仿真試驗研究新型閘機通過能力對疏散時間的影響

楊利強

（徐州市城市軌道交通有限責(zé)任公司，江蘇徐州 221000）

自動售檢票系統(tǒng)（AFC）是城市軌道交通重要的設(shè)備系統(tǒng)，檢票閘機是將AFC系統(tǒng)及車站劃分為付費區(qū)和非付費區(qū)的重要設(shè)施之一。日?？土鹘M織過程中，閘機對乘客進行身份識別和驗證以保證車站秩序；車站內(nèi)發(fā)生火災(zāi)等緊急情況時，閘機由于本身占據(jù)通道的部分寬度，對車站內(nèi)人員安全快速疏散會產(chǎn)生影響，因此對閘機通過能力的研究是車站客流組織和安全管理方面的核心問題之一。本文對比不同類型閘機的通過能力，進一步分析閘機通過能力對車站疏散時間的影響。

目前國內(nèi)外的車站疏散仿真研究中，針對車站的整體疏散情況和疏散過程研究較多。賈崇強[1]針對車站進行仿真模擬，優(yōu)化了車站疏散時間；徐瀅等[2]研究了影響車站疏散時間的影響因素，包括人群的具體位置和針對性的引導(dǎo)等。隨著國內(nèi)主要城市客流強度的逐漸增加，針對疏散仿真的研究也更趨于微觀，不同設(shè)備設(shè)施對疏散的影響需要更有針對性的仿真研究。丁丹丹等[3]研究了大客流情況下，疏散時間受車站換乘設(shè)備的影響；孫亞杰[4]將三種不同閘機設(shè)置方式下的疏散過程用PathFinder模擬對比，得出疏散效率最高的閘機布置方式；柳澤原[5]利用Anylogic軟件建模仿真站廳層閘機口通過能力，根據(jù)案例仿真對比結(jié)果對閘機布置情況進行優(yōu)化設(shè)計；劉雙慶[6]通過錄像記錄統(tǒng)計乘客通過閘機時間，采用SPSS軟件進行數(shù)據(jù)分析，計算閘機通過能力；李勝利[7]分析人員恐慌狀態(tài)下對車站中進站設(shè)備疏散效率的影響，最終得出結(jié)論閘機的混亂疏散效率是有序疏散效率的50%。

本文通過對比介紹新型閘機和傳統(tǒng)閘機的屬性和通過能力，定義閘機通過能力分析的影響因素和評價標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計仿真試驗，對不同類型的新型閘機設(shè)備與傳統(tǒng)閘機設(shè)備進行疏散能力的對比分析，得出結(jié)論。

1 各類閘機基本屬性介紹

1.1 自動檢票閘機按不同分類方法劃分

（1）按阻擋方式劃分。

車站內(nèi)自動檢票閘機按阻擋方式不同分三種，包括三桿式閘機、門扉式閘機和雙向門扉式閘機。根據(jù)我國《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB 50157—2013）、《地鐵安全疏散規(guī)范》（GB/T 33668—2017）中相關(guān)內(nèi)容可知，三桿式閘機在疏散過程中嚴(yán)重阻礙乘客疏散速度，無法像門扉式一樣開放門扉，行人無法自由通過。

（2）按識別方式劃分。

自動檢票閘機按識別方式不同，可分為傳統(tǒng)識別方式（刷卡、證件掃描和掃碼）和生物識別方式（人臉識別和靜脈識別）。傳統(tǒng)識別方式目前技術(shù)相對成熟，通過與生物識別方式對比，可以更好地分析兩者通過能力之間的差異。

自動檢票閘機傳統(tǒng)識別方式與生物識別方式對比如表1所示。

表1 自動檢票閘機傳統(tǒng)識別方式與生物識別方式對比

通過對比傳統(tǒng)識別方式和生物識別方式可知，傳統(tǒng)識別方式下的自動檢票閘機技術(shù)成熟，應(yīng)用比例高，在運營情況下，閘機通過能力高于生物識別方式，識別速度快、成功率高，因此通行速度快。相比之下，生物識別方式的技術(shù)要求較高，能夠更有效地防止逃票現(xiàn)象的發(fā)生。由于生物識別方式閘機不需要回收票卡，不存在票箱，減少對通道寬度的占用，更有利于疏散情況下乘客逃生。

