城市軌道交通車站客流疏散方案

郭嫚

(西南交通大學 交通運輸與物流學院，四川 成都 610031)

城市軌道交通車站內部的客流緊急疏散是一個動態復雜的變化過程，乘客心理承受及應對能力都會對疏散方案造成一定的影響，因此，采取合理措施才能有效提高車站疏散效率。國內外學者對快速、安全的組織、疏散客流進行了大量研究，主要采取計算機仿真以及數學分析方法。仿真一般從宏、微觀層次對疏散過程中的人員流動及交通運行狀況進行模擬，主要用于預測疏散時間及評估疏散方案[1-5]。數學分析方法依托網絡圖，因此無論是建筑物內部疏散還是大范圍疏散都可以將具體事件轉換成疏散網絡問題[6]。在客流疏散方面，文獻[7]對疏散問題的宏觀模型進行綜述，并將時間作為主要考慮因素,給出多個基于動態網絡流的客流疏散數學模型；文獻[8]通過分析地鐵客流特征和客流量，提出換乘站臺的長度、寬度、自動扶梯數量、及樓梯的數量和寬度的計算公式；文獻[9]提出地鐵車站候車廳近車門處密度-客流速度數學模型，以此計算客流的疏散時間；文獻[10]通過對應急情況下行人心理特征的分析,總結影響人群疏散效率的因素，并提出運用建模與仿真技術分析人群應急疏散與樞紐站空間設計的關系。而在疏散路徑方面，文獻[11]研究了疏散路徑和交通路徑的相關性，并提出疏散路徑分配的必要條件及影響疏散路徑選擇的阻抗函數的確定；文獻[12]研究了軌道交通的各有效路徑搜索算法及其改進方法。上述模型的建立和算法盡管考慮到對客流疏散的影響條件，但大多針對全范圍進行研究，并未將所處環境進行分類討論，本文針對車站設施容量有限且具有多出口的情況，研究客流疏散方案，并給出具體算法以及模型的可靠性驗證。

1 城市軌道交通車站內部網絡結構

1.1 網絡設施組成

城市軌道交通車站處在一個相對封閉、狹小的空間，出行線路迂回曲折、視野狹窄，當乘客在此空間內行走時，會不自覺地加快速度，心理壓力較平時大。這些特性都會對車站的整體疏散能力造成影響，而疏散出口與安全出口存在一定距離并且由于沿途設施布置的復雜性會加大疏散難度，給乘客的安全帶來威脅[13]。

乘客由站臺到出口的距離是由一系列設施串聯構成的，城市軌道交通車站內部各設施布局方位、數量存在差異，不同的疏散設施對應的疏散時間不同，因此合理地設計、布置站內設施，才能在發生突發事件時及時將乘客安全疏散出去。城市軌道交通車站內部設施主要分為以下幾類：1)通道。通道是乘客進出站、換乘的必經之路，是車站內行人通行的重要連接設施，有單/雙向通道、水平/斜坡之分[14]。2)樓梯。樓梯有上、下行兩類，是乘客上下移動的工具，其適應條件為跨越高度在8 m以內的建筑物。樓梯的寬度會影響客流疏散心態及疏散效率。3)自動扶梯。自動扶梯是一種有效的疏散設施，廣泛運用在空間升降的區域。當建筑物空間高度大于8 m，乘客因高差較大，行走較費力時，宜增設自動扶梯[7]。自動扶梯的通過能力受到扶梯坡度、寬度、運行速度的影響。4)閘機。閘機作為一種通道阻擋裝置，隔離了車站的付費區和非付費區，分為三桿式和門扉式。5)站臺。作為乘客候車的場所，用安全隔離門將其與鐵軌隔離，站臺可分為島式站臺和側式站臺。一般情況下島式站臺服務于上、下行車輛，較寬，便于客流疏散組織。

