李林娜 王保云副教授

(1.云南師范大學(xué) 信息學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南師范大學(xué) 數(shù)學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500)

0 引言

作為主要交通工具之一，火車承載著人員運輸?shù)闹厝?，由于火車運載量大，運輸方便，運輸距離長，已成為春節(jié)及各假期的熱門交通工具之一?；疖囘\載量的增加同時帶來火車站人員密度的急劇增長，為火車站人員疏散帶來極大困難。據(jù)統(tǒng)計，在眾多踩踏事故發(fā)生點，樓梯占比35.69%，在人群極度擁擠時，折返行為極易導(dǎo)致樓梯處發(fā)生踩踏事故。因此，針對火車站臺旅客折返行為，有必要提出相應(yīng)擁擠控制對策。

火車站人員疏散研究，裴磊磊等基于AnyLogic將社會力模型與疏散仿真相結(jié)合，對火車站突發(fā)事件進(jìn)行模擬研究，探討隨機疏散、最短路徑疏散與引導(dǎo)疏散3種策略下的疏散效率；劉坤基于Pathfinder針對緊急情況下火車站候車室人員疏散進(jìn)行數(shù)值模擬；張思健等利用FDS研究火車站火災(zāi)煙氣擴散及人員疏散情況；郭曲以某火車站為例系統(tǒng)研究人員出站的疏散情況。相關(guān)研究大都傾向于極端情況下火車站人員疏散，較少涉及人員折返行為對疏散的影響。本文以某火車站為例，在火車站臺旅客上車過程中加入不同比例的折返行為，研究對疏散的影響。

1 實驗參數(shù)設(shè)置

1.1 實驗場景介紹

以某火車站為例，模型分為站臺層和候車層。將站臺的有效起始距離用于人群疏散，站臺長372m，寬22.5m?；疖囌灸Ｐ凸灿?層，站臺層和候車室 Ⅰ 位于1層，面積為945m；候車室 Ⅱ 和天橋位于2層，面積為645m。樓梯寬3m，高3m，踏步高0.167m。按照火車車廂長度，站臺上靠軌道側(cè)每隔25m設(shè)置一個出口,出口通往車廂內(nèi)部，其中第一站臺、第二站臺各有15個出口，出口寬度均為1m。在火車站站臺的疏散過程中，以車廂門為出口，穿過車廂門即視為疏散成功。火車站整體布局，如圖1。

圖1 火車站布局Fig.1 Station layout

1.2 模型參數(shù)設(shè)置

根據(jù)成琳娜、劉夢潔、趙金龍、劉坤等研究，火車站旅客類型及各自的年齡段、平均速度、肩寬和比例分布等參數(shù)，見表1。

表1 火車站旅客參數(shù)設(shè)定值Tab.1 The set value of passenger parameters in the railway station

考慮到在走錯站臺情況下，旅客在到達(dá)錯誤站臺后即刻折返至正確站臺。將人員的折返位置分別設(shè)置為各站臺樓梯口，每個折返人員選擇的折返樓梯為距其最近的樓梯，相應(yīng)的折返路徑，如圖2。圖2(a)為從第一站臺折返至第二站臺：折返人員從候車室Ⅱ出發(fā)，行走至第一站臺后，在樓梯口折返到天橋上，然后沿與第二站臺連接的樓梯走到第二站臺，到達(dá)對應(yīng)的車廂門后正常疏散；圖2(b)為從第二站臺折返至第一站臺：從候車室Ⅱ出發(fā)，沿天橋及與天橋連接的樓梯行走至第二站臺，在樓梯口折返到天橋上，然后沿與第一站臺連接的樓梯走到第一站臺，到達(dá)對應(yīng)的車廂門后正常疏散。

正在使用的客車中25G型鐵路客車占比最大，故選取25G型鐵路客車作為模型中虛擬客車以計算車廂人數(shù)。一列火車共16節(jié)車廂，硬座為6節(jié)，定員118人，共計708人；軟座2節(jié)，定員72人，共計144人；硬臥4節(jié)，定員66人，共計264人；軟臥2節(jié)，定員36人，共計72人；餐車和行李車各一節(jié)，不載人，以上共計1 188人，一般列車硬座允許超員15%，定員人數(shù)加上超員人數(shù)共1 294人。

