基于不同時段人群特征的地鐵疏散仿真研究
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王春雪，呂淑然，索 曉
(首都經(jīng)濟貿(mào)易大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，北京100070)
摘要：針對地鐵不同運行時段人群特征對疏散的影響，對每小時進入地鐵站人數(shù)進行觀測，將地鐵運行時段分為高峰時段、平峰時段與低峰時段，并對各時段某一時刻列車到站數(shù)量進行記錄。對不同運行時段的年齡、攜帶行李情況、速度等人群特征進行觀測記錄，根據(jù)各時段人群特征對地鐵站進行Pathfinder疏散仿真建模。從疏散用時、擁堵點、人員疏散路徑、出口利用率等方面對各運行時段人員疏散仿真結(jié)果進行分析，得到高峰時段兩列列車同時到站時，疏散擁堵現(xiàn)象明顯，且兩列列車到站與1列車到站兩種情況下的人員疏散存在一定差異；平峰與低峰時段兩列列車同時到站疏散擁堵點明顯，出口利用率情況較為一致。最后，對提高地鐵疏散效率提出幾點建議措施：注重時段差異性的地鐵疏散管理；增強擁堵點的疏散引導(dǎo)；縮短列車行車間隔。
關(guān)鍵詞：地鐵應(yīng)急疏散；運行時段；人群特征；擁堵點；仿真
中圖分類號：X951 文獻標志碼：A doi: 10. 11731/j. issn. 1673 -193x. 2015. 09. 016
Study on metro evacuation simulation based on crowd characteristics
during different time period
WANG Chun-xue, LV Shu-ran, SUO Xiao
( Safety and Environmental Engineering Institute, Capital University of Economics and Business, Beijing 100070, China)
Abstract: In order to understand the influence of crowd characteristics on evacuation during different running timeperiods, the number of passengers entering the metro per hour was counted. The running time periods of metro weredivided into three time periods, including peak time period, flat peak period and low peak period. Besides, thenumber of trains pulling in station during each time period was recorded. The crowd characteristics which containage, luggage carrying condition and velocity of passengers during different running time periods were recorded. Onthis basis, the evacuation simulation modeling of metro station was done by utilizing the Pathfinder software. Thesimulation results of personnel evacuation during different running time periods were analyzed from the aspects of e-vacuation time, congestion points, evacuation route and utilization rate of exits. It showed that when two trainspulled in station during peak time period, the phenomenon of evacuation congestion was obvious, and the personnelevacuation had some differences between two trains and single train pulling in station. When two trains pulled instation during flat peak period and low peak period, the evacuation congestion points were obvious, and the utiliza-tion rates of exits were basically consistent. At last, some suggestions to improve efficiency of metro evacuation wereput forward, such as emphasizing the metro evacuation management during different running time periods, enhan-cing the evacuation guidance in congestion points, and shortening the running interval of trains.
