陳長(zhǎng)坤，秦文龍

(中南大學(xué) 防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所， 湖南 長(zhǎng)沙 410075)

0 引言

隨著安全知識(shí)的普及，多數(shù)人已經(jīng)擁有較高的安全素養(yǎng)，但當(dāng)火災(zāi)等災(zāi)害場(chǎng)所存有貴重物品或人員時(shí)，部分人會(huì)有重返災(zāi)害場(chǎng)所的行為，即折返行為[1]。如2016年5月18日，遂川縣雩田鎮(zhèn)一店鋪發(fā)生火災(zāi)，女子返回火場(chǎng)救兒女，造成該女子和女兒均不幸遇難。除了行人會(huì)發(fā)生折返行為，必要時(shí)救援人員也會(huì)發(fā)生折返行為。如2015年8月12日天津?yàn)I海新區(qū)發(fā)生爆炸，救援人員折返現(xiàn)場(chǎng)，共造成110名救援人員遇難。因此，預(yù)先了解折返行為的規(guī)律，開(kāi)展相應(yīng)的折返行為研究，則顯得尤為迫切。

折返行為的一個(gè)很重要的現(xiàn)象就是行人的相向流。國(guó)內(nèi)外學(xué)者早在20世紀(jì)90年代就開(kāi)始研究行人相向流，Muramatsu等[2]提出偏向隨機(jī)步行者格子氣模型，研究開(kāi)放邊界的地鐵通道中行人的逆流；Fukamachi等[3]利用格子氣模型發(fā)現(xiàn)，側(cè)身行走的速度快于面對(duì)面行走，繞路相向行走會(huì)在通道中心發(fā)生堵塞簇的震蕩；Dai等[4]基于代理模型研究通過(guò)瓶頸時(shí)的逆流；Guo等[5]考慮行人的速度和密度分布研究走廊內(nèi)的行人逆流對(duì)巷道形成的影響；Jin等[6]考慮身體的轉(zhuǎn)向行為建立了雙向行人流的元胞自動(dòng)機(jī)模型；Li等[7]研究恐慌下的行人逆流。但上述的這些研究均是基于行人相向流的微觀模型構(gòu)建。卓亞琦等[8]采用元胞自動(dòng)機(jī)模型研究有親人的折返對(duì)行人疏散的影響；Chen等[9]發(fā)現(xiàn)若是小學(xué)生的教室座位存在一些物品，會(huì)有約40%的小學(xué)生發(fā)生折返行為，其中0.58%的小學(xué)生會(huì)立即折返。

卓亞琦和Chen的研究雖是基于宏觀折返的研究，但未給出相向行為對(duì)整個(gè)疏散的影響。所以，基于行人的相向流研究行人在特殊場(chǎng)所的折返行為對(duì)疏散及個(gè)人的影響顯得尤為重要。由于地鐵站人員密集且多不熟悉環(huán)境，一旦發(fā)生火災(zāi)等災(zāi)害，極易造成較大的人員傷亡[10]。因此，本文選擇某典型地鐵站，研究疏散樓梯寬度、折返比例、折返位置、列車(chē)數(shù)量等對(duì)地鐵站疏散的影響，其結(jié)果可為地鐵站的應(yīng)急預(yù)案制定、救援等提供依據(jù)。

1 疏散模擬建模

Pathfinder主要用于智能體的運(yùn)動(dòng)和疏散[11]，具有2種運(yùn)動(dòng)模式，即SFPE模式和Steering模式。SFPE模式基于出口流量，缺乏考慮人員的最短路徑；Steering模式基于人類(lèi)行為學(xué)，可規(guī)劃最優(yōu)路徑、避免碰撞，更符合實(shí)際疏散[12]。因此，本文采用Steering模式模擬地鐵車(chē)站人員的折返行為。

