地鐵樞紐車站大客流疏散性能評估及策略優(yōu)化研究*

鐘茂華,陳俊灃,劉曉慶,趙 淼

(1.清華大學(xué) 工程物理系公共安全研究院，北京 100084；2.北京市軌道交通運營管理有限公司，北京 100068)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，諸多城市開始推進(jìn)城市軌道交通建設(shè)，截止2020年底，我國已有45個城市開設(shè)城市軌道交通線路，累計運營線路長度達(dá)7 978.19 km[1]。在城軌系統(tǒng)拓展過程中，與其他公共交通工具接駁的綜合性交通樞紐逐漸增加。換乘樞紐車站可有效組織不同出行需求客流的匯集和分配，提升軌道交通系統(tǒng)與其他交通系統(tǒng)的銜接效率[2]。同時，換乘樞紐車站也面臨嚴(yán)峻的客流壓力，一旦發(fā)生火災(zāi)等緊急情況，極易出現(xiàn)擁擠、堵塞等現(xiàn)象，引發(fā)安全事故[3]。

數(shù)值模擬是疏散過程研究的重要方法，通過計算機(jī)仿真可以獲得人員疏散過程特征和撤離時間，為疏散方案設(shè)計提供參考[4]。目前，應(yīng)用最為廣泛的疏散仿真模型包括社會力模型[5]、元胞自動機(jī)模型[6]和格子氣模型[7]，并開發(fā)出Pathfinder、EXODUS、Anylogic、Legion等疏散模擬仿真軟件。

基于數(shù)值模擬方法，學(xué)者對地鐵車站人員疏散過程開展研究：Yang等[8]分析火災(zāi)場景下地鐵站內(nèi)人員疏散表現(xiàn)，評估不同火源位置、火源功率、通風(fēng)模式和乘客密度對疏散過程的影響；Jiang等[9]分析不同乘客數(shù)量、設(shè)施工作狀態(tài)場景的疏散表現(xiàn)以及疏散瓶頸位置，并針對疏散效率提升提出改進(jìn)建議；Feng等[10]分析地鐵車站毒氣泄漏場景下人員疏散危險性，研究不同通風(fēng)模式對疏散策略選擇的影響；Zhang等[11]從火源功率、火源位置和人員規(guī)模3個方面比較地鐵站內(nèi)不同火災(zāi)場景下的危險性，指出站廳層出入口處發(fā)生火災(zāi)場景的危險性最大；梅艷蘭等[12]分析武漢某地鐵站密集人群應(yīng)急疏散能力和瓶頸，指出疏散設(shè)施不足、各設(shè)施利用率不均衡、疏散能力不匹配是影響疏散效率的主要因素。此外，部分學(xué)者針對出入口[13]、樓扶梯[14]、閘機(jī)[15]、導(dǎo)流帶[16]等設(shè)施布局對疏散時間和疏散表現(xiàn)的影響展開研究。

目前，針對不同空間結(jié)構(gòu)換乘樞紐車站疏散性能和疏散策略的研究相對較少：邢彥林[17]通過對3線換乘樞紐車站進(jìn)行疏散模擬仿真，提出需要通過增加導(dǎo)向標(biāo)識、設(shè)置引導(dǎo)人員、減少疏散路徑流線彎折等方式優(yōu)化車站疏散表現(xiàn)；李丹辰等[18]分析某4線換乘樞紐中不同設(shè)施工作狀態(tài)、客流密度場景下車站疏散表現(xiàn)，指出樓扶梯和出入口是影響疏散時長的主要因素。

本文基于某大型整體式站廳樞紐換乘車站人員疏散，構(gòu)建模擬仿真模型，利用數(shù)值模擬方法對比不同客流規(guī)模下的疏散表現(xiàn)，評估該車站人員疏散通過能力和疏散性能，分析樓扶梯、出入口設(shè)施停用對車站疏散性能的影響，識別車站關(guān)鍵疏散瓶頸，并針對車站特性提出疏散優(yōu)化策略，對比優(yōu)化前后車站疏散性能差異。研究結(jié)果可為整體式站廳樞紐換乘車站的疏散方案制定、客流組織模式設(shè)計提供理論支撐。

1 模擬場景構(gòu)建

1.1 數(shù)值模擬工具

本文選擇基于元胞自動機(jī)模型開發(fā)的BuildingEXODUS軟件進(jìn)行建模，該軟件可用于評估各類建筑物的疏散通過能力和人員撤離效率。軟件包含移動、行為、人員、災(zāi)害和毒性5個互相耦合的子模型，可體現(xiàn)人員之間、人員與災(zāi)害之間以及人員與空間結(jié)構(gòu)間的相互作用[19]。

