基于模擬試驗的城市軌道交通車站人員疏散研究*

劉 杰

(重慶公共運輸職業(yè)學(xué)院運輸貿(mào)易系， 402247, 重慶//講師)

發(fā)展城市軌道交通是緩解市區(qū)交通擁堵、提高城市交通服務(wù)水平的重要途徑。隨著城市軌道交通的發(fā)展，城市軌道交通車站成為城市重要的乘客集散節(jié)點。出于城市用地規(guī)劃及路網(wǎng)布局的需要，城市軌道交通車站通常采取地下設(shè)站或高架設(shè)站的形式，站內(nèi)設(shè)有多種運輸生產(chǎn)輔助設(shè)備，乘客流線復(fù)雜，一旦發(fā)生突發(fā)公共安全事故，如火災(zāi)、恐怖襲擊等，極易造成人員擁堵，引發(fā)嚴重的安全事故。

應(yīng)急疏散是確保在突發(fā)事件下人員安全的重要手段[1]，相關(guān)問題引起了多方學(xué)者的廣泛關(guān)注。文獻[2-5]通過日常觀測的方式收集相關(guān)數(shù)據(jù)，以實際人員疏散演習(xí)的方式研究發(fā)生突發(fā)公共事件時站內(nèi)人員疏散行為，進而總結(jié)出了站內(nèi)人員疏散時間，以及人群流量、速度、密度之間的關(guān)系，同時分析了出口通行能力和通道通行能力間的量化表達方式。文獻[6-7]根據(jù)實際情況組織演習(xí)，利用相關(guān)設(shè)備記錄演習(xí)的疏散時間和人員的疏散情況。文獻[8-10]給出了人流密度、人流流量和人流速度之間的計算公式。

盡管諸多學(xué)者對應(yīng)急疏散問題進行了深入研究，但城市軌道交通車站應(yīng)急疏散與一般建筑物內(nèi)的疏散問題存在一定差異：乘客流向有垂直方向和水平方向的疊加作用[1]。而計算機模擬也需要基于一定的實際數(shù)據(jù)[11]，以檢驗結(jié)果的有效性。然而現(xiàn)有研究中基于實際試驗的數(shù)據(jù)采集及分析較為少見，組織以實際車站為背景的應(yīng)急疏散試驗有助于分析影響疏散效率的關(guān)鍵因素，對制定科學(xué)的應(yīng)急疏散方案，提高城市軌道交通運營安全保障能力具有理論和現(xiàn)實意義。

1 試驗方案

1.1 試驗?zāi)康?/h3>

城市軌道交通車站通常為多層建筑體，其垂向人員疏散的主要途徑是步梯和自動扶梯，垂向人員疏散的流向可分為自底向上和自頂向下2種，不同流向人員疏散的差異主要體現(xiàn)在步行速度的不同。通常情況下，垂向人員疏散的目的是使站內(nèi)人員到達地面安全區(qū)域，因此本文假設(shè)車站為地下設(shè)站，人員疏散的流向為自底向上；同時，在站內(nèi)水平方向上，由于各類閘機等設(shè)施的阻擋，乘客的水平疏散也會受到一定的阻礙。本文模擬突發(fā)情況下城市軌道交通車站的人員疏散情況，以試驗方式獲取不同路徑上的人員流量-時間變化關(guān)系，研究步梯和扶梯的垂向疏散效率，以及不同類型閘機對平面疏散的影響，為相關(guān)車站旅客緊急疏散效率研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2 試驗背景

城市軌道交通車站站型各異，本文以香港某地鐵站為背景。該站為2條線路的換乘車站，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、客流量大，具有一定的典型性。引發(fā)車站內(nèi)乘客需應(yīng)急疏散的原因各異，其中火災(zāi)是一類具備典型性的突發(fā)事件，也是實際生產(chǎn)過程中城市軌道交通車站面臨的最大安全隱患。火災(zāi)威脅可分為站內(nèi)火災(zāi)威脅和列車火災(zāi)威脅，其安全影響因素不同。為明確研究目標，本試驗?zāi)M平峰期列車突發(fā)火災(zāi)，對車站內(nèi)及列車上的乘客進行緊急疏散，采集相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析。在此情境下，假設(shè)站內(nèi)設(shè)施不受發(fā)生火災(zāi)列車的影響，各設(shè)施運轉(zhuǎn)正常，且忽略因起火列車造成的煙霧、氣味等因素對人員心理造成的影響，以簡化試驗流程。

