基于實測數(shù)據(jù)的地下通道行人疏散運動規(guī)律

劉 軒，李海冰，房志明

(1.廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 建筑消防研究所，廣東 廣州 510500；2.廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測總站有限公司，廣東 廣州 510500；3.上海理工大學(xué) 管理學(xué)院，上海 200093)

地下通道作為一種有效的輔助通行結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用在地下綜合體、地鐵換乘和主干道路口等。相比于普通通道，地下通道往往空間有限、更易聚集密集人群，需要輔助照明，但是緊急情況照明條件有限。一旦地下通道的人群中發(fā)生摔倒、火災(zāi)、異響等突發(fā)擾動情況，極易引起人群慌亂、擁擠推搡，踩踏事故發(fā)生的可能性也大大增加。例如，2010年7月24日，德國西部魯爾區(qū)杜伊斯堡市舉行“愛的大游行”電子音樂狂歡節(jié)時，通向活動現(xiàn)場的一個地下通道里發(fā)生踩踏事件，造成21人死亡、342人受傷。因此，研究分析地下通道內(nèi)人群運動行為規(guī)律，是保障地下通道人群流通安全及應(yīng)急疏散安全的基礎(chǔ)，具有重要的現(xiàn)實意義。

使用實際觀測方式采集人群運動過程資料進(jìn)行分析是研究人群運動行為規(guī)律的典型方法，如HELBING等[1]對麥加朝圣中的大規(guī)模人群錄像資料進(jìn)行了圖像處理和理論分析，發(fā)現(xiàn)密集人群的運動會自發(fā)地出現(xiàn)由“自由流”到“走走停停波”，再到“湍流運動”的相變。當(dāng)人群處于“湍流運動”狀態(tài)時，內(nèi)部壓力突然釋放會使行人跌倒，進(jìn)而引發(fā)踩踏事故。劉立元等[2]選取地鐵車站的通道設(shè)施為研究對象，通過視頻采集、后期人工處理得到行人流運動特征參數(shù)的數(shù)據(jù)資料，并擬合出通道設(shè)施內(nèi)行人流交通特征參數(shù)之間的理論關(guān)系曲線。張文輝等[3]以福州鐵路北站為研究對象，對樞紐內(nèi)部的行人流數(shù)據(jù)進(jìn)行視頻采集，對行人流參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和擬合分析，建立了不同設(shè)施的行人流參數(shù)關(guān)系曲線及函數(shù)模型，發(fā)現(xiàn)水平通道處行人流流量與密度呈二次函數(shù)關(guān)系，流量與空間在某一臨界點兩側(cè)分別呈二次函數(shù)關(guān)系和對數(shù)函數(shù)關(guān)系，速度與密度呈線性關(guān)系。楊麗麗[4]結(jié)合北京西直門綜合樞紐的行人流調(diào)查數(shù)據(jù)，分析了樞紐內(nèi)不同步行設(shè)施上的行人自由速度分布特性，采用單因素方差分析法對影響因素進(jìn)行分析。賈洪飛等[5]通過實地觀測水平通道內(nèi)部，研究流量、密度、速度三者之間的關(guān)系，構(gòu)建模型分析了行人最小靜態(tài)空間、動態(tài)空間。孫惠芳[6]在廣州地鐵車站觀測人群運動數(shù)據(jù)，統(tǒng)計性別、年齡、負(fù)重、結(jié)伴、使用手機(jī)和高跟鞋6個因素對城市軌道交通車站通道內(nèi)行人交通微觀特征參數(shù)的影響，并從乘客屬性、心理特征、行為特征、設(shè)施環(huán)境、其他行人影響等方面分析統(tǒng)計結(jié)果的產(chǎn)生原因。周繼彪[7]以西安市北大街地鐵站為例，對樞紐內(nèi)行人交通特性進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明行人步行的平均速度為1.114 m/s；行人密度與速度擬合關(guān)系符合線性函數(shù)形式，行人速度隨著密度的增大而減小；行人密度與流量擬合關(guān)系符合一元三次方函數(shù)形式，行人流量隨著密度的增大先增大后減小。李俊梅等[8]開展了居民樓有煙環(huán)境中人員沿樓梯上行移動特性的研究，指出煙氣環(huán)境中心理作用是影響移動速度的重要因素。

