林 靜,魏振宇,胡盛斌,鄭 寧,潘永劍,郭曉霜,閃四清

(1.南寧軌道交通集團有限責任公司，廣西 南寧 530000；2.江泰保險經(jīng)紀股份有限公司，北京 100080；3.北京航空航天大學 經(jīng)管學院，北京 100191;4.城市運行應急保障模擬技術北京市重點實驗室，北京 100191)

0 引言

在地鐵運營過程中，地鐵車站安全事故時有發(fā)生，不僅威脅地鐵站內(nèi)行人安全，還會給社會帶來一定負面影響。因此，對城市地鐵站的應急疏散能力進行分析，有助于提升地鐵站安全運營水平和應急處置能力。

任常興等[1]認為影響地鐵站應急疏散能力的主要因素為疏散通道通行能力、疏散設備、行人聚集特性、管理人員的指揮管理；陳娜等[2]研究了疏散過程安全區(qū)和疏散路徑選擇、疏散設施疏散能力、人員疏散速度差異；Yang等[3]分析地鐵站人群疏散情況，并提出優(yōu)化解決方案；Zhou等[4]對地鐵站行人的行為進行仿真建模，驗證模型有效性；姚遠等[5]模擬地鐵站人群疏散，研究疏散指導、應急通道等因素對人群疏散的影響。在地鐵站運營管理方面，將社會力模型相關理論應用到仿真模型中[6-7]：Cornes等[8]在社會力模型背景下研究房間疏散問題；Dubroca等[9]使用社會力模型模擬和評估火車站行人交通管理；盧天驕[10]在社會力模型基礎上分析個體行為和群體行為特點；Ma等[11]基于社會力模型開發(fā)優(yōu)化后的動態(tài)出口決策模型；李祥飛等[12]探究突發(fā)事件中異質(zhì)化行人對地鐵站應急疏散的影響。目前，采用社會力模型針對不同環(huán)境下的行人疏散過程進行研究(如機場[13]、購物中心[14]及地鐵站[15])，但忽略行人之間、行人和站內(nèi)設備之間的相互影響，不能全面刻畫地鐵站疏散能力。

因此，本文以南寧地鐵朝陽廣場站為例，采用Anylogic仿真軟件進行建模，引入社會力模型中的行人疏散策略、地鐵站設備布局與行人疏散行為之間的相互作用、行人之間親屬關系等因素，針對地鐵大客流疏散能力進行研究。

1 社會力模型

社會力模型描述行人微觀運動，分析個體和群體行為關系。行人行走過程受驅動力、人與人之間作用力、人與物體間排斥力的影響[16-17]。社會力模型如式(1)所示：

(1)

(2)

2 地鐵車站疏散能力影響因素分析

影響城市地鐵站疏散能力因素包括客觀因素、管理因素和主觀因素。

客觀因素包括設備布局、關鍵位置通行能力、行人密度、疏散人數(shù)等。在大客流情景下，地鐵站內(nèi)安檢區(qū)、售票區(qū)等易造成擁擠堵塞，從而影響行人的疏散時間；關鍵位置通行能力主要指地鐵出入口、樓梯口的通行能力[18]；行人密度又稱擁擠度，表示單位面積上的行人數(shù)量；疏散人數(shù)是指開始疏散時刻地鐵站內(nèi)的總人數(shù)。

影響城市地鐵站疏散能力的管理因素主要指行人疏散流程。

主觀因素包括行人對出入口、樓梯口的選擇策略、行人屬性及行人之間的親屬關系等。行人屬性是指行人的性別、年齡、行走速度、是否攜帶行李等特性，不同屬性的行人對于危險的感知、反應速度不同。

3 朝陽廣場站大客流疏散能力模型構建

3.1 車站概況

朝陽廣場站是南寧軌道交通1號線和2號線的換乘站，為南寧市城市商業(yè)中心之一，上下班和節(jié)假日期間，客流量高于平時，該情形可稱為大客流。該地鐵站為東西向3層島式站臺。地鐵站第1層即地下1層為站廳層，包含4個出入口：西邊為A口、D口以及換乘口，客流量較大；東邊為C口，客流量較??；經(jīng)測算，4個出入口的進站客流量比約為3∶2∶1∶1。站廳層包含28臺自動售票機、28個出站閘機、24個進站閘機和4個樓梯口。

3.2 疏散能力模型構建

本文結合社會力模型進行Anylogic仿真建模，主要包括以下3個步驟：

步驟1：模型設計。根據(jù)地鐵站的建筑結構、內(nèi)部環(huán)境，利用行人庫控件標記中的控件完成墻、出入口、服務設施等的建立，創(chuàng)建行人流程圖，確定行人疏散路徑。

