地鐵車站人員疏散仿真研究與應用

賈崇強 孟亞東 郭華軍

地鐵車站人員疏散仿真研究與應用

賈崇強 孟亞東 郭華軍

摘 要：針對地鐵運營網絡化需求，對換乘車站設施設備進行分析，結合社會力模型，利用AnyLogic軟件對突發事件人員疏散進行建模仿真，計算高峰狀態下，行人疏散所需時間，查找各疏散通道仿真時間，并進行二次優化，尋求人員疏散最短時間，進一步提高地鐵運營企業突發事件應對的可控力。

關鍵詞：地鐵車站；行人疏散；仿真

賈崇強：天津職業技術師范大學汽車與交通學院，研究生，天津 300222

0　引言

地鐵以其運量大、運營空間獨立、乘客舒適度高、方便快捷等一系列優點，成為解決大都市交通擁堵的有效方式。

但地鐵運營空間封閉且狹小，通風條件差，一旦出現突發事件難以進行有效救援。部分城市實施車牌限號措施，致使地鐵客流量顯著激增；設備系統不穩定；大量新人上崗；網絡化運營管理經驗較缺乏；社會不穩定等因素給正常運營帶來嚴重威脅[1]。因此，突發事件下的人員疏散研究尤為必要。目前，各地鐵運營企業都以突發事件應急預案為基準，定期開展突發事件應對演練，基本滿足“以防為主、治救結合、綜合治理”的安全工作總方針。

1　建模需求

人員疏散建模仿真是通過計算機系統集成行人模型，運用系統動力學理論，模擬真實環境下的乘客行走路徑。現代仿真技術逐漸邁向模塊化、對象化、智能化，具有精度較高的特征。通過計算機虛擬仿真，結合地鐵運營企業應急演練，可以有效地檢驗應急預案及演練方案的可行性，同時對于出現人員疏散瓶頸的區域進行優化改進，進一步提高企業突發事件應對的可控力[2]。

1.1車站設施設備

與地鐵車站人員疏散相關的主要設施設備包括通道類設施及信息類設施。通道類設施包括：出入口、站臺、站廳、通道、樓梯、扶梯、閘機、防火門等；信息類設施包括：靜態運營服務標識、動態信息顯示標識等[3]。

1.2社會力模型

社會力(Social Force)的概念是由Helbing等人1951年提出的[4]，是以一種虛擬的方式代表行人的社會心理以及行人之間、行人和環境之間的相互作用。社會力模型是連續的微觀仿真模型，認為行人在運動過程中受到行人運動驅動力、行人運動排斥力和行人運動吸引力三者的影響。它把人視為橢圓體，相比其他模型精確度較高，參數有物理意義且可被測量，更真實地反應了行人交通特征。

2　人員疏散仿真建模

2.1建模軟件

AnyLogic是一款典型的集成社會力模型的仿真軟件，它支持幾乎所有現有離散事件和連續建模方法，能夠比較真實地反映突發事件時影響人員疏散的各種因素，比如環境、人員的心理和生理情況、人員間互相作用及各種安全設施對人員疏散的影響。由基礎仿真平臺和企業庫等組成，行人仿真主要依靠其行人庫實現[5]。

2.2仿真系統組成

仿真系統一般由資源網絡模塊、流程處理（邏輯）模塊、動畫模塊3部分組成。

資源網絡模塊主要用于模擬車站乘客集散過程中車站設備的利用情況，主要包括乘客疏散流程（圖1）。

流程處理模塊主要是為了模擬乘客集散的具體處理過程。車站集散流程對行人流與列車流進行模擬，行人流又包括進站流及出站流。根據資源網絡模塊對進出站乘客流程的分析在軟件中嵌入對象（圖2）。

動畫模塊則是為了直觀地反應客流在車站內移動的情況。該模塊結合資源網絡模塊實現車站乘客集散實際過程的直觀再現，運用AnyLogic的布局模塊構建動畫組，按照類型分別定義各個分區節點（包括通道、檢票閘門等）的位置以及行人流的路線。

圖1　乘客疏散流程圖

圖2　軟件行人疏散邏輯模塊圖

3　應急疏散仿真及分析

依據前述社會力模型和Anylogic軟件的分析，以天津地鐵營口道站為例，針對高峰時期發生的突發事件，建立客流疏散仿真模型并進行模擬，尋找疏散時的瓶頸及問題，進行優化并提出解決方案。

3.1仿真車站簡介

營口道站位于天津市和平區營口道與南京路交叉處，是地鐵1號線與3號線的換乘站。由位于道路南北兩側的出入口、地下站臺、地下站廳、地面集散廳、地面風亭和地面變電站所組成。站廳及1號線站臺位于地下1層，3號線站臺位于地下2層。1號線是側式站臺，站臺寬度5.5 m，并設有半高安全門。3號線是島式站臺，設有全高屏蔽門。該站共設6個出口，較好地滿足了人員疏散仿真的需求。上行雙林方向平面布局圖如圖3所示。

3.2仿真參數設置

參考GB50157-2013《地鐵設計規范》[6]及文獻[7～8]，設置仿真參數如下：通道行人速度為1.61 m/s、步行樓梯行人速度為0.65 m/s、自動扶梯行人速度為0.35 m/s，行人仿真投影服從[0.2,0.3]上的均勻分布。