1.1 模型建立

模型根據(jù)某地下雙層島式地鐵車(chē)站建立，分為站臺(tái)層和站廳層。僅考慮兩有效站臺(tái)起始里程之間的人員疏散，模型長(zhǎng)度為117 m，寬度為18.3 m，站廳層高4.8 m，站臺(tái)層高4.55 m。樓梯踏步高0.15 m，踏步寬0.3 m，自動(dòng)扶梯寬度1 m，樓梯寬2.5 m。由于某一地鐵站發(fā)生事故時(shí)，線路上的其他列車(chē)會(huì)發(fā)生緊急制動(dòng)，不會(huì)再駛?cè)?，電梯也?huì)停運(yùn)，所以在模擬時(shí)，僅考慮某一地鐵站事故發(fā)生時(shí)?？康牧熊?chē)，自動(dòng)扶梯也被認(rèn)為是疏散樓梯，默認(rèn)由站廳層出去即為疏散完成。地鐵站設(shè)計(jì)CAD圖如圖1和2所示。

圖1 地鐵站站廳層Fig.1 Subway station hall floor

圖2 地鐵站站臺(tái)層Fig.2 Subway station platform

1.2 參數(shù)設(shè)計(jì)與假設(shè)

參考張立茂等[13]、劉夢(mèng)潔[14]、潘科等[15]的研究，將疏散人員按照年齡、性別分為7類(lèi)：兒童(12歲以下)、少年(13～18歲)、青年男性(19～40歲)、青年女性(19～40歲)、中年男性(41～60歲)、中年女性(41～60歲)、老人(60歲以上)，突發(fā)狀況下的運(yùn)動(dòng)速度分別為1，1.35，1.55，1.50，1.52，1.40和1.1 m/s的均值，肩寬分別為0.3，0.32，0.4，0.37，0.41，0.38和0.4 m的均值，對(duì)應(yīng)的人員比例為3%，18%，19%，17%，22%，17%和4%。列車(chē)車(chē)廂人數(shù)按M9線設(shè)計(jì)運(yùn)輸能力確定，M9線車(chē)輛采用標(biāo)準(zhǔn)B型車(chē)，3動(dòng)3拖，初期(2014年)、近期(2021年)、遠(yuǎn)期(2036年)的列車(chē)定員均為1 460人，最小運(yùn)行間隔分別為3，2.73，2.14 min，每小時(shí)最大發(fā)車(chē)對(duì)數(shù)分別為20，22，28對(duì)，每小時(shí)定員最大運(yùn)輸能力分別為29 200，32 120，40 880人，所以每列車(chē)初期模擬人數(shù)設(shè)計(jì)為1 460人[16]，高峰期的站廳層和站臺(tái)層的人數(shù)分別取為550人和400人[12]。

考慮高峰期無(wú)列車(chē)到站、高峰期1輛車(chē)到站和高峰期2輛車(chē)到站時(shí)的人員數(shù)量。人員的折返位置分別為站臺(tái)層樓梯口(樓梯前)、站廳層樓梯口(樓梯后)和閘機(jī)處，每個(gè)折返人員的折返樓梯為與其距離較近的樓梯，對(duì)應(yīng)的折返路徑分別為：折返人員由初始位置先走到站臺(tái)層樓梯口然后折返回到初始位置再正常疏散；折返人員由初始位置從站臺(tái)層經(jīng)過(guò)樓梯走向站廳層樓梯口，然后返回到初始位置正常疏散；折返人員由初始位置經(jīng)過(guò)樓梯走向閘機(jī)口，然后返回到初始位置正常疏散。

為研究異質(zhì)人員折返對(duì)地鐵站疏散的影響，本文做了以下假設(shè)：

1)為統(tǒng)一變量，每種工況的折返人員均為同一類(lèi)型，且折返人員的初始位置全部在站臺(tái)層。

2)不考慮工作人員的疏散，不考慮人員反應(yīng)時(shí)間。

3)不同工況需對(duì)比時(shí)，疏散人員的初始位置不變；不同折返人員需對(duì)比時(shí)，兩折返人員之間的距離不大于1 m，且折返路徑相同。

1.3 工況設(shè)置

為研究人員的折返意向，調(diào)查了220人面對(duì)貴重物品遺落和家人被困時(shí)的折返行為，如圖3～4所示。

由圖3～4可以看出，70%以上的人面對(duì)貴重物品遺落不會(huì)折返，當(dāng)然也有約1%的人表現(xiàn)出一定會(huì)折返；近50%的人面對(duì)家人被困時(shí)一定會(huì)折返。這表明折返行為普遍存在，且不同場(chǎng)所的疏散會(huì)存在著不同的折返情況。但人員在疏散過(guò)程中遺漏物品或是有家人遺留的情況很少，實(shí)際折返人員的比例會(huì)遠(yuǎn)低于調(diào)查人員的折返比例，所以在本次的折返比例設(shè)置為0，0.5%，1.0%，