1.2 自動檢票閘機通過能力分析

（1）通過能力影響因素。

地鐵站閘機處是站內(nèi)人流最密集的區(qū)域之一，閘機的通過能力很容易影響車站內(nèi)的人流擁擠程度。影響閘機通過能力的因素主要分為兩個方面，一是影響閘機自身通過能力的因素，二是影響整個閘機組通過能力的因素。影響閘機自身通過能力的因素，主要包括閘機本身長度、寬度、反應(yīng)時間以及乘客的年齡、性別、出行目的、是否攜帶行李、通過閘機的速度等。

（2）實際通過能力。

閘機實際通過能力與各類乘客比例及其通過閘機的速度相關(guān)，但在發(fā)生突發(fā)事故時，地鐵站這種高度密集場所的人群往往會產(chǎn)生恐慌心理。閘機的入口寬度一般為0.55 m，寬度較小，人員的恐慌行為會對疏散效率造成較大影響。

Helbin設(shè)定了15 m×15 m、門寬1 m的房間，研究200人規(guī)模下，期望速度對疏散時間的影響。結(jié)果顯示，隨著期望速度增大，疏散時間增加，門的通行能力降低。當(dāng)門的寬度增加到一定值時，“快即是慢”現(xiàn)象便不明顯，也可以解釋在疏散過程中，生物識別方式閘機通過能力大于傳統(tǒng)識別方式閘機的現(xiàn)象。

2 疏散模型建立

2.1 仿真車站及客流特征簡介

選取目前廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)站型車站作為疏散研究案例車站。車站通常采用單承重柱和雙承重柱兩種形式，其取決于車站的所需承擔(dān)的客流壓力。

站廳和站臺分別位于上下兩層，通過3組樓扶梯連接，扶梯組布置采用的是標(biāo)準(zhǔn)模式，即左側(cè)兩扶梯、中部步梯升降梯、右側(cè)步梯扶梯的形式。

研究對象為徐州地鐵人民廣場站，1號線一期工程運營初期的早高峰進站量為3 397 人/h，出站量為3 587 人/h，工作日早高峰上行方向工農(nóng)路站-人民廣場站的區(qū)間斷面客流量為8 421 人/h，發(fā)車間隔為5 min。

由《1號線人民廣場站客流組織方案》可知，日?？土鹘M織中開放2、3及5號出入口；由《1號線人民廣場站火災(zāi)現(xiàn)場處置方案》可知，此次安全疏散測試中該站的安全疏散口為2、3、5號出入口及應(yīng)急疏散口。人民廣場站的進出站量及高峰斷面較大，因此在日常客流組織和應(yīng)急疏散的情況下，乘客的走行流線會產(chǎn)生較多交叉，需要在安全疏散測試中重點分析。

2.2 針對不同閘機疏散表現(xiàn)的實驗設(shè)計

在疏散過程中，不同類型閘機的通過能力對疏散的過程和總體時間有較大影響。

不同類型的閘機在疏散中的表現(xiàn)，主要體現(xiàn)在其通道寬度和過閘方式上。研究不同種類的閘機在疏散總的表現(xiàn)，設(shè)置疏散時通過能力不同的對照組，代表4種不同的閘機布置形式。

對照組、試驗組設(shè)計如表2所示。

表2 對照試驗組設(shè)計

3 疏散試驗分析

3.1 仿真實驗分析

通過對A、B、C、D四組試驗分別進行仿真模型的構(gòu)建和參數(shù)的調(diào)整，車站仿真模型客流平穩(wěn)運行至450 s時，開始疏散，統(tǒng)計疏散過程中行人數(shù)量隨時間變化和密度情況。

疏散全程車站行人密度分布如圖1所示。

圖1 車站疏散實仿真結(jié)果對比

通過對仿真過程中的行人密度進行分析，由4組閘機位置的行人密度可知：

A組只有行人流線折角導(dǎo)致的行人走行速度降低的情況，所以A組的四組閘機位置密度均較低，基本保持流線的平均密度水平。

隨著通行難度和通過速率的降低，閘機位置密度越來越高，堵塞范圍越來越大。

D組試驗中，新式閘機無票箱的優(yōu)勢較為明顯，在閘機位置有一定擁擠，最高密度控制在2.5 人/m2以下，不會引發(fā)其他位置的明顯擁堵。

C組試驗相比D組密度更高，但擴散范圍相近，且并未引發(fā)其他位置的衍生擁堵。

B組試驗中的三輥閘機相較于其他試驗組，有明顯的高密度區(qū)域變大的情況，疏散風(fēng)險增加。在右側(cè)出站閘機位置，閘機位置的擁堵乘客已經(jīng)開始擴散至后方樓梯口位置的走行乘客，產(chǎn)生了流線上的大量乘客堆積，導(dǎo)致大面積區(qū)域的行人密度過高的情況。

