地鐵站客流高峰期火災(zāi)應(yīng)急疏散仿真研究
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成琳娜
（五邑大學(xué)軌道交通學(xué)院 江門 529020）
摘要 在分析人員特性的基礎(chǔ)上，將地鐵站內(nèi)疏散人員劃分為7類，根據(jù)各類人員所占的不同比例，設(shè)定出4種不同人員結(jié)構(gòu)的仿真條件，利用Pathfinder仿真軟件對4種條件下的客流高峰期火災(zāi)疏散過程進行仿真對比。結(jié)果表明，地鐵站客流高峰期內(nèi)，不同人員結(jié)構(gòu)條件下的整體疏散時間相差不大，但各種疏散通道的人數(shù)變化、通過能力，以及對疏散路徑的選擇具有明顯差異性。
關(guān)鍵詞 地鐵站火災(zāi) 應(yīng)急疏散 客流高峰期 疏散人員特性 Pathfinder仿真
目前，國內(nèi)外學(xué)者在研究地鐵站火災(zāi)應(yīng)急疏散問題時主要使用模型求解和軟件仿真2種方法，研究難題之一是對疏散人員基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及行為特征的調(diào)查分析。文獻[1]通過采取演習(xí)實驗的方法，對人員疏散行為進行定性、定量分析，獲得了人員在建筑物瓶頸處的運動規(guī)律以及對于疏散路徑的選擇。文獻[2]在采集城市軌道交通乘客進站、出站、換乘、候車等交通特性數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，從乘客個體和客流群體的角度研究了人員的微觀和宏觀特性。綜合已有相關(guān)文獻，在詳細分析疏散人員特性的基礎(chǔ)上，對地鐵站客流高峰期內(nèi)不同人員結(jié)構(gòu)條件下的火災(zāi)應(yīng)急疏散過程進行對比仿真研究。
1 地鐵站火災(zāi)時疏散人員特性分析
1.1 疏散人員結(jié)構(gòu)
(1)乘車旅客。乘客是站內(nèi)人員的最主要組成部分，可大致分為2種：需要進行長距離交通方式（鐵路、航空等）轉(zhuǎn)換的長途乘客和在城市內(nèi)部出行的乘客。前者通常會攜帶一定數(shù)量的行李和包裹，對火災(zāi)時的應(yīng)急疏散產(chǎn)生阻礙作用，后者一般以通勤和通學(xué)人員居多，攜帶物品少，流向較明確，但因客流通常集中到達，同樣是火災(zāi)時應(yīng)急疏散工作的主要難點。
(2)站內(nèi)工作人員。工作人員通常對站內(nèi)環(huán)境比較熟悉，接受過相關(guān)的業(yè)務(wù)技能訓(xùn)練，并且學(xué)習(xí)過安全應(yīng)急疏散知識。在發(fā)生火災(zāi)時，工作人員首先要保持鎮(zhèn)定，并且引導(dǎo)站內(nèi)乘客有序、迅速地疏散到安全區(qū)域。
(3)車站內(nèi)其他人員。例如，廣告營銷人員、流浪人員、企圖有不法行為的人員等。這些人員大多沒有明確的流向，在站內(nèi)的停留時間不確定，也會給地鐵站火災(zāi)應(yīng)急疏散造成一定負擔(dān)。
1.2疏散人員行為反應(yīng)
為了直觀地描述地鐵站火災(zāi)時疏散人員的心理變化和行為反應(yīng)過程，利用疏散過程網(wǎng)絡(luò)圖進行說明。如圖1所示，地鐵站發(fā)生火災(zāi)事故前，對存在火災(zāi)危險全然未知的人員們聚集在站臺上等候列車（狀態(tài)Pl），突然其中個別人員察覺到了火災(zāi)線索，并前去進行確認（行為過程T1），這些人員則處于確認火災(zāi)真實性的狀態(tài)P2。