基于AnyLogic仿真的地鐵應(yīng)急疏散研究

郭禹辰，李昌宇，劉昕政，任明明

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 運輸管理學(xué)院，1.3.4.大學(xué)專科，2.講師，江蘇 南京 210000）

城市軌道交通是城市公共交通的重要組成部分，具有運量大、節(jié)能環(huán)保、受天氣影響小及安全高效等優(yōu)點，但地鐵車站大部分屬于地下建筑，內(nèi)部環(huán)境封閉，發(fā)生緊急事故時疏散難度較大。人群應(yīng)急疏散問題是國內(nèi)外的研究熱點，Colombo等人通過分析疏散時安全出口設(shè)計與實際疏散人流量的關(guān)系，提出了人群流動模型來模擬人群疏散特征；Sandberg等人在英國商場進行疏散演習(xí)，分析出影響人群疏散的因素及疏散時對出口的選擇規(guī)律。陳然等人對我國大型城市的行人流進行分析后，得到步速和步頻的分布呈Gauss分布狀態(tài)；戴曉亞將實驗與模擬相結(jié)合，分析欄桿對人群疏散的影響，提出了欄桿最優(yōu)化方案［1］。現(xiàn)以南京鼓樓地鐵站火災(zāi)事故為研究背景，依據(jù)站內(nèi)服務(wù)設(shè)施設(shè)備布局和行人運動規(guī)律，探討疏散過程中的潛在風(fēng)險，并提出相應(yīng)優(yōu)化方案。

1 應(yīng)急疏散原因與影響因素分析

1.1 造成應(yīng)急疏散的原因分析

造成地鐵站應(yīng)急疏散的原因多種多樣，典型的突發(fā)事件以火災(zāi)、水災(zāi)及恐怖襲擊為主。當(dāng)?shù)罔F站內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，煙霧迅速布滿車站，不僅遮擋視線，還可能因過多吸入煙霧中的一氧化碳使人失去行動能力，增大逃生難度；同時，由于地鐵站用電設(shè)施設(shè)備繁多，隨時有發(fā)生爆炸的可能。火災(zāi)是地鐵突發(fā)事件中發(fā)生頻率最高且造成人員傷亡、財產(chǎn)損失最為嚴(yán)重的事故類型，因此火災(zāi)中的地鐵應(yīng)急疏散是研究重點。

水災(zāi)的發(fā)生大多有可預(yù)見性，地鐵對于水災(zāi)的預(yù)防有著較為完善的預(yù)警機制和防御措施，但如果出入口處積水較深，樓梯上水流速度過大，同樣也會拖延人員的疏散時間。

恐怖襲擊不同于水災(zāi)、火災(zāi)，完全不具備規(guī)律性。由于地鐵系統(tǒng)常常連接著通訊、供水、供電系統(tǒng)，只要一處遭受恐怖襲擊，就可能導(dǎo)致全線癱瘓，且民眾反恐意識不高，不能敏銳察覺恐怖分子的行為，為疏散埋了下安全隱患［2-4］。

1.2 應(yīng)急疏散的影響因素分析

1.2.1 個體因素 個體因素主要是指乘客的自身特征。突發(fā)情況下，每個乘客因自身特征差異會做出不同的應(yīng)急反應(yīng)，從而影響到個人疏散抉擇，甚至對整體疏散效率造成影響。現(xiàn)從性別、年齡、攜帶行李情況以下三方面進行分析。

性別：在突發(fā)情況下，男性相對較為理性、主動，且對事故的反應(yīng)速度更快；女性較為感性、被動，更易受周遭環(huán)境影響，行動更謹(jǐn)慎。同時，女性的移動速度普遍略慢于男性。

年齡：緊急情況下人的反應(yīng)速度、思維模式、行動能力等都與年齡有密切關(guān)系。如：中青年人在遇到緊急情況時，對事故的反應(yīng)更迅速，行動更敏捷，而兒童與老年人應(yīng)急反應(yīng)相對較差。

