客流流線變得復(fù)雜。

既有線鐵路客運站復(fù)雜的客流條件增加了應(yīng)急疏散方案的設(shè)計難度，采用仿真的方法對行人疏散過程進行分析，能夠很好地驗證應(yīng)急疏散方案的可行性，分析疏散方案的效率。

1.2 社會力模型

社會力模型由Helbing等人于1995年基于行人動力學(xué)提出。在社會力模型中，每個人身上都作用著社會力，作用在行人身上的社會力包括行人向著目標(biāo)的驅(qū)動力、行人相互之間的作用力、行人與邊界或障礙物之間的作用力。社會力模型的公式如式 ⑴ 所示[12]。

式中：mα為行人α的質(zhì)量；為行人α的期望速度；為行人的期望運動方向；為行人的實際速度；τα為加速過程所用的時間；為行人相互之間作用力的總和；為行人與邊界或障礙物之間作用力的總和。

社會力模型能夠比較準(zhǔn)確地反映人在行動中的各種力，并且其連續(xù)性與行人真實的運動也比較符合。行人自身的力，行人與行人之間、行人與建筑物等之間的作用力，都在模型中得到了體現(xiàn)，基于這些因素，可采用社會力模型對鐵路客運站的行人疏散行為進行模擬。

1.3 疏散方案評價標(biāo)準(zhǔn)

疏散方案的評價標(biāo)準(zhǔn)包括應(yīng)急疏散時間以及瓶頸口行人密度。

（1）應(yīng)急疏散時間T。應(yīng)急疏散時間要求參考《地鐵設(shè)計規(guī)范》中的疏散時間要求：規(guī)定在設(shè)計車站時，要保證車站所有工作人員和旅客在最高聚集人數(shù)情況下，能在6 min之內(nèi)全部疏散到安全地點。在滿足6 min的疏散時間的前提下，疏散時間越短，疏散方案越好。

（2）瓶頸口行人密度ρ。瓶頸口處行人密度越大，瓶頸口處就越擁堵，越容易造成踩踏事故，即瓶頸口最大行人密度越小的方案越好。行人密度計算公式如式 ⑵ 所示。

2 鐵路客運站客流應(yīng)急疏散仿真模型

既有線鐵路客運站由于建成年代較早，多數(shù)車站站內(nèi)布局較為復(fù)雜，站廳較多。發(fā)生突發(fā)事件時，客運站內(nèi)的圍欄和檢票閘機是對疏散客流產(chǎn)生影響的2種主要客運設(shè)備。車站內(nèi)的圍欄能夠?qū)土鞯牧飨?、流量起到引?dǎo)和規(guī)范作用，但圍欄的設(shè)置也會增加應(yīng)急疏散過程中客流的走行距離。行人疏散時通過檢票閘機是一個排隊過程，檢票閘機的布局方式?jīng)Q定了疏散時客流的排隊長度和等待時間。因此在設(shè)計疏散方案時，可在既有的疏散方案上主要對圍欄和檢票閘機的布局進行調(diào)整，并通過仿真來驗證布局的合理性和優(yōu)劣性，進而保證設(shè)計的疏散方案的可行性。

檢票閘機的布局方式主要分為2類：其一是將檢票閘機集中設(shè)置在出口處，其二是分散設(shè)置在各站廳出口。對于站內(nèi)圍欄，主要考慮其設(shè)置的必要性。對檢票閘機和圍欄設(shè)備的布局方式進行探討，構(gòu)建應(yīng)急疏散仿真模型并對輸出數(shù)據(jù)進行分析，得到較為合理的布局方式。

采用Anylogic軟件構(gòu)建鐵路客運站客流應(yīng)急疏散仿真模型。首先對行人行為流程進行分析，然后構(gòu)建Anylogic仿真模型。仿真模型構(gòu)建包括車站物理環(huán)境建立和行人行為模型構(gòu)建，行人行為中又包括正常進站行為和應(yīng)急疏散行為，模型輸入數(shù)據(jù)為車站及行人實際數(shù)據(jù)。發(fā)生突發(fā)事件時，行人會從正常行為轉(zhuǎn)向疏散行為，應(yīng)用Anylogic行人庫和流程庫即可完成以上模型構(gòu)建工作[13]。應(yīng)急疏散仿真模型構(gòu)建流程如圖1所示。

圖1 應(yīng)急疏散仿真模型構(gòu)建流程Fig.1 Construction process of emergency evacuation simulation model

根據(jù)客流的年齡差異、性別差異、面對突發(fā)事件的反應(yīng)等對仿真模型參數(shù)進行設(shè)定。主要包括行人尺寸、行人疏散速度以及行人比例等參數(shù)，模型參數(shù)設(shè)定如表1所示。仿真疏散人數(shù)參考車站候車室座位數(shù)進行設(shè)置。

3 蘭州站應(yīng)急疏散實例分析

蘭州站是既有線鐵路客運站，并且具有復(fù)雜客流特征。蘭州站車站結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，車站共有5個不同的候車室、3個進站口，車站1層和2層分別有檢票出口和緊急出口，檢票口處設(shè)置有檢票閘機。各個候車室還設(shè)置有圍欄，旅客檢票前需在圍欄前等待。蘭州站1層和2層平面示意圖分別如圖2和圖3所示。

