盧子琳，李洋洋

(重慶交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院，重慶 400074)

針對當(dāng)前城市交通流量急速上升、交通擁堵不斷加劇的局面，大力發(fā)展軌道交通，同時與高鐵、公共汽車及輪渡等交通工具有機結(jié)合，已成為城市發(fā)展的必然趨勢。軌道交通由于具有耗能低、污染少、客流運送量大的特點在城市交通系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，城市軌道交通也因此迎來了新的發(fā)展機遇。據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會2022年4月發(fā)布的《城市軌道交通2021年度統(tǒng)計和分析報告》中數(shù)據(jù)，中國大陸地區(qū)已有50個城市開通城市軌道交通，運營線路283條， 運營線路總長9 206.8 km，當(dāng)年新增運營線路1 237.1 km，新發(fā)展機遇也帶來新挑戰(zhàn)。高峰時段站內(nèi)各通行設(shè)施處(樓扶梯、閘機、通道等)客流密度迅速增加，極易發(fā)生乘客擁堵、踩踏等事故[1]。對軌道車站客流疏散方案進行優(yōu)化、科學(xué)疏散誘導(dǎo)，從而得到最小化疏散時間已成為疏散仿真研究中亟需解決的難題，引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。在模型與仿真技術(shù)方面：Gipps[2]最早建立一種簡單的行人最短路徑選擇模型；隨后，Nagel等[3]提出元胞自動機模型(CA)；Helbing等[4]研究行人交通流特性，提出社會力模型(SFM)。隨著計算機技術(shù)發(fā)展，基于以上模型開發(fā)的仿真軟件被學(xué)者廣泛用于建筑物內(nèi)人員疏散問題研究：陳利紅[5]通過基于社會力模型驅(qū)動的Anylogic構(gòu)建地鐵站大客流換乘仿真模型，分析尋找疏散瓶頸，提出客流疏散優(yōu)化方案；Bohari[6]基于SimWalk仿真，提出緊急情況下車站建筑內(nèi)行人最短疏散路徑；隨后Bohari等[7]在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用仿真軟件對實際站內(nèi)乘客行為數(shù)據(jù)進行疏散效果評估；Feng等[8]利用Anylogic完成建筑和行人行為建模，模擬行人疏散過程并提出優(yōu)化方案；Avdeeva等[9]同樣基于AnyLogic模擬建筑內(nèi)人員疏散過程，得到出入口人流強度對疏散時間存在的影響；康元磊等[10]應(yīng)用MassMotion進行客流疏散仿真建模，分析車站內(nèi)設(shè)施、擁擠度和出口選擇方式對疏散效率的影響。隨著軌道交通迅速發(fā)展，緊急事件中站內(nèi)客流疏散方案也成為研究熱點：Frank等[11]研究室內(nèi)構(gòu)筑物與其附屬設(shè)施對疏散效率的影響；Lei 等[12]通過對樞紐站進行客流疏散仿真，發(fā)現(xiàn)客流疏散時間與客流密度間的關(guān)系；侯正波等[13]分析緊急情況時上下行扶梯運行情況的合理性；劉杰[14]分析車站內(nèi)不同層間和同層間不同基礎(chǔ)設(shè)施的水平疏散效率；穆娜娜等[15]研究站臺層扶樓梯處導(dǎo)流桿長度對乘客通過性的影響；李慧[16]通過增設(shè)指示標志增強基礎(chǔ)設(shè)施的疏散通過能力；熊國強等[17]對西安地鐵青龍寺站進行疏散仿真，認為乘客快速掌握出口信息是解決疏散瓶頸的關(guān)鍵；胥旋[18]研究站臺層車門開啟方式對乘客疏散的影響；郁奇濤等[19]指出地鐵站內(nèi)附屬設(shè)施也是客流疏散效率的潛在影響因素；Huang等[20]提出疏散中語音警報設(shè)備布置和設(shè)計的有效方案。

綜上，現(xiàn)有研究大多利用仿真軟件內(nèi)部建模功能搭建仿真場景，很少基于三維設(shè)計軟件進行獨立建模，且主要分析站內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施和附屬設(shè)施布局與物理尺寸對客流疏散效果的影響。針對現(xiàn)有研究的不足，文中同時考慮三維建模精細程度和客流流線干擾策略對疏散效率的影響，通過觀察疏散過程中客流流線情況尋找疏散瓶頸，提出優(yōu)化方案并驗證其有效性和可行性，為緊急情況下軌道車站客流的組織方式提供依據(jù)。

