馬　潔， 徐瑞華， 李　璇， 柳　林

(1．同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2．寧波大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院，寧波 315211；3．南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，南寧 530021)

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地鐵車(chē)站乘客疏散出口選擇行為仿真建模

馬潔1， 徐瑞華1， 李璇2， 柳林3

(1．同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2．寧波大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院，寧波 315211；3．南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，南寧 530021)

針對(duì)地鐵車(chē)站乘客疏散過(guò)程中的出口選擇行為受到自身感知和判斷能力的制約，且可能會(huì)根據(jù)當(dāng)前位置和出口實(shí)時(shí)狀況重新選擇出口，提出一種出口動(dòng)態(tài)選擇模型，模型引入感知因子和判斷系數(shù)反映乘客的感覺(jué)和知覺(jué)能力，采用動(dòng)態(tài)比較過(guò)程和預(yù)測(cè)決策過(guò)程來(lái)模擬乘客的出口選擇和出口變換行為.以某地鐵車(chē)站站臺(tái)層為場(chǎng)景分析乘客的感知和判斷能力對(duì)出口選擇、出口變換行為及疏散效果的影響.仿真結(jié)果表明：模型參數(shù)可以有效調(diào)節(jié)乘客的出口選擇和出口變換行為，進(jìn)而影響疏散結(jié)果.當(dāng)車(chē)站視野不佳或乘客偏好等待時(shí)，需要引導(dǎo)乘客從擁堵的出口到通暢的出口進(jìn)行疏散；而當(dāng)車(chē)站視野良好且乘客偏好走行時(shí)，需要引導(dǎo)乘客選擇適當(dāng)?shù)某隹?，并在等待時(shí)多一些耐心.

應(yīng)急疏散仿真； 感知和判斷過(guò)程； 主觀疏散時(shí)間； 出口選擇行為； 出口變換行為

大型城市的軌道交通網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展，客流量不斷攀升，地鐵車(chē)站，尤其大型換乘站，在早晚高峰、節(jié)假日和大型活動(dòng)期間，客流密集，安全隱患大.地鐵車(chē)站內(nèi)的突發(fā)事件可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，造成惡劣的社會(huì)影響.因此，研究地鐵車(chē)站的高效應(yīng)急疏散具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義.相比問(wèn)卷調(diào)查和數(shù)學(xué)推演方法的低可信度，以及車(chē)站疏散試驗(yàn)的高成本、高難度和高危險(xiǎn)，仿真作為一種安全可靠、動(dòng)態(tài)直觀、低成本、易實(shí)施、可重復(fù)的方法，具有顯著的優(yōu)勢(shì).不僅如此，仿真方法還具有突出的現(xiàn)實(shí)意義：既可以在車(chē)站規(guī)劃設(shè)計(jì)階段幫助完善車(chē)站設(shè)計(jì)，也可以在車(chē)站運(yùn)營(yíng)階段輔助制訂應(yīng)急措施和應(yīng)急預(yù)案，為車(chē)站疏散客流組織工作提供針對(duì)性建議.因而，采用仿真方法研究車(chē)站乘客的疏散過(guò)程已成為一種主流趨勢(shì).提高仿真精度和可靠性的關(guān)鍵是要構(gòu)建合理的仿真模型.微觀仿真模型將每位行人都視作獨(dú)立個(gè)體，可反映乘客與環(huán)境或是他人間的相互影響，能有效模擬車(chē)站疏散過(guò)程中乘客的各種行為，得到廣泛的發(fā)展，現(xiàn)有的研究涉及：有毒氣體對(duì)乘客行為的影響[1]，乘客的乘降行為[2]，乘客的扶梯、樓梯選擇行為[3]和乘客的上下樓梯行為[4]等，但是關(guān)于出口選擇行為的研究較少.

