譚家磊副研究員 劉海力副教授 陳云飛 武玉梁教授級(jí)高工

(1.湖南人文科技學(xué)院 能源與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 婁底417000；2.南京工業(yè)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京211816)

0 引言

近年來，高鐵因其快速、便捷、舒適、高效的特性吸引了越來越多的乘客，客流量以及車站的開行對(duì)數(shù)逐年上升。我國計(jì)劃到2025年建成高鐵里程3.8萬千米，車站數(shù)量將不斷增多，其通行能力也將不斷增強(qiáng)。高鐵客運(yùn)站是城市交通運(yùn)輸系統(tǒng)的樞紐，主要功能是輸送旅客，解決旅客乘車、下車和中轉(zhuǎn)換車等問題。各種活動(dòng)形成各種流線，流線按性質(zhì)可分為旅客流線、行李包裹流線和車輛流線，按流動(dòng)方向可分為進(jìn)站流線和出站流線。隨著站內(nèi)人員密集程度不斷增加，高鐵車站內(nèi)發(fā)生擁擠踩踏事故的風(fēng)險(xiǎn)也在增加，因此針對(duì)高鐵車站的人員應(yīng)急疏散研究是十分必要的。

針對(duì)車站內(nèi)結(jié)構(gòu)以及人群的行為特性，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)車站人群應(yīng)急疏散做了大量分析研究，在對(duì)該問題進(jìn)行研究的過程中，其中主要用到3種方法：數(shù)學(xué)建模、采用實(shí)際演練的方式、計(jì)算機(jī)仿真。在計(jì)算機(jī)仿真方面主要采用計(jì)算機(jī)仿真與微觀模型相結(jié)合的方式來研究人群疏散行為，其中廖艷芬等基于元胞自動(dòng)機(jī)對(duì)高鐵站人群疏散進(jìn)行仿真，模擬人員疏散過程，找出影響疏散的重要因素，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施；張艷芬利用Anylogic仿真軟件對(duì)北京南站不同疏散方案的參數(shù)進(jìn)行仿真模擬，并對(duì)仿真數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)分析，為北京南站的應(yīng)急管理提供建議。研究發(fā)現(xiàn)，針對(duì)存在設(shè)備等障礙物或局部失徑情況下的應(yīng)急疏散研究較少，本文利用Anylogic仿真模型對(duì)多種情況進(jìn)行模擬研究，最后根據(jù)模擬結(jié)果，給出不同狀態(tài)下人員疏散設(shè)施優(yōu)化的合理建議，在一定程度上可以避免出現(xiàn)人員擁擠踩踏的群死群傷事故。

1 模型構(gòu)建

1.1 Anylogic仿真軟件概況

由俄羅斯XJ Technologies軟件公司開發(fā)的Anylogic仿真軟件是一款應(yīng)用廣泛的工具軟件，具備對(duì)離散、連續(xù)和混合系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真功能。Anylogic以最新的復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法論為理論基礎(chǔ)，能夠支持企業(yè)庫、軌道庫、交通庫混合仿真。在多種行人交通仿真軟件中，Anylogic擁有較高成熟度、使用場(chǎng)景廣且便于獲取，因此本文選擇使用Anylogic軟件進(jìn)行行人應(yīng)急疏散仿真。

1.2 應(yīng)急疏散仿真模型構(gòu)建

本文以某高鐵客運(yùn)站為例開展客流應(yīng)急疏散仿真研究，根據(jù)客流圖繪制模擬環(huán)境如下，候車大廳南北長(zhǎng)120m，東西寬34.4m。出站層仿真模型，如圖1。

圖1 出站層仿真模型Fig.1 Platform level simulation model

1.3 行人行為流程模型構(gòu)建

在高鐵客運(yùn)站應(yīng)急疏散仿真過程中，行人行為流程主要分為正常流線和疏散流線。高鐵客運(yùn)站內(nèi)行人正常行動(dòng)流程非常復(fù)雜，一部分行人首先通過售票廳購票，然后由進(jìn)站大門進(jìn)入高鐵站內(nèi)部，需要經(jīng)過安檢機(jī)、電梯等服務(wù)設(shè)施，然后在候車層或者一樓候車大廳內(nèi)活動(dòng)，最后在檢票口處通過閘機(jī)或人工檢票進(jìn)站，到達(dá)一樓乘車，進(jìn)站乘車行人流程，如圖2。在發(fā)生突發(fā)事件后，行人立即停止當(dāng)前正在進(jìn)行的活動(dòng)，開始疏散逃生，而相應(yīng)服務(wù)設(shè)施設(shè)備也會(huì)改變工作狀態(tài)，如安檢機(jī)將安檢進(jìn)口轉(zhuǎn)為出口，閘機(jī)停止檢票轉(zhuǎn)為常開狀態(tài)，方便行人通過，一樓的行人直接通過閘機(jī)撤離，而二樓的行人先通過扶梯組或樓梯到達(dá)一樓，然后通過閘機(jī)撤離。高鐵站內(nèi)模擬3D圖，如圖3。