本試驗安排1 500名乘客與50名工作人員參與，試驗車站共有4個站臺，呈上下2層分布；各站臺與軌道間設(shè)有屏蔽門，無列車進站時屏蔽門為常閉狀態(tài)。車站主體為3層結(jié)構(gòu)，地下1層為車站大廳、地下2層及3層為站臺層，各層平面圖見圖1，空間位置見圖2。其中，H7、H8、H10為地下1層的閘機出口，S2和E6為連接地下1層與地下2層間的樓梯和自動扶梯，S3和E3為連接地下2層與地下3層間的樓梯和自動扶梯。

1.3 試驗場景

試驗場景為模擬起火列車駛?cè)胝九_引起車內(nèi)乘客及站內(nèi)人員應(yīng)急疏散。假設(shè)發(fā)生火災(zāi)的列車由地下3層站臺駛?cè)耄斣撝鹆熊囻側(cè)胝九_后，啟動人員疏散應(yīng)急預(yù)案。試驗要求：站內(nèi)所有的乘客、工作人員、列車上的乘客均需離開車站，到達地面相關(guān)安全區(qū)域；在此過程中，乘客在車站工作人員的指引及站內(nèi)導(dǎo)向標識的導(dǎo)引下進行疏散，工作人員在確認全體乘客疏散完畢后撤離車站，到達地面層；同時為保證安全，在疏散過程中原定駛?cè)朐撜镜钠渌熊嚲辉偻＼嚕稍撜就ㄟ^后繼續(xù)運行至下一站，以簡化站臺及車站客流復(fù)雜度。

圖1 試驗車站平面示意圖

圖2 試驗車站層間空間位置圖

當應(yīng)急程序啟動時，假設(shè)相關(guān)工作人員均已到達相應(yīng)崗位，參與演習(xí)的其他人員按照事先制定的演習(xí)方案分布在車站站臺及模擬起火的列車上。模擬起火列車為8節(jié)編組，其中列車的后半部發(fā)生火災(zāi)，此時列車內(nèi)所有乘客均集中在未發(fā)生火災(zāi)的列車前半部分，而發(fā)生火災(zāi)的列車后半部分沒有乘客。試驗范圍內(nèi)的車站站臺上共有候車乘客960余人。根據(jù)列車車體構(gòu)造情況，全列車共有車門40個，假設(shè)乘客在站臺的候車位置與各車門對應(yīng)，每個車門對應(yīng)位置有6位乘客等候，其余乘客以隨機分布規(guī)律在站廳內(nèi)分布。

1.4 數(shù)據(jù)采集

為采集疏散時的乘客流量及流向數(shù)據(jù)，在車站內(nèi)選取關(guān)鍵點安裝攝像機記錄乘客流動情況，各攝像機機位布置見圖1。在試驗開始之前，向各位參演人員分發(fā)含有車站地圖的記錄表格，并明確每位參演人員的個體編號。在各參演人員就位后，啟動攝像機開始數(shù)據(jù)錄取。模擬起火列車進入站臺后，觸發(fā)相應(yīng)的警報系統(tǒng)，全站啟動緊急預(yù)案，開始演習(xí)及數(shù)據(jù)采集工作。

2 試驗數(shù)據(jù)采集與分析

2.1 垂直方向疏散數(shù)據(jù)處理與分析

2.1.1 地下2層與3層間垂向客流疏散效率

地下3層為模擬起火列車的停靠層，其與地下2層間通過樓梯S3、自動扶梯E3相連。其中，樓梯寬度為2 m；扶梯寬度為1 m，其運行速度為0.65 m/s，假設(shè)該扶梯保持由地下3層向地下2層的單向運行狀態(tài)。根據(jù)試驗結(jié)果，地下3層與2層間的垂向疏散時間如表1所示。