步驟2：參數(shù)設定。對地鐵站內(nèi)行人數(shù)量、出入口附近通道的通行能力等參數(shù)進行設定。

步驟3：運行仿真模型和分析。

3.3 疏散能力模型的客觀影響因素

1)設備布局

朝陽廣場站站廳層基礎環(huán)境三維建模如圖1所示。地鐵站內(nèi)發(fā)生突發(fā)事件需要疏散時，進出站閘機會全部打開。

圖1 朝陽廣場站站廳層的基礎環(huán)境三維建模

2)關鍵位置通行能力

①出入口通行能力

根據(jù)《地鐵設計規(guī)范》(GB 50517—2013)[19]，本文給出出入口附近通道、樓梯最大理論通過能力的估計，見表1。

表1 通道最大通行能力設計

地鐵站出入口附近通道的通行能力如式(3)所示：

N=L有效×E×k

(3)

式中：L有效表示通道有效寬度，m；E為每小時通過人數(shù)；k的取值與車站類型有關，本文取k=1。

②樓梯口通行能力行人上下樓梯過程中，重力平行于樓梯方向的分量會轉化為驅動力的一部分。因此，在社會力模型基礎上，考慮重力影響，構建三維社會力模型。假設行人實際速度為v，分解為x，y，z軸方向的分速度，如式(4)所示：

(4)

將樓梯看作坡度為θ的斜坡，則水平方向速度vx和垂直方向的速度vz之間關系如式(5)所示：

vz=vx×tan(θ)

(5)

式中：θ表示斜坡坡度，(°)。

在將模型中驅動力加上重力影響后，還需考慮心理因素對重力影響的調(diào)節(jié)，行人通過對自身速度的判斷，控制重力對速度的影響。故改進模型中驅動力如式(6)所示：

(6)

下樓梯時，重力對驅動力的影響為正；上樓梯時，重力對驅動力的影響為負，速度的增加變慢。

3)行人密度

Anylogic在運行仿真模型時，可以將行人的服務流程采用三維動畫的形式進行動態(tài)交互式演示。地鐵站行人仿真建模運行三維演示示意如圖2所示。

圖2 地鐵站行人仿真建模運行三維演示

地鐵站行人密度Di如式(7)所示：

(7)

式中：Si表示該區(qū)域面積，m2；Ni表示該區(qū)域行人數(shù)量。地鐵站內(nèi)行人密度Di越大，表示該區(qū)域內(nèi)擁擠程度越嚴重。

4)疏散人數(shù)

疏散人數(shù)指當突發(fā)事件發(fā)生后，開始疏散時刻地鐵站內(nèi)的總人數(shù)，如式(8)所示：

(8)

式中：ei表示從出入口/換乘口進入的行人；ci表示每節(jié)車廂下車的行人數(shù)量；L表示乘坐列車離開地鐵站的行人數(shù)量；C表示在進行疏散之前，已經(jīng)出站的行人數(shù)量。

運行Anylogic后的行人數(shù)隨時間變化如圖3所示，模型運行約300 s后，人數(shù)開始趨于穩(wěn)定。

圖3 地鐵站內(nèi)人數(shù)隨時間變化

3.4 影響疏散能力模型的管理因素

Anylogic行人的疏散行為流程如圖4所示。Ped Wait模塊表示行人短暫的反應時間；通過Ped Select Output模塊對行人所處樓層進行判斷，如果行人處于站臺層，需要先進入站廳層，然后與站廳層行人一起通過Ped Select Output模塊選擇合適的出口進行疏散；Ped Sink表示行人出站，疏散流程結束。

圖4 行人疏散流程建模

3.5 影響疏散能力模型的主觀因素特征

1)行人對出入口的選擇策略

本文對自由疏散策略、最短路徑疏散策略和混合策略進行研究。自由疏散策略是指疏散過程中，地鐵站內(nèi)部分行人習慣尋找自己熟悉的出口，導致疏散行為具有無序性和多向性，將加劇疏散的混亂程度；最短路徑疏散策略是指疏散過程中，熟悉該地鐵站的行人可通過自己的認知，選取距離最短的疏散路徑，其他乘客出于從眾心理，也會跟隨人流到達最近的出入口；混合策略是指在實際疏散過程中，行人根據(jù)地鐵站管理人員引導，綜合考慮選擇合適的疏散出入口。

2)行人對樓梯口的選擇策略

根據(jù)社會力模型，行人在通過樓梯口時會根據(jù)該區(qū)域的隊列長度預計通過時間。行人預估時間如式(9)所示：

(9)