在行人交通研究方面，很多學(xué)者[9-13]對行人交通特性等進(jìn)行了大量調(diào)查，包括但不限于行人交通流基本特征參數(shù)、行人交通流速度特性、行人交通流流量特性、行人交通流參數(shù)關(guān)系、行人交通流延誤特性和行人過街安全心理距離分析。劉旭光等[14]開展了多組上下樓疏散實驗，對疏散效率、速度、密度、流量等典型特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明人員微觀疏散行為與樓梯結(jié)構(gòu)有著緊密的聯(lián)系，在樓梯出入口和階梯段更容易出現(xiàn)擁堵。孟琦[15]在城軌車站中研究了站廳場景下可視距離、從眾程度和初始密度與平均疏散時間等疏散特性的關(guān)系。馬云龍等[16]基于觀測數(shù)據(jù)分析了基本步行路段的行人特性，指出少年兒童、青年、中年和老年人的步速、步幅和步頻平均值的差異均較顯著。黃利華等[17]研究了乘客在地鐵突發(fā)事件下對典型疏散行為的認(rèn)知情況，指出大多數(shù)乘客缺乏應(yīng)急疏散經(jīng)驗和演練經(jīng)歷，其中疏散措施選擇與乘客年齡、學(xué)歷存在相關(guān)性。龔曉嵐等[18]為了估計行人交通流的自由速度及其分布，在分析行人步行速度受約束概率的基礎(chǔ)上，基于改進(jìn)的Kaplan-Meier估計方法，對行人的自由速度估計方法進(jìn)行了分析，用大量的實測數(shù)據(jù)建立了不同步行設(shè)施上行人的自由速度分布模型，發(fā)現(xiàn)行人的自由速度符合正態(tài)分布。

綜上可知，現(xiàn)有研究針對地下通道的實測數(shù)據(jù)較少，故筆者選取某典型的地下通道開展觀測實驗，分析地下通道內(nèi)的人群運動規(guī)律，以期為地下通道人群疏散仿真[19]及應(yīng)急管理提供依據(jù)。

1 實測實驗

1.1 實驗設(shè)計

選取某地下通道為研究對象，如圖1所示，該通道連接商圈和地鐵站，客流密集，節(jié)假日更甚。該通道凈寬度為8.74 m，高度約為2.2 m，客流雙向通行。故筆者在某周六的高峰時段，使用手持?jǐn)z像機(jī)對該通道的客流進(jìn)行視頻采樣。

圖1 某地下通道及測量區(qū)域示意圖

1.2 參數(shù)提取

對攝像機(jī)記錄的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析實驗中的詳細(xì)運動參數(shù)和特殊現(xiàn)象。因為本次觀測實驗在地下通道開展，攝像機(jī)的布置位置受限，拍攝的畫面角度達(dá)不到計算機(jī)圖像自動處理的標(biāo)準(zhǔn)，所以采用人工方法處理本次實驗的數(shù)據(jù)。主要關(guān)注通道內(nèi)人群的運動參數(shù)，包括速度、密度、流量等，為了統(tǒng)計上述運動參數(shù)數(shù)據(jù)，選定圖1矩形框標(biāo)記的測量區(qū)域，該區(qū)域?qū)挾萕=8.74 m，長度L=5.23 m，人群沿長度方向運動，測量的參數(shù)與測量方法為：①運動時間(Δt)，即在采集的視頻數(shù)據(jù)中跟蹤個體經(jīng)過測量區(qū)域的時間；②運動距離(ΔS)，假定個體在測量區(qū)域內(nèi)直線行走，因此個體運動距離ΔS=5.23 m；③運動速度(v)，個體運動速度即為運動距離與運動時間比值，v=ΔS/Δt；④運動步頻(H)，即在測量區(qū)域內(nèi)個體單位時間內(nèi)邁步次數(shù)；⑤人群流量(F)，在采集的視頻數(shù)據(jù)中，跟蹤單位時間內(nèi)通過通道橫截面位置單位寬度內(nèi)的人員數(shù)量；⑥人群密度(d)，在采集的視頻數(shù)據(jù)中，計數(shù)每一時刻(每秒)測量區(qū)域內(nèi)的人數(shù)N，則每一時刻測量區(qū)域內(nèi)的人群密度為人數(shù)與測量區(qū)域面積的比值，d=N/(W×L)。