表1 試驗車站地下2層與3層間垂向疏散數(shù)據(jù)統(tǒng)計

表1統(tǒng)計數(shù)據(jù)中的疏散效率可用于整體疏散過程的量化評價，但由于個體選擇行為存在差異性，難以體現(xiàn)扶梯及樓梯在整個疏散過程中客流量的動態(tài)特征。根據(jù)疏散過程錄像以人工數(shù)據(jù)采集的方式分析樓梯及步梯的乘客疏散效率，結(jié)果顯示步梯的通行效率與扶梯的相差不大，均為2人/s。其原因是，雖然在平常狀態(tài)下步梯與扶梯輸送效率相差不大，但步梯的寬度約為扶梯寬度的兩倍，因此，在同等寬度條件下，扶梯的疏散效率高于樓梯的疏散效率。

2.1.2 地下2層至大廳垂向客流疏散效率

地下2層與車站大廳間通過樓梯S2、扶梯E6相連。其中，樓梯寬度為4.3 m；扶梯寬度為1.0 m，其運行速度為0.65 m/s。根據(jù)試驗結(jié)果，地下2層與大廳間的垂向疏散時間如表2所示，其中最大疏散能力取自GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》。

通過疏散時間與S2、E6通行時間的對比發(fā)現(xiàn)，S2、E6在疏散時出現(xiàn)了部分流量為0的情況。這說明在疏散過程中，其絕對輸送能力未得到充分利用，原因是所需疏散人員數(shù)量低于其絕對最大疏散能力。

表2 試驗車站地下2層與大廳間垂直方向疏散數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2.1.3 車站大廳至地面間垂直疏散效率分析

車站大廳可通過A、B、C出口通向地面對應(yīng)的安全區(qū)域，乘客可經(jīng)由上述3個出口進行疏散。根據(jù)試驗記錄數(shù)據(jù)統(tǒng)計相關(guān)疏散信息如表3所示。

表3 試驗車站大廳與地面間垂直方向疏散數(shù)據(jù)統(tǒng)計

在上述疏散過程中出現(xiàn)了一個特殊現(xiàn)象：雖然在每個出口均設(shè)有自動扶梯和步梯，但在試驗過程中，所有乘客均選擇了自動扶梯作為疏散通道。造成上述選擇的原因是，站內(nèi)乘客擁擠程度不高，在大廳層至地面的疏散過程中乘客流量較為平穩(wěn)，疏散壓力不大。

2.1.4 各層間垂向疏散效率比較

上述各層間的旅客疏散效率在數(shù)值上存在一定波動，因此需根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析情況研究各平均值的可信度。以5 s為采樣時間段，根據(jù)各疏散通道的視頻統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算平均通行量；分別以30%、50%和70%最大通過效率為數(shù)據(jù)，進行均值和方差的統(tǒng)計分析，結(jié)果如表4所示。由表4可知，E3的輸送量大于S3，即相較于樓梯，扶梯的通行效率更高。但與此同時，隨著試驗數(shù)據(jù)量的增加，步梯輸送量的方差呈現(xiàn)逐漸縮小的態(tài)勢，說明步梯在疏散過程中的穩(wěn)定性較扶梯好。

表4 試驗車站各通道及出口疏散效率統(tǒng)計

2.2 水平方向疏散數(shù)據(jù)處理與分析

城市軌道交通車站除垂直方向上不同樓層間的流動外，還存在水平方向的人員流動。在發(fā)生應(yīng)急疏散時，車站內(nèi)的相關(guān)設(shè)備(如閘機等)可能對人員流動及流向產(chǎn)生影響，因此需要對水平方向上的疏散情況進行統(tǒng)計分析。