對4組試驗中的站內(nèi)的剩余行人數(shù)量進行實時監(jiān)控，統(tǒng)計行人數(shù)量-時間分布，如圖2所示。

圖2 仿真實驗車站人數(shù)-時間分布

由圖2可知，A、B、C、D四組在125 s之前的疏散效率和疏散人數(shù)差異較小，該部分疏散人員主要是在站廳非付費區(qū)的乘客，接到疏散的警報后，通過出站通道離開車站。

150 s后疏散表現(xiàn)差異明顯，隨著閘機位置通行能力的限制，疏散時間明顯增加。B組疏散時間最長，接近330 s；C組疏散時間為320 s，相較于D組最后的疏散部分，C組疏散速率變化較?。籇組疏散效率減小的情況較明顯，出現(xiàn)斜率絕對值減小的趨勢，說明閘機使用均衡性逐漸降低。

對比A和D組試驗結(jié)果，結(jié)果幾乎相同，差距不明顯，說明在閘機能力超過一定閾值后，疏散能力的限制并不在閘機位置，會受到其他設(shè)備的影響。

3.2 車站疏散指標(biāo)分析

通過仿真軟件對疏散過程中的參數(shù)表現(xiàn)進行監(jiān)控，計算疏散評價指標(biāo)體系。

試驗組疏散指標(biāo)結(jié)果如表3所示。

表3 試驗組疏散指標(biāo)結(jié)果

分析表3結(jié)果可知，D組新型閘機類設(shè)備對于疏散能力的提升，可以直接提升整個閘機位置各指標(biāo)。D組試驗中的設(shè)備不均衡度較高，主要是因為在疏散過程中設(shè)備不均衡性受到行人的選擇影響。

在D組相對排隊較短的情境下，乘客更傾向于選擇走行距離更短的疏散路線，致使設(shè)備的不均衡程度更高，側(cè)面反映行人對高效疏散設(shè)備的使用率更高。除了設(shè)備使用不均衡性外，平均排隊長、最大行人密度、疏散時間等指標(biāo)均與閘機在疏散時通過速率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此，閘機設(shè)施疏散通過速率在減少行人排隊時間、降低疏散風(fēng)險方面均有顯著的作用。

4 結(jié)語

（1）閘機設(shè)備的通過能力對車站的疏散過程具有重要影響，在疏散過程中，閘機設(shè)備的疏散通過能力越低，閘機位置的擁堵情況越嚴(yán)重，高密度區(qū)域越大。擁堵情況的加重會沿乘客流線向上游位置延伸，影響其他設(shè)備服務(wù)。

（2）隨自動檢票閘機疏散通過能力的增加，疏散時間減少明顯，相較于三輥式閘機，門扉式閘機與新型無票箱閘機疏散時間減少3.4%～9.1%，但閘機通過能力對疏散時間的貢獻有限，閘機類設(shè)備疏散能力突破瓶頸后，疏散能力會受限于其他設(shè)備影響。

（3）新型閘機和門扉式閘機等通過能力較大的閘機，在標(biāo)準(zhǔn)站型的疏散能力指標(biāo)較好。在試驗測試早高峰時段，最大行人密度相較于三輥式閘機降低6%～19%，對疏散風(fēng)險降低作用明顯。排隊長度相較于三輥式閘機減少23%～37%，顯著增加乘客疏散時舒適度，降低疏散心理壓力。

（4）限于研究時間與研究條件，針對閘機設(shè)備通過能力對疏散過程影響的研究還有待進一步深入和完善，包括其他車站疏散過程對車站結(jié)構(gòu)類型的影響、閘機設(shè)備與其他設(shè)備能力的匹配性對疏散過程的影響等。