2.0%，3.0%和4.0%。工況設(shè)置如表1所示。

圖3 面對(duì)貴重物品遺落的折返意向Fig.3 Backtracking intention when valuables is left behind

圖4 面對(duì)家人被困時(shí)的折返意向Fig.4 Backtracking intention when relative is trapped

2 結(jié)果分析

2.1 不同疏散樓梯寬度影響分析

站臺(tái)層通往站廳層的樓梯寬度會(huì)影響站臺(tái)層人員的疏散進(jìn)而影響整個(gè)地鐵站的疏散。選擇高峰期1列車(chē)到站，隨機(jī)挑選0.5%的同類(lèi)人員進(jìn)行折返，折返位置為站廳層樓梯口(樓梯后)。

表1 工況設(shè)置Table 1 Working condition setting

圖5給出了不同樓梯寬度下青年男性折返時(shí)地鐵站剩余人數(shù)的變化規(guī)律，其他類(lèi)人員折返的地鐵站剩余人數(shù)曲線也類(lèi)似圖5。以0.6倍疏散寬度下的剩余人數(shù)曲線為例，地鐵站人數(shù)在0～30 s急劇下降，隨后有約50 s的過(guò)渡期，80 s之后人員數(shù)量開(kāi)始呈一定斜率下降，即將完成疏散時(shí)，曲線又開(kāi)始平緩。通過(guò)對(duì)疏散過(guò)程的觀察，前30 s疏散出去的完全是站廳層人員；過(guò)渡期的發(fā)生是由于該時(shí)期站廳層人員距離出口較近，站臺(tái)層人員距出口遠(yuǎn)未來(lái)得及完成疏散引起的；80 s之后達(dá)到穩(wěn)定的疏散期。即將完成疏散的平緩期是由于折返人員的疏散距離增加引起的。

圖5 不同樓梯寬度下地鐵站剩余人數(shù)分析(青年男性折返)Fig.5 Analysis of the remaining number of subway stations under different stairs width (young male backtracking)

由圖5還可以看出不同樓梯寬度在穩(wěn)定疏散期的剩余曲線斜率不同，即疏散速率不同，如表2所示?？梢钥闯?，折返會(huì)導(dǎo)致地鐵站整體人員疏散速率降低；隨著疏散樓梯寬度倍數(shù)的增加，地鐵站穩(wěn)定疏散期疏散速率不斷增加，且倍數(shù)越大，疏散速率增加的幅度越大；少年和青年男性折返時(shí)地鐵站穩(wěn)定疏散期的疏散速率較高，中年女性和老年折返時(shí)地鐵站穩(wěn)定疏散期的疏散速率較低；兒童和青年女性在疏散寬度倍數(shù)為0.5～0.7倍時(shí)，疏散速率低，疏散寬度為0.8～1.0倍時(shí)，疏散速率高。說(shuō)明地鐵站的疏散速率與折返人員的肩寬和運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，且肩寬的影響多于運(yùn)動(dòng)速度，肩越窄、運(yùn)動(dòng)速度越快，地鐵站人員的疏散速率越高，對(duì)地鐵站人員的疏散越有利。

圖6為地鐵站人員疏散時(shí)間隨疏散樓梯寬度倍數(shù)增加下的變化規(guī)律。

圖6 不同樓梯寬度下地鐵站人員疏散時(shí)間分析Fig.6 Analysis of evacuation time of subway station personnel under different stairs width