水平方向的人員流動在某些狹窄區(qū)域會形成瓶頸，是影響疏散效率的關(guān)鍵，本文在研究水平方向疏散時著重研究出口瓶頸的限制。根據(jù)圖1所示的車站平面圖，出口A附近的H7安裝有8臺三桿式閘機和1臺雙開門式閘機；B出口附近的H8安裝有6臺三桿式閘機，H10處安裝有6臺三桿式閘機。上述閘機是客流平面輸送的瓶頸區(qū)段，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計瓶頸處的客流量信息，結(jié)果如表5所示，其中每臺閘機的最大疏散能力根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》數(shù)值折算。

表5 試驗車站水平方向疏散瓶頸處的疏散效率

由表5可知，H10處的疏散效率已經(jīng)接近該處設(shè)備的最大通過能力，同時H7、H8處的設(shè)備尚存在部分能力富余。相較H10，H7處的三桿式閘機及雙開門式閘機的利用效率較低，原因是地下2層人員經(jīng)過S2到達地下1層后，人員可以選擇H7或H8作為疏散通道，而經(jīng)E6到達地下1層的人員只能選擇H10作為疏散通道，從而使得該通道的利用效率較高。

3 試驗結(jié)論

根據(jù)試驗結(jié)果的統(tǒng)計分析，可以得到以下結(jié)論：

(1) 垂直方向上自動扶梯相較步梯輸送能力更高。應(yīng)急疏散情況時，乘客通常不會像日常乘坐扶梯一樣原地站立等待扶梯傳送，而是會以一定的步速在扶梯上行走，因此，同等寬度下，自動扶梯在垂直方向上的輸送速度高于步梯，從而增加輸送能力。但需注意的是，試驗中輸送能力最大的自動扶梯E3也僅達到了《地鐵設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定能力的90%左右，且通常自動扶梯的寬度小于樓梯寬度，因此應(yīng)合理評估其輸送能力。

(2) 水平方向上三桿式閘機對乘客疏散的效率影響較雙開門式閘機大。這是由于三桿式閘機在疏散時的作用狀態(tài)與日常作用狀態(tài)幾乎沒有區(qū)別，仍需遵循一人一桿的作用機理，而雙開門式閘機可以通過閘門的常開動作極大減少對人流水平運動的阻礙，因此雙開門式閘機在應(yīng)急疏散過程中的通行效率更穩(wěn)定。

需要說明的是，上述試驗結(jié)論是在站內(nèi)未受起火列車影響的假設(shè)下得出的，在此條件下站內(nèi)人員的疏散較為平靜，同時站內(nèi)設(shè)施不受影響。當站內(nèi)人員受火災(zāi)影響造成心理波動時，由于扶梯的踏步高，相較步梯不適宜自然行走，因此易造成疏散安全性降低；同時，若站內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，則扶梯受到高溫影響易造成相關(guān)部件失效，從而造成嚴重的安全隱患。因此，在垂向通道的設(shè)置上應(yīng)保留步梯設(shè)置，同時在站內(nèi)發(fā)生火災(zāi)或受火災(zāi)影響時應(yīng)限制扶梯的使用，以提供更高的安全保障。

4 結(jié)語

采用實地演習(xí)的方式獲取城市軌道交通車站應(yīng)急疏散相關(guān)數(shù)據(jù)，著重分析了多層車站不同層間的乘客疏散效率以及同層間乘客的水平疏散效率，其中在垂向疏散方面，分析比較了步梯和自動扶梯兩種設(shè)備的疏散效率；在水平疏散方面，研究了不同類型閘機的疏散效率。

由于城市軌道交通車站結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，完全通過計算機模擬的疏散試驗存在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不足、難以復(fù)現(xiàn)復(fù)雜情況下人員疏散流線的缺陷，因此實地演習(xí)是獲取實際數(shù)據(jù)的重要途徑。本文研究中選取非高峰時段，客流量較為平穩(wěn)，模擬高峰擁擠時段的數(shù)據(jù)及分析將是下一步試驗工作的重點。