面向疫情防控的地鐵站客流疏散仿真研究

康元磊，蔣海龍

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司；2.青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院）

1 引言

城市軌道交通作為一種重要的交通運(yùn)輸工具，在為行人日常出行提供生活便利的同時(shí)，也為新冠疫情的安全防控埋下了隱患，尤其是在地鐵站內(nèi)閘機(jī)、樓/扶梯等人群極易高度集中的區(qū)域。一旦有感染者進(jìn)入地鐵站內(nèi)，將會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性的病毒傳播鏈。從疫情防控的角度對(duì)地鐵站內(nèi)客流的疏散管理進(jìn)行分析與研究，不僅可以為疫情防控工作提供一定的理論基礎(chǔ)，而且也為行人規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)提供了一種科學(xué)策略，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

地鐵站具有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，地下多層的空間布局使得行人上下通行變得頻繁。地鐵站內(nèi)進(jìn)行真人可控實(shí)驗(yàn)的條件變得愈發(fā)苛刻，而人群動(dòng)力學(xué)模型的出現(xiàn)為地鐵站內(nèi)客流運(yùn)動(dòng)模擬提供了便利。采用微觀社會(huì)力模型[1-4]作為行人運(yùn)動(dòng)的底層模擬方法，可將行人運(yùn)動(dòng)時(shí)的心理作用、周圍行人和環(huán)境的作用考慮進(jìn)來(lái)，可較為準(zhǔn)確地描述出行人個(gè)體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。本文通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)從疫情防控的角度對(duì)行人疏散問(wèn)題展開討論，并給出相關(guān)客流管控建議。

2 社會(huì)力模型介紹

式（1）中：mi為行人i的質(zhì)量，vi(t)是行人在時(shí)刻t 的實(shí)際行走速度。f0i由式(2)所示，fij由式(3)表示，fiW由式(4)表示。

式（3）中，Ai=2000 N，Bi=0.08 m。dij表示兩位行人重心間的距離。，ri、rj分別代表行人i和j的身體半徑。= (ri-rj)dij，ri為行人i所在的位置，rj為行人j所在的位置。=(vj-。kn=1.2×105kg?s-2，kt=2.4×105kg?m-1?s-1，g(x)=

式（4）中，diw是行人和障礙物之間的距離。

3 仿真場(chǎng)景設(shè)置

選取青島某地鐵站為仿真場(chǎng)景，此地鐵站是一座典型的島式車站，車站附近有眾多大型購(gòu)物商場(chǎng)，客流量充足。

為了使仿真結(jié)果更加真實(shí)，實(shí)驗(yàn)設(shè)置更加合理，本文對(duì)地鐵站內(nèi)的行人屬性進(jìn)行了大量的實(shí)地調(diào)研，并參閱文獻(xiàn)[5]，確定了仿真過(guò)程中行人的具體參數(shù)。根據(jù)地鐵站的結(jié)構(gòu)布局對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)中的行人數(shù)量、行人屬性等參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置（見表1）。

表1 疏散客流管理中仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

為了對(duì)行人疏散時(shí)的具體特征進(jìn)行更詳細(xì)地分析，本文將行人的疏散路徑分為5個(gè)路段（見圖1）。

圖1 行人路徑分段示意圖

4 結(jié)果分析

圖2 給出了行人在疏散過(guò)程中的速度分布情況。從圖2 可以看出4 種初始密度下行人的速度分布主要集中在F 速度服務(wù)水平，這說(shuō)明大部分行人的逃生速度相對(duì)較小。在100s～150s 左右，處于E、F速度服務(wù)水平的行人比例會(huì)出現(xiàn)明顯的增加，這是因?yàn)闃翘莸耐ㄐ心芰κ枪潭ǖ?，即單位時(shí)間內(nèi)疏散的行人數(shù)量是有限的，而此時(shí)行人在站臺(tái)樓/扶梯口處產(chǎn)生了擁堵，滯留行人隨著時(shí)間的累加越來(lái)越多，行人會(huì)陷入低速狀態(tài)。此外，隨著初始行人密度的增加，處于A速度服務(wù)水平的行人比例逐漸降低，即行人在疏散過(guò)程中的整體逃生速度將會(huì)降低，進(jìn)而可能增加行人在疏散過(guò)程中的接觸時(shí)間，加大了行人在疏散過(guò)程中感染病毒的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 處于不同速度服務(wù)水平下的行人數(shù)量隨疏散時(shí)間的變化圖

圖3展示了不同疏散場(chǎng)景下地鐵站內(nèi)單位區(qū)域的行人聚集情況。從圖3中可以看出場(chǎng)景B1下行人會(huì)在樓/扶梯口和閘機(jī)處產(chǎn)生嚴(yán)重聚集的現(xiàn)象，場(chǎng)景B2下閘機(jī)和樓/扶梯口的紅色區(qū)域要大于場(chǎng)景B1 下的，但在其他路徑上并未產(chǎn)生嚴(yán)重聚集現(xiàn)象。而場(chǎng)景B3、場(chǎng)景B4下的行人聚集現(xiàn)象更為嚴(yán)重，行人不僅會(huì)在樓/扶梯、閘機(jī)處高度聚集，在其他的疏散路徑上也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)矶?。這表明隨著站臺(tái)初始行人密度的增加，疏散過(guò)程中站內(nèi)某些關(guān)鍵位置處的行人聚集現(xiàn)象也會(huì)增加，這將給地鐵站的疫情防控帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

圖3 疏散過(guò)程中行人在地鐵站內(nèi)單位區(qū)域的最大行人數(shù)量

圖4進(jìn)一步給出了不同初始密度下每位行人在疏散過(guò)程中通過(guò)各路段的用時(shí)情況。從圖4可以看出路段1用時(shí)較多的行人在整個(gè)疏散過(guò)程中所花費(fèi)的時(shí)間也比較多。同時(shí)，隨著站臺(tái)初始行人密度的增加，路段1、路段4的整體用時(shí)也隨之增加，這說(shuō)明人數(shù)的增加加劇了路段1和路段4的擁擠程度，進(jìn)而增加了疏散的總用時(shí)。

圖4 不同場(chǎng)景下行人疏散時(shí)在各路段的時(shí)間花費(fèi)情況

圖5展示了不同場(chǎng)景下站廳各區(qū)域累計(jì)通過(guò)的行人數(shù)量情況，從圖5 可以看出行人累計(jì)數(shù)量較多的區(qū)域往往集中在樓/扶梯口、閘機(jī)等通行空間較窄的地方，這些區(qū)域是疏散過(guò)程中的瓶頸區(qū)域，行人極易在這些位置處造成擁堵。

圖5 不同疏散場(chǎng)景下的站廳各區(qū)域累計(jì)通過(guò)的行人數(shù)量

5 結(jié)語(yǔ)

本文選取青島某地鐵站為仿真場(chǎng)景，從疫情防控的角度對(duì)地鐵站的行人疏散問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)仿真分析。通過(guò)對(duì)站內(nèi)行人疏散仿真實(shí)驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn)，行人在疏散過(guò)程中會(huì)在樓梯口、閘機(jī)等瓶頸區(qū)域產(chǎn)生大量聚集，且隨著疏散人數(shù)的增加，其聚集規(guī)模會(huì)越大。現(xiàn)有的地鐵站內(nèi)客流管控策略無(wú)法避免行人被感染的風(fēng)險(xiǎn)，還需進(jìn)一步完善。