地鐵車站客流繞行設(shè)施對(duì)突發(fā)事件下乘客疏散的影響研究*

汪益敏，農(nóng) 軻，仇培云，陳嘉誠，姚詩憶

(1.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；3.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510335)

0 引言

為應(yīng)對(duì)大客流情況，地鐵車站常用鐵馬、伸縮桿等繞行設(shè)施對(duì)進(jìn)站客流進(jìn)行繞行管控。將繞行設(shè)施設(shè)置在指定的位置，能起到增加乘客行走距離，降低乘客行走速度等作用。不同于閘機(jī)等地鐵車站固定設(shè)施，鐵馬、伸縮桿等設(shè)施體積變化隨意，移動(dòng)方便，可結(jié)合地鐵車站實(shí)際客流情況布置于車站各個(gè)區(qū)域。當(dāng)發(fā)生緊急事件時(shí)，若繞行控制區(qū)域過大，繞行距離過長，處于繞行區(qū)域內(nèi)排隊(duì)等候的乘客需要在離開繞行區(qū)域后才可向地鐵出入口疏散，導(dǎo)致可能無法迅速撤離，從而造成較大的人員傷亡。因此，如何科學(xué)合理地布置突發(fā)情況下地鐵車站客流繞行設(shè)施，保證乘客快速有效疏散，成為地鐵安全運(yùn)營亟待解決的問題。

地鐵車站發(fā)生緊急事件時(shí)，影響其疏散能力的主要因素有人的行為、設(shè)備設(shè)施的布局與能力以及人與設(shè)施之間的相互作用[1-2]。許多學(xué)者針對(duì)地鐵車站中影響疏散的因素進(jìn)行相關(guān)研究。郁奇濤等[3]通過對(duì)杭州地鐵換乘站的實(shí)際觀察，指出地鐵車站高峰客流期間，地鐵結(jié)構(gòu)柱、垃圾箱與休息座椅等附屬設(shè)施是地鐵客流疏散的潛在安全隱患。胥旋[4]研究不同車門開啟方式對(duì)乘客疏散影響，制定地鐵緊急疏散時(shí)到站列車的開門方案。穆娜娜等[5]通過對(duì)車站站臺(tái)扶梯、樓梯處不同導(dǎo)流桿長度的探究，給出地鐵車站站臺(tái)導(dǎo)流桿長度選擇建議。侯正波等[6]探究疏散過程中扶梯對(duì)于疏散的影響，得出疏散時(shí)上行扶梯保持運(yùn)行，下行扶梯停止運(yùn)行更為合理。Qu等[7]以香港地鐵為例探究地鐵站屏蔽門與乘客疏散時(shí)間之間的關(guān)系，得出不同客流下車站屏蔽門開啟條件，提供合理的地鐵屏蔽門應(yīng)急疏散策略。Huang等[8]探究地鐵疏散過程中語音警報(bào)的作用，為地鐵車站廣播設(shè)備布置區(qū)域與設(shè)計(jì)提供建議。然而，現(xiàn)有研究主要集中于地鐵車站的靜態(tài)設(shè)施設(shè)備，其往往在地鐵設(shè)計(jì)建造之初被確定了具體位置與形式，或是在日常運(yùn)營中全天候布置，保持位置不變。對(duì)根據(jù)不同的客流情況，可以動(dòng)態(tài)選擇具體布置位置和形式的客流繞行設(shè)施鮮見報(bào)道。因此，本文結(jié)合廣州東站交通樞紐地鐵車站工程實(shí)踐，通過現(xiàn)場調(diào)查、理論分析、仿真模擬等方法，系統(tǒng)開展地鐵車站客流繞行設(shè)施對(duì)突發(fā)事件下乘客疏散的影響研究，以期為地鐵車站合理布置客流繞行設(shè)施提供科學(xué)依據(jù)。