在實(shí)際疏散過(guò)程中，乘客的行為和決策對(duì)疏散效果有重要影響，其中，出口選擇就是一項(xiàng)復(fù)雜且關(guān)鍵的決策過(guò)程[5].乘客選擇不同的出口進(jìn)行疏散，走行路徑不同，受到其他乘客的影響也不同，會(huì)導(dǎo)致不同的走行時(shí)間和等待時(shí)間，進(jìn)而產(chǎn)生不同的疏散結(jié)果.乘客的出口選擇行為，不僅關(guān)系到個(gè)體的疏散時(shí)間，也影響到整體的疏散時(shí)間.因此，有必要對(duì)疏散過(guò)程仿真中的出口選擇行為專(zhuān)門(mén)進(jìn)行建模研究.關(guān)于出口選擇行為，目前大多數(shù)的研究是針對(duì)廣義公共場(chǎng)所的.Heliovaara[6]認(rèn)為采用最近規(guī)則和疏散時(shí)間最短規(guī)則進(jìn)行出口選擇都是不切實(shí)際的.Lovreglio[7]提出基于隨機(jī)效用的離散選擇模型，Lo等[8]采用非合作博弈論方法，兩者都著重研究乘客間的相互影響對(duì)出口選擇的作用.Guo等[9]提出基于logit的出口選擇模型，乘客選擇負(fù)效用最小的出口.Huang[10]和Xu[5]改進(jìn)元胞自動(dòng)機(jī)模型，采用基于logit的離散選擇規(guī)則模擬乘客的出口選擇行為.

上述針對(duì)公共場(chǎng)所乘客疏散過(guò)程仿真中的出口選擇研究多數(shù)關(guān)注的是乘客間的相互影響和出口狀況，將出口選擇視為疏散前決策行為.然而，相比其他公共場(chǎng)所，大多數(shù)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)緊湊，空間狹長(zhǎng)，標(biāo)識(shí)體系健全，設(shè)備布局符合一定規(guī)則，基于此，乘客對(duì)車(chē)站的設(shè)備布局規(guī)則和疏散流程比較熟悉，因此，乘客在疏散過(guò)程中具備一定的感知和判斷出口情況的能力，其出口選擇行為很大程度上依賴(lài)自身的認(rèn)知，不會(huì)全然盲從.考慮到以上地鐵車(chē)站所特有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和乘客特征，針對(duì)車(chē)站乘客疏散中的出口選擇應(yīng)該是一項(xiàng)需要考慮乘客感覺(jué)和知覺(jué)能力在內(nèi)的動(dòng)態(tài)決策過(guò)程.實(shí)際上，該過(guò)程具體有三個(gè)特點(diǎn)：首先，乘客的感知能力有限，并與外界環(huán)境相關(guān)，如煙氣濃度、人群密度等，可能不能感知所有可用出口[11].其次，為了選出最優(yōu)出口，乘客需要計(jì)算到各可視出口的走行時(shí)間和采用它們疏散的等待時(shí)間.是乘客主觀認(rèn)知到的走行時(shí)間和等待時(shí)間決定他們的出口選擇行為[12]，其中有些行人偏好等待，也有些行人偏好走行[13].最后，由于乘客位置和出口條件的動(dòng)態(tài)變化，乘客在疏散過(guò)程中可能會(huì)變換出口.

考慮以上特點(diǎn)，本文建立了乘客疏散出口動(dòng)態(tài)選擇模型.針對(duì)特點(diǎn)一，模型中引入感知因子，決定乘客可感知的出口個(gè)數(shù)，用來(lái)調(diào)節(jié)乘客的感覺(jué)能力.針對(duì)特點(diǎn)二，在模型中設(shè)置一系列判斷系數(shù)，反映乘客受理性程度和主觀偏好影響的知覺(jué)能力，用來(lái)調(diào)整乘客的主觀走行時(shí)間和等待時(shí)間.針對(duì)特點(diǎn)三，模型提出兩種主觀疏散時(shí)間的計(jì)算方法，模擬乘客的出口選擇和出口變換行為.通過(guò)調(diào)節(jié)感知因子和判斷系數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)乘客在不同場(chǎng)景下可產(chǎn)生不同的出口選擇和出口變換行為.將該出口動(dòng)態(tài)選擇模型嵌入社會(huì)力模型中，用出口動(dòng)態(tài)選擇模型決定每一時(shí)刻的期望速度方向，用社會(huì)力模型推動(dòng)仿真前進(jìn)并反映乘客的微觀走行行為.最后，通過(guò)算例，研究模型中的感知因子和判斷系數(shù)對(duì)出口選擇和出口變換行為的調(diào)節(jié)作用，以及對(duì)疏散效果的影響，為車(chē)站設(shè)計(jì)和疏散組織提供建議.