這些固定設施的長度、寬度、坡度、數量、運行狀態以及內部客流量等宏觀指標直接關系到乘客走行效率和車站服務質量[15]。

1.2 車站內部網絡結構

為了獲得待疏散人員在軌道交通車站中的合理疏散路徑，需要將疏散區域的行走路徑抽象成一種網絡模型。因此結合車站內部設施結構特點和客流特點，將車站內部結構網絡化來描述其內在特征。網絡A=(S,V,D,E)，其中：S為待疏散客流起點，表示站臺；D為出口點集，表示車站內各安全出口的集合，D={dj|j=i,i+1,……，m}；V為節點集合，表示車站內部設施的連接處，V={vi|i=m,m+1,……，n}；E為邊集，即各類設施集合，E={eij|eij=(vi,vj);vi、vj∈V}，對應權值由乘客疏散時間決定。

因此，城市軌道交通車站應急疏散網絡結構化的要素包括：1)作為節點的設施。包括站臺(起點)、站臺與樓梯/自動扶梯連接處、樓梯/自動扶梯與通道連接處、通道與站廳連接處、閘機、出口。2)作為邊的設施。包括樓梯、自動扶梯、通道、乘客下車點到站臺與樓梯連接處的有效距離。

客流在疏散過程中，往往會在節點處發生擁堵，為了便于分析計算，可將節點看作是一條具有容量限制但長度為零的邊。而為了簡化網絡，也可將多出口節點同時匯交于同一個虛節點，該節點稱之為超級終點[16]。

2 客流疏散模型

2.1 約束條件

在軌道交通車站進行應急疏散情況下，由于乘客流量過大，閘機、自動扶梯的入口寬度較小，當大量乘客涌向此設備時，會對疏散效率造成明顯影響，相應的通行能力會有一定的折減。此外，在緊急疏散過程中，為了盡快將乘客疏散至安全區域，停運自動扶梯將其作為樓梯使用，但自動扶梯的臺階尺寸大于樓梯，行人的行走速度會有差異，因此，為了客觀、真實、準確地模擬客流疏散，在模型中，要充分考慮行人恐慌、車站固定設施對疏散能力的影響，對其作相應的數值折減[17]。

2.2 構建模型

構建疏散模型的目的是將乘客合理分組并在最短時間內引導他們從各疏散路徑中安全撤離，因此根據上述約束條件及車站網絡化建立相應的疏散模型

圖1 疏散路徑求解流程圖

3 模型求解

模型求解流程如圖1所示。

通過最短路徑優先飽和疏散思想，可以得出n條疏散路徑，其中TP1

xm=fm(Tm-TPm)

，

(2)

式中：fm為通過路徑Pm的實際流量；TPm為待疏散人員通過路徑Pm所用時間，相當于在路徑Pm上的旅行時間。

由文獻[16]可知，路徑容量限制和出口容量限制的疏散問題都是依據最小的瓶頸疏散，所以計算n1的表達式為：

(3)

整個疏散過程的用時是由最后一組疏散路徑所需時間決定，疏散時間需滿足Tm=T，其中m=1,2,……，n1。

因此，在疏散過程結束時，該區域能夠疏散的全部客流量依照式(2)可推算出：

(4)

而根據文獻[18]要求可知，整個疏散過程確保客流安全的時間為360 s，若要驗證該疏散方案是否合理需要滿足T≤360 s 。

聯立公式(2)(4)可得：

xm=fm(T-TPm),

由此可計算出每條實際疏散路徑中的疏散人數。

4 算例分析

4.1 車站簡介

珠江路站是南京地鐵1#線的車站，又稱“糖果車站”，是南京地鐵第一個特色車站，位于南京市珠江路、廣州路和中山路交界處，為地下二層島式車站。該車站設有4個出入口，其中2#出口暫時封閉。車站附近居民區、高校眾多，車站客流量大。一旦遭遇突發事件，如果車站人員未能及時安全撤離，將造成巨大影響[19]。