表1 仿真模型參數(shù)設(shè)定Tab.1 Parameter setting of simulation model

圖2 蘭州站1層平面示意圖Fig.2 Layout of the first floor of Lanzhou Station

圖3 蘭州站2層平面示意圖Fig.3 Layout of the second floor of Lanzhou Station

3.1 蘭州站疏散流程分析與疏散方案設(shè)計

對蘭州站疏散情況進行實地調(diào)研，2層候車面積較大、旅客較多、出口較少、前往1層疏散的走行距離較長，疏散瓶頸主要集中在車站2層，因此主要研究車站2層的客流疏散問題。蘭州站應(yīng)急疏散流程如圖4所示。

疏散時，所有的入口當(dāng)作疏散出口，2層乘客通過緊急出口、檢票口和樓梯向下疏散。

第3候車室疏散流程包括：通過第3候車室檢票通道前往2層檢票口出站離開；前往第5候車室，通過第5候車室東側(cè)緊急出口疏散；通過樓梯前往1層B、C進站口疏散。

圖4 蘭州站應(yīng)急疏散流程Fig.4 Emergency evacuation process of Lanzhou station

第4候車室疏散流程包括：通過第4候車室檢票通道前往2層檢票口出站離開；前往第5候車室，通過第5候車室西側(cè)緊急出口疏散；通過樓梯前往1層B、C進站口疏散。

第5候車室疏散流程包括：第5候車室東、西側(cè)緊急出口疏散。

正在前往第3候車室、第4候車室、第5候車室的旅客原路返回1層進站口疏散。

針對蘭州站設(shè)計3種應(yīng)急疏散方案及相應(yīng)的疏散流線，并據(jù)此構(gòu)建應(yīng)急疏散仿真模型。

方案1：保持車站原有客運設(shè)備布局，疏散流程按圖4所示進行。

方案2：取消車站2層第3、第4候車室內(nèi)的圍欄。蘭州站各個候車室內(nèi)均設(shè)置了圍欄，旅客在檢票前需在此等待，開始檢票后旅客經(jīng)過圍欄前往檢票閘機口。由于不確定這些欄桿在疏散時對疏散造成的影響，方案2取消這些圍欄，疏散流程按圖4所示進行。

方案3：將方案1中車站2層檢票口處的檢票閘機分散設(shè)置在第3、第4候車室檢票通道處，疏散流程按圖4所示進行。

表2 各方案輸出最大行人密度結(jié)果數(shù)據(jù) 人 / m2Tab.2 Maximum pedestrian density result data output by each scheme

在蘭州站實地調(diào)研所得到的候車室座位數(shù)共有1 868個，結(jié)合車站的流動人數(shù)，將模型的疏散人數(shù)定為3 000人。

3.2 仿真結(jié)果分析與比選

（1）疏散時間。利用建立的仿真模型，計算3種方案的應(yīng)急疏散時間。通過輸出結(jié)果得出，在客流結(jié)構(gòu)不變、疏散人數(shù)為3 000人的情況下，方案1花費4.33 min完成旅客疏散，方案2花費4.75 min完成旅客疏散，方案3僅花費3.94 min即完成旅客疏散，方案3疏散時間最短。

（2）瓶頸口區(qū)域密度。瓶頸口是在疏散過程中容易發(fā)生擁堵的通道或出口，蘭州站2層主要的瓶頸口包括：第3、第4候車室門處，第3、第4候車室檢票通道以及2層檢票口。仿真模型主要監(jiān)測并輸出瓶頸口處的行人密度。各方案輸出最大行人密度結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示。方案3的各個瓶頸口處的最大行人密度在3種方案中均相對較小，說明方案3在疏散過程中的整體擁擠程度相對較小。而方案1和方案2的不同位置的最大密度達到了1.94人/m2和1.88人/m2，說明整體疏散過程中存在某個瓶頸口非常擁擠的情況，從而導(dǎo)致行人的疏散速度變慢。

總體來說，方案3的疏散效率相比方案1提高了9%，比方案2提高了17%；疏散過程中瓶頸位置的行人密度最大值比其他方案小，比方案1降低了38.7%，比方案2降低了36.7%，說明方案3疏散過程中產(chǎn)生的擁堵最小。所以方案3為3種方案中的最佳方案。

根據(jù)仿真結(jié)果可知，客運站內(nèi)的圍欄等導(dǎo)流設(shè)備在應(yīng)急疏散中能夠有效引導(dǎo)客流疏散，客運設(shè)備集中設(shè)置在出入口處在緊急事件發(fā)生時會影響客流的疏散。在疏散方案的設(shè)計中，設(shè)計疏散流線時，要避免出現(xiàn)大量行人迅速聚集在某個通道或出口的情況，這樣會在通道或出口處產(chǎn)生擁堵，一方面降低了疏散效率，另一方面容易產(chǎn)生踩踏事故。

4 結(jié)束語

通過設(shè)計不同站內(nèi)客運設(shè)備布局下的應(yīng)急疏散方案，利用Anylogic軟件進行模擬仿真，以蘭州站為例，對模型輸出的數(shù)據(jù)進行分析，并對多種應(yīng)急疏散進行比選。研究得出，對于鐵路大型客運站，站內(nèi)圍欄等導(dǎo)流設(shè)備能夠有效引導(dǎo)客流疏散，降低瓶頸口客運設(shè)備壓力；客運設(shè)備在出口位置進行分散設(shè)置，能夠起到分散人流，減少聚集的效果；車站可通過合理安排導(dǎo)流設(shè)備及客運設(shè)備的設(shè)置，使得導(dǎo)流設(shè)備及客運設(shè)備在應(yīng)急疏散中充分發(fā)揮其效果，為客運站應(yīng)急疏散工作提供更為精確的應(yīng)急指導(dǎo)，進一步提高客運站應(yīng)急疏散中的客流疏散效率。