實驗共跟蹤了824位個體運動，針對每個個體，根據(jù)觀測判斷其屬性信息，包括性別(男或女)、年紀(jì)(青年或中老年)、是否結(jié)伴(2個及以上個體共同運動視為結(jié)伴，否則為未結(jié)伴)、是否攜物(攜帶背包、行李、嬰兒車等記為攜物，否則為未攜物)。

2 行人流通規(guī)律分析

2.1 行人流通運動參數(shù)分析

實驗跟蹤了824位個體樣本，提取每個個體的速度參數(shù)，全部個體樣本的速度分布情況如圖2所示。由圖2可知，在允許雙向通行的地下通道內(nèi)，個體間速度差異較明顯，整體分布在0.7～2.7 m/s之間，符合正態(tài)分布規(guī)律，人群速度的平均值為1.481 4±0.378 5 m/s。

圖2 人群速度分布圖

因人群個體間速度差異明顯，因此統(tǒng)計提取了824位個體樣本的運動步頻，全部樣本的步頻分布情況如圖3所示，可以看出人群的步頻分布范圍為0.7～4.0步/s，說明在通道內(nèi)個體運動的緊迫性差異明顯。結(jié)合視頻觀察發(fā)現(xiàn)，有的個體目標(biāo)明確，其步頻較高，有的個體游玩為主，其步頻較低。所有人群的步頻符合正態(tài)分布規(guī)律，平均步頻為1.836 4±0.490 2步/s。

圖3 人群步頻分布圖

密度-流量關(guān)系是決定人群運動效率的關(guān)鍵，美國國家消防協(xié)會(national fire protection Association)制定的美國消防工程師防火安全工程手冊(the SFPE handbook of fire protection engineering)中給出的流量-密度關(guān)系為[20]：

F=1.4d-0.372 4d2

(1)

對于視頻中的每秒時刻，提取了測量區(qū)域內(nèi)人群密度-流量數(shù)據(jù)，如圖4所示。由圖4可知，隨著測量區(qū)域內(nèi)人群密度的增加，流量呈現(xiàn)明顯上升趨勢。而且，實測得到的密度-流量變化規(guī)律與手冊給出的流量-密度關(guān)系一致，說明實驗實測的運動參數(shù)結(jié)果具有代表性，能夠表征地下通道內(nèi)的人群運動規(guī)律。

圖4 人群密度-流量關(guān)系

2.2 行人流通影響條件分析

前文結(jié)果表明不同人群的速度差異與步頻差異明顯，為了進(jìn)一步分析造成速度與步頻差異的原因，將所有個體樣本按照性別、年齡、是否攜物、是否結(jié)伴進(jìn)行分類，統(tǒng)計對比不同類別之間的速度與步頻差異，并繪制了各類別速度與步頻結(jié)果的箱型圖與小提琴圖。

不同類別人群的速度差異和速度差異的箱型圖與小提琴圖分別如表1和圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)：①824個樣本中，男女各占一半，其中男性的速度為1.532 7±0.400 1 m/s，女性的速度為1.430 1±0.347 6 m/s，男性速度比女性高出7.18%。該項結(jié)果符合對不同性別人群運動能力的預(yù)期，即通常情況下男性運動能力強(qiáng)于女性，實驗觀測的人群是正常的普通人群，因此表現(xiàn)出男性的速度明顯高于女性。②青年樣本數(shù)量為403個，中老年樣本數(shù)量為421個，其中青年速度為1.555 7±0.351 8 m/s，中老年速度為1.410 3±0.388 9 m/s，青年速度比中老年速度高10.31%。由于無法準(zhǔn)確獲取觀測個體的年齡信息，只是根據(jù)觀測個體的相貌特征主觀判斷其為青年人或中老年人。兩類人群之間的速度差異也符合對不同年齡人群運動能力的預(yù)期，即通常情況下青年人運動能力強(qiáng)于中老年人。③攜物人群樣本量為384，不攜物人群樣本量為440，其中攜物人群速度為1.463 8±0.402 1 m/s，不攜物人群速度為1.496 7±0.356 3 m/s，不攜物人群速度比攜物人群速度高2.25%，說明攜物在一定程度上會降低人群的運動速度。④結(jié)伴人群樣本量為512，不結(jié)伴人群樣本量為312，其中結(jié)伴人群速度為1.444 0±0.365 7m/s，不結(jié)伴人群速度為1.542 8±0.390 3 m/s，不結(jié)伴人群速度比結(jié)伴人群速度高6.85%，說明結(jié)伴在一定程度上會降低人群速度。