1　基于社會(huì)力的乘客疏散仿真模型

根據(jù)Helbing等提出的社會(huì)力模型，行人在疏散過(guò)程中所受的社會(huì)力由自驅(qū)動(dòng)力、行人間的排斥力及人與障礙間的排斥力構(gòu)成，根據(jù)牛頓第二定律，作用于乘客的社會(huì)力合力產(chǎn)生一個(gè)加速度，促使乘客前進(jìn)[14]，見(jiàn)式(1).等式右邊第一項(xiàng)表示自驅(qū)動(dòng)力，第二、三項(xiàng)分別表示乘客間的排斥力及乘客與障礙間的排斥力，兩種排斥力的構(gòu)成見(jiàn)式(2)—(3).

(1)

(2)

(3)

2　乘客疏散出口動(dòng)態(tài)選擇模型

2.1比較出口集

對(duì)于地鐵車(chē)站，本文中所提及的“出口”，不僅指車(chē)站出口，還包括連接站臺(tái)層和站廳層的樓扶梯和連通付費(fèi)區(qū)和非付費(fèi)區(qū)的閘機(jī).車(chē)站乘客的疏散流程通常比較固定.突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，乘客的初始位置不同，其疏散流程的完整程度可能不一致，其中站臺(tái)層的乘客需要經(jīng)過(guò)完整的疏散流程方可出站，由三個(gè)串聯(lián)的疏散階段組成：第一疏散階段，通過(guò)站臺(tái)層的樓扶梯到達(dá)站廳層；第二疏散階段，通過(guò)站廳層的閘機(jī)由付費(fèi)區(qū)到非付費(fèi)區(qū)；第三疏散階段，通過(guò)位于非付費(fèi)區(qū)的車(chē)站出口到達(dá)安全區(qū)域.簡(jiǎn)言之，樓扶梯、閘機(jī)和車(chē)站出口分別為三個(gè)疏散階段對(duì)應(yīng)的目標(biāo)出口.

地鐵車(chē)站內(nèi)的乘客i處于某一疏散階段，有r(r∈N*)個(gè)出口可供選擇，定義出口集S={E1,E2, …,Er}.乘客受自身感覺(jué)能力限制和外界環(huán)境影響，不一定能感覺(jué)到所有出口，只能感知并分析距離較近的一些可用出口.定義比較出口集Ci，乘客i在疏散開(kāi)始時(shí)從出口集S中選擇距離較近的m(1≤m≤r,m∈N*)個(gè)出口，放入Ci中，顯然Ci?S.其中m為感知因子，其單位為個(gè)，反映乘客的感覺(jué)能力，可以描述乘客感覺(jué)能力的有限性以及環(huán)境條件的變化對(duì)感覺(jué)能力的影響.具體有：

(4)

(1) 當(dāng)m=1時(shí)，乘客i只能感知并選擇此出口，即當(dāng)前疏散階段的目標(biāo)出口Ei=E(1).從第2.1節(jié)可知當(dāng)r=1時(shí)，m也只能為1.

2.2目標(biāo)出口的選擇

2.2.1動(dòng)態(tài)比較過(guò)程

乘客在疏散過(guò)程中根據(jù)實(shí)時(shí)情況，不斷對(duì)比較出口集內(nèi)的出口進(jìn)行評(píng)估和比較，選出每一時(shí)間步長(zhǎng)主觀疏散時(shí)間最短的出口，該過(guò)程為“動(dòng)態(tài)比較過(guò)程”.在實(shí)際疏散場(chǎng)景中，乘客會(huì)一直關(guān)注各可視出口的情況，快速權(quán)衡，只考慮距離和等待人數(shù)之類(lèi)的關(guān)鍵影響因素，因此，不會(huì)消耗太多精力，不影響走行，效率高，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài).

