溫元尊

(哈爾濱動(dòng)車段,黑龍江 哈爾濱 150088)

高速列車具有站間距離長(zhǎng),運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜(長(zhǎng)距離高架或隧道)的特點(diǎn)[1]。作為載客主體的高速列車,其舒適性和安全性是體現(xiàn)我國(guó)大國(guó)形象的重要表現(xiàn)之一,也是高速列車設(shè)計(jì)的重中之重。當(dāng)列車在運(yùn)行過程中發(fā)生火災(zāi)等緊急事故時(shí),對(duì)人員進(jìn)行安全疏散是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù),尤其是在隧道或高架橋等特殊環(huán)境下。

在火災(zāi)情況下,要保證人員進(jìn)行安全疏散,需要實(shí)現(xiàn)在一般火災(zāi)時(shí),乘客能在火場(chǎng)環(huán)境達(dá)到人體耐受極限之前疏散到相對(duì)安全的區(qū)域,即必需安全疏散時(shí)間＜可用安全疏散時(shí)間。必需安全疏散時(shí)間可通過火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬仿真軟件分析火災(zāi)場(chǎng)景的危害參數(shù)結(jié)合人員耐受極限判據(jù)給出?？捎冒踩枭r(shí)間指從起火時(shí)刻起到人員疏散到安全區(qū)域的時(shí)間,包括探測(cè)報(bào)警時(shí)間、人員反應(yīng)時(shí)間和運(yùn)動(dòng)時(shí)間。其中報(bào)警時(shí)間與火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)器的類型、性能及安裝位置等有關(guān)；人員反應(yīng)時(shí)間與報(bào)警的方式有關(guān)；運(yùn)動(dòng)時(shí)間與人員的疏散能力和車輛的疏散條件有關(guān),可以由疏散模擬軟件(如Pathfinder)進(jìn)行仿真模擬給出,是可用安全疏散時(shí)間的重要組成部分。

本文基于典型高速動(dòng)車組,采用Pathfinder 軟件對(duì)典型火災(zāi)場(chǎng)景下的列車人員疏散時(shí)間(即運(yùn)動(dòng)時(shí)間)進(jìn)行模擬。通過對(duì)高速動(dòng)車組車廂內(nèi)人員疏散時(shí)間進(jìn)行分析,可以為典型火災(zāi)場(chǎng)景下列車車廂內(nèi)人員疏散方案的優(yōu)化提供依據(jù)。

1 列車模型和人員屬性分析

1.1 列車模型建立

典型的高速動(dòng)車組為8 輛編組,如圖1 所示。整車長(zhǎng)約210.66m,寬3.3m,高3.8m。車廂結(jié)構(gòu)主要分為司機(jī)室、一等座和二等座。圖2 給出了典型車廂TC01(一等座)和TP03(二等座)的俯視圖。

圖1 典型高鐵動(dòng)車組整車模型

圖2 典型車廂俯視圖及點(diǎn)火源位置示意圖

1.2 人員屬性分析

人員疏散受人員的數(shù)量、性別、年齡、身體特征和心理行為等因素影響。本文假設(shè)列車處于滿載工況(587 人),將乘客按照座椅分布和數(shù)量進(jìn)行排列,其中每節(jié)車廂配備1 名乘務(wù)人員(共8 人),餐車配備2 名工作人員,司機(jī)室配備1 名司機(jī)。人員的性別、年齡、身體特征和步行速度參考文獻(xiàn)[2,3]進(jìn)行設(shè)置,見表1。

表1 人員構(gòu)成比例及行走速度表

考慮到逃生人員在疏散過程中可能會(huì)在凹凸不平的地面或鐵軌上行走,其運(yùn)動(dòng)速度低于車廂內(nèi)疏散速度。根據(jù)GB 50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[4]規(guī)定,人員在凹凸不平的地面或者臺(tái)階上疏散的速度大致為在平地上疏散速度的86%,因此,當(dāng)人員經(jīng)過隧道內(nèi)疏散平臺(tái)、踏板和月臺(tái)間隙時(shí),人員疏散速度的折減系數(shù)可取值為0.86。根據(jù)劉棟棟等[5]對(duì)北京地鐵實(shí)地調(diào)查統(tǒng)計(jì)得到的行人基本特征數(shù)據(jù),人員在下樓梯運(yùn)動(dòng)速度約為平地上疏散速度的60%,因此,當(dāng)人員通過逃生梯時(shí),人員疏散速度的折減系數(shù)可取值為0.60。

