基于VISSIM的城市軌道車站緊急疏散仿真

劉文婷，徐乃云

（CCDI悉地（蘇州）勘察設(shè)計(jì)顧問有限公司，江蘇蘇州215125）

基于VISSIM的城市軌道車站緊急疏散仿真

劉文婷，徐乃云

（CCDI悉地（蘇州）勘察設(shè)計(jì)顧問有限公司，江蘇蘇州215125）

城市軌道車站是一個(gè)相對(duì)密閉的空間，人流密度大，發(fā)生緊急事件時(shí)安全疏散難度大，在車站安全設(shè)計(jì)達(dá)標(biāo)的前提下，還需配合完善的應(yīng)急預(yù)案，合理的疏散組織與引導(dǎo)。目前城市軌道車站的安全設(shè)計(jì)以靜態(tài)計(jì)算的總的疏散時(shí)間作為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，難以評(píng)估人流在車站空間中的分布及實(shí)際的疏散效果。介紹利用行人仿真工具評(píng)估車站的疏散設(shè)計(jì)，根據(jù)行人在車站空間分布提出行人設(shè)施及疏散組織的優(yōu)化建議，并以蘇州軌道二號(hào)線徐圖港站為例對(duì)仿真方法進(jìn)行說明。行人在車站空間中實(shí)際運(yùn)行效果表明，相關(guān)優(yōu)化方案和建議是可行的。

城市軌道交通車站；緊急疏散；行人仿真

0　引言

人員密集往往是突發(fā)事件發(fā)生的根源，當(dāng)場所內(nèi)人員密度達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)就容易產(chǎn)生安全隱患。城市軌道交通車站人流密度大、持續(xù)時(shí)間長，是一個(gè)安全事故易發(fā)的場所。我國現(xiàn)行地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范在車站安全疏散設(shè)計(jì)中，要求“6 min內(nèi)將列車乘客和站臺(tái)候車的乘客以及工作人員全部撤離站臺(tái)”，按照規(guī)范中給定的公式計(jì)算疏散時(shí)間，實(shí)際上只考慮了疏散樓梯及自動(dòng)扶梯的通行能力對(duì)疏散時(shí)間的影響，沒有考慮行人疏散速度對(duì)疏散時(shí)間的影響，也沒考慮檢票口、出入口、疏散通道通行能力的影響及車站疏散線路長短的區(qū)別。這與實(shí)際情況存在差別，這種靜態(tài)的安全疏散設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)難以衡量車站各空間的疏散結(jié)果。

行人仿真技術(shù)作為一種現(xiàn)代技術(shù)已越來越多地應(yīng)用在交通規(guī)劃、交通設(shè)施設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，如2008年北京奧運(yùn)會(huì)國家體育館應(yīng)用LIGION行人仿真軟件模擬緊急疏散的情況，為場館的安全設(shè)計(jì)提供改善建議；VISSIM行人仿真軟件已應(yīng)用于大型商場、地鐵站的人員疏散模擬。地鐵站是一個(gè)相對(duì)密閉的空間，在設(shè)計(jì)階段利用仿真手段對(duì)車站緊急疏散時(shí)的行人運(yùn)行軌跡進(jìn)行模擬，以達(dá)到優(yōu)化車站瓶頸，提高車站設(shè)施的疏散能力的目的。

1　城市軌道車站行人仿真的方法

1.1行人交通特性

行人的運(yùn)動(dòng)特征很復(fù)雜，既受車站平面布局、出入口、通道等外部環(huán)境的影響，也與個(gè)人的年齡、性別、身體狀況及心理狀況等多重因素有關(guān)。個(gè)人運(yùn)動(dòng)的自主性較高，通常朝著自認(rèn)為的最短路徑行走，當(dāng)車站客流量過大，達(dá)到需要啟動(dòng)緊急疏散的級(jí)別時(shí)，行人的運(yùn)動(dòng)特征又受群體作用的影響，通常會(huì)朝著人流的運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng)。

大多數(shù)行人動(dòng)力學(xué)研究表明，可以運(yùn)用“流-密-速”理論來表征行人的運(yùn)動(dòng)特征，主要用速度與密度參數(shù)來對(duì)行人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.1.1行人速度

目前國內(nèi)外對(duì)行人速度的研究以實(shí)地采集視頻和照片等數(shù)據(jù)后分析得到［2，3］。

根據(jù)上海市2003年所做的行人步行特征實(shí)測結(jié)果，不同年齡段的行人自由移動(dòng)的速度是不同的，男女性別也是有差別的。通過大量實(shí)測數(shù)據(jù)分析，把乘客分為老年、中年、青年、兒童四類，各自在水平通道上的自由移動(dòng)速度分別取為1.09 m/s、1.23 m/s、1.25 m/s、1.0 m/s。