圖2 進(jìn)站乘車行人流程圖Fig.2 Flow chart of pedestrians arriving at the station

圖3 高鐵站內(nèi)模擬3D圖Fig.3 3D railway station model

2 常態(tài)下疏散時(shí)間影響因素

模擬條件設(shè)定人流中男性占60%，女性占40%；成年男女行走平均速度分別為1.5m/s和1.2m/s，老年男女行走平均速度分別為0.9m/s和0.8m/s，未成年男女(10～18歲)行走平均速度分別為1.1m/s和1m/s；閘機(jī)數(shù)量為5臺(tái)。

2.1 疏散時(shí)間與疏散人數(shù)關(guān)系

調(diào)整每次模擬的人數(shù)，將多次模擬結(jié)果取平均值，見表1。

表1 排隊(duì)時(shí)間、疏散時(shí)間與疏散人數(shù)的關(guān)系Tab.1 The relationship among evacuee number， queue time and evacuation time

利用Origin軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到疏散時(shí)間、排隊(duì)時(shí)間隨疏散人數(shù)變化圖，如圖4。

圖4 疏散時(shí)間、排隊(duì)時(shí)間隨疏散人數(shù)變化圖Fig.4 Variation chart of evacuation time and queue time with the change of evacuee number

對(duì)疏散人數(shù)與疏散時(shí)間、排隊(duì)時(shí)間的曲線進(jìn)行擬合，得出疏散人數(shù)越多，所需疏散時(shí)間和排隊(duì)時(shí)間也越長(zhǎng)，且增長(zhǎng)速率基本上滿足二元一次方程。

2.2 疏散時(shí)間與樓梯寬度的關(guān)系

疏散時(shí)間獲取與表1方法相同，考慮疏散時(shí)間與樓梯寬度的關(guān)系，暫不考慮一層的疏散人數(shù)。設(shè)置二樓疏散人數(shù)為100人，閘機(jī)數(shù)量為2臺(tái)，控制樓梯的寬度進(jìn)行模擬，多次模擬結(jié)果取平均值，見表2。

表2 疏散時(shí)間與樓梯寬度的關(guān)系Tab.2 Relationship between evacuation time and staircase width

利用Origin軟件繪圖得到疏散時(shí)間與樓梯寬度的關(guān)系圖，如圖5。

圖5 疏散時(shí)間與樓梯寬度的關(guān)系圖Fig.5 The relation of evacuation time and staircase width

從圖5可以看出，隨著樓梯寬度增加，疏散時(shí)間先減少后增加并趨于穩(wěn)定。開始時(shí)，隨著樓梯寬度的增加，同一時(shí)間內(nèi)下樓人數(shù)增加，樓梯總的通過人流量增加，不會(huì)發(fā)生樓梯口擁堵情況，所以人群的疏散時(shí)間有比較明顯的下降。到達(dá)最低點(diǎn)之后，隨著樓梯寬度繼續(xù)增加，快速通過的人流導(dǎo)致閘機(jī)口形成排隊(duì)擁擠，反而會(huì)導(dǎo)致總疏散時(shí)間增加。之后樓梯寬度繼續(xù)增加，人流下樓不會(huì)造成擁擠時(shí)，下樓速度趨于穩(wěn)定，排隊(duì)時(shí)間趨于穩(wěn)定，總疏散時(shí)間也趨于穩(wěn)定。在此場(chǎng)景下，樓梯寬度設(shè)置為2.5m最合理。

2.3 疏散時(shí)間和閘機(jī)數(shù)量關(guān)系

控制候車廳內(nèi)疏散人數(shù)為300人，一層和二層分別為150人。然后依次改變閘機(jī)數(shù)量，獲取疏散時(shí)間，并多次模擬取平均值，得到數(shù)據(jù)，見表3。

表3 排隊(duì)時(shí)間、疏散時(shí)間與閘機(jī)數(shù)量的關(guān)系Tab.3 Relationship among ticket gates， evacuation time and queue time

運(yùn)用Origin軟件對(duì)數(shù)據(jù)處理、繪圖，并進(jìn)行擬合得到疏散時(shí)間、排隊(duì)時(shí)間與閘機(jī)數(shù)量的關(guān)系圖，如圖6。

圖6 疏散時(shí)間、排隊(duì)時(shí)間與閘機(jī)數(shù)量的關(guān)系圖Fig.6 The relation of evacuation time， queue time and number of ticket gates