軟件將建筑物劃分為一系列節(jié)點，節(jié)點間互相連接，每個節(jié)點在同一時刻只能被1名疏散人員占據(jù)，節(jié)點尺寸為0.5 m×0.5 m。疏散人員通過在節(jié)點間移動逐漸靠近出口，并最終通過出口離開建筑[19]。BuildingEXODUS軟件的有效性已經(jīng)過檢驗[20]，并廣泛應(yīng)用于地鐵車站[13]的疏散模擬仿真研究。

1.2 車站概況

CQ站是3線換乘車站，作為機(jī)場快線和市區(qū)骨干地鐵線路接駁車站，同時面臨航空旅客客流和日常出行客流壓力，是較為典型的綜合性交通樞紐。車站地下共有2層，其中地下1層為站廳，地下2層為站臺。19號線與新機(jī)場線平行布置，通過站廳換乘，10號線通過換乘通道與19號線/新機(jī)場線站廳連接。由于換乘通道長度達(dá)390 m，10號線車站區(qū)域與19號線/新機(jī)場線車站區(qū)域相對獨立，故將換乘通道視為疏散出口之一，主要分析使用整體式站廳的19號線/新機(jī)場線車站區(qū)域的疏散表現(xiàn)。

車站整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。站廳層全長321.2 m,寬94 m，其中乘客可到達(dá)區(qū)長179.6 m。車站共設(shè)有E、F、G3個出入口，分別位于車站正西、東北及東南方位，E出入口采用4部扶梯形式，F(xiàn)、G出入口采用2部扶梯與1部樓梯搭配的形式，在E出口一側(cè)設(shè)有網(wǎng)約車和出租車快速通道，在危險場景下也可作為人員疏散出口。

圖1 CQ站車站結(jié)構(gòu)示意

新機(jī)場線站臺層為側(cè)式站臺，每個站臺全長296.9 m,寬16.1 m，其中乘客可到達(dá)區(qū)長183.6 m。新機(jī)場線區(qū)域共設(shè)置4個樓扶梯組，均為2部扶梯的形式，將其命名為樓扶梯組1～4。19號線站臺層為島式站臺，全長315.2 m,寬15.6 m，其中乘客可到達(dá)區(qū)長181.2 m，19號線區(qū)域共設(shè)置4個樓扶梯組，其中位于站臺端部的2個樓扶梯組為2部扶梯與1部樓梯的組合形式，扶梯布置于樓梯兩側(cè)。位于站臺中部的2個樓扶梯組采用3部扶梯的形式。根據(jù)《地鐵安全疏散規(guī)范》(GB/T 33668—2017)[21]，垂直電梯不計入事故疏散用通道，在數(shù)值模擬中將其視為障礙物，車站兩端設(shè)備間同樣設(shè)置為障礙物。

1.3 疏散人員設(shè)置

基于在CQ站實地觀察結(jié)果，獲得高峰時段車站內(nèi)乘客年齡、性別組成，根據(jù)相關(guān)規(guī)范設(shè)置每類人群的移動速度[21]，見表1。

表1 站內(nèi)人員比例及移動速度

為準(zhǔn)確評估車站疏散性能，選擇客流規(guī)模最大，疏散風(fēng)險性最高的運營遠(yuǎn)期高峰時段客流量構(gòu)建疏散場景。通過《北京地鐵十九號線一期工程可行性研究報告》[22]對CQ站遠(yuǎn)期高峰客流規(guī)模的估計，計算得到超高峰時段列車斷面客流及站內(nèi)客流量，并以此設(shè)置站內(nèi)疏散人員規(guī)模，結(jié)果見表2。

表2 CQ站疏散人員數(shù)量設(shè)計

由于CQ站是新機(jī)場線的北端終點站，北向南方向無下車客流及車內(nèi)斷面客流，南向北方向無上車客流。在設(shè)計疏散場景時，站廳及站臺候車乘客數(shù)量取2條線路上車及下車乘客數(shù)量之和，取客流量較大的南向北方向斷面客流作為列車內(nèi)乘客數(shù)量。構(gòu)建模擬場景時，站內(nèi)人數(shù)設(shè)置為2條線路分別有1列列車進(jìn)站停車時的乘客人數(shù)。