1 地鐵車站客流繞行設(shè)施及實(shí)施方法

地鐵車站客流繞行設(shè)施主要包括可移動(dòng)鐵馬護(hù)欄、伸縮帶欄桿、固定式隔離欄桿、預(yù)埋式隔離欄桿等設(shè)施。其中，可移動(dòng)鐵馬護(hù)欄以不銹鋼為主要材質(zhì)，在沖擊下不易變形，一般長度為1.2～2 m，高度為1.2～1.5 m，主要布置于車站出入口外、站廳、換乘通道等區(qū)域，起引導(dǎo)客流流向的作用，如圖1(a)所示。可移動(dòng)伸縮帶欄桿由底座、伸縮頭、桿體組成，具有體積小、移動(dòng)方便的特點(diǎn)，主要布置于地鐵站廳及站臺(tái)層，起引導(dǎo)、禁止客流通行等作用，如圖1(b)所示。

圖1 地鐵車站客流繞行設(shè)施Fig.1 Passenger flow bypass facilities in subway station

地鐵車站繞行設(shè)施根據(jù)車站結(jié)構(gòu)和使用目的的不同布置成“S”型、“L”型、“Z”型、“一”字型、“川”字型及混合型等。實(shí)施時(shí)主要根據(jù)客流分級(jí)管控要求[9]在不同位置進(jìn)行靈活布置，繞行設(shè)施的布置方式、布置位置及其特點(diǎn)、作用如表1所示。

2 基于社會(huì)力模型的地鐵車站安全疏散仿真模擬方法

2.1 基本原理

社會(huì)力模型將行人抽象為質(zhì)點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行受力分析，規(guī)定行人在前往目的地的過程中受到包括自身驅(qū)動(dòng)力、人與人之間相互作用力以及人與物體之間的相互作用力的影響，從而可以較好地對(duì)地鐵車站乘客運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真模擬[10-11]。

社會(huì)力模型的一般數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(1)所示：

(1)

表1 繞行設(shè)施布置方式及特點(diǎn)Table 1 Layout modes and characteristics of bypass facilities

2.2 AnyLogic仿真建模步驟

AnyLogic是常用于研究人群疏散模型的仿真計(jì)算軟件，其行人庫模塊以社會(huì)力模型為基礎(chǔ)進(jìn)行開發(fā)，仿真建模包括以下5個(gè)步驟，分別為基礎(chǔ)資料搜集、仿真場景搭建、搭建行人邏輯流程、仿真過程演示、仿真結(jié)果輸出，如圖2所示。

圖2 AnyLogic仿真過程Fig.2 AnyLogic simulation process

3 廣州東站地鐵站繞行設(shè)施布置調(diào)查與疏散模型建立

3.1 工程概況

廣州東站地鐵站位于廣州東火車站大樓地底，是廣州地鐵1號(hào)線及廣州地鐵3號(hào)線北延段的換乘車站，在廣州東火車站大樓的地底成“十”字布置。未來廣州地鐵11號(hào)線、廣州地鐵18號(hào)線也會(huì)在此設(shè)站，并與現(xiàn)有線路實(shí)現(xiàn)換乘。

目前該站共有4層結(jié)構(gòu)，從上至下依次為共用站廳層、1號(hào)線站臺(tái)層、換乘通道層以及3號(hào)線站臺(tái)層，該站從北至南分別為3號(hào)線北站廳、1號(hào)線站廳以及3號(hào)線南站廳，如圖3所示。

圖3 車站結(jié)構(gòu)布局Fig.3 Structural configuration of subway station

3號(hào)線南站廳與1號(hào)線站廳處于同1層，即共用站廳層，連接相同的非付費(fèi)區(qū)，北站廳處于地鐵站北端與其余2個(gè)站廳通過站內(nèi)換乘通道相連接。車站目前設(shè)有6個(gè)地鐵站的出入口。H、J出入口處于北站廳處，B、I、G、F出入口處于共用站廳層處，其中I口為廣州東站火車站至地鐵車站的單向免檢入口，只進(jìn)不出，其余出入口均可自由進(jìn)出。