2 疏散場(chǎng)景設(shè)計(jì)及模擬方法

2.1 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

車廂內(nèi)部典型可燃物為座椅、地板布、墻板等內(nèi)飾材料,其中座椅的火災(zāi)荷載超過整體車輛的30%,是主要的可燃物[6]。此外,動(dòng)車上電氣設(shè)備繁多,電氣故障也會(huì)產(chǎn)生較大的點(diǎn)火能量,引發(fā)電氣設(shè)備及周圍可燃物的燃燒。因此,本文的點(diǎn)火源設(shè)置在列車中部座椅和二位端電氣柜,并分別選取典型車廂TC01 和TP03 車廂進(jìn)行模擬,其中TC01 車廂包括商務(wù)座和一等座,TP03 車廂為二等座,點(diǎn)火源位置示意圖如圖2所示。

2.2 疏散模擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)

根據(jù)人員疏散要素,結(jié)合典型動(dòng)車組列車結(jié)構(gòu)特征和具體運(yùn)行環(huán)境(預(yù)計(jì)隧道60%、高架20%、地面20%)制定模擬場(chǎng)景,并對(duì)外部環(huán)境場(chǎng)景、內(nèi)部環(huán)境與人員設(shè)計(jì)場(chǎng)景做出如下假設(shè)和說明(見表2)。

表2 人員疏散模擬工況表

關(guān)于外部環(huán)境場(chǎng)景,有如下假設(shè)和說明:

(1)按照一般緊急預(yù)案原則,車廂某部位著火后,需要結(jié)合火勢(shì)和車輛損壞程度,判斷是否繼續(xù)運(yùn)行。當(dāng)車輛運(yùn)行至安全停車地點(diǎn)時(shí),除著火車廂的車門封閉外,乘客可從其他車輛的車門進(jìn)行疏散。

(2)對(duì)于站臺(tái)疏散場(chǎng)景,假設(shè)乘客僅從列車單側(cè)門進(jìn)行疏散。

(3)對(duì)于隧道內(nèi)緊急停車疏散場(chǎng)景,若軌道一側(cè)有疏散平臺(tái),則乘客沿著疏散平臺(tái)疏散至安全地點(diǎn)。若軌道無疏散平臺(tái),則需借助逃生梯疏散到地面,此時(shí)外部車門均不能通過。

根據(jù)實(shí)際情況,本文假設(shè)列車上的應(yīng)急逃生設(shè)施放置在1、4、5、8 號(hào)車廂端部的備品柜內(nèi),不考慮轉(zhuǎn)移逃生設(shè)備對(duì)人員疏散的影響,在仿真中假設(shè)應(yīng)急逃生設(shè)施可以順利轉(zhuǎn)移至架設(shè)位置。

關(guān)于內(nèi)部環(huán)境與人員設(shè)計(jì)場(chǎng)景,有如下假設(shè)和說明:

(1)著火車廂封堵后,考慮火勢(shì)擴(kuò)大風(fēng)險(xiǎn)和人員安全,車廂兩端的外部車門均不能通行。

(2)忽略打開車門所花費(fèi)的時(shí)間；進(jìn)行軌道面逃生梯疏散仿真時(shí),忽略架設(shè)所花費(fèi)的時(shí)間；將乘客完全轉(zhuǎn)移出著火車廂并下車后定義為安全。

2.3 人員安全疏散模擬方法

本文采用Pathfinder 進(jìn)行人員疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間模擬。Pathfinder 是由美國(guó)Thunderhead engineering 公司開發(fā)的一個(gè)基于人員進(jìn)出和運(yùn)動(dòng)的模擬器。Pathfinder 可以導(dǎo)入CAD、FDS 模型,Pathfinder 的人員運(yùn)動(dòng)模式包括SFPE 模式和Steering 模式[3]。SFPE 行為是最基本的行為,以流量為基礎(chǔ)的選擇意味著人員會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)移到最近的出口。人員不會(huì)相互影響,但是列隊(duì)將符合SFPE 假設(shè)。這種模式基于SFPE 工程指南:人類行為利用空間密度確定運(yùn)動(dòng)速度。Steering 模式使用路徑規(guī)劃、指導(dǎo)機(jī)制和碰撞處理相結(jié)合控制人員運(yùn)動(dòng)。如果人員之間的距離和最近點(diǎn)的路徑超過某一閾值,可以再生新的路徑,以適應(yīng)新的形勢(shì)。Pathfinder 利用計(jì)算機(jī)圖形仿真和游戲角色領(lǐng)域的技術(shù),對(duì)多個(gè)群體中的每個(gè)個(gè)體運(yùn)動(dòng)都進(jìn)行圖形化的虛擬演練,從而可以準(zhǔn)確確定每個(gè)個(gè)體在災(zāi)難發(fā)生時(shí)最佳疏散路徑和逃生時(shí)間。