4.2 求解過程

假定地鐵1#線運行至珠江路地鐵站時，該站突發狀況，要將該站的所有乘客在規定時間內全部疏散到安全區域。通過對該地鐵站內部空間布局調查，將乘客逃生出去所要經過的設施全部記錄下來，繪制相應的疏散路線圖，并將其網格化，其結構示意圖如圖2所示。

圖2 珠江路地鐵站突發狀況疏散路線

圖2中S為地鐵站人員疏散起點，此處假設地鐵到達珠江路站，車站發生火災，要將車上乘客疏散出去。因為珠江路地鐵站的結構對稱，所以起點選在列車中點位置，根據南京地鐵1#線設計的參數要求，該車滿載時載客量為1 860人，而珠江路站距離火車站和新街口這兩個客流高峰站距離較近，因此假設車廂中有80%左右乘客，即到達珠江路地鐵站的人數有1 500人。其參數中D0是超級終點，D1,D3,D4均為出口，圖2中未標明的設施均為通道。

根據文獻[20]可知，閘機口的人員處于恐慌狀態下的疏散效率是正常疏散情況下的50%，自動扶梯中的人員在恐慌狀況下的疏散效率是有序疏散情況下的70%。而通道寬度一般較大，恐慌對疏散效率造成影響可設為有序疏散情況下的90%，在突發狀況下，為了及時疏散客流會將自動扶梯停運，將其當作樓梯處理，而各設施連接處(除閘機外)空間均較大，為了簡化運算，假設其通行能力不受影響。因此，本模型在計算過程中僅考慮閘機對客流疏散造成的影響。通過現場調查和相關資料數據，可得圖3～5所示地鐵站各類設施的屬性值(圖3中時間單位為s，圖4中寬度單位為m，圖5中行人流量單位為人/s)。

圖3 各類設施疏散時間

緊急情況下，為提高客流疏散效率，閘機將全部開放，乘客在閘機處的逗留時間忽略不計，通過查閱資料可知閘機的通行能力2 100人/h，也就是0.58人/s，在圖3中閘機1包含4個閘口，因此閘機1的流量為2.33人/s，折減后為1.17人/s，閘機2、3包含5個閘口，因此流量為1.44人/s, 閘機4包含6個閘口，流量為1.75人/s。

4.3 結果分析

通過上述步驟共得出6條最短有效路徑它們分別是：S—2—6—10—14—17—D3；S—1—5—9—13—17—D3；S—3—7—12—16—19—D1；S—4—8—12—16—18—20—21—D4；S—4—8—11—15—18—20—21—D4；S—1—5—10—14—17—D3。通過式(3)的限定，得出n1=5，運用式(1)～(4)，可知疏散時間T=347 s<360 s，滿足地鐵站客流疏散的安全時間，該模型適應性成立。

圖4 各類設施寬度

圖5 各類設施通過行人流量

因此該地鐵站最優疏散路徑及客流量分別為：

1)S—2—6—10—14—17—D3，該路徑實際流量為1.44人/s，共疏散405人；

2)S—1—5—9—13—17—D3，該路徑實際流量為1.17人/s，共疏散315人；

3)S—3—7—12—16—19—D1，該路徑實際流量為1.44人/s，共疏散379人；

4)S—4—8—12—16—18—20—21—D4，該路徑實際流量為0.31人/s，共疏散81人。

5)S—4—8—11—15—18—20—21—D4，該路徑實際流量為1.25人/s，共疏散320人。

5 結語

針對軌道交通車站路徑及出口都存在容量限制的客流疏散問題，首先將車站抽象成網絡結構，獲得該車站所有疏散路徑，之后將各條疏散路徑中的閘機通行能力看作整個疏散路徑的最大通行能力。通過不斷找尋最短路徑，對網絡不斷更新確定每條路徑的實際通過量，從而得到有效的疏散路徑。并結合南京珠江路地鐵站實際算例，獲得突發狀況下可疏散客流的5條有效疏散路徑，且疏散時間滿足消防安全要求，為城市軌道交通部門制定更合理的客流疏散方案提供參考。

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