中低速磁浮線路高架橋上應急設施疏散能力仿真分析*

丁 明 魏慶朝 潘姿華 張風河

(1.北京交通大學土木建筑工程學院，100044，北京；2.北京九州一軌環(huán)境科技股份有限公司智慧運維中心，100070，北京；3.山東華宇工學院校企合作與就業(yè)指導處，253034，德州 ∥ 第一作者，碩士研究生)

中低速磁浮線路具有噪聲低、爬坡能力強、轉(zhuǎn)彎半徑小等優(yōu)點，適用于城市機場專用線或客流相對集中的點對點線路[1]。為了線路的跨越避讓、沉降控制和方便維修，其常采用高架橋作為下部基礎結(jié)構，這也使事故時人員疏散具有很大難度。因此，合理設置橋上應急設施已成為確保人員安全的必要措施。

CJJ/T 262—2017《中低速磁浮交通設計規(guī)范》[2]指出高架區(qū)間應設置縱向疏散平臺，并對其最小寬度做了規(guī)定。長沙磁浮快線設有疏散平臺和獨立樓梯，北京中低速磁浮交通示范線(S1線)亦設有疏散平臺。但目前針對不同橋上應急設施疏散能力的對比研究，以及橋上應急設施的部分設計參數(shù)對其疏散能力的影響研究仍較為缺乏。多智能仿真技術在疏散行為研究中應用廣泛[3]，相比其它微觀仿真模型，該仿真技術在行為個體、個體間以及個體和環(huán)境間相互影響等方面能更真實地模擬不同場景的疏散過程[4]，同時能避免大規(guī)模人員疏散演習的風險。

基于此，本文利用計算機多智能仿真平臺Pathfinder，以中低速磁浮線路高架橋上人員應急疏散為場景，計算分析不同應急設施及其設計參數(shù)對人員疏散時間的影響，以期為國內(nèi)中低速磁浮線路設計和建設提供參考。

1 中低速磁浮線路高架橋上應急疏散的特點

中低速磁浮線路橋梁屬于半封閉空間[5]，一旦發(fā)生事故，人員不易疏散，外部救援也難迅速進行。按照事故致因特點，可將中低速磁浮線路高架橋上事故分為人為因素事故和非人為因素事故，具體如圖1所示。橋上應急疏散主要具有以下特點：

圖1 中低速磁浮線路高架橋上事故分類

1) 事故影響因素多。中低速磁浮線路橋梁需要車輛、線路、牽引供電、列車運行控制等多個子系統(tǒng)協(xié)同工作[6]。此外，“人-機-環(huán)境”的整體性和協(xié)調(diào)性也是線路安全運營中所不可或缺的[7]。中低速磁浮系統(tǒng)的復雜性使其事故影響因素多。

2) 發(fā)生事故概率大。就目前運營情況與發(fā)展趨勢而言，中低速磁浮高架線路占比極高。例如，日本東部丘陵線高架線路占全線的84.3%[8]；我國長沙和北京磁浮線路也均以高架為主。事故發(fā)生時，列車位于橋上的概率大。

3) 人員疏散較困難。中低速磁浮線路的選線靈活，其高架橋?？缭健⒈茏尰A設施和山谷、河流等特殊地形[9]，因而陡坡橋、曲線橋較多且下部環(huán)境復雜；加之其橋梁結(jié)構特殊、位置較高、空間狹窄，事故發(fā)生時導致人員恐慌與擁擠現(xiàn)象嚴重。

2 高架橋上應急疏散模式及疏散設施

2.1 高架橋上應急疏散模式

與橋梁救援定點概念[10]相似，高架橋上應急設施是設置在橋梁上、引導人員疏散避難和方便救援工作開展的設施。

根據(jù)疏散方向，高架橋上應急設施的設置模式主要有豎向、縱向、橫向以及“組合”等4種。豎向是指設置豎向疏散通道以連接橋面與地面以引導人員疏散；縱向是指設置疏散平臺等引導人員沿線路方向疏散；橫向是指在上下行之間設置連接通道，使得雙線互為避難場所；“組合”是指將上述2種或3種疏散模式組合應用。圖2為高架橋上應急設施豎向、縱向、橫向疏散示意圖。