Key words:metro emergency evacuation; running time periods; crowd characteristics; congestion points; simula-tion
0 引言
伴隨著城市化建設(shè)速度的不斷加快，我國地鐵已進入高速發(fā)展時期，目前全國地鐵總里程近3000km，預(yù)計至2020年將達6200km，且遠景可達近11700km。北京、上海、深圳等大型城市中，地鐵線路已逐步形成全城覆蓋的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。地鐵作為城市現(xiàn)代化程度的重要指標，以其快捷、舒適、守時、環(huán)保等特點，迅速成為人們出行的必備交通工具之一。在人們享受地鐵帶來的現(xiàn)代化便利生活同時，一系列地鐵事故不斷發(fā)生。2003年韓國大邱地鐵火災(zāi)事件，造成198人死亡、147人受傷；2010年俄羅斯地鐵連環(huán)爆炸事件，導(dǎo)致40人死亡、近百人受傷；2011年我國上海地鐵列車追尾，導(dǎo)致200余人受傷。這些慘痛事件不僅與火災(zāi)、爆炸、追尾等地鐵惡性事故相關(guān)，更與事故發(fā)生時的應(yīng)急疏散有直接關(guān)系。2014年上海外灘跨年夜踩踏事件，并非由火災(zāi)爆炸等惡性事故引發(fā)，而僅因人流對沖、疏散混亂等原因，釀成36人死亡、49人受傷的慘劇。地鐵站、集會等人員密集場所應(yīng)急疏散時，由于受到周圍事故環(huán)境刺激，人員易出現(xiàn)不聽從引導(dǎo)人員指揮、推擠人群等過激行為以及跟隨人群行動的從眾行為等而影響疏散效率。劉棟棟等對北京市多個地鐵站早高峰行人流進行觀測，通過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到行人的速度、年齡、身寬等特征數(shù)值，為地鐵應(yīng)急疏散設(shè)計提供可靠依據(jù)；保魯昆、朱君研究地鐵站人員特性對疏散的影響，并建立了乘客應(yīng)急疏散行為過程Petri網(wǎng)模型；Li Yi - fan等利用Simulex軟件對島式地鐵站應(yīng)急疏散進行仿真，研究疏散中瓶
頸位置對于人員的影響；許偉偉使用Java語言建立疏散仿真模型，并對北京、上海等地的地鐵站進行疏散研究。以往學(xué)者多將研究重點傾向于地鐵疏散中人員特征觀測、疏散行為分析與疏散仿真建模方面，而對考慮地鐵不同運行時段人群特征的疏散仿真較少。通過對考慮人群特征的地鐵不同運行時段疏散進行仿真，可以對事故災(zāi)害條件下不同運行時段的地鐵疏散進行研究。
1 地鐵不同運行時段人群特征分析
1.1 地鐵不同運行時段
選取北京市某地鐵換乘站進行觀測，該地鐵站換乘站內(nèi)有L1、L2兩條地鐵線路，且沿線均經(jīng)過幾個大型客流集散點，攜帶大件行李乘客較多，乘車人員結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。觀測點設(shè)置在該換乘站各個出入口處，共9個。由于工作日客流數(shù)量較大，各運行時段客流數(shù)量差異性明顯，故選擇3個連續(xù)工作日的6：00~ 22:00進行觀測，記錄每小時進入該地鐵站人員數(shù)量，觀測結(jié)果如圖1所示。
上述觀測結(jié)果表明，地鐵運行時段內(nèi)進入地鐵站乘車的人員數(shù)量呈一定變化規(guī)律，結(jié)合人員數(shù)量峰值變化規(guī)律，將地鐵運行時段分為高峰(7：00~9:00,17:00~19:00)、平峰(9:00~11:00,12:00~15：00，16：00~17：00，19:00~ 22:00)及低峰(6:00～7:00 ,11:00～12:00 ,15:00～16:00).
