仿真試驗研究新型閘機通過能力對疏散時間的影響

楊利強

（徐州市城市軌道交通有限責任公司，江蘇徐州 221000）

自動售檢票系統（AFC）是城市軌道交通重要的設備系統，檢票閘機是將AFC系統及車站劃分為付費區和非付費區的重要設施之一。日常客流組織過程中，閘機對乘客進行身份識別和驗證以保證車站秩序；車站內發生火災等緊急情況時，閘機由于本身占據通道的部分寬度，對車站內人員安全快速疏散會產生影響，因此對閘機通過能力的研究是車站客流組織和安全管理方面的核心問題之一。本文對比不同類型閘機的通過能力，進一步分析閘機通過能力對車站疏散時間的影響。

目前國內外的車站疏散仿真研究中，針對車站的整體疏散情況和疏散過程研究較多。賈崇強[1]針對車站進行仿真模擬，優化了車站疏散時間；徐瀅等[2]研究了影響車站疏散時間的影響因素，包括人群的具體位置和針對性的引導等。隨著國內主要城市客流強度的逐漸增加，針對疏散仿真的研究也更趨于微觀，不同設備設施對疏散的影響需要更有針對性的仿真研究。丁丹丹等[3]研究了大客流情況下，疏散時間受車站換乘設備的影響；孫亞杰[4]將三種不同閘機設置方式下的疏散過程用PathFinder模擬對比，得出疏散效率最高的閘機布置方式；柳澤原[5]利用Anylogic軟件建模仿真站廳層閘機口通過能力，根據案例仿真對比結果對閘機布置情況進行優化設計；劉雙慶[6]通過錄像記錄統計乘客通過閘機時間，采用SPSS軟件進行數據分析，計算閘機通過能力；李勝利[7]分析人員恐慌狀態下對車站中進站設備疏散效率的影響，最終得出結論閘機的混亂疏散效率是有序疏散效率的50%。

本文通過對比介紹新型閘機和傳統閘機的屬性和通過能力，定義閘機通過能力分析的影響因素和評價標準。設計仿真試驗，對不同類型的新型閘機設備與傳統閘機設備進行疏散能力的對比分析，得出結論。

1 各類閘機基本屬性介紹

1.1 自動檢票閘機按不同分類方法劃分

（1）按阻擋方式劃分。

車站內自動檢票閘機按阻擋方式不同分三種，包括三桿式閘機、門扉式閘機和雙向門扉式閘機。根據我國《地鐵設計規范》（GB 50157—2013）、《地鐵安全疏散規范》（GB/T 33668—2017）中相關內容可知，三桿式閘機在疏散過程中嚴重阻礙乘客疏散速度，無法像門扉式一樣開放門扉，行人無法自由通過。

（2）按識別方式劃分。

自動檢票閘機按識別方式不同，可分為傳統識別方式（刷卡、證件掃描和掃碼）和生物識別方式（人臉識別和靜脈識別）。傳統識別方式目前技術相對成熟，通過與生物識別方式對比，可以更好地分析兩者通過能力之間的差異。

自動檢票閘機傳統識別方式與生物識別方式對比如表1所示。

表1 自動檢票閘機傳統識別方式與生物識別方式對比

通過對比傳統識別方式和生物識別方式可知，傳統識別方式下的自動檢票閘機技術成熟，應用比例高，在運營情況下，閘機通過能力高于生物識別方式，識別速度快、成功率高，因此通行速度快。相比之下，生物識別方式的技術要求較高，能夠更有效地防止逃票現象的發生。由于生物識別方式閘機不需要回收票卡，不存在票箱，減少對通道寬度的占用，更有利于疏散情況下乘客逃生。

1.2 自動檢票閘機通過能力分析

（1）通過能力影響因素。

地鐵站閘機處是站內人流最密集的區域之一，閘機的通過能力很容易影響車站內的人流擁擠程度。影響閘機通過能力的因素主要分為兩個方面，一是影響閘機自身通過能力的因素，二是影響整個閘機組通過能力的因素。影響閘機自身通過能力的因素，主要包括閘機本身長度、寬度、反應時間以及乘客的年齡、性別、出行目的、是否攜帶行李、通過閘機的速度等。

（2）實際通過能力。

閘機實際通過能力與各類乘客比例及其通過閘機的速度相關，但在發生突發事故時，地鐵站這種高度密集場所的人群往往會產生恐慌心理。閘機的入口寬度一般為0.55 m，寬度較小，人員的恐慌行為會對疏散效率造成較大影響。

Helbin設定了15 m×15 m、門寬1 m的房間，研究200人規模下，期望速度對疏散時間的影響。結果顯示，隨著期望速度增大，疏散時間增加，門的通行能力降低。當門的寬度增加到一定值時，“快即是慢”現象便不明顯，也可以解釋在疏散過程中，生物識別方式閘機通過能力大于傳統識別方式閘機的現象。

2 疏散模型建立

2.1 仿真車站及客流特征簡介

選取目前廣泛采用的標準站型車站作為疏散研究案例車站。車站通常采用單承重柱和雙承重柱兩種形式，其取決于車站的所需承擔的客流壓力。

站廳和站臺分別位于上下兩層，通過3組樓扶梯連接，扶梯組布置采用的是標準模式，即左側兩扶梯、中部步梯升降梯、右側步梯扶梯的形式。

研究對象為徐州地鐵人民廣場站，1號線一期工程運營初期的早高峰進站量為3 397 人/h，出站量為3 587 人/h，工作日早高峰上行方向工農路站-人民廣場站的區間斷面客流量為8 421 人/h，發車間隔為5 min。