人/s

可以看出，折返導(dǎo)致地鐵站人員的疏散時(shí)間增加；隨著疏散樓梯寬度倍數(shù)的增加，地鐵站人員疏散時(shí)間不斷的降低；0.5和0.6倍樓梯寬度的疏散時(shí)間較長(zhǎng)；0.6～0.7倍地鐵站整體疏散時(shí)間急劇下降；0.8～1.0倍疏散時(shí)間較短，原因是人員的肩寬為0.30～0.41 m。0.5和0.6倍時(shí)，樓梯寬度只能通過(guò)1個(gè)人；0.6～0.7倍之間，肩部較窄的可以通過(guò)2人；0.8～1.0倍時(shí)，樓梯寬度可以通過(guò)2人，但通過(guò)3人還存在一定問(wèn)題。對(duì)比不同類(lèi)折返人員地鐵站整體疏散時(shí)間，兒童和老年折返的地鐵站疏散時(shí)間較長(zhǎng)，青年男性和青年女性折返的疏散時(shí)間較短，少年折返的疏散時(shí)間在0.5～0.7倍疏散寬度時(shí)，疏散時(shí)間長(zhǎng)，在0.8～1.0倍疏散寬度時(shí)，疏散時(shí)間短。地鐵站的疏散時(shí)間與折返人員的肩寬和運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，且運(yùn)動(dòng)速度的影響多于肩寬，肩寬越窄、疏散速度越快，地鐵站的疏散時(shí)間越短，對(duì)地鐵站人員的疏散越有利。

2.2 不同折返比例影響分析

不同折返比例對(duì)疏散的影響規(guī)律不同。選擇高峰期1列車(chē)到站，隨機(jī)挑選1.0%，2.0%，3.0%和4.0%的同類(lèi)人員折返，折返位置為站廳層樓梯口(樓梯后)。

表3為不同折返比例下地鐵站穩(wěn)定疏散期疏散速率?？梢钥闯?，折返導(dǎo)致地鐵站人員的疏散速率降低；隨著折返比例的增加，穩(wěn)定疏散期疏散速率不斷下降，即折返比例越高，地鐵站人員穩(wěn)定疏散期疏散速率越低；青年男性折返的地鐵站穩(wěn)定期的疏散速率大于青年女性折返的地鐵站穩(wěn)定疏散速率。

表3 不同折返比例下地鐵站穩(wěn)定疏散期疏散速率Table 3 Evacuation rate table of stable evacuation period of subway stations under different backtrack ratios 人/s

圖7為不同折返比例下地鐵人員疏散時(shí)間?？梢钥闯?，折返導(dǎo)致地鐵站人員疏散時(shí)間增加；隨著折返比例的增加，地鐵站人員的疏散時(shí)間也在不斷的增加；青年男性折返的地鐵站疏散時(shí)間大于青年女性，雖然青年男性有著更高的運(yùn)動(dòng)速度，但青年女性有肩窄的優(yōu)勢(shì)。

圖7 不同折返比例下地鐵人員疏散時(shí)間分析Fig.7 Analysis of evacuation time of subway personnel underdifferent backtrack ratios

2.3 不同折返位置影響分析

折返發(fā)生的位置也是比較重要的疏散影響因素。選擇高峰期1列車(chē)到站，隨機(jī)挑選0.5%的同類(lèi)人員進(jìn)行折返。折返位置分別為站臺(tái)層樓梯口(樓梯前)、站廳層樓梯口(樓梯后)和閘機(jī)處。

表4為不同折返位置下地鐵站穩(wěn)定疏散期的疏散速率。可以看出，隨著折返距離以及折返難度的增加，折返導(dǎo)致地鐵站穩(wěn)定疏散期的速率不斷降低；樓梯前折返可能會(huì)導(dǎo)致有折返的疏散速率大于無(wú)折返的疏散速率，尤其體現(xiàn)在兒童、少年、中年女性、老年折返時(shí)，其原因是這幾類(lèi)折返人員的運(yùn)動(dòng)速度較慢，折返時(shí)剛好錯(cuò)開(kāi)了樓梯的擁擠；樓梯后與閘機(jī)處折返的地鐵站穩(wěn)定疏散期疏散速率與折返人員的肩和運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)，且肩寬占主導(dǎo)，折返人員的運(yùn)動(dòng)速度越快、肩越窄，穩(wěn)定疏散期疏散速率越大。

圖8給出了不同折返位置不同類(lèi)人員折返下地鐵站整體疏散時(shí)間?？梢钥闯?，隨著折返難度以及距離的增加，地鐵站整體疏散時(shí)間有了明顯的上升；兒童、少年、老年折返導(dǎo)致地鐵站疏散時(shí)間上升較大，青年男性折返導(dǎo)致地鐵站疏散時(shí)間上升較小；折返人員的運(yùn)動(dòng)速度越快、肩越窄，且運(yùn)動(dòng)速度影響多于肩寬影響，折返導(dǎo)致地鐵站整體疏散時(shí)間的增加越小；由于兒童的運(yùn)動(dòng)速度最慢，在其折返時(shí)，對(duì)整體疏散時(shí)間的影響巨大。