根據(jù)Dongkon Lee的論文中所做的大量研究表明，行人流流量、移動(dòng)速度與通道類型及人員密度有關(guān)，行人在水平通道中的運(yùn)行速度大于樓梯中的行走速度，行人在下行樓梯的運(yùn)動(dòng)速度也大于上行樓梯中的行走速度。乘客上下樓梯的自由速度可取為上樓梯0.4 m/s，下樓梯為0.5 m/s。

1.1.2行人密度

行人密度是指單位空間上的行人數(shù)量，是衡量行人在空間中的服務(wù)水平的重要指標(biāo)。Fruin認(rèn)為，當(dāng)人流密度在1.08人/m2以上時(shí)，行人服務(wù)水平為E、F級(jí)，屬于緊急疏散的范圍［6］；另外一些國內(nèi)外學(xué)者們對(duì)于人群擁擠時(shí)的阻塞密度的研究結(jié)論表明，當(dāng)密度低于0.5人/m2時(shí)，為不受阻礙的自由流，當(dāng)密度在4.0～5.5人/m2時(shí)，為阻塞流［7-9］。

1.2VISSIM行人仿真軟件及參數(shù)標(biāo)定

在VISSIM行人仿真中主要建立在社會(huì)力模型（Helbing和Molnar，1995）之上［4，5］。社會(huì)力模型（Social Force Model）是目前為止最被認(rèn)可的行人動(dòng)力學(xué)模型。社會(huì)力模型的核心思想認(rèn)為，行人的運(yùn)動(dòng)受到來自環(huán)境及自身的目的性的影響，將這些影響用類似于力學(xué)的公式表達(dá)出來即形成社會(huì)力模型。社會(huì)力的概念并不是指物理上實(shí)際存在的力，而是以一種虛擬的方式代表行人的社會(huì)心理以及行人之間、行人和環(huán)境之間的相互作用。行人總是希望以一定的期望速度朝期望的方向運(yùn)動(dòng)，因此，行人在行走過程中都會(huì)期望能在較短的時(shí)間內(nèi)調(diào)整他當(dāng)前的實(shí)際速度到期望速度。行人與墻壁、其他行人的相互作用包括排斥和摩擦。距離越近，之間的相互作用力就越大。

ptv公司根據(jù)大量視頻行人軌跡跟蹤分析，來收集行人流在不同狀況下的速度、密度分布規(guī)律，從而校正參數(shù)。近年來在新加坡地鐵站采集了大量的行人流數(shù)據(jù)，用于標(biāo)定地鐵站內(nèi)行人運(yùn)動(dòng)特性的參數(shù)。

1.3行人仿真流程

利用仿真方法模擬行人在軌道車站內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，具體流程見圖1。 通過仿真模型分析，找出設(shè)施或交通組織方案中可能存在的問題，對(duì)服務(wù)水平和能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，并提出優(yōu)化方案直至滿足安全疏散設(shè)計(jì)要求。

圖1　行人仿真輔助設(shè)計(jì)流程圖

2　案例分析

2.1仿真場景簡介

本次模擬的車站選為蘇州軌道交通2號(hào)線徐圖港站。徐圖港站的車站為兩層式高架車站，站廳層為地上二層，站臺(tái)層為地上三層，站臺(tái)為側(cè)式站臺(tái)。圖2、圖3分別為徐圖港站的站臺(tái)與站廳的設(shè)施布局情況。

圖2　徐圖港站站臺(tái)

圖3　徐圖港站站廳

由于站臺(tái)為側(cè)式站臺(tái)，一列列車的乘客疏散只能利用站臺(tái)一側(cè)的兩個(gè)樓梯。根據(jù)車站平面布局，乘客疏散走行距離最短為122 m，最長為223 m。從站臺(tái)疏散至站廳的最短的走行路徑長為17 m（不包含樓梯長度），最長的走行路徑為98 m。車站為高架站臺(tái)，一旦發(fā)生緊急事故，行人從站廳層疏散至地面僅有2座樓扶梯可以使用。

2.2假設(shè)條件、模型輸入及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1假設(shè)條件

（1）仿真分析最不利的情況，即列車滿載到站后需將列車內(nèi)的乘客、站廳、站臺(tái)候車乘客及工作人員全部疏散到地面。

（2）假設(shè)行人對(duì)地鐵站環(huán)境較熟悉，通過自己的判斷采取最短路徑進(jìn)行疏散，同時(shí)疏散時(shí)所有出口均為只出不進(jìn)，電梯均當(dāng)樓梯使用。