(5)

乘客的知覺(jué)能力是有限的，對(duì)空間、時(shí)間的知覺(jué)都不是精確的，且知覺(jué)與乘客的性格、偏好和認(rèn)知相關(guān)，人與人之間存在差異.Ei和Fi作為判斷系數(shù)，反映乘客i的知覺(jué)能力.知覺(jué)能力是乘客的自身屬性，與理性程度和主觀偏好相關(guān)，不隨疏散時(shí)間改變.Fi越大，表示乘客對(duì)走行的偏好越大；Ei越大，表示乘客對(duì)等待的偏好越大.本文將乘客分為三種類(lèi)型：判斷力強(qiáng)、偏好走行和偏好等待，同一場(chǎng)景中每種類(lèi)型乘客對(duì)應(yīng)的比例分別為ps、pm和pw，顯然ps+pm+pw=1.乘客i按照自己的類(lèi)型，對(duì)Ei和Fi取值，每位乘客的取值可以不同，具體有：

(6)

其中，P與Q相近且P略大于Q；X小于Y，且Y值越大，乘客越偏好走行厭惡等待；U大于V，且U值越大，乘客越偏好等待厭惡走行.

2.2.2預(yù)測(cè)決策過(guò)程

當(dāng)某一時(shí)刻，乘客通過(guò)動(dòng)態(tài)比較過(guò)程得到的目標(biāo)出口與原先的目標(biāo)出口不一致時(shí)，需要決策是否變換目標(biāo)出口，這個(gè)決定可能意味著之前的“付出”都白費(fèi)了，因此乘客需要花較多的精力和時(shí)間，對(duì)每個(gè)可視出口進(jìn)行全面深入的精細(xì)評(píng)估和比較，選擇主觀疏散時(shí)間最少的出口作為當(dāng)前時(shí)刻的目標(biāo)出口，該過(guò)程為“預(yù)測(cè)決策過(guò)程”.由于乘客考慮眾多影響因素，計(jì)算和評(píng)估的精度較高，但是用時(shí)長(zhǎng)，影響走行和疏散速度，所以動(dòng)態(tài)地進(jìn)行預(yù)測(cè)決策過(guò)程不妥.

(7)

(8)

(9)

2.3流程

設(shè)置初始時(shí)刻：tn=0，對(duì)于任一乘客i：

步驟1. 根據(jù)乘客的初始位置，判斷其所處的疏散階段.轉(zhuǎn)到步驟2.

步驟2. 判斷：乘客是否正在接受出口服務(wù)：

步驟2.1. 是，轉(zhuǎn)到步驟7；

步驟2.2. 否，轉(zhuǎn)到步驟3.

步驟3. 確定乘客當(dāng)前疏散階段的出口集S，并計(jì)算比較出口集Ci，轉(zhuǎn)到步驟4.

步驟4. 確定比較出口集Ci中出口的個(gè)數(shù)：

步驟4.1. 若m=1，即Ci中只有一個(gè)出口E(1)，則當(dāng)前疏散階段的目標(biāo)出口Ei=E(1)，轉(zhuǎn)到步驟6；

步驟5.1. 是，轉(zhuǎn)到步驟7；

步驟5.2. 否，tn←tn+τi，轉(zhuǎn)到步驟4.2.

步驟6.1. 是，轉(zhuǎn)到步驟7；

步驟6.2. 否，tn←tn+τi，轉(zhuǎn)到步驟6.

步驟7. 當(dāng)前疏散階段的出口選擇過(guò)程結(jié)束，乘客通過(guò)階段出口后，判斷：乘客是否離開(kāi)車(chē)站：

步驟7.1. 是，結(jié)束；

步驟7.2. 否，乘客進(jìn)入下一疏散階段，轉(zhuǎn)到步驟3.

更新所有乘客.