圖2 高架橋上應急設施豎向、縱向、橫向疏散示意圖

2.2 高架橋上應急疏散設施

2.2.1 豎向應急疏散設施

豎向應急疏散設施主要包括以下4種：

1) 獨立樓梯。獨立樓梯即頂部設在橋面、梯身由獨立支柱或橋墩支撐的逃生樓梯[10]。

2) 逃生電梯。逃生電梯又稱逃生升降機。

3) 逃生滑梯。逃生滑梯較為理想，但設計與施工難度大[11]。

4) 柔性滑道。柔性滑道隨車置于密閉箱內(nèi)，使用時固定于橋面預留的安裝孔[12]。

圖3 高架橋上的獨立樓梯

2.2.2 縱向應急疏散設施

縱向應急疏散設施主要是疏散平臺。目前，應用最為普遍的設置方式主要為單線時設于一側(cè)和雙線時設在線間兩種。一旦發(fā)生事故，人員可經(jīng)由疏散平臺步行前往臨近的車站或者避難點。北京中低速磁浮交通示范線延伸至金安橋站的疏散平臺如圖4所示。

圖4 磁浮線路延伸至車站的疏散平臺

2.2.3 橫向應急疏散設施

如列車在區(qū)間失去動力，經(jīng)調(diào)度指揮由雙線的另一線發(fā)來列車，區(qū)間人員方能借助橫向應急設施到達對線列車，并發(fā)往臨近車站完成疏散。疏散平臺設在線間時可充當橫向應急設施；未設置疏散平臺時，人員可通過隨車渡板到達對線列車。

3 高架橋上磁浮列車人員疏散仿真分析

3.1 仿真模型的建立

Pathfinder仿真平臺可提供先進的可視化界面和三維動畫效果等[13]，其Steering模式可以精細化設置個體的路線規(guī)劃和障礙物躲避行為[14]。參考北京中低速磁浮交通示范線，建立6節(jié)編組的高架橋上磁浮列車人員疏散模型，如圖5所示。列車長89.6 m，寬3 m；每輛車設對開門2對，車門寬1.5 m。建模時，假定人員自由疏散，且在車內(nèi)均勻分布；忽略性別、年齡等因素的差異，按列車額定載客數(shù)設置人員數(shù)量。按我國成年人人體尺寸，設置肩寬為40～45 cm的均勻分布；緊急情況下人行走的速度為平常值的2倍，設置行走速度為0.6～1.4 m/s的均勻分布[15]。以疏散時間為依據(jù)，考慮隨機性，將每個模型分別計算5次，并取其平均值。

圖5 高架橋上磁浮列車人員疏散模型

3.2 豎向疏散仿真計算

3.2.1 4種豎向應急疏散設施的對比

根據(jù)城市軌道交通橋梁的實際情況，取不同磁浮列車距地面的高度，并按照各推薦值[10-12]設置4種豎向應急疏散設施，分別建立豎向疏散模型。

對于豎向疏散，考慮人員全部離開應急設施的時間為疏散時間，計算結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，隨著磁浮列車距地面高度增加，各豎向應急設施疏散時間均增加，其中獨立樓梯、逃生滑梯和柔性滑道疏散時間增加緩慢，而逃生電梯疏散時間增加顯著。獨立樓梯疏散效率和安全性能較高，因此建議推廣；逃生電梯疏散效率較低，但可作為特定人員的輔助設施，建議配合使用；逃生滑梯和柔性滑道建議作為備用手段。

圖6 磁浮列車豎向應急疏散設施的疏散時間

3.2.2 樓梯寬度對獨立樓梯的影響

通過改變獨立樓梯的寬度，計算得到其對疏散時間的影響，見表1。由表1可知，隨著樓梯寬度增加，獨立樓梯疏散時間減少。因此，在工程經(jīng)濟等條件允許的情況下，建議適當增加樓梯寬度。

表1 不同樓梯寬度時獨立樓梯的疏散時間

3.2.3 每次開關門時間對逃生電梯的影響

針對逃生電梯，改變每次開關門時間，計算得到其對疏散時間的影響，見表2。由表2可知，隨著每次開關門時間增加，逃生電梯疏散時間增加。因此，在人員安全等條件允許的情況下，建議適當減少每次開關門時間。