2輛列車同時到達(dá)，設(shè)置疏散總?cè)藬?shù)為2 588人。人員初始位置分布于候車室Ⅰ 1 294人、候車室Ⅱ 1 294人，其中兒童130人、少年388人、青年男性453人、青年女性453人、中年男性388人、中年女性388人、老年388人。

圖2 折返路徑Fig.2 Reentry route

1.3 折返比例設(shè)置

將折返人員比例設(shè)置為5%、10%、15%、20%、25%。在折返比例不同的情況下，人員數(shù)量設(shè)置，見表2。

表2 不同折返比例的人員數(shù)量Tab.2 The number of occupant under different reentry ratios

2 實驗結(jié)果分析

在不同的折返比例下，疏散的規(guī)律不同。在運行過程中，選擇高峰期2輛火車同時到達(dá)，隨機選擇5%、10%、15%、20%、25%的折返人群，折返路徑及折返點，如圖2。

為清晰表示出折返比例對疏散的影響，選擇疏散時間(

t

)、不同折返點處人數(shù)(

N

)、達(dá)到高峰期時間(

t

)的密度(

ρ

)參數(shù)，計算結(jié)果，見表3。

表3 不同折返比例、不同折返點下的實驗結(jié)果Tab.3 Experimental results under different reentry ratios and different reentry points

式中：

ρ

—疏散人數(shù)達(dá)到最高峰時折返點處的最大密度，人/m；

S

—折返點處的面積，m；

t

—最高峰時間，s；

N

—高峰期人數(shù)。

表3可以得到，折返比例增加，折返點(a)的疏散時間增加；折返點(b)的疏散時間大致隨折返比例的增加而增加。在折返比例10%時，折返點(b)的疏散時間較折返比例為5%時的疏散時間短，據(jù)高峰期時間來看，因折返人數(shù)位置隨機，導(dǎo)致折返人員離檢票口遠(yuǎn)的人數(shù)較多，高峰期時間靠后，大部分未折返人群在高峰期時間之前已疏散完成，故疏散時間較短。

折返點(a)人數(shù)達(dá)到最高峰的時間比折返點(b)人數(shù)達(dá)到最高峰的時間要短，這是因為折返點(a)較折返點(b)距離候車室近，行人在行走速度不變的情況下，到達(dá)距離短的目標(biāo)點所用時間也短。同時，可以看到，在不同的折返比例下，折返點(a)和折返點(b)行人人數(shù)達(dá)到最高峰時密度相差不大，在1上下浮動，這說明折返路徑的長短會影響疏散時間而不會影響到最高峰時的人群密度，因為火車站內(nèi)人數(shù)設(shè)置已經(jīng)達(dá)到最大容量，故在人群數(shù)量極大的情況下，折返位置并不會影響到人群疏散時的最大密度。

圖3為折返點(a)不同折返比例的火車站內(nèi)滯留人數(shù)的變化規(guī)律。折返點(b)的不同折返比例的火車站內(nèi)滯留人數(shù)曲線與圖3類似。當(dāng)沒有折返人員時，火車站內(nèi)的疏散時間為994.78s,加入不同比例的折返人員之后，疏散時間增長。當(dāng)折返比例為5%時，疏散時間比無折返比例時增加了2.41%；折返比例以5%的差距遞增時，疏散時間呈遞增趨勢，

t

比

t

增加4.42%，

t

比

t

增加4.79%，

t

比

t

增加3.14%，

t

比

t

增加4.35%，從不同比例的疏散時間增加程度看，折返比例為15%相較于折返比例為20%時，漲幅較小，這說明折返比例為15%和20%對疏散時間的影響比較接近。當(dāng)折返比例為25%時，相比于無折返人員情況，疏散效率降低20.58%。

圖3 折返點(a)、不同折返比例下火車站滯留人數(shù)Fig.3 Reentry point (a) and the number of stranded people at railway stations under different reentry ratios