3　算例分析

考慮到站臺(tái)層的樓扶梯往往是整個(gè)車(chē)站疏散過(guò)程中的瓶頸，因此本文選取某地鐵車(chē)站站臺(tái)層為場(chǎng)景進(jìn)行仿真分析，如圖1所示.該站臺(tái)層有乘客500人，初始狀態(tài)時(shí)大多數(shù)乘客分布在兩側(cè)的候車(chē)區(qū)域.站臺(tái)層有5個(gè)“出口”，其中3部扶梯，2部樓梯，在乘客疏散時(shí)，所有樓扶梯均為可用出口，本文場(chǎng)景中，每部樓梯的通過(guò)能力為每部扶梯能力的三倍.算例中，乘客的疏散過(guò)程指從開(kāi)始疏散時(shí)起，直到乘客通過(guò)樓扶梯離開(kāi)站臺(tái)層結(jié)束.總疏散時(shí)間指從開(kāi)始疏散時(shí)起，直到最后一位乘客離開(kāi)站臺(tái)層所用的時(shí)間.本文以課題組已有的基于社會(huì)力模型的客流仿真軟件StaPass[16]為基礎(chǔ)，加入第2節(jié)的乘客疏散出口動(dòng)態(tài)選擇模型改進(jìn)后，進(jìn)行算例設(shè)計(jì)與仿真.社會(huì)力模型的參數(shù)與文獻(xiàn)[14]中一致，每一仿真步長(zhǎng)為0.5 s.本文重點(diǎn)研究乘客的感覺(jué)和知覺(jué)能力對(duì)疏散效果的影響，算例著重考察模型中不同的感知因子m，判斷系數(shù)(Es,Fs)、(Em,Fm)、(Ew,Fw)，乘客比例(ps,pm,pw)取值，對(duì)總疏散時(shí)間的影響，以及乘客在疏散過(guò)程中的出口選擇和出口變換行為會(huì)有怎樣的變化，進(jìn)而對(duì)車(chē)站設(shè)計(jì)和疏散組織提出建議.

圖1　仿真初始場(chǎng)景

3.1乘客比例和感知因子對(duì)疏散效果的影響

通過(guò)對(duì)不同的Ei和Fi取值進(jìn)行多次仿真試驗(yàn)并分析后，在本算例中，對(duì)于判斷力強(qiáng)的乘客取(Es,Fs)=(3, 2)，這個(gè)參數(shù)水平下，乘客最為理性，疏散效果最佳.對(duì)于偏好走行和偏好等待的乘客分別取(Em,Fm)=(2, 7)，(Ew,Fw)=(7, 2)，這個(gè)參數(shù)水平下，乘客表現(xiàn)出適度的偏好性和非理性.4種具有代表性的乘客比例(ps,pm,pw)在不同的感知因子m取值時(shí)對(duì)總疏散時(shí)間的影響，如圖2所示.其中，(ps,pm,pw)=(1, 0, 0)表示所有乘客的判斷能力都強(qiáng)，是理性的；(ps,pm,pw)=(0, 1, 0)表示所有乘客都偏好走行厭倦等待；(ps,pm,pw)=(0, 0, 1)表示所有乘客都偏好等待厭倦走行；(ps,pm,pw)=(0.34, 0.33, 0.33)表示理性乘客占34%，偏好走行和偏好等待的乘客各占33%，各種類(lèi)型乘客接近于等比例混合.

圖2　乘客比例和感知因子m對(duì)總疏散時(shí)間的影響

從圖2中可以看出，當(dāng)m=1時(shí)，不論乘客的比例是怎樣的，總疏散時(shí)間都會(huì)達(dá)到一個(gè)相似的最大值.具體的仿真過(guò)程截圖如圖3所示.因?yàn)樗谐丝投贾荒芨兄阶罱隹?，并從最近出口疏散，?dāng)其他出口已經(jīng)空了，瓶頸出口前仍有部分乘客在等待疏散(圖3d).若車(chē)站視野條件不佳，總疏散時(shí)間受瓶頸出口制約，此時(shí)，需要車(chē)站工作人員引導(dǎo)使用瓶頸出口疏散的乘客采用附近通暢的出口進(jìn)行疏散.

