城市軌道交通車站客流疏散方案

郭嫚

(西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 610031)

城市軌道交通車站內(nèi)部的客流緊急疏散是一個(gè)動(dòng)態(tài)復(fù)雜的變化過(guò)程，乘客心理承受及應(yīng)對(duì)能力都會(huì)對(duì)疏散方案造成一定的影響，因此，采取合理措施才能有效提高車站疏散效率。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)快速、安全的組織、疏散客流進(jìn)行了大量研究，主要采取計(jì)算機(jī)仿真以及數(shù)學(xué)分析方法。仿真一般從宏、微觀層次對(duì)疏散過(guò)程中的人員流動(dòng)及交通運(yùn)行狀況進(jìn)行模擬，主要用于預(yù)測(cè)疏散時(shí)間及評(píng)估疏散方案[1-5]。數(shù)學(xué)分析方法依托網(wǎng)絡(luò)圖，因此無(wú)論是建筑物內(nèi)部疏散還是大范圍疏散都可以將具體事件轉(zhuǎn)換成疏散網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題[6]。在客流疏散方面，文獻(xiàn)[7]對(duì)疏散問(wèn)題的宏觀模型進(jìn)行綜述，并將時(shí)間作為主要考慮因素,給出多個(gè)基于動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)流的客流疏散數(shù)學(xué)模型；文獻(xiàn)[8]通過(guò)分析地鐵客流特征和客流量，提出換乘站臺(tái)的長(zhǎng)度、寬度、自動(dòng)扶梯數(shù)量、及樓梯的數(shù)量和寬度的計(jì)算公式；文獻(xiàn)[9]提出地鐵車站候車廳近車門(mén)處密度-客流速度數(shù)學(xué)模型，以此計(jì)算客流的疏散時(shí)間；文獻(xiàn)[10]通過(guò)對(duì)應(yīng)急情況下行人心理特征的分析,總結(jié)影響人群疏散效率的因素，并提出運(yùn)用建模與仿真技術(shù)分析人群應(yīng)急疏散與樞紐站空間設(shè)計(jì)的關(guān)系。而在疏散路徑方面，文獻(xiàn)[11]研究了疏散路徑和交通路徑的相關(guān)性，并提出疏散路徑分配的必要條件及影響疏散路徑選擇的阻抗函數(shù)的確定；文獻(xiàn)[12]研究了軌道交通的各有效路徑搜索算法及其改進(jìn)方法。上述模型的建立和算法盡管考慮到對(duì)客流疏散的影響條件，但大多針對(duì)全范圍進(jìn)行研究，并未將所處環(huán)境進(jìn)行分類討論，本文針對(duì)車站設(shè)施容量有限且具有多出口的情況，研究客流疏散方案，并給出具體算法以及模型的可靠性驗(yàn)證。

1 城市軌道交通車站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)施組成

城市軌道交通車站處在一個(gè)相對(duì)封閉、狹小的空間，出行線路迂回曲折、視野狹窄，當(dāng)乘客在此空間內(nèi)行走時(shí)，會(huì)不自覺(jué)地加快速度，心理壓力較平時(shí)大。這些特性都會(huì)對(duì)車站的整體疏散能力造成影響，而疏散出口與安全出口存在一定距離并且由于沿途設(shè)施布置的復(fù)雜性會(huì)加大疏散難度，給乘客的安全帶來(lái)威脅[13]。

乘客由站臺(tái)到出口的距離是由一系列設(shè)施串聯(lián)構(gòu)成的，城市軌道交通車站內(nèi)部各設(shè)施布局方位、數(shù)量存在差異，不同的疏散設(shè)施對(duì)應(yīng)的疏散時(shí)間不同，因此合理地設(shè)計(jì)、布置站內(nèi)設(shè)施，才能在發(fā)生突發(fā)事件時(shí)及時(shí)將乘客安全疏散出去。城市軌道交通車站內(nèi)部設(shè)施主要分為以下幾類：1)通道。通道是乘客進(jìn)出站、換乘的必經(jīng)之路，是車站內(nèi)行人通行的重要連接設(shè)施，有單/雙向通道、水平/斜坡之分[14]。2)樓梯。樓梯有上、下行兩類，是乘客上下移動(dòng)的工具，其適應(yīng)條件為跨越高度在8 m以內(nèi)的建筑物。樓梯的寬度會(huì)影響客流疏散心態(tài)及疏散效率。3)自動(dòng)扶梯。自動(dòng)扶梯是一種有效的疏散設(shè)施，廣泛運(yùn)用在空間升降的區(qū)域。當(dāng)建筑物空間高度大于8 m，乘客因高差較大，行走較費(fèi)力時(shí)，宜增設(shè)自動(dòng)扶梯[7]。自動(dòng)扶梯的通過(guò)能力受到扶梯坡度、寬度、運(yùn)行速度的影響。4)閘機(jī)。閘機(jī)作為一種通道阻擋裝置，隔離了車站的付費(fèi)區(qū)和非付費(fèi)區(qū)，分為三桿式和門(mén)扉式。5)站臺(tái)。作為乘客候車的場(chǎng)所，用安全隔離門(mén)將其與鐵軌隔離，站臺(tái)可分為島式站臺(tái)和側(cè)式站臺(tái)。一般情況下島式站臺(tái)服務(wù)于上、下行車輛，較寬，便于客流疏散組織。

這些固定設(shè)施的長(zhǎng)度、寬度、坡度、數(shù)量、運(yùn)行狀態(tài)以及內(nèi)部客流量等宏觀指標(biāo)直接關(guān)系到乘客走行效率和車站服務(wù)質(zhì)量[15]。