如果經(jīng)確認火災(zāi)不存在，這些人員會返回站臺(行為過程T2)，繼續(xù)處于在站臺候車的狀態(tài)P1；如果經(jīng)確認真的發(fā)生了火災(zāi)事故，這些人員會向他人傳遞信息并開始應(yīng)急疏散（行為過程T3），處于狀態(tài)P1的人員得知消息后也同時開始應(yīng)急疏散（行為過程T4），此時，所有的疏散人員通過走廊、樓梯等疏散通道向地鐵站廳層進行疏散（狀態(tài)P3）。疏散人員到達站廳人口時（狀態(tài)P4）不會立即進入，而是先分析站廳內(nèi)的危險程度（心理過程Ts），如果逃生速度比較慢，站廳內(nèi)已有很多人員，比較危險，那么有些疏散人員就會返回站臺區(qū)(行為過程T6)尋找其他出口；如果逃生速度比較快，到達站廳人口時廳內(nèi)人員還比較少，站廳被認為是安全的，疏散人員就會選擇進入站廳（行為過程T7）并繼續(xù)向地鐵站出口進行疏散。到達站廳內(nèi)的疏散人員（狀態(tài)P5）已處于相對安全的區(qū)域，此時有些人員則會因為隨行的其他人員或隨身的財物沒有一起逃出等原因而改變疏散方向（行為過程T8），其中會有部分人員逆行進入疏散人流（狀態(tài)P6），再次進入站臺區(qū)（行為過程T9），站廳內(nèi)剩余的疏散人員則繼續(xù)向地鐵站出口疏散。有些已經(jīng)成功到達地鐵站外安全區(qū)域的人員，又會因為搶救他人或財物等種種原因而選擇再次進入火災(zāi)現(xiàn)場( T10)，重復(fù)之前的疏散過程。
可以看出，人員個體差異性會使其出現(xiàn)不同的行為反應(yīng)，從而對疏散有效性產(chǎn)生影響。根據(jù)不同的人員類型，工作人員的疏散行為主要包括專心滅火型、專心引導(dǎo)人員疏散型、盲目樂觀型以及忽視消防設(shè)備型，乘客在火災(zāi)時的疏散行為見圖2。
考慮人員特性的影響，能否安全疏散主要取決于2個特征時間：火勢發(fā)展到危險狀態(tài)之前的可用疏散時間和全部人員疏散到安全區(qū)域所需的人員安全疏散時間，具體內(nèi)容及關(guān)系見圖3。
2地鐵站火災(zāi)應(yīng)急疏散仿真環(huán)境的建立
Pathfinder疏散仿真軟件是一個基于人員運動的仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)的運動環(huán)境是一個完整的三維三角網(wǎng)格設(shè)計環(huán)境，可以配合建筑物實際層面的建設(shè)模式，給每個人員設(shè)定一套獨特的參數(shù)（走行速度、肩寬、出口選擇等），并分別仿真出每個人員的獨立運動模式，它還提供了圖形用戶界面的模擬設(shè)計和執(zhí)行，以及三維可視化工具的分析結(jié)果。因此，選用Pathfinder對地鐵站高峰期火災(zāi)應(yīng)急疏散過程進行仿真研究。
2.1站內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)仿真環(huán)境
以西安地鐵二號線的鐘樓站為背景，將仿真地鐵站設(shè)計為非換乘地鐵站M站。采用5列A型車編組，A型車長22.1 m，為了方便仿真過程，取為整數(shù)22 m，車寬為3m。站臺（島式）計算長度（列車停靠區(qū)域）為112 m，總長度為120 m，寬度為24 m，站廳層位于站臺層上方高5.7 m處，在站臺中部采用2組相同規(guī)格的樓梯連通站臺層與站廳層，分別由2段傾角為26。、長為6.5 m，寬為4.5 m的樓梯和一個長為2m，寬為4.5 m，高為2. 85 m的過渡平臺組成，并標定連接站臺層與過渡平臺的2段樓梯分別為stairl和stair2，連接過渡平臺與站廳層的2段樓梯分別為stair3和stair4。站廳層采用A，B，C3個出口在不同方向與地面相連通，分別設(shè)計A，B出口寬度為5 m，C出口寬度為9m。
2.2站內(nèi)疏散人員仿真環(huán)境
