基于Pathfinder的多出口地鐵站疏散效率優(yōu)化研究

摘" 要：針對地鐵運營階段的安全疏散問題，統(tǒng)計某多出口地鐵站的物理參數(shù)并獲取CAD圖紙，使用Pathfinder軟件生成多出口地鐵站模型，并針對正常人流量以及早晚高峰流量進行客流疏散仿真模擬。研究結(jié)果表明，乘客從多出口地鐵站疏散的過程中，并非所有的出口都能得到有效利用，出口附近的閘機最為擁堵，根據(jù)模擬結(jié)果分析出口未被有效利用的原因，并對此提出優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞：地鐵站；Pathfinder；疏散效率；多出口地鐵站；優(yōu)化建議

中圖分類號：U231" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）36-0027-05

Abstract： Aiming at the safety evacuation problem during the subway operation stage， the physical parameters of a multi-exit subway station were counted and CAD drawings were obtained. Pathfinder software was used to generate a multi-exit subway station model， and passenger flow evacuation simulation was carried out for normal human flow and morning and evening peak flow. The research results show that during the evacuation of passengers from multi-exit subway stations， not all exits can be effectively utilized， and the gates near the exits are the most congested. Based on the simulation results， the reasons why the exits are not effectively utilized are analyzed， and optimization suggestions are put forward.

Keywords： subway station; Pathfinder; evacuation efficiency; multi-exit subway station; optimization suggestion

經(jīng)濟增長和城市化步伐的加快導致城市人口激增，同時增加了居民的出行需求，這對城市交通系統(tǒng)構(gòu)成了挑戰(zhàn)。地鐵作為城市軌道交通的關(guān)鍵部分，以其高效的運營和環(huán)保特性，提高了出行的便捷性，并被廣泛用于減輕地面交通壓力。但同時，大型地鐵站在高峰時段的客流量大，對運營安全提出了挑戰(zhàn)。在這些時段，站內(nèi)擁擠，空間有限，一旦發(fā)生緊急情況，由于空間狹小、人員密集、出口不足、出入口使用不均、疏散路線過長和瓶頸處擁堵等因素，可能導致恐慌和混亂，疏散速度減慢，救援困難，增加事故發(fā)生的風險，可能導致人員傷亡或財產(chǎn)損失。因此，優(yōu)化地鐵站的疏散流程，提高出口使用效率，以及解決瓶頸區(qū)域的過度擁擠，是至關(guān)重要的研究課題。

1" 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

對建筑物內(nèi)緊急情況下人員疏散的研究可以追溯到20世紀50年代，跨越心理學、社會學、工程學和計算機科學等多個領(lǐng)域。

Roh等[1]利用FDS軟件模擬探討了站臺屏蔽門和通風系統(tǒng)對疏散效率的影響，發(fā)現(xiàn)屏蔽門的使用延長了疏散時間。Tsukahara等[2]通過FDS軟件分析了火災產(chǎn)生的煙霧、高溫和有毒氣體對疏散過程的影響，并研究了在大規(guī)模火災情況下的有效疏散路徑，提出了創(chuàng)新的疏散路線。Wang等[3]基于運籌學原理，引入了“引導分區(qū)”理念，并開發(fā)了地鐵站應(yīng)急疏散的智能引導算法。耿康順等[4]提出了一種基于定位技術(shù)的實時疏散引導策略，并通過Pathfinder軟件模擬了該策略下的室內(nèi)疏散過程，驗證了其有效性。陳一洲等[5]構(gòu)建了復雜建筑人員密集區(qū)域的人群疏散數(shù)學模型，并利用Pathfinder計算了人員疏散時間，觀察出疏散人員在樓梯口易發(fā)生堵塞且最占用疏散時間的現(xiàn)象。Li等[6]通過Pathfinder軟件對地鐵站疏散過程進行仿真，發(fā)現(xiàn)樓梯和大門是疏散過程中的主要瓶頸。梅艷蘭等[7]使用Pathfinder軟件構(gòu)建了地鐵站密集人群應(yīng)急疏散能力仿真系統(tǒng)，以武漢某地鐵站為例進行了仿真分析，探討了該站的疏散能力和瓶頸問題。Zhang等[8]利用FDS軟件模擬了多種地鐵火災場景，量化了溫度、能見度和有毒氣體對疏散時間的影響，并提出了一個新的參數(shù)來識別高風險火災場景。

我國針對客流量較大的多出口地鐵站的人員疏散研究尚不充分，以往的研究多集中于疏散模型構(gòu)建和風險評估等方面。然而，針對特定多出口地鐵站出口使用率關(guān)鍵問題的研究相對較少。本文采用Pathfinder軟件對某多出口地鐵站乘客疏散過程進行模擬，并針對模擬結(jié)果提出優(yōu)化建議。