從圖2可以看出，當(dāng)m=3, 4, 5時(shí)，4種乘客比例的總疏散時(shí)間有差異，其中所有乘客都理性時(shí)的總疏散時(shí)間最短，所有乘客都偏好走行時(shí)的總疏散時(shí)間最長(zhǎng).混合比例場(chǎng)景和全部偏好走行場(chǎng)景的總疏散時(shí)間的變化趨勢(shì)相似，說(shuō)明在混合比例場(chǎng)景，其中偏好走行的乘客對(duì)疏散效果的影響較大.如果場(chǎng)景中所有乘客都偏好走行，那么在(Em,Fm)=(2, 7)這樣的參數(shù)水平下，乘客感知到的出口越多，相應(yīng)的總疏散時(shí)間也越長(zhǎng).這是因?yàn)槌丝透兄降某隹谠蕉?，出口變換行為也越來(lái)越雜亂無(wú)章，導(dǎo)致總疏散時(shí)間變長(zhǎng).這樣的結(jié)果表明疏散時(shí)，需要采取措施安撫乘客情緒，使乘客理性決策.如果乘客缺乏耐心厭惡等待，良好的外界視野環(huán)境甚至可能是不利于疏散的，此時(shí)需要車(chē)站工作人員發(fā)揮作用，讓偏好走行的乘客多一些等待，不要匆忙換去其他出口.

圖3仿真過(guò)程圖((ps, pm, pw)=(1, 0, 0)，(Es, Fs)=(3, 2)，m=1時(shí))

Fig.3Screenshots of simulation when (ps, pm, pw) = (1, 0, 0), (Es, Fs)=(3, 2)andm=1

3.2判斷系數(shù)Fm和感知因子對(duì)疏散效果的影響

假設(shè)場(chǎng)景中所有的乘客都偏好走行厭倦等待，即(ps,pm,pw)=(0, 1, 0).不同判斷系數(shù)Fm和感知因子m取值對(duì)疏散效果的影響，如圖4所示.

圖4　判斷系數(shù)Fm和感知因子m對(duì)總疏散時(shí)間的影響

從圖4可以看出，感知因子m=3, 4, 5時(shí)，當(dāng)Fm<9，隨著Fm的增長(zhǎng)，總疏散時(shí)間也明顯變長(zhǎng)，且m取不同值時(shí)的總疏散時(shí)間略有差異；而當(dāng)Fm≥9時(shí)，總疏散時(shí)間的增長(zhǎng)緩和，三條曲線的差距逐漸縮小，最終趨于一致.這是由乘客的出口選擇和出口變換行為造成的.仿真過(guò)程截圖如圖5所示.當(dāng)Fm較小時(shí)，疏散開(kāi)始后大多數(shù)乘客向最近出口移動(dòng).而隨著Fm的變大，越來(lái)越多的乘客首先向通過(guò)能力大的樓梯移動(dòng)(圖5a)，造成樓梯擁堵(圖5b)，隨后部分乘客轉(zhuǎn)向扶梯疏散(圖5c)，但由于扶梯能力的制約，當(dāng)樓梯已經(jīng)空了，還有部分乘客在扶梯前等待(圖5d).在這個(gè)過(guò)程中，非理性的出口選擇和出口變換行為，先后造成扶梯和樓梯沒(méi)有得到有效利用，使得總疏散時(shí)間變長(zhǎng).尤其，當(dāng)Fm大于21時(shí)，幾乎所有的乘客在疏散開(kāi)始時(shí)都涌向樓梯，導(dǎo)致不論m為何值，總疏散時(shí)間達(dá)到相似的最大值.說(shuō)明疏散過(guò)程中，需要對(duì)偏好走行的乘客進(jìn)行引導(dǎo)，指引乘客選擇恰當(dāng)?shù)某隹?，并在等待時(shí)多一些耐心.

圖5仿真過(guò)程圖((ps, pm, pw)=(0, 1, 0)，(Em, Fm)=(2, 29)，m=5時(shí))

Fig.5Screenshots of simulation when (ps, pm, pw) = (0, 1, 0), (Em, Fm)=(2, 29) andm=5