表2 每次不同開關門時間時逃生電梯的疏散時間

3.3 縱向疏散仿真計算

3.3.1 單側(cè)開門數(shù)量對疏散平臺的影響

由于車門在事故中的可用數(shù)量存在不確定性，取不同單側(cè)開門數(shù)量，分別建立縱向疏散模型。

對于縱向疏散，當人員離開事故列車即可抵達相對安全的區(qū)域，考慮人員全部離開事故列車的時間為疏散時間，計算結(jié)果見表3。由表3可知，隨著列車單側(cè)開門數(shù)量減少，離開列車途徑變少，但同時也限制了平臺人群密度快速增加，降低了人流沖突。

表3 不同單側(cè)開門數(shù)量時疏散平臺的縱向疏散時間

3.3.2 平臺寬度對疏散平臺的影響

平臺寬度和欄桿間隔均對縱向疏散時間有影響。欄桿間隔對于人員離開列車的影響類似于橫向疏散時的情況。通過改變平臺寬度，計算得到縱向疏散模式下其對疏散時間的影響，見表4。由表4可知，當平臺寬度≥600 mm時，縱向疏散時間隨平臺寬度增加而減少，其中平臺寬度由600 mm增加至1 200 mm時，疏散時間減少得更快。由此可見，增大平臺寬度可以顯著縮短縱向疏散時間，因此，在工程經(jīng)濟等條件允許的情況下，建議增加平臺寬度至1 200 mm或更大值。

表4 不同平臺寬度時疏散平臺的縱向疏散時間

3.4 橫向疏散仿真計算

3.4.1 隨車渡板與疏散平臺的對比

橫向疏散包括隨車渡板和疏散平臺兩種方式。取不同的兩車正對車門對數(shù)，分別建立橫向疏散模型。

對于橫向疏散，考慮人員全部進入對線列車的時間為疏散時間，計算結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，當兩車正對車門對數(shù)相同時，采用隨車渡板的疏散時間總比采用疏散平臺時要少；隨著兩車正對車門對數(shù)減少，兩種方式下的疏散時間均增加，其中，采用疏散平臺的疏散時間增加更為顯著，究其原因是進入對線列車時疏散平臺與車門人流易產(chǎn)生沖突(見圖8)。需注意，由仿真計算得到的疏散時間很短，但是實際中需要考慮事故嚴重程度、調(diào)度等因素，這些因素會影響橫向疏散的可行性和疏散時間。經(jīng)多方面考慮，建議優(yōu)先在兩線間設置疏散平臺，如存在不允許設置疏散平臺的地段，建議配備隨車渡板。

圖7 磁浮列車橫向應急疏散設施的疏散時間

圖8 疏散平臺與車門人流沖突

3.4.2 欄桿間隔對疏散平臺的影響

對于人員橫向走行而言，平臺寬度變化對疏散時間的影響不大。通過改變欄桿間隔，計算得到不同欄桿間隔時的疏散時間，見表5。由表5可知，當欄桿間隔為600～1 200 mm時，隨著欄桿間隔增加，采用疏散平臺時的橫向疏散時間減少；當欄桿間隔大于1 200 mm時，橫向疏散時間減少速度略放緩。因此，在保證人員安全的情況下，建議適當增加欄桿間隔至1 200 mm。

表5 不同欄桿間隔時疏散平臺的橫向疏散時間

4 結(jié)論

1) 中低速磁浮線路高架橋上應急疏散模式可分為豎向、縱向、橫向等，利用Pathfinder仿真平臺可以實現(xiàn)對高架橋上人員多種應急疏散場景的模擬，以及對不同應急設施的不同設計參數(shù)下疏散時間的分析。

2) 疏散平臺可同時作為縱向和橫向應急設施，建議對其進行沿線設置。疏散平臺寬度對縱向疏散時間有顯著影響，建議其值取1 200 mm或在工程條件允許時取更大值。當疏散平臺用作橫向疏散通道時，建議欄桿間隔取1 200 mm。如線上不允許設置疏散平臺，建議配備隨車渡板。

3) 豎向疏散推薦采用獨立樓梯和逃生電梯，通過增加樓梯寬度、減少逃生電梯單次開關門時間可縮短疏散時間。

4) 未來可考慮建立組合疏散模式下的橋上列車人員疏散模型，并對疏散設施配置等進行研究，從而提高中低速磁浮線路高架橋上人員安全疏散技術水平。