2" 研究基礎(chǔ)

2.1" 仿真疏散模擬軟件Pathfinder

Pathfinder是一款人員疏散模擬軟件，其通過自定義每一個人員的數(shù)量、速度和出口數(shù)量，來實現(xiàn)模擬不同人員獨特的逃生路徑和逃生時間，利用計算機圖形仿真和3D角色建模等技術(shù)，對多個群體中的每個個體運動都進行圖形化的虛擬演練。作為一款可以模擬逃生情景的軟件，將強大的仿真引擎與人群移動的靈活控制相結(jié)合，能夠模擬出人員逃生時可能出現(xiàn)的各種狀況[9]，如今，應(yīng)用領(lǐng)域擴展到建筑防災設(shè)計、災難逃生科學研究、人員災難模擬訓練。2015年，杜長寶等[10]把Pathfinder的人員疏散模擬原理、模擬疏散過程與其他軟件和現(xiàn)實疏散情況進行了對比研究，發(fā)現(xiàn)Pathfinder模擬的疏散過程更接近于真實情況，所以使用該軟件進行人員疏散模擬探究得出的相關(guān)結(jié)論是有一定的參考意義的。

2.2" 疏散模型簡介

本文統(tǒng)計某地鐵站的物理參數(shù)并獲取CAD圖紙，使用Pathfinder軟件構(gòu)建地鐵站模型并模擬地鐵站乘客疏散情況。疏散模型各層標高取該樓層站臺層標高，1號線、2號線站廳層標高-4.45 m，1號線設(shè)備層、2號線站臺層標高-9.81 m，1號線站臺層標高-16.41 m。2號線站臺層設(shè)有3部供乘客使用的疏散樓梯，分別為1#樓扶梯、2#樓扶梯、3#樓扶梯。1#樓扶梯、2#樓扶梯、3#樓扶梯直接連通站廳層及2號線站臺層。1號線站臺層設(shè)有4部供乘客使用的疏散樓梯，分別為2#樓梯、1號線1#樓扶梯、1號線2#樓扶梯和1號線3#樓扶梯。1號線1#樓扶梯、1號線2#樓扶梯、1號線3#樓扶梯直接連通站廳層及1號線站臺層，2#樓梯連接建筑各層。當?shù)罔F站內(nèi)發(fā)生火災時，1號線及2號線換乘樓梯被防火卷簾封堵，不可用于人員疏散。使用Pathfinder建立地鐵站人員疏散模型，如圖1和圖2所示。

3" 地鐵站疏散模型仿真

3.1" 人員參數(shù)設(shè)定

根據(jù)人員的年齡與性別將疏散人員劃分為兒童、成年男性、成年女性和老人，因為在這種環(huán)境下，人員在疏散時會頻繁發(fā)生身體接觸和碰撞，導致移動過程中出現(xiàn)擁堵和停滯，這與真實疏散場景中的人流動態(tài)相仿。在疏散過程中假設(shè)人員移動不受心理狀態(tài)、生理條件或外部環(huán)境的影響，不考慮疏散過程中可能出現(xiàn)的意外事件。本文關(guān)注的是多出口的使用率以及疏散過程的有序性，不考慮疏散人員的個體差異對疏散的影響，因此人員的相關(guān)參數(shù)均采用默認值，每個乘員設(shè)置肩寬38 cm，速度是1.19 m/s，身高1.75 cm，設(shè)置所有人的行為是“去任意出口”。

3.2" 疏散模擬

為檢驗地鐵站人員疏散能力，設(shè)置不同人員密度進行人員疏散模擬。設(shè)置正常人流量情況下和早晚高峰期狀態(tài)下的模擬，工況設(shè)置如下。

3.2.1" 正常人流量

設(shè)置1號線雙向列車同時到站，每輛列車載有600人，候車人員100人；2號線雙向列車每輛列車載有500人，設(shè)候車人員100人；站廳層隨機分布300名乘客，總疏散人數(shù)為2 700人。

3.2.2" 早晚高峰

設(shè)置1號線雙向列車同時到站，每輛列車載有1 100人，候車人員200人；2號線雙向列車每輛列車載有900人，候車人員200人，站廳層隨機分布600名乘客，總疏散人數(shù)為5 000人。

3.3" 模擬結(jié)果分析

3.3.1" 正常人流量模擬分析

正常人流量2 700人進行疏散，疏散開始前100 s位于站廳層的疏散人員主要使用的出口分別是10號、11號、12號、13號出口，以及通地面出口1、通地面出口2，堵塞普遍發(fā)生在閘機口處，擁堵情況如圖3所示。