對該地鐵站內(nèi)不同運行時段同一時刻到站列車數(shù)目進行觀測可知，一列車到站與兩列列車同時到站的情況最為普遍，出現(xiàn)頻率為所有列車到站情況的44.3%與30.1%，各運行時段列車到站數(shù)量比值如表1所示。
1.2不同運行時段人群特征
由于該地鐵站線路沿線經(jīng)過幾個大型客流集散點，乘車人員除早晚高峰通勤的市民外，還包含大量攜帶大件行李的乘客，不同運行時段的人員組成各不相同，將對地鐵疏散造成很大的影響。在進行疏散仿真時，應(yīng)考慮不同時段人員的年齡、攜帶行李情況及速度等人群特征對疏散的影響。
1.2.1年齡特征
年齡特征與疏散中人的行為反應(yīng)顯著相關(guān)，疏散過程中，未成年人及老年人因其不利生理因素更容易產(chǎn)生恐懼、呆滯等不利于疏散的心理及行為，而中青年人則表現(xiàn)較為冷靜。將人員年齡分為未成年、中青年及老年三類，對不同運行時段進入該地鐵站的人員年齡情況進行觀測，高峰時段選取8:00~9:00；平峰時段選取10:00~11:00；低峰時段選取15：00~ 16：00，各時段的人員年齡比例如表2所示。
1.2.2攜帶行李情況特征
人員攜帶大件行李時，行李的大小與重量將減慢人員的疏散運動速度，造成疏散時間增大，且攜帶行李人員擔心疏散中的財產(chǎn)損失，更易產(chǎn)生驚慌情緒與折返取物等不理智行為，對地鐵疏散造成一定的不良影響。將人員攜帶行李情況分為攜帶大件、攜帶小件及未攜帶，對該地鐵站人員攜帶行李情況進行觀測，高峰時段選取8:00~9:00；平峰時段選取10:00~11:00；低峰時段選取15：00~16：00。高峰時段通勤市民較多，大多為學(xué)生與職員，攜帶大件行李的乘客較少，僅占9 010；而平峰時段前往大型客流集散點的乘客較多，短途出行的乘客數(shù)量較少，攜帶大件行李的人員占39%，不同運行時段人員攜帶行李情況比例如表3所示。
1.2.3速度特征
國內(nèi)外許多學(xué)者對疏散中用人員速度進行了大量觀測，不同國家不同地區(qū)人員平均速度值存在著一定差異，且年齡、性別、出行目的、換乘通道方向等因素均對人員速度有影響。對該地鐵站內(nèi)樓梯與換乘通道處人員運動速度分別進行視頻觀測，選擇該地鐵站內(nèi)Li線西北乘車通道人口下行樓梯處、L2線島式站臺與換乘站廳間上行樓梯處、L1線換L：線換乘長通道人口處、L2線西側(cè)乘車通道平臺處作為試驗點，高峰時段觀測時間為18:00~19:00，平峰時段為10：00~11:00，低峰時段為15：00~16：00。以上述年齡特征將人員進行分類，樓梯、換乘通道處各運行時段不同年齡的人員運動速度觀測值如表4~表6所示。
2 地鐵疏散仿真研究
2.1 疏散仿真建模
該地鐵站內(nèi)包含L1、L2兩條地鐵線路，線路中列車采用標準B型車，3拖3動共6輛編組，兩條線路之間的換乘方式為通道換乘。L1線為地下負三層結(jié)構(gòu)，地下一層為換乘大廳，地下二層為分離站廳，地下三層為島式地鐵站臺；L2線為地下負二層結(jié)構(gòu)，地下一層為換乘大廳，地下二層為島式地鐵站臺。
根據(jù)該地鐵站實際建筑尺寸，利用人員疏散仿真軟件Pathfinder進行仿真建模。該軟件具有可以利用三維視覺效果展示疏散場景、可以分區(qū)域顯示建筑物內(nèi)各個區(qū)域人員疏散情況、可以精確選擇觀測每個人員的逃生路徑以及疏散所用時間等優(yōu)點。且該軟件使用三角形導(dǎo)航網(wǎng)格和A*搜索算法生成人員疏散運動路徑，并運用string pul-ling技術(shù)使人員運動路徑變平滑而保證人員在障礙物影響范圍外。