1.4 模擬工況設(shè)計

模擬工況設(shè)計見表3，針對車站疏散通過能力評估、疏散瓶頸分析和疏散性能優(yōu)化3個目標(biāo)，共設(shè)置20組模擬工況。

表3 CQ站疏散模擬仿真工況設(shè)計

在開展疏散通過能力評估時，分別針對全部設(shè)施正常工作場景及部分扶梯檢修場景進(jìn)行數(shù)值模擬研究，考察車站是否符合《地鐵安全疏散規(guī)范》(GB/T 33668—2017)[21]中對車站疏散安全性的要求。由于站臺具有對稱性，選擇站臺南側(cè)的樓扶梯組1，3，5，6中1部扶梯停用場景開展評估。隨后逐一分析樓扶梯組及出入口停用對車站疏散表現(xiàn)的影響程度，以定位疏散瓶頸位置。最后，對基于疏散通過能力核算和疏散瓶頸識別結(jié)果制定的優(yōu)化疏散策略進(jìn)行模擬，以評估疏散性能優(yōu)化效果。站內(nèi)全部閘機(jī)和柵欄門均設(shè)置為開啟狀態(tài)，全部扶梯設(shè)置為停止運行狀態(tài)并作為樓梯使用，人員響應(yīng)時間設(shè)置為1 min。

2 結(jié)果分析

2.1 車站疏散通過能力評價

各疏散通過能力評估場景的疏散表現(xiàn)見表4。根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB 50157—2013)[23]，在運營遠(yuǎn)期高峰時段客流規(guī)模場景下，車站應(yīng)滿足在6 min內(nèi)將1列進(jìn)站列車所載乘客及站臺候車人員全部撤離站臺的要求。

表4 通過能力評價場景疏散性能

在全部設(shè)施正常工作的工況1中，全體列車及站臺候車乘客僅需260.55 s即可撤離站臺，但該場景下撤離車站過程耗時約568 s，且在站臺樓扶梯口、站廳出入口區(qū)域出現(xiàn)較為嚴(yán)重的乘客擁擠等待情況。

在部分扶梯檢修時，除新機(jī)場線南向北站臺中1部扶梯檢修場景外，其余場景疏散性能仍然滿足安全疏散要求。主要因為新機(jī)場線樓扶梯組均采用2部扶梯的組合形式，扶梯檢修將使該樓扶梯組的疏散通過能力降低50%，整個站臺疏散通過能力降低25%，使新機(jī)場線區(qū)域乘客長時間滯留在檢修中的樓扶梯組附近，如圖2所示。19號線區(qū)域采用扶梯與樓梯組合式設(shè)計，共有樓梯2部、扶梯10部，遠(yuǎn)大于新機(jī)場線單個站臺區(qū)域的4部扶梯，當(dāng)其中1部扶梯檢修時，乘客可以選擇其他樓扶梯作為替代疏散通道，受影響相對較小。對比各工況整體疏散表現(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，扶梯檢修時，撤離站臺時間有所增大，但站廳區(qū)域的疏散過程受影響較小。

2.2 疏散瓶頸分析

各樓扶梯及出入口停止使用場景對應(yīng)疏散表現(xiàn)見表5。通過數(shù)值模擬可以定量評估各設(shè)施停止使用時，對車站疏散表現(xiàn)的影響程度，識別疏散過程中的關(guān)鍵瓶頸，為疏散策略制定和疏散效率優(yōu)化提供依據(jù)。

表5 瓶頸識別場景疏散性能

不同設(shè)施工作狀態(tài)下機(jī)場線站臺客流密度對比如圖2所示。當(dāng)位于新機(jī)場線北向南方向站臺樓扶梯停用時，整體疏散表現(xiàn)與所有設(shè)施正常工作的工況1基本一致。在開始疏散3 min后，僅有少量乘客尚未離開該站臺，如圖2(b)和圖2(c)所示。1組扶梯停用時，該站臺的疏散耗時仍小于其余2個站臺，并未對車站整體疏散表現(xiàn)產(chǎn)生顯著影響。

圖2 不同設(shè)施工作狀態(tài)下機(jī)場線站臺客流密度對比(開始疏散3 min)

當(dāng)新機(jī)場線南向北方向站臺樓扶梯停用時，由于該站臺同時面臨列車內(nèi)客流和站臺客流的疏散壓力，撤離站臺時間明顯增大，較多乘客滯留在站臺可使用的扶梯組入口區(qū)域，如圖2(d)和圖2(e)所示。

不同設(shè)施工作狀態(tài)下19號線站臺客流密度對比如圖3所示，當(dāng)19號線站臺樓扶梯停用時，站廳和站臺的疏散性能均明顯下降，主要因為19號線客流密度較大，當(dāng)1部樓扶梯組停用時，大量乘客選擇與停用樓扶梯位于同一側(cè)的另一組樓扶梯，該樓扶梯組區(qū)域聚集大量乘客排隊，影響站廳層的疏散效率，危險性較大。

圖3 不同設(shè)施工作狀態(tài)下19號線站臺客流密度對比(開始疏散3 min)

不同設(shè)施工作狀態(tài)下站廳客流密度對比如圖4所示，當(dāng)出入口停用時，站廳層的疏散過程出現(xiàn)明顯改變，部分乘客需要前往距離更遠(yuǎn)的出入口疏散，導(dǎo)致撤離車站時間明顯延長，而站臺疏散過程并未受到出入口停用的影響。