根據(jù)疏散人員特性，將其劃分為7類(見表1)，統(tǒng)計出不同類別的疏散人員在緊急狀況下的平均速度。設(shè)定一般情況下人員平均肩寬為0. 38m、穿衣厚度為0. 02 m、緩沖區(qū)域為0.60 m，得出圓形投影的行人空間為0. 79 m2/人，站臺層、站廳層和列車的基本容量約為2 200，3 000和1 050人。提出人員因子a、速度因子B分別表現(xiàn)不同時段站內(nèi)人數(shù)的差異和不同客流環(huán)境對人員速度的影響，定義某空間在某一時段內(nèi)的人數(shù)等于該空間的容量與該時段a的乘積，某類人員在某時段內(nèi)的速度等于緊急情況下該類人員的平均速度與該時段速度因子的乘積。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)推算出客流高峰期的a=1.2，B=0.7，從而得出此時段內(nèi)的仿真客流量和人員的疏散速度。
3地鐵站高峰期火災(zāi)應(yīng)急疏散仿真研究
根據(jù)疏散人員特性對疏散過程影響的差異性，對M站客流高峰期�？坑幸涣熊嚂r、不同人員結(jié)構(gòu)比例條件下的火災(zāi)應(yīng)急疏散進行對比仿真。由于生理、心理因素的限制，不同人員對外界刺激的反應(yīng)速度是不同的，通常反應(yīng)時間為0. 1～0.5 s，對于復(fù)雜的選擇反應(yīng)時可達到1～3s，需要進行詳細判斷和認識時的反應(yīng)時間平均為3～5 s，并且因人而異。為了體現(xiàn)個體反應(yīng)差異，在疏散行為開始時，對疏散人員按比例設(shè)定不同的反應(yīng)延遲時間，并認為大部分人員能夠在Is內(nèi)開始疏散行為。具體仿真條件及參數(shù)設(shè)置見表2，并且依據(jù)我國《地鐵設(shè)計規(guī)范》，以6min內(nèi)完成站臺全部人員的疏散作為衡量標準。
部分仿真結(jié)果見表3，不同人員結(jié)構(gòu)條件下站臺層人員數(shù)量變化情況見圖4。
對比仿真結(jié)果，客流高峰期時各條件下疏散時間相差不大，并且從疏散人員到達和離開樓梯口及疏散出口的時間可以看出，在樓梯口和出口處都出現(xiàn)了嚴重的擁堵現(xiàn)象。中青年男性居多時，樓梯內(nèi)的疏散人員數(shù)量有所減少，但變化情況相對比較穩(wěn)定，這是因為行人空間的增大降低了樓梯通道的承載能力，但男性的行為控制力相對較強，所以變化趨勢比較穩(wěn)定，并且在疏散過程中后期選擇距離較遠的C出口的人數(shù)有明顯增加。中青年女性居多時，人員的平均速度略小于男性居多時，僅相差0. 04 m/s，行人所占空間減少了0. 03 m 2／人，同時肩寬、體積較小的人員更方便通過由于身體摩擦和擁擠行為在疏散口處所產(chǎn)生的狹小空間，因此樓梯和出口的通過能力有所提高，整體疏散速度較快。未成年和老年人居多時，各處通過能力均有所下降，已不能達到6 min的站臺疏散標準。
4結(jié)語
本文以西安地鐵二號線的鐘樓站為背景，設(shè)計出非換乘仿真地鐵站M站，在全面分析疏散人員特性的基礎(chǔ)上，對4種人員結(jié)構(gòu)條件下的M站客流高峰期火災(zāi)疏散過程進行仿真研究。仿真結(jié)果表明中青年居多時疏散得較快，未成年和老年人居多時疏散得較慢，通常人員結(jié)構(gòu)比例和中青年男性居多時疏散速度位于中間值，并且各種疏散通道的人數(shù)變化、通過能力以及在疏散路徑選擇上具有明顯差異性�？傮w考慮，客流高峰期內(nèi)人員特性對疏散過程的影響相對較弱，建筑結(jié)構(gòu)等其他因素對疏散過程的影響是需要進一步研究的問題。
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