式中：i為樓梯口等設備編號；x表示行人與設備i之間是否存在可通行的道路，如果存在，x=1，否則為0；l(i)為行人所處位置和設備i之間的距離，m；v代表行人向前移動的速度，m/s；n為設備i前隊列中的行人數(shù)量；T為通過該設備耗費的平均等待時間，s。

3)行人屬性

仿真模型中所需行人參數(shù)主要包括行人類別、行走速度、是否攜帶行李等，見表2。

表2 行人類別及步行速度參數(shù)設置

4)行人之間親屬關系

在疏散過程中，行人與隨行親屬之間存在統(tǒng)一行動的現(xiàn)象，稱為“小群體行為”。本文以親屬關系為切入點，從社會力模型角度對該現(xiàn)象進行分析,認為具有親屬關系的小群體內(nèi)，行人i在t時刻的期望疏散速度是該群體內(nèi)其他行人在t時刻期望疏散速度的平均值,如式(10)所示：

(10)

式中：n表示該行人所在群體內(nèi)的行人個數(shù)，取值一般為2～5；Vj(t)表示行人j的疏散速度，m/s。期望速度的調(diào)整將引起行人自驅力的變化。具有親屬關系的小群體成員間的距離通常比陌生人之間的距離近，即小群體內(nèi)的行人更多地受具有親屬關系的行人的吸引力，如式(11)所示：

(11)

4 大客流疏散能力模型仿真分析

4.1 行人密度對疏散能力的影響

運行5 min后站廳層的客流密度如圖5所示。A，D口進站人流量較大，C口通行較為暢通，安檢口附近行人密度較高。通過觀察疏散前安檢口附近排隊區(qū)域內(nèi)行人密度值與地鐵站疏散時間關系，分析該區(qū)域行人密度對地鐵站疏散能力的影響。

圖5 站廳層客流密度(運行時間t≥5 min)

由圖5可知，安檢口區(qū)域雖容易產(chǎn)生擁擠，但行人密度小于3.5人/m2。這是由于社會力模型中，隨行人間距離減小，排斥力增大導致。因此，本文將該區(qū)域內(nèi)疏散行人密度臨界值設置為2～3.5人/m2，并通過多次仿真實驗得到不同臨界值下地鐵站行人進行疏散的平均時間，如圖6所示。

圖6 疏散前安檢排隊處的行人密度和疏散時間之間的關系

圖6折線、陰影區(qū)域分別為多次重復實驗得到的地鐵站疏散時間的平均值和標準差。隨安檢排隊處行人密度增大，地鐵站疏散時間隨之增加。受行人個體因素影響，當車站內(nèi)行人增加，不穩(wěn)定因素增加，疏散時間波動變大。

4.2 行人間親屬關系對疏散能力的影響

具有親屬關系的行人占比對疏散時間的影響如圖7所示，當具有親屬關系的行人在人群中占比較小時，親屬間互助行為可能減小地鐵站疏散時間，地鐵站疏散能力增大；當具有親屬關系的行人占比較大時，由于親屬之間為保持彼此之間的近距離接觸，會加重與行人流的沖突程度，使地鐵站疏散時間增長。

圖7 具有親屬關系的行人占比對疏散時間的影響

4.3 行人對出入口的選擇策略對疏散能力的影響

自由疏散策略下各出入口疏散情況如圖8所示。在自由疏散策略下，行人通過各出入口/換乘口進行疏散的概率相同，通過地鐵口A，C，D和換乘口進行疏散的行人數(shù)量不同。

圖8 自由疏散策略下各出入口疏散情況

5 結論

1)行人密度對地鐵站疏散能力的影響效果顯著，需要確定地鐵站內(nèi)不會發(fā)生擁擠的合理人數(shù)上限；在進站高峰時期，地鐵站通過限制進站人數(shù)、增加地鐵站發(fā)車頻率、提高進出站服務流程效率等措施，保證地鐵站內(nèi)人數(shù)處于合理區(qū)間。

2)少部分行人間的抱團互助可提高疏散效率，但如果抱團互助的比例過高，反而會導致疏散過程的混亂。如果行人中小群體規(guī)模占比不超過行人總規(guī)模的20%，可以維持該種狀態(tài)，如果超過20%，應采取勸離等方式分散小群體。

3)行人的出入口選擇策略對地鐵站的疏散能力有顯著影響，可通過在地鐵站內(nèi)安裝大型電子引導牌，實時顯示各出入口當前擁擠狀態(tài)以及當前位置到各出入口距離，同時對疏散行人進行引導。