人群特征可通過設(shè)置反應(yīng)延遲時間、肩寬、步速值體現(xiàn)。將未成年與老年的反應(yīng)延遲時間設(shè)置為3s，中青年為Os�？紤]穿衣厚度0.02m，將疏散中未攜帶行李的人員肩寬值設(shè)置為0.4m。對60件人員攜帶的行李進行測量，將疏散中攜帶大件行李人員的肩寬值設(shè)為0. 6m，攜帶小件行李人員的肩寬值為0. 45m，結(jié)合上述地鐵運行時段人群特征數(shù)值對仿真模型中的人員進行設(shè)定，建立地鐵疏散仿真模型如圖2所示。
2.2 高峰時段人群特征疏散仿真
由觀測可知，高峰時段同一地鐵線路兩車到站平均時間間隔為178. 8s。在此間隔內(nèi)人員主要由新進入地鐵站準備乘車人員、上一列車中仍在站內(nèi)活動的人員、站臺候車人員、服務(wù)人員與其他滯留人員等組成。分別在上述9個觀測點處記錄178. 8s內(nèi)進出該地鐵站的人員數(shù)量，并對候車站臺與換乘通道內(nèi)的人員數(shù)量進行記錄可知，高峰時段某一時刻進行疏散時，地鐵站各通道與候車站臺內(nèi)的人員數(shù)量為982人。且高峰時段乘車人員具有數(shù)量多、密度大等特點，將高峰時段列車內(nèi)人員數(shù)量按列車運輸能力定額進行計算，即每列車6車廂中共有1460人。
結(jié)合上述高峰時段人群特征分析，分別對高峰時段某一時刻最常見的兩列列車同時到站、1列車到站進行疏散仿真分析。
2.2.1 兩列列車同時到站疏散分析
高峰時段兩列列車同時到站時，兩列列車中人員匯入站臺與通道內(nèi)，站內(nèi)人員密度劇增，對疏散造成一定壓力。假設(shè)地鐵站內(nèi)L，線與L2線上行列車同時到站，站內(nèi)共有3902人進行疏散，仿真疏散時間為426. 8s，疏散時間大于地鐵設(shè)計規(guī)范中站臺層事故疏散時間不大于6min的要求。
疏散中擁堵現(xiàn)象明顯，主要擁堵點為各疏散通道、樓梯及分離站廳閘機處，兩條線路間換乘長通道處無擁擠現(xiàn)象。出口B、D、H利用率較低，大部分人員選擇離自己所在位置較近的出口進行疏散。線中大量人員選擇出口A進行疏散，導(dǎo)致出口A附近通道人員密度不斷增加，人員滯留排隊疏散現(xiàn)象嚴重，當其他出口完成疏散時，A口處人員仍在進行疏散，影響疏散總時間。高峰時段兩列列車同時到站人員疏散情況如圖3所示。
2.2.2-列車到站疏散分析
分別對高峰時段僅L1線上行列車到站與僅L2線上行列車到站進行疏散仿真，此時站內(nèi)2442人，疏散仿真結(jié)果為261. Ss與333. 3s。L1線雖為地下負三層結(jié)構(gòu)，但站臺與站廳間有6部位于島式站臺中心兩側(cè)的樓梯可供疏散使用、疏散通道短、疏散環(huán)境簡單，疏散中人員可以任意選擇距離自己較近的樓梯進行疏散。存在擁堵現(xiàn)象，擁堵點主要為負二層分離站廳閘機處與島式站臺樓梯入口處。L2線樓梯位于站臺兩側(cè)，疏散通道較長，雖然有5個出口
可以選擇，但大多數(shù)人員由于趨近心理而選擇距離較近的A、C1、C2口，其余出口利用率低，造成大量人員擁堵在通往這些出口的分層站臺通道處。擁堵現(xiàn)象較為明顯，擁堵點為島式站臺樓梯入口處、分層站臺處與A、C1、C2口附近疏散通道處等。高峰時段僅L2線上行列車到站疏散情況如圖4所示。
2.3平峰、低峰時段人群特征疏散仿真