表1 速度差異統(tǒng)計分析結(jié)果

圖5 不同類別人群速度差異的箱型圖與小提琴圖

不同類別人群的步頻差異和步頻差異的箱型圖與小提琴圖分別表2和圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)：①男性的步頻為1.905 7±0.482 5 m/s，女性步頻為1.767 1±0.487 5 m/s，男性步頻比女性高7.84%；②青年步頻為1.902 3±0.485 1 m/s，中老年步頻為1.773 3±0.486 2 m/s，青年步頻比中老年步頻高7.27%；③攜物人群步頻為1.823 9±0.544 3 m/s，不攜物人群步頻為1.847 3±0.436 7 m/s，不攜物人群步頻比攜物人群步頻高1.28%；④結(jié)伴人群步頻為1.810 5±0.475 2 m/s，不結(jié)伴人群步頻為1.878 8±0.510 3 m/s，不結(jié)伴人群步頻比結(jié)伴人群步頻高3.77%。

表2 步頻差異統(tǒng)計分析結(jié)果

圖6 不同類別人群步頻差異的箱型圖與小提琴圖

筆者進(jìn)一步采用SPSS軟件對824個樣本的性別、是否結(jié)伴、是否攜物、年齡分組等屬性信息及其運動速度與步頻進(jìn)行相關(guān)性分析，如表3所示。結(jié)果表明：①速度與步頻之間呈現(xiàn)顯著相關(guān)性，證明個體速度由其步頻決定，個體步頻越大，速度越大，再結(jié)合圖2與圖3說明個體緊迫性差異造成步頻差異，進(jìn)而表現(xiàn)出明顯的速度差異；②性別與速度和步頻呈顯著相關(guān)性，說明性別密切影響通道內(nèi)人群運動參數(shù)；③年齡與速度和步頻呈顯著相關(guān)性，說明年齡決定了人群運動參數(shù)；④是否結(jié)伴與速度呈顯著相關(guān)性，與步頻相關(guān)性不顯著，說明結(jié)伴行為在一定程度上影響人群運動參數(shù)；⑤是否攜物與速度和步頻的相關(guān)性不顯著，說明在商圈附近的地下通道內(nèi)，人員攜帶的隨身物品不足以影響其運動參數(shù)。

表3 人群運動參數(shù)與人群分組相關(guān)性分析

3 結(jié)論

(1)在某地下通道開展了人群運動觀測實驗，采集獲取了824個行人樣本數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了人群速度、步頻分布情況及密度-流量關(guān)系，并分析了不同類別人群下的運動參數(shù)差異。

(2)地下通道人群的速度為1.481 4±0.378 5 m/s，步頻為1.836 4±0.490 2步/s，符合正態(tài)分布規(guī)律；實測得到的密度-流量變化規(guī)律與SFPE手冊給出的流量-密度關(guān)系式一致，說明實驗實測的運動參數(shù)結(jié)果具有代表性，能夠表征地下通道內(nèi)人群運動規(guī)律。

(3)地下通道內(nèi)人群速度與步頻之間呈顯著相關(guān)性，個體速度由其步頻決定，運動緊迫性差異造成步頻差異，進(jìn)而表現(xiàn)出速度差異；地下通道內(nèi)性別、年齡與個體的速度、步頻顯著相關(guān)性，男性的速度、步頻高于女性，青年人的速度、步頻高于中老年人；根據(jù)平均值結(jié)果，地下通道內(nèi)攜物人群的速度、步頻低于不攜物人群，結(jié)伴人群的速度、步頻低于不結(jié)伴人群。