Pathfinder 不受模擬環(huán)境的限制和網(wǎng)格大小的制約,可以計(jì)算每個(gè)乘客獨(dú)立運(yùn)動(dòng)并給予了一套獨(dú)特的參數(shù)(最高速度、出口的選擇等等),能夠很好地應(yīng)用到軌道列車車廂內(nèi)部,模擬車廂內(nèi)部的狹長(zhǎng)空間。在實(shí)際列車人員疏散中,人員運(yùn)動(dòng)行為復(fù)雜,Steering 模式能更為合理地模擬人員疏散行為,因此本文采用Steering 模式進(jìn)行模擬。

3 疏散結(jié)果及分析

3.1 列車?？吭谡九_(tái)環(huán)境下的疏散時(shí)間

通過對(duì)典型火災(zāi)場(chǎng)景下的人員疏散時(shí)間進(jìn)行模擬,記錄不同場(chǎng)景下的疏散時(shí)間,包括起火車廂疏散時(shí)間和整車疏散時(shí)間,結(jié)果見表3。由模擬疏散時(shí)間可知,在正常無火災(zāi)情況下,所有人從車內(nèi)往站臺(tái)上疏散需78.3 s。

表3 不同模擬場(chǎng)景中人員的疏散時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

當(dāng)列車處于停車狀態(tài)且?？吭谡九_(tái)時(shí),即乘客已經(jīng)上車但暫未發(fā)車或者列車剛到站,此時(shí)若TC01 中部座椅著火(場(chǎng)景2),全部人員疏散到站臺(tái)的時(shí)間為79.5 s,該時(shí)間與場(chǎng)景1 正常情況下緊急疏散時(shí)間相近,這可能是由于著火位置位于TC01 車中部且該工況下未減少疏散出口,因此沒有造成乘客聚集擁堵情況。當(dāng)著火位置位于TC01 二位端電氣柜時(shí)(場(chǎng)景3),整車人員最終到達(dá)站臺(tái)時(shí)間更久,需要147.0 s,是場(chǎng)景2 所需時(shí)間的1.85 倍。TP03 車廂電氣柜著火(場(chǎng)景4)所需的整車人員疏散時(shí)間與場(chǎng)景3 的所需時(shí)間相近,但場(chǎng)景4 所需的整車疏散時(shí)間是TP03 車中部座椅著火時(shí)間的1.62倍。

當(dāng)列車發(fā)生火災(zāi)時(shí),著火車廂的出口可能無法通行,且相鄰車廂的部分車門也可能被封鎖,由此導(dǎo)致可用疏散出口數(shù)量減少,最終使得人員疏散時(shí)間相比于正常情況下的下車要更久。當(dāng)列車端部發(fā)生火災(zāi)時(shí),端部著火使乘客只有一個(gè)方向可供轉(zhuǎn)移,大量人員擁堵在走廊內(nèi)或座椅過道區(qū)等待轉(zhuǎn)移,因此端部著火所需的整車疏散時(shí)間要高于中部座椅所需的疏散時(shí)間。

3.2 列車運(yùn)行狀態(tài)著火并?？恐琳九_(tái)場(chǎng)景下的疏散時(shí)間

當(dāng)列車運(yùn)行過程中著火且不具備立即停車疏散的條件時(shí),著火車廂的人員優(yōu)先往相鄰安全車廂轉(zhuǎn)移,最后停留在安全車廂的走廊、通過區(qū)和其他非座椅區(qū)位置。當(dāng)列車運(yùn)行若干時(shí)間并到達(dá)安全站點(diǎn)時(shí),人員再疏散至站臺(tái)。