換乘通道位于車站中部，整體結(jié)構(gòu)狹長，通過9個(gè)扶梯與1個(gè)樓梯連接車站中所有站廳與站臺(tái)。

1號(hào)線站臺(tái)位于1號(hào)線站廳之下并與換乘通道相接。3號(hào)線站臺(tái)位于車站最底層，只與換乘通道相接。

3.2 客流特征

相比于普通地鐵車站，綜合交通樞紐地鐵車站具有客流密度大，節(jié)假日客流高峰極高，客流組成復(fù)雜，家庭成員集體出行較多，老、幼乘客比例較高，攜帶行李多，進(jìn)出站速度相對(duì)緩慢，客流組織和風(fēng)險(xiǎn)管控難度非常大等特點(diǎn)。

以2020年1月1日(元旦節(jié))為例，廣州東站地鐵站單日進(jìn)出客流量如圖4所示，客流高峰時(shí)段進(jìn)出站客流總量可達(dá)11 780人/h，全天客流高峰集中在10∶00～15∶00時(shí)段，高峰時(shí)間長達(dá)5 h，客流總計(jì)達(dá)到66 742人次，占全天客流總量的45.9%。同時(shí)，高峰時(shí)段實(shí)施單向免檢的I口客流攜帶行李的比例達(dá)到278人/h，占該時(shí)段客流進(jìn)站的24%。

圖4 2020年1月1日客流分布情況Fig.4 Passenger flow distribution on January 1,2020

高峰時(shí)段車站各流向客流以及各出入口攜帶行李進(jìn)站乘客數(shù)據(jù)如表2所示。

3.3 參數(shù)設(shè)定

3.3.1 車站設(shè)施設(shè)備參數(shù)

廣州東站地鐵站各種設(shè)備設(shè)施數(shù)量及其參數(shù)根據(jù)《地鐵安全疏散規(guī)范》(GB/T 33668—2017)[12]與實(shí)地統(tǒng)計(jì)調(diào)查得出，如表3所示。

3.3.2 人員參數(shù)

設(shè)置行人直徑在0.4～0.5 m之間，攜帶行李乘客為其1.2～1.5倍，且符合隨機(jī)分布。乘客的行走速度包括初始速度、舒適速度，將其分別設(shè)為1～1.4 m/s、1.1～1.4 m/s的隨機(jī)分布[13]。

以觀測統(tǒng)計(jì)得到的各出入口流向客流量為依據(jù)，給出廣州東站各個(gè)出入口進(jìn)站客流分布比例，擬定車站各出入口進(jìn)站人數(shù)。采用節(jié)假日地鐵車站乘客進(jìn)站高峰速率，即5 347人/h，得出I、G、F、B、H、J各個(gè)出入口進(jìn)站速率分別為1 733,1 688,540,588,420,378人/h。

表2 高峰時(shí)段各出入口流向客流量及攜帶行李比例Table 2 Passenger flow and proportion of baggage carried of each entrance and exit during peak hours

表3 設(shè)備設(shè)施參數(shù)Table 3 Parameters of equipments and facilities

3.4 地鐵車站繞行設(shè)施布置

為有效組織和管控地鐵車站客流，廣州東站地鐵站在客流高峰期間布置了較多的可移動(dòng)式繞行設(shè)施。具體采取繞行區(qū)域包括G口站外前往車站安檢，I口、F口、B口前往車站通道，1號(hào)線站臺(tái)前往換乘通道，換乘通道前往3號(hào)線站臺(tái)處以及3號(hào)線站臺(tái)屏蔽門前等地。其繞行設(shè)施布置調(diào)查結(jié)果如表4。圖5(a)與圖5(b)分別為車站出入口處客控點(diǎn)區(qū)域和換乘通道前往站臺(tái)扶梯前的繞行，其布置形式均為“S”型，主要采用鐵馬進(jìn)行繞行布置，其中在出入口控制點(diǎn)結(jié)合伸縮桿共同完成布置。圖5(c)為站臺(tái)屏蔽門前用伸縮桿組成的繞行。