由《1號線人民廣場站客流組織方案》可知，日常客流組織中開放2、3及5號出入口；由《1號線人民廣場站火災現場處置方案》可知，此次安全疏散測試中該站的安全疏散口為2、3、5號出入口及應急疏散口。人民廣場站的進出站量及高峰斷面較大，因此在日常客流組織和應急疏散的情況下，乘客的走行流線會產生較多交叉，需要在安全疏散測試中重點分析。

2.2 針對不同閘機疏散表現的實驗設計

在疏散過程中，不同類型閘機的通過能力對疏散的過程和總體時間有較大影響。

不同類型的閘機在疏散中的表現，主要體現在其通道寬度和過閘方式上。研究不同種類的閘機在疏散總的表現，設置疏散時通過能力不同的對照組，代表4種不同的閘機布置形式。

對照組、試驗組設計如表2所示。

表2 對照試驗組設計

3 疏散試驗分析

3.1 仿真實驗分析

通過對A、B、C、D四組試驗分別進行仿真模型的構建和參數的調整，車站仿真模型客流平穩運行至450 s時，開始疏散，統計疏散過程中行人數量隨時間變化和密度情況。

疏散全程車站行人密度分布如圖1所示。

圖1 車站疏散實仿真結果對比

通過對仿真過程中的行人密度進行分析，由4組閘機位置的行人密度可知：

A組只有行人流線折角導致的行人走行速度降低的情況，所以A組的四組閘機位置密度均較低，基本保持流線的平均密度水平。

隨著通行難度和通過速率的降低，閘機位置密度越來越高，堵塞范圍越來越大。

D組試驗中，新式閘機無票箱的優勢較為明顯，在閘機位置有一定擁擠，最高密度控制在2.5 人/m2以下，不會引發其他位置的明顯擁堵。

C組試驗相比D組密度更高，但擴散范圍相近，且并未引發其他位置的衍生擁堵。

B組試驗中的三輥閘機相較于其他試驗組，有明顯的高密度區域變大的情況，疏散風險增加。在右側出站閘機位置，閘機位置的擁堵乘客已經開始擴散至后方樓梯口位置的走行乘客，產生了流線上的大量乘客堆積，導致大面積區域的行人密度過高的情況。

對4組試驗中的站內的剩余行人數量進行實時監控，統計行人數量-時間分布，如圖2所示。

圖2 仿真實驗車站人數-時間分布

由圖2可知，A、B、C、D四組在125 s之前的疏散效率和疏散人數差異較小，該部分疏散人員主要是在站廳非付費區的乘客，接到疏散的警報后，通過出站通道離開車站。

150 s后疏散表現差異明顯，隨著閘機位置通行能力的限制，疏散時間明顯增加。B組疏散時間最長，接近330 s；C組疏散時間為320 s，相較于D組最后的疏散部分，C組疏散速率變化較小；D組疏散效率減小的情況較明顯，出現斜率絕對值減小的趨勢，說明閘機使用均衡性逐漸降低。

對比A和D組試驗結果，結果幾乎相同，差距不明顯，說明在閘機能力超過一定閾值后，疏散能力的限制并不在閘機位置，會受到其他設備的影響。

3.2 車站疏散指標分析

通過仿真軟件對疏散過程中的參數表現進行監控，計算疏散評價指標體系。

試驗組疏散指標結果如表3所示。

表3 試驗組疏散指標結果

分析表3結果可知，D組新型閘機類設備對于疏散能力的提升，可以直接提升整個閘機位置各指標。D組試驗中的設備不均衡度較高，主要是因為在疏散過程中設備不均衡性受到行人的選擇影響。

在D組相對排隊較短的情境下，乘客更傾向于選擇走行距離更短的疏散路線，致使設備的不均衡程度更高，側面反映行人對高效疏散設備的使用率更高。除了設備使用不均衡性外，平均排隊長、最大行人密度、疏散時間等指標均與閘機在疏散時通過速率呈負相關關系。因此，閘機設施疏散通過速率在減少行人排隊時間、降低疏散風險方面均有顯著的作用。

4 結語

（1）閘機設備的通過能力對車站的疏散過程具有重要影響，在疏散過程中，閘機設備的疏散通過能力越低，閘機位置的擁堵情況越嚴重，高密度區域越大。擁堵情況的加重會沿乘客流線向上游位置延伸，影響其他設備服務。

（2）隨自動檢票閘機疏散通過能力的增加，疏散時間減少明顯，相較于三輥式閘機，門扉式閘機與新型無票箱閘機疏散時間減少3.4%～9.1%，但閘機通過能力對疏散時間的貢獻有限，閘機類設備疏散能力突破瓶頸后，疏散能力會受限于其他設備影響。

（3）新型閘機和門扉式閘機等通過能力較大的閘機，在標準站型的疏散能力指標較好。在試驗測試早高峰時段，最大行人密度相較于三輥式閘機降低6%～19%，對疏散風險降低作用明顯。排隊長度相較于三輥式閘機減少23%～37%，顯著增加乘客疏散時舒適度，降低疏散心理壓力。

（4）限于研究時間與研究條件，針對閘機設備通過能力對疏散過程影響的研究還有待進一步深入和完善，包括其他車站疏散過程對車站結構類型的影響、閘機設備與其他設備能力的匹配性對疏散過程的影響等。