攜帶行李情況：在疏散過程中，乘客隨身攜帶的行李物品會降低其移動速度，且行李尺寸越大、重量越重，影響就越大；同時，尺寸較大的行李還會阻礙他人前行，成為疏散過程中的障礙物，降低整體疏散效率。

1.2.2 環(huán)境因素 地鐵站應(yīng)急疏散效率除了與乘客自身因素有關(guān)，還與地鐵站內(nèi)環(huán)境因素有關(guān)，如站內(nèi)結(jié)構(gòu)特征及服務(wù)設(shè)備設(shè)施。

站內(nèi)結(jié)構(gòu)特征：大多數(shù)地鐵站位于地下，多為三層甚至四層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，個別車站由于出站口較多，因此從站臺層到達(dá)地面的路線也相對繁雜。對于換乘站而言，站內(nèi)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，且大多數(shù)換乘通道較為狹長，突發(fā)情況下，雖然地鐵站的多層結(jié)構(gòu)為乘客提供了多條逃生路線，但因乘客無法預(yù)測不同路線的擁堵情況，很難快速準(zhǔn)確找到最便捷的出口，且站內(nèi)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，整體疏散效率越低。

服務(wù)設(shè)施設(shè)備：地鐵的站內(nèi)服務(wù)設(shè)施繁多，其中自助售票機、安檢機、檢票閘機、隔離護欄等都是地鐵站內(nèi)為乘客服務(wù)及維護秩序必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，且大多數(shù)固定于地面，不便于移動。因此，當(dāng)發(fā)生緊急情況需要疏散客流時，這些設(shè)施設(shè)備將可能成為疏散路徑上的“絆腳石”，且設(shè)施設(shè)備數(shù)量越多、尺寸越大，對疏散越不利［5-6］。

2 地鐵疏散仿真的行人參數(shù)確定

2.1 行人流的路徑參數(shù)確定

所建模型是基于AnyLogic仿真平臺中的行人庫，其主要特色體現(xiàn)在環(huán)境建模和行為建模兩部分。環(huán)境建模用以模擬站內(nèi)結(jié)構(gòu)、服務(wù)設(shè)施設(shè)備布局等，通過搭建仿真平臺的物理模型實現(xiàn)；行為建模用以模擬站內(nèi)行人及其他運動物體的行為方式或運行規(guī)律，通過搭建仿真平臺的邏輯模型實現(xiàn)。

現(xiàn)以地鐵站內(nèi)的行人為研究對象，遵循以下乘車流程建立乘車邏輯模型：乘客先在站廳層的自助售票機進行購票，隨后通過安檢機、檢票閘機，乘坐自動扶梯到達(dá)站臺層，等待車輛到達(dá)后，上車離開本站。同時結(jié)合與進站流程相反的出站邏輯模型，完成一個完整的進出站仿真模擬過程，當(dāng)觸發(fā)火災(zāi)報警器時，所有乘客停止進站乘車行為并轉(zhuǎn)向出站行為。

建模中所應(yīng)用行人庫模塊：行人生成模塊、行人消失模塊、行人前往指定位置模塊、行人接受服務(wù)模塊、行人前往指定位置并等待指定時間段模塊、根據(jù)指定比例或條件引導(dǎo)行人到達(dá)完成流程模塊、設(shè)置行人通過扶梯傳輸模塊。

2.2 行人速度參數(shù)確定

采用錄像觀測法來獲取相關(guān)建模數(shù)據(jù)，觀測地點位于南京地鐵鼓樓站的樓梯口、安檢口處、站臺層，為了保證數(shù)據(jù)的廣泛性及有效性，錄像時間為：調(diào)研隨機抽取了三天中11點30分和18點，每次觀測維持3小時。通過速度公式（公式中，S為水平移動距離，T為移動所需時間）計算出站內(nèi)人均移動速度。