表4 廣州東站地鐵站繞行布置調(diào)查Table 4 Survey on bypass facilities layout of Guangzhou East Railway Station subway station

3.5 疏散仿真模型建立

3.5.1 模擬工況

考慮不同管控等級(jí)對(duì)應(yīng)的繞行設(shè)施布置形式、布置位置等不同的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)地調(diào)查結(jié)果，選取繞行設(shè)施布置4種工況開展疏散仿真分析研究，仿真分析工況條件如表5所示。

將車站固定鐵馬設(shè)施視為車站結(jié)構(gòu)布置于4種工況之中，換乘通道內(nèi)，B口、F口通道內(nèi)的繞行設(shè)施所占橫截面寬度為通道寬度的1/2，換乘通道內(nèi)設(shè)施的寬度與樓梯、扶梯寬度一致。換乘通道內(nèi)部繞行設(shè)施一端與樓扶梯相連，B口處繞行設(shè)施出入口處均在通道內(nèi)部，F(xiàn)口處繞行設(shè)施與安檢相連。以廣州東站建筑結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合觀測所獲設(shè)施設(shè)備布局、設(shè)施設(shè)備參數(shù)、人員數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，建立廣州東站仿真場景。場景包含車站建筑各層結(jié)構(gòu)、樓梯與扶梯、列車軌道、繞行設(shè)施布置，客流密度檢測點(diǎn)等，如圖6所示。

圖5 廣州東站地鐵站繞行布置Fig.5 Bypass facilities layout in Guangzhou East Railway Station subway station

表5 仿真分析工況條件Table 5 Conditions of simulation analysis

圖6 仿真工況Fig.6 Simulation conditions

3.5.2 疏散仿真分析模型

仿真模擬重點(diǎn)研究不同繞行設(shè)施對(duì)客流疏散的影響，仿真時(shí)假設(shè)如下：

1)全體乘客均需疏散出站。

2)疏散過程中，車站所有出入口均可進(jìn)出、閘機(jī)處于打開狀態(tài)，扶梯均停止運(yùn)行。

3)乘客選擇距離最短的出入口離開車站。

行人進(jìn)站與疏散時(shí)的邏輯流程如圖7所示，包含行人產(chǎn)生、購票、乘車流程[14]。根據(jù)觀察多次仿真過程，當(dāng)模型運(yùn)行時(shí)間約550 s時(shí)，站臺(tái)處聚集一定規(guī)模乘客，且車站各區(qū)域客流密度變化保持穩(wěn)定，分布符合實(shí)地調(diào)查結(jié)果，如圖8～9所示。據(jù)此選取模型運(yùn)行時(shí)長10 min為疏散開始時(shí)間，列車尚未駛進(jìn)車站，疏散乘客主要為進(jìn)站乘客。在疏散仿真中根據(jù)乘客疏散開始時(shí)位置將其分為站廳疏散以及站臺(tái)疏散2種類型，統(tǒng)計(jì)乘客疏散時(shí)間以及相應(yīng)人數(shù)，車站關(guān)鍵位置的客流密度變化情況。

圖7 行人進(jìn)站與疏散邏輯流程Fig.7 Logical procedure of pedestrian arrival and evacuation

4 結(jié)果及分析

4.1 疏散時(shí)間

表6為4種仿真情況下站廳與站臺(tái)乘客疏散至地鐵車站外的時(shí)間統(tǒng)計(jì)。

站廳層最后1位乘客疏散所需時(shí)間最長為196.1 s，最短為192.0 s，二者相差較小。站臺(tái)層乘客疏散時(shí)間差別較大，最后1位乘客的疏散時(shí)間隨著繞行設(shè)施的增加不斷增加。造成這樣耗時(shí)增加原因主要有：繞行設(shè)施的設(shè)置使得乘客疏散時(shí)所需走過的路程增加；疏散過程中進(jìn)出站乘客沖突而無法快速疏散；設(shè)施減小通道寬度使得疏散過程中產(chǎn)生擁擠，在二級(jí)客流管控繞行下乘客的最長疏散時(shí)間達(dá)到1 035.2 s。