開始疏散的第100 s時，站廳層人員擁堵最為嚴重，位于站廳層2#樓扶梯和3#樓扶梯人員密度最高，乘客堆積在疏散樓梯口兩側(cè)，導致兩側(cè)的閘機出口使用率不足，疏散人員選擇與疏散樓梯出口同側(cè)的閘機進行疏散，而未使用背側(cè)的閘機，導致人員堵塞，此時疏散人員主要使用的是10號、11號、12號、13號出口和通地面出口1，如圖4所示。

隨著疏散的進行，位于2號線站臺層和1號線站臺層的人員逐漸匯集到站廳層。疏散進行到約150 s時，從圖4可以觀察到，12號、13號出口以及通地面1出口聚集的人數(shù)最多，一方面是因為1號線和2號線疏散人員在疏散樓梯出口處進行了匯流，人員密度增加；另一方面是因為1號線3#樓扶梯口的閘機使用率不足，沒有將疏散人員分流至較近的16號出口以及稍遠的1號出口，導致16號出口和1號出口利用率不足，同時也加劇了樓梯口的擁堵。疏散路徑圖如圖5所示。總計疏散時間為317 s。正常人流量出口使用情況如圖6所示。

3.3.2" 早晚高峰模擬分析

早晚高峰5 000人進行疏散，疏散開始約90 s時，疏散人員主要使用的出口分別是10號、11號、12號、13號，以及通地面出口1、通地面出口2。開始疏散后的第150 s站廳層人員擁堵最為嚴重，堵塞普遍發(fā)生在閘機口處。位于站廳層2#樓扶梯兩側(cè)的閘機出口使用率不足，疏散人員選擇與疏散樓梯出口同側(cè)的閘機進行疏散，而未使用背側(cè)的閘機，導致人員堵塞。此時疏散人員主要使用的是10號、11號、12號、13號、16號出口，以及通地面出口1。出口使用率如圖7所示。

疏散進行到約200 s時，從圖8可以觀察到12號、13號出口人數(shù)最多，一方面是因為1號線和2號線疏散人員在疏散樓梯出口處進行了匯流，人員密度增加；另一方面是因為1號線3#樓扶梯口的閘機使用率不足，沒有將疏散人員分流至較近的16號出口和1號出口，導致16號出口以及1號出口利用率不足，同時也加劇了樓梯口的擁堵。早晚高峰出口利用率如圖9所示。

4" 優(yōu)化建議

根據(jù)對正常人流量以及早晚高峰地鐵站模型的模擬結(jié)果分析，提出以下一系列針對地鐵站疏散設(shè)計的優(yōu)化建議。

確定地鐵站內(nèi)應(yīng)急疏散能力薄弱的關(guān)鍵位置。以本案例為例，通過分析各個出口的利用率，發(fā)現(xiàn)2#樓和3#樓扶梯兩側(cè)的閘機區(qū)域在高峰時段承受著較大的疏散壓力。為了緩解這一問題，將2#樓扶梯和3#樓扶梯兩側(cè)的閘機確定為疏散的關(guān)鍵位置，并在這2個閘機附近增設(shè)緊急疏散出口緩解該處疏散壓力。

通過動態(tài)指引系統(tǒng)引導乘客使用較少使用的出口，以達到出口使用率的均衡，這一系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控各個出口的使用情況，并根據(jù)實時數(shù)據(jù)引導乘客使用那些相對較少使用的出口。在1號線站臺層1#樓扶梯和3#樓扶梯以及2號線2#樓扶梯和3#樓扶梯設(shè)置疏散引導人員，他們將根據(jù)系統(tǒng)的指示，協(xié)助乘客快速、有序地疏散。

對地鐵站的出口進行設(shè)計優(yōu)化，確保每個出口的寬度和通行能力能夠滿足高峰時段的需求，減少瓶頸效應(yīng)。增加出口使用率最高的門的寬度和通行能力，比如11號出口和13號出口。

在高峰時段或特殊事件期間，通過限制部分入口的客流量或引導乘客分批進入，以減少站內(nèi)的擁擠程度，降低安全風險。

通過站內(nèi)廣播、指示牌、移動應(yīng)用等多種渠道，向乘客提供實時的出口使用情況和建議的疏散路線，提高乘客的疏散效率。11號出口發(fā)生擁擠時，通過廣播告知扶梯兩側(cè)也有閘機可以作為疏散通道，從而引導乘客選擇更合理的疏散路徑。

通過上述綜合性的措施，期望能夠顯著提高地鐵站在高峰時段的疏散效率，從而確保乘客的安全與舒適。

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