2.2.1 移動速度與年齡的關(guān)系 地鐵站內(nèi)乘客移動速度最快的為15～30歲的青年人，均速約為1.2m/s；其次是占比最大的30～60歲的中年人，均速約為1.4m/s；兒童和老年人的移動速度較慢，均速約為1m/s，且辨別能力弱、自主能力差，通常與中青年人結(jié)伴而行。

2.2.2 移動速度與攜帶行李的關(guān)系 站內(nèi)乘客35.8%沒有攜帶行李、30%攜帶小件行李、18%和16.2%分別攜帶中型和大件行李。其中，沒有攜帶行李及攜帶小件行李的旅客速度基本不受影響，攜帶中型和大型行李的乘客移動速度較慢，均速約為1m/s。

以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)將作為相應(yīng)速度模塊的屬性參數(shù)帶入乘車邏輯模型，但當(dāng)應(yīng)急疏散時，行人移動速度呈現(xiàn)大幅度提升趨勢，使得動態(tài)仿真過程更加貼近現(xiàn)實情況。

3 地鐵站應(yīng)急疏散仿真分析

3.1 鼓樓地鐵站的模型搭建

鼓樓站為南京地鐵換乘站之一，附近遍布景區(qū)、學(xué)校、商業(yè)圈等，承擔(dān)較大的客流量，平日進站客流約3萬人次，出站客流約3.5萬人次；節(jié)假日時期進站客流約為4萬人次，出站約4.5萬人次；日均換乘客流約10萬人次左右，最高峰可達(dá)12萬人次左右。高峰期站內(nèi)排隊、擁堵的現(xiàn)象嚴(yán)重，如遇上緊急情況，應(yīng)急疏散局面不容樂觀。

3.1.1 環(huán)境建模 所建車站物理模型來源于車站實際平面設(shè)計圖，設(shè)置站內(nèi)起火點位置如圖1所示；所搭建鼓樓站B1層、B2層和B3層的物理仿真模型如圖2所示。

圖1 物理模型平面圖

圖2 物理模型立體效果圖

3.1.2 行為建模 為簡便計算過程，對本疏散模型的行為建模部分進行如下設(shè)計：

疏散時刻初，設(shè)定乘客隨機分布在B1層和B2層的付費區(qū)、非付費區(qū)和B3層站臺區(qū)。因個體存在差異，設(shè)置乘客占地面積為uniform（0.5，0.8）m，緊急情況下的行人疏散速度為uniform（3，5）km/h，行人間舒適距離為uniform（0，0.1）m。其中，站內(nèi)的B1層2個非付費區(qū)，2個付費區(qū)，共計200人；B2層3個非付費區(qū)，3個付費區(qū)，共計400人；B3層站臺區(qū)共計150人，共計疏散750人。

將突發(fā)事件定為火災(zāi)，起火點位于4號線B2站廳層付費區(qū)，假設(shè)火勢相對穩(wěn)定，不會蔓延至其他層。設(shè)定乘客反應(yīng)迅速無延遲，規(guī)定安全疏散時間標(biāo)準(zhǔn)為6分鐘及以內(nèi)。

3.1.3 疏散路徑設(shè)置 位于B3層的乘客生成于該層的站臺區(qū)等待疏散，火災(zāi)報警器響起的同時下達(dá)疏散指令，乘客選擇扶梯組E6或E7乘坐到達(dá)B2層，抵達(dá)B2層的乘客選擇出站閘機B201或B202出站，其選擇概率均相同。根據(jù)就近原則，從閘機B201出站的乘客疏散至5號出口，從閘機B202出站的乘客疏散至3號出口。

位于B2層的乘客一部分生成于該層的3處非付費區(qū)等待疏散，疏散指令下達(dá)后乘客就近選擇3號、5號或6號出口；位于付費區(qū)的乘客同來自B3層的乘客一起疏散至3號或5號出口。另一部分乘客生成在站臺區(qū)，選擇扶梯組E1或E6到達(dá)B1層后選擇出站閘機B101、B102或B103出站，其選擇概率均相同。根據(jù)就近原則，從閘機B101和B102出站的乘客疏散至4A號出口，從閘機B103出站的乘客疏散至1號出口，疏散路線如圖3所示。

