基于Anylogic的地鐵站火災(zāi)人員疏散模擬及結(jié)構(gòu)合理性分析★

蔡 湧 趙 蕾 艾安源 梅 鋼

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

1 概述

地鐵現(xiàn)如今極大的被政府所提倡，也被認(rèn)為是解決交通擁堵問題的有效手段。自其面世以來，得到了大多數(shù)人的認(rèn)可與贊同，人們的日常生活中，扮演著越來越重要的角色。截至2017年12月31日，北京、上海、天津、廣州、深圳等34個城市建成投運地鐵線路3 881.8 km。同時，仍有許多城市也在積極的投入到地鐵交通建設(shè)中。

地鐵之所以能被人們信賴接受并成為了現(xiàn)代化城市特別是特大城市不可或缺的一部分，是因為其優(yōu)于其他交通方式的運量大、速度快、安全性高的特點。然而，近年來頻發(fā)的地鐵火災(zāi)對人們造成了極大的威脅。例如，2003年2月18日，韓國大邱市地鐵中央路站由于人為縱火發(fā)生火災(zāi)，造成人員傷亡。截止到2005年，我國共發(fā)生地鐵火災(zāi)事故165例，其中特大事故3例。

鑒于地鐵火災(zāi)對生產(chǎn)生活會造成嚴(yán)重的后果，國內(nèi)外許多學(xué)者集中研究了地鐵火災(zāi)中人員疏散問題及地鐵結(jié)構(gòu)對火災(zāi)發(fā)生時人員疏散的影響。例如，Helbing在20世紀(jì)90年代提出了社會力模型[1]，宋衛(wèi)國等人則利用社會力模型模擬了在緊急情況下的人員疏散現(xiàn)象，分析了建筑結(jié)構(gòu)特征以及人群特征與疏散時間的關(guān)系[2]，史聰靈等人則研究了列車停靠在站臺時發(fā)生火災(zāi)情況下火災(zāi)煙氣的蔓延規(guī)律，華中科技大學(xué)的張立茂利用Pathfinder進行人員疏散仿真，從人員逃生率、安全疏散率等方面進行分析探究車站人流量的容納能力[3]。

地鐵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)境密閉、設(shè)備集中、人員密度大，一旦發(fā)生火災(zāi)，將難以撲救,將會影響到人們的生命安全，經(jīng)濟發(fā)展和社會安定。預(yù)防和減少火災(zāi)的發(fā)生已成為世界各國公共安全領(lǐng)域研究的重點。本文基于Anylogic軟件，模擬分析地鐵車站發(fā)生火災(zāi)時的平面場景，通過對發(fā)生火災(zāi)時人員疏散時的分布情況和所需的疏散時間進行模擬與計算，針對逃生路線及逃生結(jié)構(gòu)的設(shè)計合理性展開分析和討論，為地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計提供合理性的建議。

2 北大東門地鐵站

北京大學(xué)東門站(East Gate of Peking University)，位于中關(guān)村北大街與成府路交匯口的北京大學(xué)東門，因此得名。它是北京地鐵四號線的一個車站(見圖1)。本文是基于北大東門地鐵站的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(如圖2所示)的仿真與模擬展開研究。

3 人員疏散行為分析

從災(zāi)害學(xué)的角度而言，災(zāi)害事故發(fā)生的原因不盡相同，災(zāi)害種類各式各樣，災(zāi)后的損失也都截然不同。但這些事故都有一種共性，共性的要素是人(Man)、物(Machine)、環(huán)境(Medium)、管理(Management)，即4M共性[4]。地鐵車站火災(zāi)發(fā)生也可應(yīng)用4M共性理論進行分析。以下將對人的因素、物的因素、環(huán)境的因素以及管理的因素等四個方面進行論述。

