劉福華,趙懷民 ,鄧 瑞
(1.中鐵二院工程集團有限責任公司 交通與城市規劃設計研究所,四川 成都 610031;2.西南交通大學 交通運輸與物流學院,四川 成都 610031)
目前營,管我理國已大經型日鐵趨路完客善運,樞但紐仍的存規在劃設設施計應和急運能力與疏散客流不相適應、設施之間的應急疏散能力不匹配的現象,針對這些情況有關人員進行了一系列探索性研究。《建筑設計防火規范》對一般的普遍性問題進行了規定,給出了建筑出入口數量、安全疏散口、每部樓梯寬度等設施設計的一般要求。美國的《NFPA130》在軌道交通設計規范中,對站臺上人員的疏散時間及到達安全點的疏散時間進行了明確規定:應該有充足的出口容量在 4 min 或更短的時間內,將站臺上的人員疏散完畢。Greenwich大學開發的人流仿真軟件 Exodus,可以模擬得到疏散總時間、疏散速度和疏散瓶頸等指標,以評價建筑物的設計是否合乎規范的要求;F.Kaakai.et[1]運用了混雜 Petri 網建模方法。宋衛國等[2]應用社會力模型分析出入口條件及出口瓶頸寬度對人員疏散的影響,研究出口寬度、出口厚度等建筑結構特征及期望速度等人群特征與疏散時間之間的關系。趙光華等[3]利用 Legion 對北京五棵松地鐵站疏散能力進行了分析。國內外的研究主要集中在緊急疏散狀態下的行人行為分析和樞紐行人行為仿真方面的研究,針對樞紐設施、設備的匹配度研究主要是應用仿真方法對人員疏散及建筑設計要求進行了分析,而針對緊急狀態下樞紐設施、設備能力匹配度的研究較少。
匹配度是指事物之間所具有的一致性和擬合程度,對于樞紐內部設施應急能力的匹配度而言,包括樞紐內部各類設施之間的匹配程度、設施與整體的匹配程度、相鄰設施間的匹配程度、節點設施(如疏散樓梯口、安全出口、出租車乘降站等瓶頸點) 與匯合設施的匹配程度等。在大型客運樞紐中常見多個設施匯入單一設施的情況。其中,多個匯入的設施稱為匯合設施;該單一設施稱為節點設施。例如,多通道連接的一部樓梯,稱多通道為匯合設施,樓梯為節點設施。
在突發事件下,人員擁擠是大型鐵路客運樞紐最嚴重的安全隱患,其關鍵是各類設施及各個功能區是否能夠相互協調與匹配。樞紐內部設施的應急通行能力不能滿足應急疏散需求時,將導致大量人員滯留,甚至引發二次衍生擁擠踩踏事故。樞紐內部的銜接模式,站臺、通道、出入口和樓梯等的流線設計、寬度、布設方式不妥當,都將成為阻礙樞紐內人員安全疏散的最大制約因素,影響樞紐內部應急交通安全。
大型鐵路客運樞紐內部各類設施的應急能力若不能滿足突發事件的需求會影響人員的安全疏散。在緊急情況下人員受事故位置空間結構、事故狀態、群體行為、心理等因素影響移動速度與常態下的人員平均流量存在區別[4],相應的設施通行能力將會受到影響。應急能力與需求匹配度是指緊急情況下樞紐內部設施應急通行能力與應急需求之間的貼近程度。樞紐設施的應急能力可以用通道類設施單位時間的通行能力衡量,按以下公式計算:

式中:Ny為緊急狀態下的人員通過系數;By為設施的有效寬度。
緊急狀態下行人的自組織行為、從眾行為等群體行為明顯,并且疏散對象大部分是對建筑不熟悉的行人,故人員緊急狀態下的群體行動能力有別于正常狀態,根據《地鐵防火規范詳解》規定,緊急狀態下的群體行動能力為:疏散者的平均步行速度為 1.00 m/s,平均樓梯步行速度 0.50 m/s,樓梯流出系數為 1.3人/(m.s),水平流出系數為 1.5人/(m.s)。因此,應急能力與需求的匹配度 Py可以用下式進行測度:

式中:Qy為突發事件下的行人流量,用常態下各類設施的設計行人流量 Qc乘以相應的緊急狀態影響系數 (修正系數) α 計算,匹配度值越高說明設施的緊急疏散能力與應急需求的差異越大。
當各個匯合設施流出率的最大值之和小于節點設施的流出速度時,在該節點設施處不會出現滯留現象;當節點設施的應急通行能力不能滿足匯合設施的應急需求時將產生人員滯留現象。滯留人員過多,將給防火分區隔離等應急安全措施帶來影響,甚至造成擁擠踩踏等二次衍生事故。節點設施是疏散過程中的關鍵環節,故對節點設施的匹配度進行量度具有重要意義。節點是樞紐內部應急疏散流線的連接點和交叉點,其應急通行能力應與相應的銜接設施相互匹配,能夠在緊急情況下與樞紐設施系統協調匹配。節點設施 j 的匹配度 Pj可以用下式進行測度:

疏散流線匹配度主要包括單一疏散流線內各個設施之間的匹配程度和設計疏散流線之間的匹配度。緊急狀態下為保證人員安全,快速將所有人員疏散至安全場所是至關重要的,故可將疏散時間作為分析疏散流線匹配度的重要因素。由流線分析可知,疏散完成的總時間可用人員在各個設施的移動時間、滯留時間表示,用 ti表示疏散流線上 i 設施的移動時間,tiw表示單一疏散流線內部在 i 設施處的滯留時間,疏散過程中最長滯留時間為各個設施滯留時間最大值 Tmax,故該單一流線疏散完成時間 tr可表示為:

疏散流線內設施 i 的匹配度 Pi可以采用下式進行測度:

式中:Pi為樞紐設施 i 滯留時間與疏散流線內部各個設施滯留時間平均值的比值。該匹配度值越高說明該設施的應急能力與流線整體疏散能力的差異程度越大。
大型鐵路樞紐內部各疏散流線之間的匹配度用各條設計疏散流線 k (k=1,2,…,m) 上旅客疏散所需的疏散時間與總疏散時間平均值的比值表示,其中 m 為設計疏散流線的數量。Pk用公式表示為:

式中:Pk為樞紐各設計疏散流線之間的匹配度。該匹配度值越高說明設計疏散流線之間的應急能力與大型鐵路客運樞紐整體設施能力的差異程度越大。
基于大型鐵路客運樞紐設施的應急能力與需求匹配度、節點設施匹配度、疏散流線匹配度,建立樞紐設施應急能力匹配度優化模型,通過設施應急能力的量化處理,把匹配度問題歸結到目標優化問題上,同時引入漂移參數以解決系統的魯棒穩定性。匹配度優化模型的表達式為:

式中:F 表示目標函數;PY為樞紐應急能力與需求匹配度函數,由各類設施的應急需求匹配度值決定;PI為樞紐疏散流線的總體匹配度函數,由各流線的匹配度值決定;PJ為樞紐節點設施匹配度函數,由各個節點設施匹配度值決定;PK為樞紐內各條設計疏散流線之間的匹配度,由各條疏散流線間的匹配度值決定;ξ 表示漂移函數;TA表示安全疏散時間。
公式⑻表示各條流線的疏散須在安全疏散時間內完成,是基于安全時間的約束條件。
針對突發事件下樞紐的安全保障設施設計,可根據能力匹配度函數 F 的值對樞紐內部設施整體匹配度進行判別,并進行優化調整以達到整體設施的協調與匹配。設施的匹配度可以從兩個方面進行優化和改善:①減少設施所分配的客流數量及客流種類,調整應急疏散流線設計;②提高設施能力。前者的主要措施是改變客流組織策略,更改換乘流線,關閉或開啟部分出入口;針對通道等設施,為了減少多種客流交織對通道內行人通行的影響,通常會設置隔離帶。后者對于步行類設施,提高能力的主要方法是改變設施幾何參數,如拓寬通道、樓梯、站廳,增加站臺面積或增加扶梯數量;針對交通服務類設施及輔助服務類設施,則可以通過提高設施的數量來提高設施能力。
根據樞紐設施應急能力匹配度的概念給出了相應的測度方法,通過匹配度的分析與計算尋找樞紐內部不能滿足應急需求的設施及節點,通過計算應急疏散流線匹配度分析大型客運樞紐疏散流線的應急能力。在滿足疏散流線安全時間的要求下,優化應急能力匹配度、節點設施匹配度和疏散流線匹配度,使大型鐵路客運樞紐內部設施整體協調匹配。
[1]Kaakai F,Hayat S,Moudni.A.El. A hybrid petrinets-based simulation model for evaluating the design of railway transit station[J]. Simulation Modelling Practice and Theory,2007,15(8):935-969.
[2]宋衛國,于彥飛,陳 濤. 出口條件對人員疏散的影響及其分析[J]. 火災科學,2003,12(2):100-104.
[3]趙光華. 行人仿真在奧運地鐵站的應用研究[D]. 北京:北京工業大學,2007.
[4] 劉文婷. 城市軌道交通車站乘客緊急疏散能力研究[D]. 上海:同濟大學,2008.