1 疏散效率影響因素分析

1.1 環(huán)境因素

車站建筑結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)設(shè)施布置方式等會對乘客疏散效率產(chǎn)生直接影響，該類因素即為環(huán)境因素,如出入口、檢票閘機、樓扶梯、疏散通道等均會影響站內(nèi)疏散效率[21]。相關(guān)實驗表明，直線型出入口疏散效率高于“L”型和“T”型出入口，當(dāng)疏散通道寬度足夠大時，應(yīng)盡量采用直線型出入口[22]。門扉式檢票閘機的通過能力較好，在緊急情況下為避免檢票閘機處排隊擁堵，所有閘機應(yīng)為持續(xù)開放狀態(tài)，以提高疏散效率。自動扶梯可為乘客提供大面積的疏散渠道，但隨著乘客群體恐慌程度的上升，使用自動扶梯的危險性也在上升，因此，自動扶梯上更容易發(fā)生踩踏事故。疏散通道尺寸設(shè)計的合理性和協(xié)調(diào)性要達到減少疏散時間目的，通道寬度設(shè)計應(yīng)滿足緊急事件下客流應(yīng)急疏散要求，環(huán)境單一且步行條件較好是其設(shè)計的基本要求。

1.2 心理因素

除環(huán)境因素外，乘客心理也會對疏散路徑選擇和疏散效率產(chǎn)生影響。正常情況下，密集的乘客群體具有共同的方向性并遵循一定規(guī)律。如在通勤高峰時段內(nèi)，站內(nèi)乘客均以尋找合適的乘車點和出入口為目的，并在一定約束下形成良性流動方式，但在緊急情況下，一旦群體中的個體變得恐慌焦慮，整個群體將會處于混亂狀態(tài)?，F(xiàn)有研究中，恐慌、焦慮、沖動、從眾等心理多被用作分析疏散效率影響因素的切入點[23]。但實際上直接影響疏散成功率的心理因素還有以下方面：

1)高密度的乘客群體易受環(huán)境刺激，難以主動克服疏散瓶頸障礙，而低密度的分散乘客能夠抑制情緒沖動，從而提高疏散成功率；

2)密集的乘客群體易受個體情緒影響，緊急情況下偶爾會有乘客顧忌個人利益選擇違背秩序。因此，車站客流密度越大，心理因素帶來的負面影響越會具有危害性。

2 客流組織分析

軌道車站內(nèi)乘客帶有目的性的移動會產(chǎn)生一定的流動過程和流動路線，這種軌跡稱為客流流線。流線設(shè)計是否合理，不僅影響客流集散效率，也直接關(guān)系到車站的服務(wù)質(zhì)量和水平。

圖1給出了理想狀態(tài)下的客流流線，但實際上乘客都具有各自的行動軌跡，從而形成復(fù)雜的流線，而客流流線往往會出現(xiàn)沖突情況，從而降低車站內(nèi)疏散效率?？土髁骶€沖突分為流線匯合、流線交叉和多流線交織3種情況，如圖2所示。流線沖突程度越復(fù)雜，說明客流混亂程度越大。

圖1 軌道車站客流流線

圖2 流線沖突

為避免平峰時段站內(nèi)服務(wù)設(shè)施閑置，有效緩解高峰時段和突發(fā)情況下的客流疏散壓力，目前軌道車站一般采用平峰時段關(guān)閉多余檢票閘機口和疏散通道，高峰時段和突發(fā)情況下開放所有檢票閘機口，并根據(jù)需要開放疏散通道。

3 應(yīng)急疏散仿真

隨著行人仿真領(lǐng)域的快速發(fā)展，Anylogic、Pathfinder等多款仿真軟件在行人疏散仿真中得到廣泛運用。Anylogic基于社會力模型的離散與混合系統(tǒng)進行建模和仿真，搭建過程復(fù)雜[24]。Pathfinder可根據(jù)現(xiàn)實建筑創(chuàng)建模型，并為模擬人員設(shè)置獨立參數(shù)，模擬結(jié)果能夠三維可視化，但軟件內(nèi)部建模精度較低[25]。而以社會力模型驅(qū)動、以路線成本法進行最短路徑選擇的MassMotion能根據(jù)仿真環(huán)境動態(tài)計算路線成本，從而實現(xiàn)最優(yōu)路徑實時更新，并兼容SketchUp三維建模軟件導(dǎo)出的文件格式，因此，該軟件在行人規(guī)劃和疏散建模上具有優(yōu)勢[26]。文中借助SketchUp搭建高精度仿真模型，其后導(dǎo)入MassMotion進行仿真模擬，針對客流流線沖突情況提出優(yōu)化方案并驗證其可行性。