3.1 人的因素

從該地區(qū)的人員的年齡、性別、體質(zhì)、逃生心理、人員疏散個體與群體行為特征、人員速度、人流密度及災(zāi)時人員分布等方面進行考慮[5]。有些因素是固定的值，而有些是動態(tài)波動的變量，因此應(yīng)分別賦值。所以建模時，反映人群特性的參數(shù)取值應(yīng)根據(jù)以往的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對整體以相應(yīng)概率分布進行取值，對變量則給予與其對應(yīng)的方程表達式。

參數(shù):人群的年齡、性別、體質(zhì)、逃生心理以及人員疏散個體與群體行為特征等因人的生理機能和心理狀況不同而具有一定的分布規(guī)律，所以對火災(zāi)情況下的逃生能力會有所差異，因此建模對整體賦值時，從整體上以一定概率分布進行隨機賦值。

變量:人員速度、人員密度、災(zāi)時人員分布、人群密度等是不可預(yù)測的，把人看作一個活動對象類，可根據(jù)某些參數(shù)給變量建立連續(xù)方程[6]。

3.2 物的因素

在地下建筑物火災(zāi)，疏散安全設(shè)施包括警報語音、疏散標(biāo)志、疏散出口、防煙排煙系統(tǒng)和消防供電等這些物的因素會對人員的疏散產(chǎn)生影響，安全設(shè)施的落實到位可以極大地提高人員安全疏散的成功率。建模時作為輸入?yún)?shù)處理[7]。

3.3 環(huán)境的因素

火災(zāi)發(fā)生時，應(yīng)急照明、熱輻射、熱對流、燃燒有毒氣體、煙霧濃度及空氣濕度等主要環(huán)境因素會對人員心理狀態(tài)、疏散速度以及對安全疏散設(shè)施的使用產(chǎn)生顯著的影響。這些因素隨環(huán)境變化而變化，因此設(shè)為變量[8]。

3.4 管理的因素

火災(zāi)發(fā)生時，以道路隧道、地鐵工程為代表的地下空間內(nèi)的人員疏散逃生是一個有組織的疏散過程。在地下火災(zāi)的管理中主要有以下內(nèi)容:疏散組織預(yù)案、火災(zāi)事故應(yīng)急救援系統(tǒng)、安全信息管理系統(tǒng)、公共安全常識培訓(xùn)等方面。這些制度和方案是否有效也會影響人員的安全疏散，做參數(shù)處理。

4 結(jié)構(gòu)合理性研究

應(yīng)用Anylogic仿真軟件建立地鐵車站的簡化模型。主要使用的模塊有行人庫中的墻、矩形墻、環(huán)形墻、目標(biāo)線和行人密度圖，用以模擬墻體、障礙物和購票及安檢服務(wù)[9]。模塊中使用的有Ped Source,Ped Go To,Ped Select Output,Ped Change Ground和Ped Sink等，用以實現(xiàn)行人生成、行動和消失等功能。

受軟件的限制和技術(shù)原因，以島式地鐵站這一類型的地鐵站為例，將現(xiàn)實的復(fù)雜地鐵站抽象簡化成結(jié)構(gòu)較簡單的模型，以單一變量進行結(jié)構(gòu)合理性研究。

4.1 有無應(yīng)急疏散通道疏散速度對比

應(yīng)急疏散通道作為逃生結(jié)構(gòu)的重要組成部分，是不可缺少的，實驗表明在設(shè)置應(yīng)急疏散逃生通道后，站內(nèi)人員疏散時間比未設(shè)置應(yīng)急疏散逃生通道所用的時間大幅減少(見圖3)，其應(yīng)設(shè)置在站臺的兩端，并設(shè)置防火門隔離。

4.2 不同樓梯寬度疏散速度對比

根據(jù)不同樓梯寬度的研究表明，樓梯的寬度會影響單位時間內(nèi)通過的人數(shù)，從而影響整體的疏散時間，研究表明，疏散時間不會隨著樓梯寬度的增加而逐步增加，而是當(dāng)樓梯寬度在5 m以上時，疏散時間會趨于穩(wěn)定，此時樓梯的寬度將不會再影響疏散時間(見圖4)。