天津地鐵1號線車輛為B型車，按照6節車廂編組，每節車廂可乘載245人。仿真假設為高峰極端狀況，設定列車共載客1 100人，站臺及通道滯留人數370人。

營口道站上行方向的疏散通道長度設置如下：通道1長18.8 m、通道2長37.6 m、通道3長50.2 m、通道4長69.2 m。

3.3仿真過程及結果分析

地鐵車站人員疏散仿真模型主要應用Anylogic軟件中的行人模塊，如行人產生模塊、行人走行模塊、行人終點模塊、設置模塊、行人服務模塊、行人選擇模塊等。

將現有的營口道站廳層平面圖導入Anylogic中，然后按照真實的分布對其進行修改，主要增加了圍墻、扶梯、自動售票機、人工售票臺、閘機等，再按照真實的客流順序連接好相應模塊，進行調試。

仿真假定在地鐵1號線上行方向營口道站發生突發事件（如暴力恐怖事件），如圖3所示，需要將該站該列車所有車廂乘客安全疏散至B、C口，其中C口分為C1、C2口。

3.3.1優化前仿真結果分析

運行仿真程序，結果顯示如表1所示。表1中通道1疏散人數245人，疏散時間最短，僅為99.2 s；通道2以及通道3疏散人數相當，都為490人，但通道3疏散時間為220.8 s，疏散時間較長；通道4疏散人數245人，疏散時間為208.2 s。人員疏散結束時間是由各通道疏散時間的最大值為條件的，因而人員仿真疏散時間為通道3的疏散時間220.8 s。

行人疏散仿真過程中，站臺行人主要通過各車廂車門前行至各疏散通道。列車6節車廂共有12個車門均勻分布在站臺，行人按照最短路徑前行至各疏散通道。通過仿真數據，可以直觀的得到通道1疏散時間最短，其余通道疏散時間相當。

圖3　營口道站上行雙林方向平面布局圖

表1　優化前各通道疏散行人數及時刻表

表2　優化后各通道疏散行人數及時刻表

圖4　優化前行人疏散仿真結果示意圖

3.3.2優化后仿真結果分析

根據以上仿真結果，優化方案主要針對通道2及通道3的疏散人群，具體措施為：通過站臺安全管理人員、站廳值班人員引導指示及廣播系統進行滾動語音播報等干預措施進行人群疏散二次分流。將站臺車門5、6即將通往通道2的部分疏散人群分流至通道1；將站臺車門7 ～12即將通往通道3的部分疏散人群分流至通道4，加快疏散人員時間。

再對優化方案進行仿真實驗，運行仿真程序，結果顯示如表2所示。

通過比較優化前與優化后的通道疏散行人數及時刻表（表1、表2）、疏散仿真結果示意圖（圖4、圖5），可以得到整體行人疏散時間降至178.2 s，比原方案減少42.6 s，極大提高了行人疏散時間。優化后各通道沒有太大的擁堵區域，疏散人員數量基本維持在350～390人之間，疏散時間大體相當，處于147.5 s至178.2 s之間，基本滿足突發事件條件下的人員疏散要求。合理的進行人工干預措施，加快疏散人員出站，減少疏散時間，減輕由行人選擇最短路徑的自發現象造成的擁堵。

圖5　優化后行人疏散仿真結果示意圖

4　結語

運用AnyLogic仿真軟件對地鐵站內突發事件進行行人疏散仿真，得出初始仿真運行時間，針對出現的空余通道進行優化再仿真，最終得到完全疏散行人流的最短時間，為地鐵運營安全部門提供客觀的決策數據支持，同時將該研究結果運用至地鐵運營突發事件應急預案演練實際中，將極大地減少實際演練中的較為被動的決策，為疏散行人提供了科學可靠的新的工作模式，具有省時省力、資源節約的特點。

參考文獻

[1] 郭華軍. 天津城軌網絡化運營安全管理思考與探索[J]. 科技創新與應用，2012(32)：65-66.

[2] 李得偉,周瑋騰. 城市軌道交通樞紐客流仿真輔助決策技術與實踐研究[J]. 鐵道標準設計，2012(12)：1-4.

[3] 解慧. 城市軌道交通車站疏散能力瓶頸識別及仿真研究[D]. 北京：北京交通大學，2012.

[4] Helbing D, Molnar P. Socia-l Force Model for Pedestri-an Dynamics[J]. Physical Re-view E，1995，51(5)：4282-4286.

[5] XJ Technologies. Anylogic pedestrian library tutorial[G]. Stetersburg，Russian Federation，2009.

[6] GB 50157―2013 地鐵設計規范[S]．北京：中國建筑工業出版社, 2013：50-55．

[7] 楊涵, 伍夢歡, 張含笑, 等. 地鐵換乘站不同設施區域乘客走行速度分析[J]. 交通運輸系統工程與信息，2011，11(增1)：140-145.

[8] 李洪旭,李海鷹,樊校,等. 基于Anylogic的地鐵車站集散能力仿真分析評估[J]. 鐵路計算機應用，2012，21(8)：48-50.

責任編輯 凌晨

Study and Application of Simulation of Personnel Evacuation in Metro Station

Jia Chongqiang, Meng Yadong, Guo Huajun

Abstract:Aiming at the metro operational network demand, the paper carries out the analysis on station facilities and equipment, using the social force model and the AnyLogic software to conduct emergency evacuation modeling simulation. The paper makes calculation of the peak state, pedestrian evacuation time required, the evacuation time simulation for all exits, and conducts second time optimization for the shortest evacuation time, and further improves the emergency response capacity of the metro operators.

Keywords:metro station, personnel evacuation, simulation

收稿日期2014-06-19

中圖分類號：U231.92