由于天橋為乘客走進(jìn)站臺的必經(jīng)之路，折返路徑無論是從第一站臺到第二站臺，還是從第二站臺到第一站臺，折返行為導(dǎo)致的擁擠現(xiàn)象都會在天橋處產(chǎn)生。為更好地對比不同的折返點對疏散時間的影響，以折返點(a)和折返點(b)在天橋處的滯留人數(shù)為參考，構(gòu)建天橋的人員數(shù)量隨時間變化，如圖4。

圖4 不同折返點、不同折返比例下天橋上的滯留人數(shù)Fig.4 The number of stranded occupants on the flyover at different reentry points and different reentry ratios

由圖4可知，折返比例相同時，折返點(b)的天橋滯留人數(shù)比折返點(a)的滯留人數(shù)多。從火車站布局可以得知，折返點(b)離候車室Ⅱ的距離比折返點(a)離候車室Ⅱ的距離遠(yuǎn)，所以在折返點(b)，天橋上滯留人數(shù)多。同時，在不同的折返比例下折返點(b)天橋滯留人數(shù)、疏散時間曲線都出現(xiàn)高峰，而折返點(a)天橋滯留人數(shù)和疏散時間曲線較為平緩，主要由于折返點(b)的折返路徑長，距離候車室Ⅱ遠(yuǎn)，所以容易產(chǎn)生人員堆積，比折返點(a)更為擁擠。

在加入折返人員后，因運動方向相反，2股反向流動的人群產(chǎn)生擁擠，導(dǎo)致行走速度驟降。隨著折返比例的增加，天橋滯留人數(shù)也在增加，這和火車站滯留人數(shù)變化情況相一致。

3 擁擠控制對策

折返人群在站臺之間的往返路徑都必須通過樓梯經(jīng)過天橋，且只有這一條路徑可以選擇，因此人群擁擠主要發(fā)生在樓梯及天橋處。為緩解人群擁擠，在與所有天橋連接的樓梯處增加單向行走樓梯作為折返通道，如圖5。優(yōu)化后折返點(a)和折返點(b)的折返路徑，如圖6。

圖5 折返通道設(shè)置Fig.5 Reentry passageway setup

圖6 優(yōu)化后的折返路徑Fig.6 The optimized reentry route

加入折返通道后，避免人群對流導(dǎo)致在樓梯上擁擠現(xiàn)象，降低疏散時間，減少高峰期擁擠人數(shù)。改造后實驗結(jié)果，見表4。

表4 改造后的實驗結(jié)果Tab.4 Experimental results after modification

在不同的折返比例下，設(shè)置折返通道后，疏散時間及折返點人群密度較之前均有所改善，但在折返比例為15%、25%時，折返點(b)的人群密度有所上升，這是因為折返人員隨機導(dǎo)致的誤差，例如當(dāng)折返人員為小孩，且小孩同時聚集在樓梯處時，會造成樓梯處人群堵塞，從而增大折返點的人群密度。

在加入折返通道后，疏散效率提高。以折返點(a)的天橋處滯留人數(shù)為衡量標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實驗，得到不同折返比例下折返點(a)的天橋處滯留人數(shù)曲線圖，如圖7。

圖7 折返點(a)、不同折返比例下天橋滯留人數(shù)Fig.7 The number of stranded occupants under different reentry ratios at the reentry point "a"

當(dāng)折返比例為5%時，改造前后的天橋滯留人數(shù)曲線大致相同，在折返比例較小的情況下折返通道的設(shè)置效果不明顯；當(dāng)折返比例大于等于10%時，改造后的天橋人員滯留時間明顯縮短，改善天橋上的人群擁擠。

4 結(jié)論

在火車站站臺的人群疏散中加入折返行為，更加真實地模擬現(xiàn)實中的人員疏散情況。同時疏散效率大致隨折返比例的增加而增加，疏散過程中會受到折返人員類型和位置的影響。通過觀察實驗?zāi)M過程，在增加折返通道后，疏散效率明顯提高，且天橋滯留時間也有所縮短，人群擁擠現(xiàn)象明顯緩和，各指標(biāo)均有所提升。

因折返人員隨機，實驗中沒有充分考慮折返人員的原始位置對疏散的影響，將會在以后的實驗工作中進(jìn)一步探索研究。