4.3 不同閘機數(shù)量疏散速度對比和有無應(yīng)急柵欄疏散速度對比

實驗表明，在疏散時，閘機的數(shù)目越多，單位時間內(nèi)所通過的人數(shù)越多，當(dāng)閘機在一定數(shù)量時，單位時間疏散率將會趨于穩(wěn)定。閘機數(shù)目的設(shè)置應(yīng)當(dāng)與樓梯寬度相匹配，形成一個動態(tài)平衡，即單位時間內(nèi)樓梯間通過的人數(shù)與閘機處通過的人數(shù)大致相同。

通過實驗?zāi)M有應(yīng)急柵欄的實驗結(jié)果顯示，有應(yīng)急柵欄時疏散時間比無應(yīng)急柵欄時間少，并可有效減輕閘機口擁擠壓力(見圖5)。

5 預(yù)防措施和對策

5.1 設(shè)置應(yīng)急疏散通道

通過設(shè)置應(yīng)急疏散通道，有效減輕站臺層和站廳層之間樓梯通道的疏散壓力，提高火災(zāi)發(fā)生時人員疏散效率，可作為消防人員進入現(xiàn)場撲救的快捷通道，同時為行動弱勢群體提供暫時性避難場所；在站內(nèi)人員得到有效疏散后，該應(yīng)急疏散通道可作為通風(fēng)排煙系統(tǒng)的一部分，使站內(nèi)的空氣流通得到有效改善。在正常情況下，該應(yīng)急疏散通道還可以作為處理特殊情況的快速通道(見圖6)。

應(yīng)急疏散通道應(yīng)設(shè)有多個入口并具備醒目的導(dǎo)向和警示標(biāo)志，具有易辨識性，入口處設(shè)置防火卷簾門。站臺層的疏散樓梯通至站廳層內(nèi)，站廳層的疏散樓梯通至地面。此外，疏散通道內(nèi)還應(yīng)配備滅火器可供樓梯內(nèi)起火時快速滅火、應(yīng)急照明燈可供臨時照明、應(yīng)急醫(yī)療箱可供事故中的傷者進行緊急處理。

5.2 樓梯寬度和閘機數(shù)量

適當(dāng)?shù)脑黾訕翘輰挾瓤捎行岣呤枭⑺俣龋瑴p少排隊上樓梯的等待時間。閘機數(shù)量越多，行人等待通過閘機的時間越短。樓梯寬度應(yīng)和閘機數(shù)量匹配。出口處的閘機位置還可設(shè)置應(yīng)急柵欄，在緊急情況發(fā)生時開啟柵門，使站內(nèi)乘客迅速撤離。

5.3 疏散指揮管理

在疏散過程中，疏散指揮應(yīng)急方案是影響人員安全疏散的重要因素。火災(zāi)發(fā)生時，通過廣播播報警情，使站內(nèi)乘客能及時做出反應(yīng)。同時站內(nèi)工作人員應(yīng)對乘客進行有效引導(dǎo)至應(yīng)急疏散通道，避免部分樓梯過度擁擠降低疏散效率，甚至引起踩踏等二次事故。

6 結(jié)語

隨著地鐵等地下基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的日益普及，地鐵火災(zāi)疏散問題成為不可忽視的重要課題。本文以北京大學(xué)東門地鐵站為例，采用Anylogic仿真軟件，建立了地鐵火災(zāi)人員逃生時間計算模型，分析了地鐵車站中不同類別乘客及其地鐵車站建筑結(jié)構(gòu)等因素對人員逃生的影響，指出了結(jié)構(gòu)設(shè)計的不合理處。研究結(jié)果可以為保證發(fā)生火災(zāi)時人員安全疏散以及財產(chǎn)損失最小化提供參考。