從圖6可以看出，疏散時(shí)間與閘機(jī)數(shù)量大致上成反比例函數(shù)，即閘機(jī)數(shù)量越多，疏散時(shí)間越短，但是隨著閘機(jī)數(shù)量增加，疏散時(shí)間減少的比例也在不斷下降。因此考慮到經(jīng)濟(jì)性，閘機(jī)數(shù)量應(yīng)與該高鐵站人流量相匹配，并不是越多越好。

2.4 出口處人流密度和人流量隨時(shí)間變化

控制疏散人數(shù)為300人，隨閘機(jī)數(shù)不同，出口處人流密度也有所不同，如圖7。

從圖7可以看出，剛開始疏散時(shí)人流密度為0，當(dāng)行人達(dá)到出口區(qū)域時(shí)，人流密度開始增大，且閘機(jī)數(shù)量越多，起始人流密度也越大，由于出口處閘機(jī)的限制，行人在出口處的通過速度處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，所以人流密度也會(huì)趨于穩(wěn)定。因疏散人數(shù)為300人，人流密度越大，同一時(shí)間內(nèi)通過人數(shù)也會(huì)越多，造成疏散時(shí)間減少，所以閘機(jī)數(shù)量越多，疏散越快，人流密度也會(huì)更快下降。通過Origin軟件繪制出口處人流量隨時(shí)間變化圖，如圖8。

圖7 出口處人流密度隨時(shí)間變化圖Fig.7 Passenger flow density at exit with time change

圖8 出口處人流量隨時(shí)間變化圖Fig.8 Passenger number at exit with time change

從圖8可以看出，隨著候車廳人流開始疏散，出口區(qū)域的人數(shù)在一段時(shí)間之后會(huì)激增，由于行人過閘機(jī)需要時(shí)間，所以出口處的人流量會(huì)呈階梯狀增長(zhǎng)。可見，閘機(jī)數(shù)量越多，人流量增長(zhǎng)速度也越快，在人數(shù)一定情況下，疏散速度也會(huì)更快，也更容易造成區(qū)域內(nèi)擁擠，從而誘發(fā)一些其他危險(xiǎn)因素。

3 局部路徑失效情況下的疏散密度分布

設(shè)置閘機(jī)數(shù)量為5臺(tái)，候車廳內(nèi)疏散人數(shù)為100人，獲取出口層的人流密度分布。正常疏散情況，如圖9。

圖9 正常疏散情況下人流密度圖Fig.9 Passenger flow density under normal condition

通過模擬可知，閘機(jī)隊(duì)列區(qū)域?qū)儆谑枭r(shí)的一個(gè)瓶頸。模擬疏散時(shí)間為130.9s，排隊(duì)時(shí)間為84.0s。設(shè)置緊急事件發(fā)生時(shí)局部路徑失效情況：

情況①，火災(zāi)發(fā)生在右側(cè)樓梯附近時(shí)，導(dǎo)致右側(cè)樓梯無法使用，在此情況下，二樓的行人只能通過左側(cè)樓梯撤離，二樓的人流密度，如圖10。

圖10 情況①時(shí)二樓人流密度圖Fig.10 Passenger flow density at second floor under condition ①

二樓人流集中往左側(cè)樓梯疏散，避開右側(cè)區(qū)域。此時(shí)左側(cè)扶梯組和樓梯口區(qū)域?qū)儆谑枭r(shí)瓶頸，容易在此區(qū)域造成擁擠。除此之外，一樓疏散時(shí)情況跟上述相似，人流集中在閘機(jī)處隊(duì)列。疏散時(shí)間157.4s，排隊(duì)時(shí)間75.3s。

情況②，出口處發(fā)生火災(zāi)，導(dǎo)致人流只可以選擇左側(cè)出口疏散。情況②時(shí)一樓人流密度，如圖11。

圖11 情況②時(shí)一樓人流密度圖Fig.11 Passenger flow density at first floor under condition ②

在這種情況下，行人疏散經(jīng)過閘機(jī)之后會(huì)在進(jìn)站大門的出口處形成擁擠，并且伴隨著出口故障，會(huì)影響疏散效率和疏散安全。疏散時(shí)間為143.7s，排隊(duì)時(shí)間為87.4s。

對(duì)上述數(shù)據(jù)比較分析得到：情況①火災(zāi)發(fā)生在右側(cè)樓梯附近，二樓人流都往左側(cè)樓梯疏散，會(huì)導(dǎo)致左側(cè)樓梯口處產(chǎn)生擁擠狀況，相同時(shí)間內(nèi)，二樓撤離到一樓人數(shù)減少，會(huì)降低一樓過閘機(jī)的排隊(duì)時(shí)間，緩解一樓的排隊(duì)壓力，但是由于整體上人群疏散速度的降低，會(huì)一定程度上增加疏散時(shí)間。