2.2.2模型輸入

（1）行人自由流速度參數(shù)：參數(shù)標(biāo)定時(shí)定義行人速度值的范圍和不同速度組成的百分比，運(yùn)用蘇州地鐵站通道內(nèi)及上下樓梯的速度分布實(shí)測數(shù)據(jù)。

（2）地鐵站疏散人數(shù)：按目前該站地鐵列車5 節(jié)b型車編組，列車滿載時(shí)1 500人，加上站臺(tái)候車人員和工作人員，站廳、過道乘客和工作人員共248人，總疏散人數(shù)設(shè)置為1 748人。

（3）通過閘機(jī)的時(shí)間：根據(jù)實(shí)測，閘機(jī)的通過時(shí)間為2 s，緊急模式時(shí)通過時(shí)間為1.5 s。

2.2.3評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

（1）疏散時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)：車站的總疏散時(shí)間應(yīng)滿足“把乘客從站臺(tái)最遠(yuǎn)處疏散至站廳的時(shí)間在4 min以內(nèi)，疏散至車站外安全地點(diǎn)的時(shí)間在6 min以內(nèi)”。

（2）疏散密度標(biāo)準(zhǔn)：總結(jié)國內(nèi)外學(xué)者對(duì)各類設(shè)施人流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，同時(shí)結(jié)合我國人口眾多、對(duì)擁擠耐受力較高的現(xiàn)實(shí)考慮，提出行人疏散水平的分級(jí)密度指標(biāo)［1］（見表1）。

表1　行人各級(jí)疏散水平下的密度范圍　　人/m2

2.3仿真分析

2.3.1疏散時(shí)間分析

采取上述設(shè)置時(shí)，徐圖港站所有人員疏散至地面的疏散時(shí)間為6分35秒，站臺(tái)上所有人員清空的時(shí)間為2分39秒。總的疏散時(shí)間不滿足“6 min內(nèi)將站臺(tái)所有人員疏散至安全地帶”的要求。

2.3.2疏散瓶頸分析

站臺(tái)層乘客疏散的高密度區(qū)分布在辦公室處的通道以及樓梯口。辦公室處通道內(nèi)密度高達(dá)3.59～5.23人/m2，樓梯口密度分布在5.53～6.41人/m2。圖4為站臺(tái)平均密度分布。

圖4　站臺(tái)平均密度分布

站廳層疏散的高密度區(qū)為出站閘機(jī)（驗(yàn)票區(qū)），其人流密度在［6.31，7.15］區(qū)間，已經(jīng)形成嚴(yán)重?fù)頂D狀態(tài)，擁擠范圍較大，一直延伸到1號(hào)樓梯與柱子區(qū)域。同時(shí)由于疏散1、2號(hào)樓梯兩股疏散客流匯集于1號(hào)樓梯與柱子區(qū)域，此處發(fā)生嚴(yán)重?fù)頂D，此處密度在5.73人/m2左右。圖5為站廳平均密度分布。

圖5　站廳平均密度分布

2.3.3改善措施分析

空間瓶頸的改善可采取疏散引導(dǎo)與控制的方法，在柱子及電梯井之間設(shè)置隔離欄，引導(dǎo)乘客使用路徑3進(jìn)行疏散，同時(shí)將進(jìn)站閘機(jī)全部調(diào)整為出站閘機(jī)，此時(shí)乘客的疏散模擬得到以下結(jié)果：

（1）總疏散時(shí)間為5分53秒，比未改善時(shí)的疏散時(shí)間少42秒。

（2）瓶頸的改善。改善前，閘機(jī)周圍的空間密度范圍為6.31～7.15人/m2，為高危區(qū)；改善后，空間密度范圍為3.78～5.43人/m2，擁擠狀況得到了明顯改善。

（3）經(jīng)過疏散路徑引導(dǎo)之后，空間瓶頸區(qū)域的密度為4.11人/m2左右。

圖6為改善后站廳層密度分布。

圖6　改善后站廳層密度分布

（4）結(jié)論：緊急疏散時(shí)調(diào)整全部閘機(jī)為出站閘機(jī)同時(shí)引導(dǎo)人流疏散路徑能使車站的疏散能力大大提高。

3　結(jié)語

城市軌道車站人流密集，一旦發(fā)生緊急事件極易造成安全事故。利用行人仿真方法對(duì)車站空間布局進(jìn)行評(píng)估，找出空間瓶頸，并對(duì)疏散組織提出合理化建議，可以有效地減少疏散時(shí)間，降低突發(fā)事故的風(fēng)險(xiǎn)。

［1］劉文婷.城市軌道交通車站乘客乘客緊急疏散能力研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2008.

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U23

B

1009-7716（2016）07-0342-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.101

2016-03-16

劉文婷（1983-），女，湖北浠水人，碩士，工程師，從事交通規(guī)劃、道路設(shè)計(jì)工作。