站廳乘客、站臺(tái)乘客及全體乘客平均疏散時(shí)間如圖10所示。在一級(jí)客流管控繞行措施下，客流從站臺(tái)向上疏散時(shí)繞行設(shè)施提供明確的路徑引導(dǎo)，避免乘客疏散時(shí)的沖突，為站廳乘客疏散預(yù)留了時(shí)間，使得其站廳層、站臺(tái)層以及全體乘客的疏散時(shí)間有所下降。其中站廳層平均疏散時(shí)間與全體乘客平均疏散時(shí)間均為4種仿真情況下的最小值，一級(jí)客流管控繞行措施下，站廳疏散時(shí)間比無繞行設(shè)施疏散時(shí)間降低1.5%，站臺(tái)疏散時(shí)間比無繞行設(shè)施疏散時(shí)間增加0.4%，全體乘客疏散時(shí)間則比無繞行設(shè)施下疏散時(shí)間下降1.8%。二級(jí)客流管控繞行各疏散時(shí)間均為4種工況仿真中最大值，站廳、站臺(tái)疏散時(shí)間以及全體乘客疏散時(shí)間較無繞行設(shè)施分別增加6.5%，2.3%，5.3%。

圖8 第550 s時(shí)刻換乘通道與3號(hào)線站臺(tái)乘客分布Fig.8 Passenger distribution of transfer channel and platform of Line 3 at 550 s

圖9 第550 s時(shí)刻共用站廳客流密度Fig.9 Passenger flow density of shared station hall at 550 s

4.2 客流密度

繞行設(shè)施區(qū)域客流密度如圖11所示。由圖11(a)可知，一級(jí)客流管控繞行與二級(jí)客流管控繞行均在換乘通道處設(shè)置繞行設(shè)施，距離繞行設(shè)施距離較遠(yuǎn)的區(qū)域，各情況下客流密度變化較為穩(wěn)定，最高密度差距較小，最大客流密度約為1.1人/m2。圖11(b)表明，B口通道中，二級(jí)客流管控繞行對(duì)客流密度影響較大，密度最大值為其余工況下的2～4倍。F口檢測點(diǎn)位于安檢通道處，由圖11(c)可知，二級(jí)客流管控繞行開始疏散時(shí)繞行設(shè)施內(nèi)部客流密度同樣較大，隨后逐漸下降，在720 s時(shí)，站臺(tái)乘客的到來使其增加，其中二級(jí)客流管控下增加值最大。可見，疏散時(shí)因乘客受到繞行設(shè)施的限制無法及時(shí)撤離，使繞行區(qū)域內(nèi)客流密度增大，對(duì)于繞行區(qū)域附近區(qū)域影響較小。繞行設(shè)施兩端均布置于通道內(nèi)會(huì)對(duì)客流密度的影響較大，客流進(jìn)一步增加會(huì)導(dǎo)致通道的擁堵。

表6 仿真疏散時(shí)間Table 6 Simulated evacuation time

圖10 疏散時(shí)間對(duì)比Fig.10 Comparison of evacuation time

圖11 客流密度變化Fig.11 Change of passenger flow density

4.3 疏散人數(shù)

疏散人數(shù)變化如圖12所示，0～120 s主要為站廳乘客疏散時(shí)間，4種工況分別疏散532，589，604，593人。一級(jí)客流管控繞行和二級(jí)客流管控繞行站臺(tái)乘客在向上疏散時(shí)，受到站臺(tái)層或換乘通道處繞行設(shè)施的阻攔，避免“快即是慢”的現(xiàn)象，在前期疏散速率較高。同時(shí)，其余情況下站臺(tái)乘客在疏散時(shí)易發(fā)生站廳層與站臺(tái)層乘客的沖突，造成疏散效率下降，使站廳和站臺(tái)乘客疏散之間出現(xiàn)明顯的分界，如圖12工況2所示，疏散速率在120 s左右區(qū)域平緩，隨著站臺(tái)乘客的到來疏散速率進(jìn)一步提高。

