王振報(bào)，溫蘇皖

(河北工程大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

高校食堂是學(xué)生與教職員工發(fā)生大規(guī)模接觸的場(chǎng)所，具有時(shí)間相對(duì)集中，地點(diǎn)相對(duì)固定以及人流量巨大的特點(diǎn)[1-3].截止2020年9月1日，全球新冠肺炎現(xiàn)有確診人數(shù)已突破700萬，隨著新學(xué)期的到來，食堂安全服務(wù)問題將成為每個(gè)高校疫情防控的巨大挑戰(zhàn).由于疫情防控措施[4-8](如體溫測(cè)量，排隊(duì)時(shí)保持1 m的安全距離等)的影響，每個(gè)高校食堂在疫情防控期間可容納人數(shù)都會(huì)有一定的下降，一旦超過此容納人數(shù)就極容易產(chǎn)生人員大面積的堵塞滯留，影響高校的疫情防控管理，甚至危害到師生的身體健康[9-10].因此，需要預(yù)先對(duì)疫情防控期間的食堂進(jìn)行仿真模擬，并通過模擬結(jié)果對(duì)高校食堂在疫情防控期間的管理安排提供建議，從而提高高校食堂的服務(wù)水平和管理水平.

行人仿真是一項(xiàng)通過計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)和數(shù)學(xué)理論等手段，采用虛擬現(xiàn)實(shí)方法，對(duì)行人交通系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際模仿的應(yīng)用技術(shù)[11-13].它被用來模擬各種模型場(chǎng)景，探索行人、人群和基礎(chǔ)設(shè)施之間的交互方式，主要應(yīng)用于地鐵站[14-16]、火車站[17-18]等場(chǎng)所，對(duì)場(chǎng)所的設(shè)計(jì)和運(yùn)營進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，并評(píng)估不同級(jí)別的行人需求的影響，尋找方案中存在的短板瓶頸，并幫助設(shè)計(jì)師加以改進(jìn).

本文將使用Legion仿真模擬軟件結(jié)合某高校食堂售餐區(qū)平面進(jìn)行仿真模擬.模擬時(shí)將加入高校疫情防控期間所采取的管理措施，即入餐廳時(shí)的體溫測(cè)定、全程采用單向人流流線、使用隔斷排隊(duì)、保持1 m的安全距離等，這些措施都將增加整體就餐時(shí)間、降低食堂服務(wù)能力；分析仿真模擬輸出結(jié)果，計(jì)算在疫情防控措施下的單位時(shí)間內(nèi)食堂可承載人數(shù)及服務(wù)人數(shù)(單位時(shí)間內(nèi)完成就餐離開出口的人群數(shù)量)；同時(shí)，提出相應(yīng)的優(yōu)化管理策略.

2 仿真模型構(gòu)建

2.1 模型構(gòu)建流程

對(duì)日常使用和疫情防控措施2種情景下的食堂運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行仿真模擬，輸出單位時(shí)間內(nèi)人流量，并計(jì)算得出食堂單位時(shí)間內(nèi)的服務(wù)能力，仿真技術(shù)路線如圖1所示.

圖1 仿真技術(shù)路線

通過人共調(diào)查食堂人流的輸入、派餐服務(wù)時(shí)間等參數(shù)，分析行人特性并結(jié)合建筑平面建立Legion仿真模型；利用人工調(diào)查結(jié)果對(duì)日常使用狀態(tài)下的仿真模型輸出結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證；利用仿真驗(yàn)證的模型對(duì)疫情防控措施下的食堂人流運(yùn)行情況進(jìn)行模擬，對(duì)比2種情景輸出結(jié)果來確定疫情防控措施對(duì)食堂就餐人員服務(wù)能力的影響；提出管理建議.

