美國動車組車門通過能力與停站時間研究

王 姣 劉雅萍南車青島四方機車車輛股份有限公司技術中心 山東青島 266111

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美國動車組車門通過能力與停站時間研究

王 姣 劉雅萍
南車青島四方機車車輛股份有限公司技術中心 山東青島 266111

【文章摘要】

動車組的車門通過能力和停站時間，不僅關系到列車的運營效率，而且關系到運載乘客的人身安全。本文利用Pathfinder仿真軟件，依據美國Amtrak動車組為基本模型，合理構建參數，根據該模型進行仿真分析，并對模型進行了深入改進。通過對美國Amtrak動車組車輛的人員疏散能力分析，最終確定該型動車組車門的通過能力，并對停站時間給出了相應的建議。

【關鍵詞】

Pathfinder；建模；停站時間

隨著軌道交通技術的迅猛發展，軌道交通的管理水平需持續提升。研究合理的車門通過能力和停站時間，可以有效提高運營能力，并能夠使列車運營在乘載更多客運量的前提下做到準時、快捷。本文利用Pathfinder仿真軟件對列車的車門通過能力進行仿真測試，在乘客攜帶行李上車和下車的高峰時段，對不同客流量提出不同停站時間的建議，從而證明動車組的設計滿足正常運行停留時間的要求。

1 模型的建立

Pathfinder仿真軟件簡介：

該軟件是由美國公司研發的一款簡單、直觀、易用的新型的智能人員緊急疏散逃生評估系統。它利用計算機圖形仿真和游戲角色領域的技術，對多個群體中的每個個體運動都進行圖形化的虛擬演練，從而可以準確確定每個個體在災難發生時最佳逃生路徑和逃生時間。Pathfinder特點介紹 ：

1. 內部快速建模與DXF, FDS等格式的圖形文件的導入建模相結合；

2. 三維動畫視覺效果展示災難發生時的場景；

3. 構筑物區域分解功能，同時展示各個區域的人員逃生路徑；

4. 準確確定每個個體在災難發生時最佳逃生路徑和逃生時間。

圖1　列車模型

根據圖1所示的模型，本文運用Pathfinder軟件對美國Amtrak動車組進行1:1的建模，對男女乘客、攜帶行李的乘客、殘疾人分別進行參數的設置，設定門開啟關閉時間均為10s，通過仿真得出1分鐘，1.5分鐘和2分鐘各車門可以通過的乘客數量與百分比，并通過仿真結果對不同客流量下的停站時間做出建議。列車模型根據美國Amtrak動車組編組建立。座椅與過道均按照實際尺寸建立，車門寬度為900mm。圖1為本次研究所建立的1號、2號車輛模型，其中綠色區域為可行走區域，也就是車上人員可以活動的區域，與實際車內情況一致。

注：美國Amtrak動車組為8編組列車，1號、8號車輛為一等車，5號車輛為餐車，其他車輛為二等車。

2 參數設置

2.1乘客數量與比例

首先需要在所建立車輛模型內添加乘客，乘客均設置在座椅上，按照實際情況，每個車輛添加了10%的超員乘客，并讓50%的乘客攜帶行李，每節車還包括一名殘疾人。乘客按照數量的規定在每個車輛內隨機分布在座位上，二等車輛與餐車加設了10%的站立乘客，滿足規定的要求。假設男女比例相同，那么一等、二等車輛需要添加的乘客數量如下表所示：

表1　模型中各車輛添加的人員數

2.2乘客肩寬

在軟件中主要是通過設置肩寬來確定乘客所占用的空間大小，并通過以肩寬為直徑的圓柱來表示乘客的占用空間。其中，為了區別乘客有無行李，將攜帶行李的乘客的肩寬設定比不帶行李的乘客大，從而反映攜帶行李造成的影響，而殘疾人設定統一的400mm作為肩寬。對于男性攜帶行李的乘客，肩寬平均值相比不攜帶行李的只增加了20mm，這是由于模型中座椅的大小限制了可設置的最大肩寬。攜帶行李所造成的影響還將從行走速度，加速時間，舒適距離這一系列參數的設置表現出來，從而讓仿真結果更接近實際情況。具體乘客肩寬設置見下表2。

表2　模型中乘客肩寬設定值

2.3其他參數設定

由于車輛內的空間相對狹小，所以在設計速度的時候考慮速度低于乘客在地面的正常行走速度。其中，男乘客的速度高于女乘客，未攜帶行李乘客的速度高于攜帶行李的旅客的速度，并且未攜帶行李的旅客達到最大加速的所需的時間也更多，舒適距離也與攜帶行李與否有關，具體參數設置見表3。