在著火位置分別位于TC01 中部座椅(場(chǎng)景12)、TC01二位端電氣柜(場(chǎng)景13)、TP03 二位端電氣柜(場(chǎng)景14)、TP03 中部座椅(場(chǎng)景15)時(shí),人員從著火車廂轉(zhuǎn)移至安全車廂的時(shí)間分別為32.8 s、51.2 s、154.3 s、77.1 s。對(duì)比人員從著火車廂轉(zhuǎn)移到其他車廂的疏散時(shí)間可知,TC01 端部著火所需人員疏散時(shí)間是TC01 中部著火所需疏散時(shí)間的1.56倍,而TP03 車端部著火所需人員疏散時(shí)間是TP03 中部著火所需疏散時(shí)間的2.0 倍。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因與3.1 節(jié)中所述原因類似,即當(dāng)列車端部發(fā)生火災(zāi)時(shí),乘客只有一個(gè)方向可供轉(zhuǎn)移,人員易擁堵在走廊內(nèi)或座椅過道區(qū)。在這種場(chǎng)景下,相鄰安全車廂的過道等疏散通道不能有行李等阻礙物,否則會(huì)增大人員轉(zhuǎn)移到安全車廂的疏散時(shí)間。最終列車運(yùn)行若干時(shí)間后到站,上述四種場(chǎng)景列車內(nèi)所有人下車所需時(shí)間分別為93.5 s、147.0 s、135.8 s、122.0 s。

3.3 列車?？吭诜钦九_(tái)環(huán)境下的疏散時(shí)間

當(dāng)列車在隧道等非站臺(tái)環(huán)境下著火且立即停車疏散,在著火位置分別位于TC01 中部座椅(場(chǎng)景6)、TP03 二位端電氣柜(場(chǎng)景8)、TP03 中部座椅(場(chǎng)景10)三種情況下,若采用疏散平臺(tái)進(jìn)行疏散,所需疏散時(shí)間分別為496.8 s、481.5 s、488.5 s,要遠(yuǎn)高于場(chǎng)景2、場(chǎng)景4 和場(chǎng)景5 在站臺(tái)直接疏散的時(shí)間；若采用逃生梯方式進(jìn)行地面疏散,則所需時(shí)間分別為1016.0 s(場(chǎng)景7)、621.0 s(場(chǎng)景9)、626.5 s(場(chǎng)景11),即采用逃生梯方式所需疏散時(shí)間遠(yuǎn)多于相同工況下采用疏散平臺(tái)或站臺(tái)直接疏散的所需時(shí)間。

相比于站臺(tái)環(huán)境,非站臺(tái)環(huán)境下如隧道環(huán)境中疏散平臺(tái)寬度比站臺(tái)寬度更小且逃生梯數(shù)量有限,乘客只能排隊(duì)等待疏散,且乘客本身因素(如行走速度)也會(huì)影響整個(gè)疏散過程,因此非站臺(tái)環(huán)境下采用疏散平臺(tái)或逃生梯進(jìn)行疏散的時(shí)間要遠(yuǎn)高于直接在站臺(tái)進(jìn)行疏散的時(shí)間。在非站臺(tái)停車環(huán)境下,采用疏散平臺(tái)和逃生梯進(jìn)行疏散時(shí),采用疏散平臺(tái)進(jìn)行疏散時(shí)乘客可以直接從開啟的車門處疏散至疏散平臺(tái),而當(dāng)采用逃生梯進(jìn)行疏散時(shí),逃生梯作為唯一出口,其數(shù)量少于車門,因此導(dǎo)致疏散效率降低,疏散時(shí)間要高于采用疏散平臺(tái)的疏散時(shí)間。

4 結(jié)論

本文對(duì)典型高速動(dòng)車組典型火災(zāi)場(chǎng)景下不同車輛運(yùn)行狀態(tài)和疏散地點(diǎn)下的人員疏散時(shí)間進(jìn)行模擬分析,得到以下結(jié)論:

4.1 在正常無火災(zāi)情況下,所有人從車內(nèi)往站臺(tái)上疏散需78.3 s。

4.2 火源位置和可用疏散出口數(shù)量是影響人員安全疏散的重要因素。當(dāng)列車?？吭谡九_(tái)環(huán)境時(shí)著火或在運(yùn)行過程中著火,TC01 或TP03 端部著火人員所需疏散時(shí)間是中部著火所需疏散時(shí)間的1.5 倍以上。

4.3 在非站臺(tái)停車環(huán)境下,使用逃生梯要比采用疏散平臺(tái)的疏散方式所用時(shí)間更多。對(duì)比場(chǎng)景8 與場(chǎng)景9、場(chǎng)景10與場(chǎng)景11,使用疏散平臺(tái)要比采用逃生梯的疏散方式所用時(shí)間分別降低22.5%和22.0%。