當(dāng)感知因子m=2時(shí)，F(xiàn)m的增長(zhǎng)對(duì)總疏散時(shí)間沒(méi)有影響，且總疏散時(shí)間比m=3, 4, 5場(chǎng)景時(shí)小.仿真過(guò)程截圖如圖6所示.初始位置在站臺(tái)左側(cè)的乘客只能感知到站臺(tái)左側(cè)的兩部扶梯，因此不論Fm取何值，這些乘客都只會(huì)通過(guò)感知到的兩部扶梯疏散(圖6).相比m=3, 4, 5的場(chǎng)景，這兩部扶梯得到充分利用，所以總疏散時(shí)間較小.隨著Fm的增長(zhǎng)，越來(lái)越多的其他乘客在疏散開(kāi)始時(shí)涌向樓梯(圖6a)，這與m=3, 4, 5場(chǎng)景時(shí)的現(xiàn)象一致.從圖6可以看出，當(dāng)Fm=29時(shí)，中部扶梯無(wú)人使用，但是這并不會(huì)對(duì)總疏散時(shí)間造成影響，因?yàn)樵搱?chǎng)景下疏散瓶頸是站臺(tái)左側(cè)的兩部扶梯(圖6d).說(shuō)明疏散出口的有效利用，可使總疏散時(shí)間減少；乘客視野有限時(shí)，其理性程度對(duì)疏散效果的影響甚微，瓶頸出口才是制約疏散的關(guān)鍵，需要將乘客從擁堵的出口引導(dǎo)至通暢的出口進(jìn)行疏散.

3.3判斷系數(shù)Ew和感知因子對(duì)疏散效果的影響

假設(shè)場(chǎng)景中所有乘客都偏好等待厭倦走行，即(ps,pm,pw)=(0, 0, 1).不同判斷系數(shù)Ew和感知因子m取值對(duì)疏散效果的影響，如圖7所示.

從圖7可以看出，總疏散時(shí)間隨Ew的增長(zhǎng)而增長(zhǎng).當(dāng)Ew≤7時(shí)，m=2的場(chǎng)景比m=3, 5時(shí)的總疏散時(shí)間略長(zhǎng).疏散開(kāi)始后，所有乘客都向最近出口移動(dòng).當(dāng)m=2時(shí)，由于感知能力有限，左側(cè)乘客只能通過(guò)左側(cè)扶梯疏散，不能變換出口，受扶梯能力制約，

圖6仿真過(guò)程圖((ps, pm, pw)=(0, 1, 0)，(Em, Fm)=(2, 29)，m=2時(shí))

Fig.6Screenshots of simulation when (ps, pm, pw) = (0, 1, 0), (Em, Fm)=(2, 29)andm=2

圖7　判斷系數(shù)Ew和感知因子m對(duì)總疏散時(shí)間的影響

總疏散時(shí)間較長(zhǎng)；而當(dāng)m=3, 5時(shí)，一部分乘客會(huì)由擁堵的扶梯換到通暢的樓梯完成疏散.上述變換出口的行為是理性的，減少了總疏散時(shí)間.隨著Ew的增長(zhǎng)，越來(lái)越少的乘客由扶梯換至樓梯，尤其當(dāng)Ew>21時(shí)，幾乎所有乘客都只通過(guò)最近出口疏散，疏散過(guò)程與圖3中乘客只能感知到唯一出口的場(chǎng)景相似.說(shuō)明疏散中需要引導(dǎo)偏好等待的乘客從擁擠的出口到附近通暢的出口完成疏散.

通過(guò)第3.1～3.3節(jié)算例分析，可知：當(dāng)乘客只能感知到少數(shù)出口或偏好等待時(shí)，總疏散時(shí)間取決于各出口的能力與就近承擔(dān)的疏散人數(shù)是否匹配.如果匹配，那么疏散效果良好；如果不匹配，總疏散時(shí)間受瓶頸出口制約.在車(chē)站設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮各個(gè)區(qū)域出口數(shù)量和能力的均衡，但考慮到車(chē)站內(nèi)乘客的分布不一定是均衡的，所以在車(chē)站視野不良時(shí)，以及對(duì)于偏好等待的乘客，需要引導(dǎo)乘客從擁擠的出口到附近通暢的出口進(jìn)行疏散.當(dāng)乘客能感知到較多出口且偏好走行時(shí)，乘客可能會(huì)在疏散開(kāi)始時(shí)選擇通過(guò)能力大的出口，而在疏散過(guò)程中又變換到其他出口，這種非理性的出口選擇和出口變換行為，使得總疏散時(shí)間延長(zhǎng).所以，車(chē)站視野良好時(shí)，需要引導(dǎo)偏好走行的乘客選擇恰當(dāng)?shù)某隹?，并在等待時(shí)多一些耐心.