圖12 仿真疏散人數(shù)變化Fig.12 Change of number of simulated evacuation passenger

4.4 改進(jìn)措施

由上述結(jié)果分析可知，二級(jí)管控條件下繞行設(shè)施以“S”型布置于車站通道、安檢區(qū)域等地使其疏散時(shí)間延長，乘客疏散時(shí)會(huì)在繞行設(shè)施處產(chǎn)生擁擠，使客流密度增加。因此對(duì)二級(jí)客流管控繞行布置形式進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，優(yōu)化方案1：采用間隔布置的“S”型鐵馬，乘客進(jìn)站時(shí)的管控效果與原“S”型布置相同；優(yōu)化方案2：采用與通道平行的“一”字型鐵馬設(shè)置，將通道寬度按進(jìn)站方向?qū)挾缺瘸稣痉较驅(qū)挾葹?∶2進(jìn)行分隔，在乘客進(jìn)站通過時(shí)限制其速度，起到與繞行相似效果。對(duì)2種疏散優(yōu)化方案進(jìn)行仿真，所得疏散結(jié)果與未優(yōu)化前疏散結(jié)果進(jìn)行比較，如表7所示。

表7 優(yōu)化前后對(duì)比Table 7 Comparison before and after optimization

當(dāng)采用優(yōu)化方案1的間隔布置時(shí)，乘客在疏散時(shí)可從繞行設(shè)施布置間隔中逃離，站廳乘客平均疏散時(shí)間為59.97 s，相較于未優(yōu)化時(shí)減少5.3%，但在疏散過程中仍有客流密度過大的問題；當(dāng)采用優(yōu)化方案2的“一”字型鐵馬布置時(shí)，占用通道面積減少，站廳乘客在短暫的擁擠后能快速度疏散，站廳乘客平均疏散時(shí)間為62.00 s，相較于未優(yōu)化時(shí)減少2.0%。同時(shí)，避免站臺(tái)乘客疏散至站廳造成進(jìn)一步擁擠的情況，站臺(tái)疏散時(shí)間相較于未優(yōu)化時(shí)減少1.6%。

5 結(jié)論

1)常態(tài)化管控繞行與二級(jí)客流管控情況下設(shè)施布置使疏散時(shí)間分別增加1.2%和5%，疏散時(shí)及時(shí)撤離繞行設(shè)施可保證乘客快捷有效疏散。繞行設(shè)施有助于提高車站整體乘客疏散效率，一級(jí)管控條件下設(shè)置于樓扶梯相接的繞行設(shè)施使得疏散時(shí)間相比于無繞行設(shè)施下降1.8%，疏散過程中保留與樓梯和扶梯相連接的繞行設(shè)施可以保證客流更為有序疏散。

2)當(dāng)繞行設(shè)施布置于車站通道時(shí)，疏散初期客流密度是無繞行設(shè)施布置情況下的2～4倍，疏散時(shí)間最大增加約30 s。二級(jí)管控下的繞行布置阻擋站臺(tái)向上疏散至出入口的乘客疏散，客流密度增加值為4種條件下的最高值。地鐵車站在采取二級(jí)客流管控時(shí)，應(yīng)在考慮繞行對(duì)疏散影響下選擇開闊的區(qū)域布置“S”型繞行設(shè)施。

3)在繞行布置地點(diǎn)一致的情況下，采取不同的布置形式可有效減少乘客疏散時(shí)間，間隔布置下站廳乘客平均疏散時(shí)間為59.97 s，較未優(yōu)化前減少3.32 s，但在疏散時(shí)乘客密度與優(yōu)化前相差不大。“一”字型布置下站廳與站臺(tái)乘客疏散時(shí)間分別下降2%與1.6%，同時(shí)客流密度也減少至0.09人/m2。可見，“一”字型繞行設(shè)施布置于車站長通道內(nèi)對(duì)于地鐵站乘客疏散更為有利。