情況②出口處火災(zāi)導(dǎo)致部分出口無法使用，這會(huì)導(dǎo)致出口處人流擁擠，但是對(duì)候車廳內(nèi)閘機(jī)處排隊(duì)不會(huì)產(chǎn)生很大影響，所以排隊(duì)時(shí)間沒有太大變化，但是由于人流在出口處擁擠，會(huì)造成部分堵塞，導(dǎo)致人流疏散到室外的時(shí)間增加，因此總疏散時(shí)間也會(huì)增加。

針對(duì)情況②，設(shè)置另外的出口，總閘機(jī)數(shù)量不變。將一部分閘機(jī)轉(zhuǎn)移到新出口，可以有效地緩解單一出口處人流擁擠問題，如圖12。除此之外，稍微增大閘機(jī)與閘機(jī)間距，可以有效降低區(qū)域內(nèi)人流密度，提高疏散時(shí)的安全性，從而提高整體疏散效率。此時(shí)疏散時(shí)間為132.6s，排隊(duì)時(shí)間為81.5s。由于總閘機(jī)數(shù)量沒有改變，行人排隊(duì)時(shí)間也較之前沒有太大變化，但是在單一出口處擁擠問題可以有效解決，很大程度上提高了疏散時(shí)的安全性。

圖12 情況②修改后一樓人流密度圖Fig.12 Passenger flow density at first floor under condition ② amendment

4 基于仿真結(jié)果的人群應(yīng)急疏散建議

利用Anylogic軟件對(duì)某高鐵客運(yùn)站人群疏散進(jìn)行模擬，并定性、定量對(duì)疏散擁堵和瓶頸進(jìn)行分析，可用以下策略來完善疏散方案：

(1)在候車廳增設(shè)緊急疏散出口，并把閘機(jī)分布在不同區(qū)域，控制閘機(jī)與閘機(jī)之間的距離，避免疏散時(shí)閘機(jī)區(qū)域處人流密度過大，造成不必要的危害。并在出站層各個(gè)閘機(jī)口配備專職安全管理人員，負(fù)責(zé)對(duì)任何時(shí)候到達(dá)閘機(jī)口的人群進(jìn)行引導(dǎo)，使其有序疏散。

(2)將安檢機(jī)布置在與進(jìn)出站閘機(jī)距離較遠(yuǎn)的位置，減少三者間的干擾，提高客流集散能力。

(3)在設(shè)計(jì)高鐵站內(nèi)部環(huán)境時(shí)，應(yīng)注意加強(qiáng)和完善導(dǎo)向標(biāo)識(shí)系統(tǒng)。

(4)在設(shè)計(jì)高鐵站內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)根據(jù)疏散人數(shù)、行走速度等設(shè)置相匹配的樓梯寬度和閘機(jī)臺(tái)數(shù)，如果只是一味增加，不僅會(huì)造成資源浪費(fèi)，還會(huì)影響疏散進(jìn)程，使得疏散時(shí)間變長(zhǎng)。

5 結(jié)論

利用Anylogic軟件，對(duì)某高鐵站的行人應(yīng)急疏散進(jìn)行仿真研究，建立疏散仿真模型，通過不斷調(diào)整疏散人員數(shù)量、疏散樓梯寬度、閘機(jī)臺(tái)數(shù)等影響因素進(jìn)行仿真模擬，得到結(jié)論如下：

(1)隨著樓梯寬度的增加，總疏散時(shí)間會(huì)逐漸減小，但是并不會(huì)持續(xù)減小，當(dāng)樓梯寬度增加到一定程度時(shí)，總疏散時(shí)間反而會(huì)增大然后趨于穩(wěn)定。由此可以得出，樓梯寬度的設(shè)置應(yīng)與閘機(jī)臺(tái)數(shù)相配合，才能更加有效地進(jìn)行疏散。

(2)閘機(jī)臺(tái)數(shù)的增加，剛開始也會(huì)使總疏散時(shí)間減小，這說明閘機(jī)臺(tái)數(shù)的增加能夠加快疏散效率，但是繼續(xù)增加閘機(jī)臺(tái)數(shù)，總疏散時(shí)間會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定，因此盲目增多閘機(jī)臺(tái)數(shù)可能會(huì)造成資源浪費(fèi)。

(3)分散設(shè)置疏散出口，適當(dāng)控制閘機(jī)與閘機(jī)之間的距離，避免閘機(jī)出口處人流密度過高從而誘發(fā)一些不必要的危險(xiǎn)因素。

本文雖然對(duì)高鐵站站內(nèi)行人活動(dòng)進(jìn)行仿真，但是如何更準(zhǔn)確地模擬出行人不同行為對(duì)疏散時(shí)間的影響有待進(jìn)一步研究。