圖4 不同設(shè)施工作狀態(tài)下站廳客流密度對比(開始疏散3 min)

對于不同的出入口停用場景，撤離車站時長取決于剩余出入口的疏散通過能力以及客流在剩余出入口間分布的均勻程度。由于出入口E疏散通過能力相對最大，當(dāng)出入口E停止使用后，新機(jī)場線區(qū)域的客流將匯入19號線區(qū)域，加劇出入口F、G處的擁擠，使出入口E停止使用工況的疏散耗時相對最長。

2.3 疏散策略優(yōu)化

基于疏散通過能力評價以及疏散瓶頸識別結(jié)果，結(jié)合實地勘察分析，針對站臺疏散優(yōu)化和站廳疏散優(yōu)化分別提出以下建議：

1)站臺應(yīng)設(shè)置站務(wù)人員，引導(dǎo)乘客均勻使用各樓扶梯疏散，避免乘客大規(guī)模聚集在個別樓扶梯區(qū)域。

2)站廳應(yīng)增加應(yīng)急出口，提升疏散場景下出入口疏散通過能力，避免出入口區(qū)域出現(xiàn)擁擠和長時間等待。

基于上述優(yōu)化建議，開展工況17～20的數(shù)值模擬，主要疏散表現(xiàn)見表6，優(yōu)化后各場景的疏散表現(xiàn)相比優(yōu)化前均有顯著提升。

表6 策略優(yōu)化場景疏散性能對比

優(yōu)化后場景客流密度分布如圖5所示。工況17開始疏散3 min后，站廳層客流密度如圖5(a)所示，通過啟用位于站廳東側(cè)的下沉廣場以及對應(yīng)的7、8號應(yīng)急出口，并引導(dǎo)部分19號線客流通過應(yīng)急出口撤離車站，出入口G的客流壓力得到顯著緩解。通過啟用應(yīng)急出口，該場景中撤離車站時間和平均疏散時長分別下降29.5%，26.9%。

圖5 優(yōu)化后場景客流密度分布(開始疏散3 min)

工況18開始疏散3 min后新機(jī)場線站臺層客流密度如圖5(b)所示，通過引導(dǎo)站臺及車內(nèi)乘客通過樓扶梯組4疏散，緩解樓扶梯組3處的擁擠，提高新機(jī)場線站臺層區(qū)域疏散速度，同時站廳層采用開啟應(yīng)急出口措施。采用優(yōu)化策略后，該場景下的站臺撤離時間、站廳撤離時間和平均疏散時間分別縮短8.89%，11.01%，29.67%。

工況19開始疏散3 min后19號線站臺層區(qū)域如圖5(c)所示。通過引導(dǎo)部分距離樓扶梯組7較近的乘客選擇樓扶梯組5、6撤離站臺，避免乘客長時間滯留在樓扶梯7區(qū)域。通過采用優(yōu)化策略，該場景下的站臺撤離時間、站廳撤離時間和平均疏散時間分別縮短16.84%，31.18%，29.93%。

工況20出入口E停用場景開始疏散3min后站廳層客流密度如圖5(d)所示。在出入口E停止使用后，新機(jī)場線乘客選擇出入口F、G撤離車站。此時，引導(dǎo)19號線區(qū)域乘客選擇站廳東側(cè)的應(yīng)急出口和下沉廣場撤離車站，使站廳撤離時間和平均疏散時間分別縮短31.40%，41.22%。

3 結(jié)論

1)除新機(jī)場線南向北站臺中1部扶梯檢修場景外，其余扶梯檢修場景和全部設(shè)施正常工作場景的疏散表現(xiàn)均滿足規(guī)范要求。但各場景中撤離車站時長達(dá)566.91～568.77 s，且在站臺樓扶梯口、站廳出入口區(qū)域存在較嚴(yán)重的乘客擁擠等待，車站整體疏散表現(xiàn)有待優(yōu)化。

2)樓扶梯和出入口是車站人員疏散過程中的關(guān)鍵瓶頸：當(dāng)疏散通過能力較大的出入口E或樓扶梯組8停止使用時，導(dǎo)致站廳疏散時長和站臺疏散時長分別增大65.12%，19.36%，車站疏散危險性顯著增大。

3)采用站臺設(shè)置站務(wù)人員引導(dǎo)乘客均勻使用各樓扶梯疏散，站廳增加應(yīng)急出口提升出入口疏散通過能力等優(yōu)化措施，撤離站臺時長可縮短8.89～16.84%，撤離車站時長可縮短11.01～31.40%，平均疏散時長可縮短26.93%～41.22%，車站疏散性能和安全性得到顯著提高。