2.2 疫情防控措施下的食堂設(shè)置

該食堂共2層，各層平面相同，使用人數(shù)相仿.每層售餐區(qū)約為1 412 m2，其中排隊(duì)等候區(qū)面積約426 m2，進(jìn)餐區(qū)面積約813 m2，共有1 176個(gè)座位(見圖2).售餐區(qū)包含食堂主要出入口、備餐區(qū)、等候區(qū)和就餐區(qū)4大部分，餐廚結(jié)合形式呈簡單的“一”字型，等候區(qū)與就餐區(qū)獨(dú)立分開，互不影響，就餐區(qū)與出入人流會(huì)有部分交叉.疫情防控期間食堂采用單向人流，可防止功能流線的交叉，更好地做到疫情防控，但相比原有流線，路程有所增加.同時(shí)限制排隊(duì)距離，在服務(wù)窗口后設(shè)有限制黃線以保證取餐時(shí)與后面的人有1 m的安全社交距離.相較正常狀態(tài)，疫情防控期間將會(huì)采取嚴(yán)格的疫情防控措施，這些措施都會(huì)一定程度地增加食堂人員承載負(fù)擔(dān)：1)進(jìn)入餐廳時(shí)增設(shè)體溫測(cè)定，調(diào)研得出耗費(fèi)時(shí)間約為3 s/人；2)全程采用單向流線，出入口互相獨(dú)立；3)流線固定，且采用隔斷等措施使就餐人員保持1 m以上的安全社交距離；4)就餐區(qū)餐桌數(shù)量減至812個(gè)且餐桌間隔1 m.售餐區(qū)座位分布見圖3.

圖2 食堂售餐區(qū)平面流線

圖3 售餐區(qū)座位分布

高校食堂是由多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的窗口進(jìn)行服務(wù)的，疫情防控下人員就餐主要包括測(cè)量體溫、排隊(duì)等餐、就餐進(jìn)食以及離開食堂4個(gè)階段[19-20]，單位時(shí)間內(nèi)完成就餐流程并離開食堂的人數(shù)決定了食堂的服務(wù)能力[21].通過實(shí)地調(diào)研確定的人流輸入見表1.由表1可知，在用餐時(shí)間段人流輸入相對(duì)穩(wěn)定，50 min后將有小幅下降.

表1 不同時(shí)間段食堂人流輸入表

根據(jù)我國行人步行特征，并經(jīng)過實(shí)地調(diào)查，仿真模型采用的實(shí)體速度見表2.

表2 行人速度參數(shù) m/s

2.3 食堂就餐模型及標(biāo)定

2.3.1 食堂就餐模型設(shè)計(jì)

食堂時(shí)間段內(nèi)排隊(duì)人數(shù)和進(jìn)餐人數(shù)滿足

其中，t為食堂內(nèi)的某一時(shí)間段，單位為min；n1(t)為t時(shí)間段正在排隊(duì)的人數(shù)；n2(t)為t時(shí)間段正在進(jìn)餐的人數(shù)；n3(t)為t時(shí)間段離開食堂的人數(shù)；v1和v2分別為單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)食堂開始排隊(duì)人數(shù)和取餐完成前往進(jìn)食區(qū)人數(shù)，單位為人/min.

單位時(shí)間到達(dá)食堂開始排隊(duì)人數(shù)v1滿足

其中，N1為體溫檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量；T1為體溫單位測(cè)量時(shí)間，單位為s/人，實(shí)地調(diào)研T1約為2 s/人.

單位時(shí)間完成排隊(duì)的人數(shù)v2滿足

其中，N2為食堂服務(wù)窗口個(gè)數(shù)；T2為窗口單位服務(wù)時(shí)間[22]，單位為s/人.實(shí)地調(diào)研N2為16，并呈現(xiàn)排隊(duì)人員平均分布[23]，T2約為30 s/人.

設(shè)τ為單位時(shí)間段t完成就餐的人數(shù)，且假設(shè)τ滿足正態(tài)分布.定義D算子[24]，其表示以中心μ，方差為σ的正態(tài)分布函數(shù)展開，再將所有的進(jìn)餐人數(shù)考慮進(jìn)來，則可以得到t時(shí)間段完成進(jìn)餐的人數(shù)即食堂輸出人數(shù)

其中，N(t)為t時(shí)間段食堂人員存量.