3.1 仿真模型建立

參照青島地鐵13號線董家口火車站地鐵站，通過SketchUp搭建仿真實驗場景。該地鐵站為側(cè)式高架站，地上一層為站廳層，圖3給出了站廳層布局情況。站廳主體長75 m，寬24 m；自動檢票口14個，出入站兩側(cè)各設(shè)置7個(每側(cè)均有2個暫停使用)，寬0.55 m；無障礙通道2個(兩側(cè)各設(shè)置1個)，寬1 m；乘車通道2個，共兩座上下行自動扶梯，寬2.8 m，單個梯級寬1 m；站廳兩側(cè)各有一個雙向通行樓梯，寬2.4 m；應(yīng)急通道1個，設(shè)置在站廳一側(cè)。

地上二層為站臺層：側(cè)式站臺主體長75 m，單側(cè)寬6.4 m；站臺最窄處寬3.4 m；主體兩側(cè)均有一處上下行自動扶梯，寬2.8 m，單個梯級寬1 m。站臺層至站廳層主要通過每側(cè)的自動扶梯與樓梯進行轉(zhuǎn)換，升降電梯作為輔助轉(zhuǎn)換設(shè)施。站臺層布局情況如圖4所示。

圖3 站廳層平面

圖4 站臺層平面

將如圖5所示的車站模型導(dǎo)入MassMotion中，并將模型中各個獨立物件分別轉(zhuǎn)換為樓面、出入口、連接處、通道、障礙物等，完成仿真軟件可用的高精度模型創(chuàng)建。由于側(cè)式站臺能有效緩解客流流線沖突，站臺層疏散能力本身具有一定的優(yōu)勢，因此重點分析對象為設(shè)施布局較為復(fù)雜的站廳層。

圖5 車站模型

3.2 突發(fā)情況下仿真參數(shù)設(shè)定

3.2.1 人物屬性參數(shù)設(shè)定

根據(jù)文獻[21]所述，站內(nèi)高峰時段和緊急情況下乘客走行速度維持在0.80～1.78 m·s-1之間，總體步速在均值1.25 m·s-1上下浮動，且遵循標準差為0.17的正態(tài)分布，據(jù)此對人物進行速度設(shè)置。

3.2.2 疏散參數(shù)設(shè)定

仿真車型設(shè)定為B型4編組車，列車滿載量為950人。考慮到該車站運營現(xiàn)狀，設(shè)定到站乘客數(shù)和候車乘客數(shù)均為475人，車門開關(guān)間隔為20 s。在到站的一側(cè)站臺，將在20 s內(nèi)生成475個個體；在候車的一側(cè)站臺，共有475個個體正在等待。在疏散開始時，乘客有一定的等待時間，移動前等待時間符合均值為45 s、標準差為0.15的正態(tài)分布，等待方式為分散。仿真模擬中均選擇以到達目的地時成本最低為疏散分配方式。

3.2.3 出入口設(shè)定

該仿真模型中的入口設(shè)置為產(chǎn)生乘客的輸出點，出口設(shè)置為乘客消失點。由于該列車為B型4編組車，所以站臺層列車到站一側(cè)設(shè)16個乘客輸出點，共產(chǎn)生475個個體?？紤]到乘客就近候車心理，在候車一側(cè)站臺的自動扶梯和樓梯口附近分別設(shè)置一個乘客產(chǎn)生點，乘客圍繞該點堆積并向周圍站臺擴散。出口有2個，分別為站廳層出入口和應(yīng)急通道。

3.3 仿真模擬

3.3.1 原有方案仿真模擬

緊急情況下進站閘機均作為出站閘機使用，可供疏散的閘機口共14處，2處無障礙通道開啟，單側(cè)應(yīng)急通道開啟，安檢區(qū)域部分隔離欄撤離，如圖6所示。仿真過程中，到站乘客與候車乘客均需通過自動扶梯和樓梯疏散至站廳層，用時3.35 min；而乘客從站廳層全部疏散至戶外時才算完成疏散任務(wù)，至疏散任務(wù)完成共用時7.62 min。