地鐵運行平峰、低峰時段人員密度明顯低于高峰時段，疏散中的不安全因素較少，故在進行疏散仿真時僅對平峰、低峰時段某一時刻兩列列車同時進站時的疏散進行分析。
分別對平峰、低峰時段前后兩列列車到站時間間隔進行觀測，并對兩時段進出站、車廂中及候車站臺與通道內(nèi)的人員數(shù)量進行記錄，觀測記錄結(jié)果如表7所示。
結(jié)合上述平峰、低峰時段人群特征分析，分別對平峰、低峰時段兩列列車到站時的疏散進行仿真分析。平峰、低峰時段仿真疏散時間為241. 8s及193.3s，不同時刻人員疏散情況如圖5所示。
L2線大部分人員選擇站臺東側(cè)的疏散通道進行疏散，少部分人員選擇站臺西側(cè)的通道。疏散初期站臺東側(cè)通道出現(xiàn)短暫擁堵現(xiàn)象，但由于出口數(shù)量較多，擁堵現(xiàn)象得到緩解。大部分人員選擇距離列車上行方向較近的出口A、C1、C2進行疏散，僅有少量人員從出口B、D進行疏散。L1線擁堵點主要為負二層分離站廳閘機處，大部分人員選擇使用距離較近、寬度較大的閘機通道，其余閘機通道的使用率較低，幾乎沒有人員通過負二層分離站廳北側(cè)閘
機進行疏散。平峰、低峰時段人員疏散路徑如圖6所示。
3地鐵疏散效率提高建議措施
3.1 注重時段差異性的地鐵疏散管理
不同運行時段人員數(shù)量、特征具有較大差異，應(yīng)結(jié)合這些因素進行注重時段差異性的地鐵疏散管理。高峰時段疏散時，為防止疏散人員因人群密度過大、疏散環(huán)境復(fù)雜等問題造成如恐慌、呆滯、從眾等不利于疏散的情緒及行為，應(yīng)在站臺及各通道增設(shè)疏散引導(dǎo)人員，并保證站內(nèi)疏散信息能夠有效的傳播；平峰時段疏散攜帶大件行李人員數(shù)量較多時，應(yīng)通過站內(nèi)廣播等方式強調(diào)生命安全第一位原則，防止發(fā)生人員折返取物、為保護行李而推搡人群等
行為；低峰時段疏散時，應(yīng)在站臺處增設(shè)疏散引導(dǎo)，將疏散人員分流至各個出口，提高出口使用率，減低疏散時間。
3.2增強擁堵點的疏散引導(dǎo)
在各時段疏散中，A口與L1線負二層分離站廳處最易形成擁堵點，人員疏散至此處時由于受到趨近心理影響而忽視距離較遠的閘機通道，造成大量人員擁堵在距離較近的閘機處，形成瓶頸型擁堵點。疏散中應(yīng)在擁堵點處增設(shè)引導(dǎo)人員，將人員引導(dǎo)至不同閘機通道方向，減少排隊等待人員數(shù)量，提高疏散效率。
3.3縮短列車行車間隔
地鐵運營組織管理中應(yīng)適當縮減列車行車間隔，減少站內(nèi)候車人員數(shù)量，減輕疏散壓力。根據(jù)大客流方向，可采用利用就近的存車線、折返線等組織
列車的運行方案及增大列車發(fā)車的頻率的方法，降低站臺內(nèi)等待候車的人員數(shù)量，保證地鐵疏散的安全、高效性。
4結(jié)論
1)北京地鐵運行時段為高峰時段、平峰時段及低峰時段，且各個時段乘客年齡、攜帶行李情況、運動速度等人群特征不同，地鐵不同運行時段人員疏散存在顯著差異。
2)高峰時段兩列列車同時到站時，疏散中擁堵現(xiàn)象明顯，部分疏散設(shè)施利用率較低；高峰時段兩列列車同時到站與一列列車到站進行疏散時，人員疏散情況存在一定差異。
3)平峰與低峰時段兩列列車同時到站疏散擁堵點明顯，出口利用率情況較為一致。
4)地鐵疏散中人員易受到趨近心理影響而降低疏散設(shè)施使用率。
5)針對分析結(jié)果對提高地鐵疏散效率提出注重時段差異性的地鐵疏散管理、增強擁堵點的疏散引導(dǎo)、縮短列車行車間隔等建議措施。