表3　模型中乘客速度，加速度，舒適距離參數的設定值

車輛的具體人員分配和相應的出口設置見下圖2。

圖2　車輛整體分布及出口圖

3 仿真結果

3.160s內通過乘客數量

規定車門保持打開的時間為計時開始的第10s-第50s（假設開門關門的時間均為10s）。

注：車門的開門時間包括門扇的打開時間和輪椅渡板的伸出、展開時間。

下圖為2號車輛不同時間點車門通過情況：

圖3　2號車輛不同時間點車門通過仿真圖

第50s時車門開始關閉，1分鐘通過人數為計時第50s時通過的乘客數量，如下表：

表4　計時第50s時間內通過車門的人數

圖4　2號車輛不同時間點車門通過情況

3.290s內通過乘客數量

規定車門保持打開的時間為計時開始的第10s～第80s（假設開門關門的時間均為10s）。

第80s時車門開始關閉，1.5分鐘通過人數為計時第80s時通過的乘客數量，如下表：

表5　計時第80s時間內通過車門的人數

5節2等車輛在計時開始后80s內下車人數不等，平均下車60人，占車內全部人數的78.9%。

3.3120s內乘客通過數量

規定車門保持打開的時間為計時開始的第10s-第110s。圖5為2號車輛不同時間點車門通過情況：

圖5　2號車輛不同時間點車門通過情況

具體到各個車輛乘客全部通過車門所耗費的時間見表6，所耗費的平均時間見表7。

表6　全部通過車門所需時間

表7　全部通過車門所用的平均時間

由于關門需要10s的時間，以上時間加上10s后都小于2分鐘，所以2分鐘內一列車的乘客（包括攜帶行李，10%超員與殘疾人）可以從每個車輛打開的一個車門全部下車到站臺上。

4 模型的改進

在上面的模型中，對列車整體進行了研究，下面對模型進行適當改進。為了研究車門的最終通過能力，從上文已知2號車輛全部乘客下車所耗時間最多。所以本部分單獨對2號車輛進行研究，針對美國列車的下車人數確定模型。表8給出了針對2號車輛的下車人數與下車時間的關系。此處，在進行的仿真中，依然采用男女比例1:1，有行李與無行李比例1:1，并且仍舊有一名殘疾人士。

表8　2號車輛下車人數與下車時間

根據相關文獻《關于地鐵換乘站行人流特性和疏散時間模型研究》，針對行人流下車時間所建立的模型，可以知道在車門寬度確定的情況下，指定車輛的下車人數與下車所耗費的時間并不是簡單的線性關系，而是滿足

為了最終確定關系函數，利用表8數據并根據式（1）對原始冪函數進行擬合，于是得到了圖6所示的擬合曲線。

圖6　下車人數與時間擬合曲線

利用MATLAB2009a軟件的函數擬合工具箱最終確定了擬合后的函數如下：

從圖6中可知曲線的擬合程度很高，由圖6曲線可以求得曲線的相關擬合系數：

5 結論

1）一等車輛，餐車通過人數分析

在仿真結果中，一等車輛（1號車輛，8號車輛）與餐車（5號車輛）都在1分鐘的時間里完成了所有乘客的下車。要得出停站的參考時間，則應對乘客更多的二等車輛進行通過人數分析。

2）二等車輛通過人數分析

對1分鐘，1.5分鐘，2分鐘時車上乘客通過車門的人數與百分比進行匯總，其中二等車人數76人包括50%攜帶行李的乘客與10%的超員情況。軟件中主要研究的是車上乘客下車的情況，如考慮上車的乘客，則上表的通過人數應為實際下車與上車人數之和。即為不同時間下車門的通過能力（人數）。具體情況如下表9所示：

表9　不同時間車上乘客通過車門的人數與百分比

3）不同客流量停站時間的建議

為說明方便，將二等車輛50%攜帶行李的乘客與10%的超員條件下的總人數稱為M人。從仿真結果可以看出，在2分鐘的停站時間下，每節車輛的一個車門可以通過100%M人；在1.5分鐘的停站時間下，每節車輛的一個車門可以通過78%M人；在1分鐘的停站時間下，每節車輛的一個車門可以通過44%M人。其中客流量為單節車輛的下車人數與此節車輛上車人數之和，M為二等車輛在50%乘客攜帶行李與10%的超員條件下的總人數，這里為76人。這里建議的停站時間是在每輛車開一個車門的條件下得出的。對于客流量超過180%M的情況，停站時間需根據進一步仿真計算得出結論。

由仿真結果得出不同客流量下合適的停站時間，以保證乘客的下車和上車都能在停站時間之內完成。如下表10所示：

表10　不同客流量建議的停站時間

【參考文獻】

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