圖6 原有方案設(shè)施布局

3.3.2 優(yōu)化方案仿真模擬

根據(jù)原有疏散方案的仿真結(jié)果，制作客流流線圖，觀察圖7(a)可發(fā)現(xiàn)疏散瓶頸所在位置和利用率較低的疏散設(shè)施。當(dāng)站臺兩側(cè)乘客下至站廳層時，候車乘客更傾向于以下3種選擇：正對出入口的中間閘機；率先出現(xiàn)在視線內(nèi)的單側(cè)應(yīng)急通道(圖7(a)中矩形標注處)；靠近安檢區(qū)域和樓梯口的閘機和無障礙通道(圖7(a)中圓形標注處)進行疏散。而到站乘客會就近選擇應(yīng)急通道，也會選擇中間部分或靠樓梯最近的閘機及無障礙通道進行疏散。

圖7 不同疏散方案客流流線對比

1)優(yōu)化方案一。 通過觀察客流流線，發(fā)現(xiàn)在原有方案下中間部分的閘機通道和單側(cè)應(yīng)急通道均發(fā)生了嚴重的流線沖突，而部分閘機通道未得到利用。因此，可針對客流流線沖突情況對原有疏散方案進行優(yōu)化。

優(yōu)化策略：在站廳層乘客集聚區(qū)域增設(shè)隔離欄，對客流流線產(chǎn)生干擾，從而使沖突的流線進行重組。由于應(yīng)急通道處最具有吸引力，流線沖突最為嚴重，因此考慮在此增設(shè)隔離欄作為干擾物，如圖8所示。隔離欄的增設(shè)一方面用于干擾原有客流流線，另一方面用于疏導(dǎo)乘客，使其有序疏散至戶外。在該優(yōu)化策略下，不同于原有方案仿真結(jié)果的是至疏散任務(wù)全部完成共用時5.63 min。此時觀察如圖7(b)所示的客流流線，發(fā)現(xiàn)候車乘客對通道的選擇分布大致處于均衡水平。比起原有方案，到站乘客會更多地選擇中間部分閘機通道和靠近安檢區(qū)域的閘機通道，緩解了單側(cè)應(yīng)急通道疏散負擔(dān)，減輕了客流流線沖突的嚴重程度。

圖8 應(yīng)急通道增設(shè)護欄

2)優(yōu)化方案二。 該優(yōu)化方案是在方案一的基礎(chǔ)上進行，優(yōu)化策略：另外增設(shè)隔離欄，可使到站乘客和候車乘客分開疏散，如圖9所示。在該優(yōu)化策略下疏散任務(wù)完成時間較方案一發(fā)生了變化，共用時5.70 min。

圖9 站廳增設(shè)隔離欄

此時再觀察圖7(c)所示的客流流線，發(fā)現(xiàn)候車乘客與到站乘客的客流流線互不干擾，有效防止了流線沖突造成的疏散瓶頸，但仍有部分通道未得到利用，且疏散時間比方案一略長。

3)優(yōu)化方案三。 該方案優(yōu)化策略：設(shè)置隔離欄阻斷樓扶梯乘客沖突，走自動扶梯的乘客僅以應(yīng)急通道為出口，走樓梯的乘客通過閘機，僅通過出入口疏散至戶外，如圖10所示。在該策略下完成疏散任務(wù)用時最少，共用時5.43 min。

圖10 隔離欄阻斷樓扶梯乘客沖突

在如圖7(d)所示的客流流線中，站廳層未出現(xiàn)流線沖突情況，但站臺層仍會出現(xiàn)一定程度的流線沖突，這是由于站臺樓梯或自動扶梯口擁堵，站臺中部的乘客根據(jù)環(huán)境對最優(yōu)疏散路徑進行實時決策。

3.4 仿真結(jié)果對比分析

3.4.1 尋路方法及理論計算

1)路徑成本法。 MassMotion基于路線成本法選擇行人最短走行路徑。仿真過程中行人考慮起點到出口的距離、地形、站內(nèi)設(shè)施布局等因素，動態(tài)計算路徑成本，對最優(yōu)路徑進行實時決策。路徑成本函數(shù)如式(1)所示。

(1)

式中：C為總行程時間；WD為DF的距離權(quán)重；DF為行人產(chǎn)生位置到目標位置的距離；V為行人預(yù)期走行速度均值；WQ為列隊權(quán)重；TQ為到達目標位置之前隊列中預(yù)期消耗時間；WG為幾何組件遍歷權(quán)重；CG為幾何組件類型成本。