2.3.2 仿真模型標(biāo)定

在正常使用條件下(不限制社交距離情況下)，通過調(diào)研食堂的入口和出口人流量數(shù)據(jù)與仿真模型的數(shù)據(jù)對(duì)比，如果差異太大，則調(diào)整模型參數(shù)，以縮小誤差[25-26].使用Legion建立正常使用條件下的行人仿真模擬模型，在t時(shí)間段內(nèi)根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)輸入人流，圖4展示了日常狀態(tài)下仿真的行人分布.通過Legion仿真模擬輸出并計(jì)算獲得就餐人數(shù)n2(t)、食堂輸出人流量n3(t)等變量，用二維平面坐標(biāo)圖顯示其動(dòng)態(tài)變化.圖5展示了日常狀態(tài)下仿真的行人密度(顏色越深表明該處越擁擠).

圖4 日常狀態(tài)下仿真模擬行人分布

圖5 日常狀態(tài)下仿真模擬行人密度

圖6為食堂單層從開放到運(yùn)營60 min時(shí)段仿真模型的輸入人流、輸出人流以及實(shí)地調(diào)研的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.在實(shí)際調(diào)查中存在少數(shù)行人在食堂開啟后未在食堂用餐直接離開的現(xiàn)象，則需對(duì)模型進(jìn)行修正，使得仿真模擬得到的輸出人流量與實(shí)際調(diào)研得到的數(shù)據(jù)相對(duì)吻合，在同一水平波動(dòng).

圖6 模型輸入、輸出人流量對(duì)比

模型與實(shí)際調(diào)研每5 min輸出人流對(duì)比見表3.由表3可知，當(dāng)模型趨于穩(wěn)定時(shí)，仿真模型可以很好地反映實(shí)際情況下的人流輸出，此時(shí)輸出人流大致在40～80 人/min波動(dòng)，與人員就餐時(shí)間波動(dòng)有關(guān).輸入人流與輸出人流的大致吻合，表明食堂可以很好地承擔(dān)輸入的人數(shù)，內(nèi)部未出現(xiàn)人流大面積滯塞聚集.

表3 每5 min輸出人數(shù)對(duì)比

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 日常情況下仿真結(jié)果輸出

單層食堂以及就餐區(qū)人員存量情況見圖7.

圖7 模型單層食堂以及就餐區(qū)人員存量

由圖7可知，當(dāng)模型趨于穩(wěn)定時(shí)，就餐區(qū)人員存量在900人左右浮動(dòng)，與就餐時(shí)間差異有關(guān)；就餐區(qū)人員存量存在峰值，最高達(dá)919人，這也表明就餐區(qū)的最大人員承載值為919人，在該承載值下可以達(dá)到有序就餐、無人員滯塞，可使食堂疫情防控可控；食堂人員存量也存在峰值，為1 014人，表明食堂的最高人員承載值為1 014人；食堂就餐區(qū)的人員存量差值即可代表排隊(duì)人員數(shù)量及少部分流動(dòng)人員數(shù)量，其值在100人左右波動(dòng)，相較于426 m2的排隊(duì)區(qū)域面積，不會(huì)產(chǎn)生較大擁擠.

食堂單位時(shí)間內(nèi)服務(wù)的人數(shù)，即為食堂的服務(wù)能力.食堂單層單位時(shí)間內(nèi)的累計(jì)輸出人數(shù)見圖8.由圖8可知，模型于17 min后開始輸出人流，輸出人數(shù)與時(shí)間t呈正相關(guān)；其服務(wù)能力約為2 551人/h.

圖8 模型食堂單層單位時(shí)間內(nèi)的輸出人數(shù)

3.2 疫情防控下的仿真結(jié)果輸出

模擬將采用疫情防控措施下的食堂設(shè)置，使用Legion建立行人仿真模擬模型.疫情防控措施下仿真的行人分布見圖9；仿真的行人密度見圖10(顏色越深表明該處越擁擠).即：在t時(shí)間段內(nèi)根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)輸入人流，通過Legion仿真模擬輸出并計(jì)算獲得就餐人數(shù)n2(t)、食堂輸出人流量n3(t)等變量，并用二維平面坐標(biāo)圖顯示其動(dòng)態(tài)變化.