4　結(jié)論

本文建立了出口動(dòng)態(tài)選擇模型，研究地鐵車(chē)站乘客在疏散過(guò)程中感覺(jué)和知覺(jué)能力對(duì)出口選擇和出口變換行為的影響.模型中引入感知因子和一系列判斷系數(shù)反映乘客的感覺(jué)和知覺(jué)能力，通過(guò)兩種主觀疏散時(shí)間的評(píng)估方法模擬乘客的出口選擇和出口變換過(guò)程.最后，以某地鐵車(chē)站站臺(tái)層的疏散過(guò)程為場(chǎng)景，進(jìn)行算例仿真，仿真結(jié)果表明：通過(guò)調(diào)節(jié)模型中的感知和判斷參數(shù)可以有效改變出口選擇和出口變換行為，進(jìn)而得到不同的疏散效果.仿真結(jié)果可以為車(chē)站設(shè)計(jì)和疏散組織工作提供意見(jiàn)和建議：

關(guān)于車(chē)站設(shè)計(jì)，要避免明顯的瓶頸出口.出口設(shè)備的通過(guò)能力應(yīng)該考慮與乘客的分布相匹配：通常情況下，出口的位置要均衡，出口的數(shù)量要均勻，在乘客相對(duì)密集的區(qū)域，出口設(shè)備的能力應(yīng)該相應(yīng)加大.關(guān)于車(chē)站的疏散組織工作，只提供良好的疏散視野環(huán)境有時(shí)候不見(jiàn)得能發(fā)揮積極作用.為提高疏散效率，更重要的是需要提供有效的引導(dǎo)措施：一方面安撫乘客情緒，使乘客回歸理性；另一方面幫助乘客做出合理的出口選擇和出口變換決策，使得各個(gè)出口設(shè)備在整個(gè)疏散過(guò)程中都可以得到有效利用.

本文中的感知過(guò)程是靜態(tài)的，下一步重點(diǎn)研究當(dāng)乘客具備動(dòng)態(tài)感知能力時(shí)的出口選擇行為建模和仿真.此外，通過(guò)算例分析可以看出模型中感知和判斷參數(shù)對(duì)疏散行為和效果的影響顯著，由于目前仿真案例有限，實(shí)際數(shù)據(jù)缺乏，在具體案例中參數(shù)應(yīng)如何取值也是下一步研究的重點(diǎn).

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Simulation Modeling of Pedestrian Exit Selection in Evacuation Process of Rail Transit Station

MA Jie1， XU Ruihua1， LI Xuan2， LIU Lin3

(1．Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China； 2．Faculty of Maritime and Transportation，Ningbo University，Ningbo 315211，China； 3．Nanning Rail Transit Group Co.，Ltd.，Nanning 530021，China)

Pedestrian exit selection behavior during evacuation process in a rail transit station is restricted by pedestrians’ perceptual as well as cognitive abilities. Moreover, pedestrian may re-select the exit according to his or her current position and the real-time exit conditions. To simulate these behaviors, a dynamic exit selection model is presented. A perceptual parameter and a series of cognitive coefficients are introduced in the model to reflect pedestrians’ perceptual and cognitive level. Besides, two subjective evacuation time computing approaches are proposed to simulate pedestrians’ exit selection and re-selection behavior. A scenario of a station platform is built. A number of simulation experiments are run to study the effect of pedestrians’ perceptual parameter and cognitive coefficients on total evacuation time. The results show that the total evacuation time is sensitive to model parameters, furthermore, exit selection and re-selection behaviors can be modeled. It is found that when pedestrians can perceive only a few exits or pedestrians prefer waiting, the station staff should guide pedestrians who evacuate from the crowded exit to use the unobstructed exit; whereas when pedestrians can perceive enough exits and they prefer walking, measures should be taken to help them to choose a rational exit and let them wait a bit longer in front of the exit.

evacuation simulation; perceptual and cognitive process; subjective evacuation time; exit selection behavior; exit re-selection behavior

2016-02-25

國(guó)家自然科學(xué)基金(71271153，51208381，51408323)

馬潔(1989—)，女，博士生，主要研究方向?yàn)樾腥朔抡?E-mail: majie_2007@163.com

徐瑞華(1963—)，男，工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸規(guī)劃與管理.E-mail: rhxu@#edu.cn

U291.69

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