表4 不同折返位置下地鐵站穩(wěn)定疏散期疏散速率Table 4 Evacuation rate table of stable evacuation period of subway stations under different backtrack positions 人/s

圖8 不同折返位置下地鐵站整體疏散時(shí)間分析Fig.8 Analysis of the overall evacuation time of subway stations under different backtrack positions

2.4 不同數(shù)量列車(chē)到站影響分析

列車(chē)到站的數(shù)量不同，需要疏散的人員數(shù)量也不同，折返行為導(dǎo)致的地鐵站疏散情況也會(huì)有所差異。典型列車(chē)到站的數(shù)量有3種：無(wú)列車(chē)、1輛列車(chē)、2輛列車(chē)，折返比例為0.5%，折返位置為站廳層樓梯口(樓梯后)。

表5為不同列車(chē)到站時(shí)地鐵站穩(wěn)定疏散期疏散速率。可以看出，折返行為會(huì)降低地鐵站整體人員的疏散速率；隨著列車(chē)進(jìn)站數(shù)量(需要疏散的人數(shù))增多，除兒童、少年折返的情況下，發(fā)生折返行為的地鐵站疏散速率不斷的增加，即在一定范圍內(nèi)疏散速率會(huì)隨著疏散人數(shù)的增加而增加；兒童和少年折返導(dǎo)致的地鐵站疏散速率較大，其原因是兒童和少年的疏散速率較慢、肩較窄，這些人員的折返會(huì)錯(cuò)開(kāi)行人的相向流；兒童、少年、青年女性、中年女性折返的地鐵站疏散速率較快，即肩越窄，折返對(duì)地鐵站穩(wěn)定疏散期的疏散速率影響越小。

表5 不同列車(chē)到站下地鐵站穩(wěn)定疏散期疏散速率Table 5 Evacuation rate table for stable evacuation period of different number of trains arriving at the station 人/s

圖9為不同列車(chē)進(jìn)站時(shí)地鐵站人員的整體疏散時(shí)間。可以看出，折返行為會(huì)導(dǎo)致地鐵站整體疏散時(shí)間的增加，且列車(chē)進(jìn)站的數(shù)量越多，發(fā)生折返行為的疏散相較于未發(fā)生折返行為的疏散需要更多的疏散時(shí)間；老年、兒童折返導(dǎo)致的地鐵站疏散時(shí)間增加的最多，青年男性、中年男性折返導(dǎo)致的地鐵站疏散時(shí)間增加的最少，符合肩越窄、運(yùn)動(dòng)速度越快，折返對(duì)疏散時(shí)間影響越小的規(guī)律。

圖9 不同列車(chē)到站下地鐵站疏散時(shí)間分析Fig.9 Analysis of evacuation time of different number of trains arriving at the station

3 結(jié)論

1)隨著疏散樓梯寬度倍數(shù)的增加，發(fā)生折返行為的地鐵站人員疏散時(shí)間不斷降低，穩(wěn)定疏散期的疏散速率不斷增加。

2)隨著折返比例或是折返距離、難度的增加，穩(wěn)定疏散期疏散速率不斷下降，地鐵站人員疏散時(shí)間不斷增加。

3)隨著地鐵站列車(chē)數(shù)的增加，地鐵站需要的疏散的人數(shù)也會(huì)越來(lái)越多，相應(yīng)的疏散時(shí)間也在增加；穩(wěn)定疏散期的疏散速率與折返人員的肩寬和運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)。

4)地鐵站穩(wěn)定疏散期的疏散速率、整體疏散時(shí)間與折返人員的肩寬、運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)，肩越窄、運(yùn)動(dòng)速度越快，穩(wěn)定疏散期的疏散速率越大，整體疏散時(shí)間短，且肩寬主導(dǎo)穩(wěn)定疏散期的疏散速率，運(yùn)動(dòng)速度主導(dǎo)整體疏散時(shí)間。