圖3 B2層物理模型疏散路線

位于B1層的乘客生成于該層的2處非付費區(qū)等待疏散，疏散指令下達(dá)后乘客就近選擇疏散至1號或4A號出口；位于付費區(qū)的乘客同來自B2層的乘客一起疏散至1號或4A號出口，疏散路線如圖4所示。

圖4 B1層物理模型疏散路線

3.2 疏散仿真結(jié)果分析

疏散開始前乘客分布在各等候區(qū)域內(nèi)，從火災(zāi)報警器響起時起，至全部乘客離開站內(nèi)時止疏散結(jié)束，進行五次疏散仿真，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 疏散情況統(tǒng)計表（共計750人）

五次疏散時間均超過《地鐵設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定安全疏散時間6分鐘［7］，由于模型不計算行人對于火災(zāi)報警器的反應(yīng)時間，現(xiàn)實生活中乘客更無法在安全疏散時間內(nèi)完成疏散。現(xiàn)針對車站動態(tài)疏散過程進行分析：

①在短時間內(nèi)過多的客流從各層出站閘機出站，出站閘機處造成擁堵，形成了疏散瓶頸，嚴(yán)重時會引發(fā)踩踏等二次事故。

②乘客從B1層疏散時均就近選擇4A號和1號出口，而4B號和2號出口沒有得到充分利用，導(dǎo)致大量客流聚集在4A和1號出口，浪費了可利用逃生空間。

③安檢機和隔離護欄的布局，在疏散時阻礙了乘客便捷地抵達(dá)出口，增加了疏散路徑長度和疏散用時。

3.3 疏散模型的優(yōu)化方案

經(jīng)以上分析，對疏散模型進行如下優(yōu)化：

①在疏散開始時刻，同時開放進、出站閘機，增加逃生出口數(shù)量。

②增加站內(nèi)引導(dǎo)標(biāo)志和疏散指揮工作人員，減少匯合行人流的出現(xiàn)，使行人能夠較為通暢到達(dá)出口，完成疏散。

③在物理模型中移除安檢處隔離護欄，從而縮短乘客疏散路徑長度。

依照優(yōu)化方案對疏散模型進行調(diào)整，隨后再次進行五次疏散仿真，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 優(yōu)化后疏散情況統(tǒng)計表（共計750人）

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優(yōu)化后五次疏散用時均值為345.6秒，達(dá)到《地鐵設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定安全疏散時間6分鐘內(nèi)。從疏散過程來看，模型內(nèi)乘客被合理分流，閘機處、扶梯周圍的擁堵問題也得到了明顯改善，證明以上優(yōu)化方案有效。

4 結(jié)論

基于AnyLogic仿真平臺對南京鼓樓地鐵站B2站廳層行人受火災(zāi)影響下的疏散行為過程進行研究，主要研究成果如下：

①檢票閘機是地鐵站必不可少的服務(wù)設(shè)施設(shè)備，在緊急情況下應(yīng)開放站內(nèi)所有進、出站閘機，充分利用所有出入口資源，可大大提高疏散效率。

②增設(shè)合理的指示標(biāo)志和疏散指揮人員，不僅能平穩(wěn)乘客的恐慌心理，還能正確引導(dǎo)乘客選擇最適宜的逃生路徑，減少匯合、交叉行人流的出現(xiàn)及避免出入口處疏散瓶頸的形成，降低發(fā)生二次事故的隱患。

③在不造成資源浪費的情況下，將隔離護欄設(shè)置為可移動式鐵馬，緊急情況下方便工作人員打開鐵馬，縮短疏散路徑，緩解疏散壓力。