結(jié)合路徑成本法中考慮的因素，仿真模型中行人路徑選擇流程如圖11所示，該圖描述了行人由出發(fā)點到兩個出口的路徑選擇過程，出口分別由n和n+1表示。

圖11 行人路徑選擇流程

2)安全疏散理論公式。 根據(jù)《地鐵安全疏散規(guī)范》(GB/T 33668-2017) 第5.7和5.8條規(guī)定：站臺層事故疏散時間應(yīng)滿足在6 min內(nèi)將乘客全部撤離至站廳層的要求；站廳層事故疏散也應(yīng)保證在6 min之內(nèi)全部完成。站臺層和站廳層安全疏散時間分別按式(2)～(3)計算。

TS=TS1+TS2+TS3+TS4+TS5<6 min

(2)

TC=TS+TC1+TC2+TC3<6 min

(3)

式中：TS1為探測報警時間及人員預(yù)動作時間之和；TS2為乘客疏散至樓扶梯入口時間；TS3為乘客通過樓扶梯時間；TS4為樓扶梯上乘客平均滯留時間；TS5為通道非均勻性偏差時間；TC1為站廳層乘客行走時間；TC2為乘客通過閘機時間；TC3為乘客通過安全出口(出入口與應(yīng)急通道口)時間。

根據(jù)《地鐵安全疏散規(guī)范》中提供的公式，計算得到如表1～2所示的各變量結(jié)果。站臺層安全疏散時間TS和站廳層安全疏散時間TC分別為3.21 min和5.82 min。

表1 站臺層安全疏散時間理論計算 min

表2 站廳層安全疏散時間理論計算 min

3.4.2 對比分析

對比原有方案和優(yōu)化方案下的應(yīng)急疏散仿真結(jié)果。圖12給出了不同疏散方案下未疏散乘客數(shù)隨疏散時間的變化情況。原有方案下乘客從站臺層疏散至站廳層用時3.35 min，至疏散任務(wù)全部完成共用時7.62 min。在以設(shè)定相同計劃疏散乘客數(shù)量為前提的3種優(yōu)化方案下，疏散任務(wù)全部完成用時分別為5.63 min、5.70 min和5.43 min，優(yōu)化率分別為26.12%、25.20%和28.74%。且由已知條件，根據(jù)理論公式計算得到疏散時間為5.82 min。

仿真結(jié)果與計算結(jié)果表明，《地鐵安全疏散規(guī)范》理論計算時間和3種優(yōu)化方案模擬時間均小于6 min，且結(jié)果較為一致，滿足國家標準規(guī)定。由于《地鐵安全疏散規(guī)范》考慮了乘客心理、車站環(huán)境、通道非均勻性偏差時間等多種疏散影響因素，計算得到所需疏散時間較長。通過對比發(fā)現(xiàn)，雖然方案二防止了客流流線沖突，但在優(yōu)化率和經(jīng)濟成本方面不如方案一和方案三。在方案一中，在開放所有通道的基礎(chǔ)上，在單側(cè)應(yīng)急通道處增設(shè)護欄進行客流疏導(dǎo)，雖然該措施對車站內(nèi)環(huán)境影響較小且減輕了客流流線沖突程度，但除應(yīng)急通道處其他區(qū)域客流混行程度有所上升。在方案三中，樓扶梯乘客分類疏散，有效防止了客流流線沖突，不僅避免了乘客混行情況下存在的安全隱患，其優(yōu)化率也達到最高的28.74%。綜上所述，選取優(yōu)化方案三作為最優(yōu)方案。對比結(jié)果如表3所示。

圖12 不同疏散方案下車站內(nèi)乘客疏散情況

表3 疏散結(jié)果統(tǒng)計

4 結(jié) 論

文中考慮以流線干擾策略對原有疏散方案進行優(yōu)化，最后通過對比分析優(yōu)化前后的疏散結(jié)果及理論計算值，驗證優(yōu)化方案的可行性和有效性。有待進一步解決的問題有以下幾點：

1)疏散過程中檢票閘機未得到充分利用，未來研究可針對閑置通道對疏散方案進行優(yōu)化；

2)仿真中行人路徑選擇主要是基于對道路連通性和暢通性的判斷，為進一步還原乘客的實時決策行為，可通過編寫計算機程序?qū)Ψ抡嫫脚_進行二次開發(fā)；

3)基于啟發(fā)式算法求解優(yōu)化路徑，能更好地體現(xiàn)優(yōu)化方案的有效性和可行性，具有進一步的研究價值。