圖9 疫情防控措施下仿真行人分布

圖10 疫情防控措施下下仿真行人密度

疫情防控下食堂單層仿真模擬的輸出人流以及日常情況下的輸出人流對(duì)比見圖11.由圖11可知，疫情防控下食堂的輸出人流大致在30～60人/min波動(dòng)，與日常有較大差異.

圖11 疫情防控下食堂單層仿真模擬和日常情況下的輸出人流對(duì)比

疫情下食堂單層就餐人數(shù)的情況見圖12.由圖12可知，當(dāng)模型趨于穩(wěn)定時(shí)，就餐區(qū)人數(shù)大體在700人左右浮動(dòng)，并存在峰值709人，這表明了疫情下食堂就餐區(qū)的最高人員承載值為709人，相較于日常就餐區(qū)的最高人員承載值減少了211人，也意味著在輸入人數(shù)相同的情況下，會(huì)有約211人在排隊(duì)等候區(qū)排隊(duì)或等候就餐，會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的擁擠現(xiàn)象.

圖12 疫情防控下和日常情況下食堂單層就餐區(qū)人數(shù)對(duì)比

疫情下食堂單層單位時(shí)間的累計(jì)輸出人數(shù)與日常累計(jì)輸出人數(shù)的對(duì)比，即食堂的服務(wù)能力對(duì)比見圖13.由圖13可知，相較于日常服務(wù)能力的2 551人/h，疫情防控措施下的食堂服務(wù)能力約為1 681人/h，下降了34%.

圖13 疫情下食堂單層單位時(shí)間的累計(jì)輸出人數(shù)與日常累計(jì)輸出人數(shù)的對(duì)比

3.3 仿真結(jié)果分析

1)食堂的仿真過程呈現(xiàn)階段性，在0～15 min內(nèi)，食堂和就餐區(qū)的人員存量呈現(xiàn)近似線性增長，15 min后基本穩(wěn)定；17 min后趨于穩(wěn)定，但也有較大幅度波動(dòng).

2)食堂在開啟17 min左右時(shí)到達(dá)人員存量為閾值，此后開始輸出人流，1 h內(nèi)各層輸出人流約為2 551人，即食堂的服務(wù)能力約為5 102人/h.

3)疫情防控措施下的食堂單層服務(wù)能力約為1 681人/h，食堂服務(wù)能力約為3 362人/h.為了達(dá)到日常食堂的服務(wù)人數(shù)，需增加食堂的開放時(shí)間，且滿足其中，F(xiàn)r為食堂日常的服務(wù)能力；Fy為疫情防控措施下的食堂服務(wù)能力，單位是人/h；tr為食堂日常開放時(shí)間，ty為疫情防控措施下的食堂開放時(shí)間，單位是h.根據(jù)計(jì)算得出，疫情防控措施下食堂的開放時(shí)間約為日常開放時(shí)間的1.5倍.

體溫檢測(cè)作為疫情防控的一個(gè)關(guān)鍵步驟，同時(shí)也可很好地控制食堂人流的輸入.各層體溫檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量需滿足

四舍五入取各層布置2個(gè)體溫檢測(cè)點(diǎn)較為合適.

4 結(jié)論

1)日常食堂內(nèi)部各層就餐區(qū)人員閾值約為919人，疫情防控下人員閾值約為709人，可以根據(jù)需求合理地布置座位數(shù).

2)日常食堂的食堂服務(wù)能力約為5 102 人/h；保持安全社交距離下的食堂服務(wù)能力約為3 362人/h.為了滿足以往的服務(wù)人數(shù)，開放時(shí)間需要為原開放時(shí)間的1.5倍.

3)體溫檢測(cè)點(diǎn)可以很好地控制人流的輸入，每層設(shè)置2個(gè)即可有效地將食堂人數(shù)保持在一個(gè)可控的范圍.

利用仿真模擬手段根據(jù)現(xiàn)有食堂建筑條件計(jì)算食堂的服務(wù)能力，有助于更好地控制就餐人流，并可以用來估算疫情期間的食堂供給面積規(guī)?；蚴程镁筒头?wù)時(shí)間.本文的思路和方法可以為疫情等突發(fā)事件下的建筑進(jìn)行承載能力評(píng)估、制定應(yīng)急方案提供理論依據(jù)和技術(shù)支持.