1.2 車站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

為了獲得待疏散人員在軌道交通車站中的合理疏散路徑，需要將疏散區(qū)域的行走路徑抽象成一種網(wǎng)絡(luò)模型。因此結(jié)合車站內(nèi)部設(shè)施結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和客流特點(diǎn)，將車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化來(lái)描述其內(nèi)在特征。網(wǎng)絡(luò)A=(S,V,D,E)，其中：S為待疏散客流起點(diǎn)，表示站臺(tái)；D為出口點(diǎn)集，表示車站內(nèi)各安全出口的集合，D={dj|j=i,i+1,……，m}；V為節(jié)點(diǎn)集合，表示車站內(nèi)部設(shè)施的連接處，V={vi|i=m,m+1,……，n}；E為邊集，即各類設(shè)施集合，E={eij|eij=(vi,vj);vi、vj∈V}，對(duì)應(yīng)權(quán)值由乘客疏散時(shí)間決定。

因此，城市軌道交通車站應(yīng)急疏散網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)化的要素包括：1)作為節(jié)點(diǎn)的設(shè)施。包括站臺(tái)(起點(diǎn))、站臺(tái)與樓梯/自動(dòng)扶梯連接處、樓梯/自動(dòng)扶梯與通道連接處、通道與站廳連接處、閘機(jī)、出口。2)作為邊的設(shè)施。包括樓梯、自動(dòng)扶梯、通道、乘客下車點(diǎn)到站臺(tái)與樓梯連接處的有效距離。

客流在疏散過(guò)程中，往往會(huì)在節(jié)點(diǎn)處發(fā)生擁堵，為了便于分析計(jì)算，可將節(jié)點(diǎn)看作是一條具有容量限制但長(zhǎng)度為零的邊。而為了簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)，也可將多出口節(jié)點(diǎn)同時(shí)匯交于同一個(gè)虛節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)稱之為超級(jí)終點(diǎn)[16]。

2 客流疏散模型

2.1 約束條件

在軌道交通車站進(jìn)行應(yīng)急疏散情況下，由于乘客流量過(guò)大，閘機(jī)、自動(dòng)扶梯的入口寬度較小，當(dāng)大量乘客涌向此設(shè)備時(shí)，會(huì)對(duì)疏散效率造成明顯影響，相應(yīng)的通行能力會(huì)有一定的折減。此外，在緊急疏散過(guò)程中，為了盡快將乘客疏散至安全區(qū)域，停運(yùn)自動(dòng)扶梯將其作為樓梯使用，但自動(dòng)扶梯的臺(tái)階尺寸大于樓梯，行人的行走速度會(huì)有差異，因此，為了客觀、真實(shí)、準(zhǔn)確地模擬客流疏散，在模型中，要充分考慮行人恐慌、車站固定設(shè)施對(duì)疏散能力的影響，對(duì)其作相應(yīng)的數(shù)值折減[17]。

2.2 構(gòu)建模型

構(gòu)建疏散模型的目的是將乘客合理分組并在最短時(shí)間內(nèi)引導(dǎo)他們從各疏散路徑中安全撤離，因此根據(jù)上述約束條件及車站網(wǎng)絡(luò)化建立相應(yīng)的疏散模型

圖1 疏散路徑求解流程圖

3 模型求解

模型求解流程如圖1所示。

通過(guò)最短路徑優(yōu)先飽和疏散思想，可以得出n條疏散路徑，其中TP1

xm=fm(Tm-TPm)

，

(2)

式中：fm為通過(guò)路徑Pm的實(shí)際流量；TPm為待疏散人員通過(guò)路徑Pm所用時(shí)間，相當(dāng)于在路徑Pm上的旅行時(shí)間。

由文獻(xiàn)[16]可知，路徑容量限制和出口容量限制的疏散問(wèn)題都是依據(jù)最小的瓶頸疏散，所以計(jì)算n1的表達(dá)式為：

(3)

整個(gè)疏散過(guò)程的用時(shí)是由最后一組疏散路徑所需時(shí)間決定，疏散時(shí)間需滿足Tm=T，其中m=1,2,……，n1。

因此，在疏散過(guò)程結(jié)束時(shí)，該區(qū)域能夠疏散的全部客流量依照式(2)可推算出：

(4)

而根據(jù)文獻(xiàn)[18]要求可知，整個(gè)疏散過(guò)程確保客流安全的時(shí)間為360 s，若要驗(yàn)證該疏散方案是否合理需要滿足T≤360 s 。

聯(lián)立公式(2)(4)可得：

xm=fm(T-TPm),

由此可計(jì)算出每條實(shí)際疏散路徑中的疏散人數(shù)。

4 算例分析

4.1 車站簡(jiǎn)介

珠江路站是南京地鐵1#線的車站，又稱“糖果車站”，是南京地鐵第一個(gè)特色車站，位于南京市珠江路、廣州路和中山路交界處，為地下二層島式車站。該車站設(shè)有4個(gè)出入口，其中2#出口暫時(shí)封閉。車站附近居民區(qū)、高校眾多，車站客流量大。一旦遭遇突發(fā)事件，如果車站人員未能及時(shí)安全撤離，將造成巨大影響[19]。

4.2 求解過(guò)程

假定地鐵1#線運(yùn)行至珠江路地鐵站時(shí)，該站突發(fā)狀況，要將該站的所有乘客在規(guī)定時(shí)間內(nèi)全部疏散到安全區(qū)域。通過(guò)對(duì)該地鐵站內(nèi)部空間布局調(diào)查，將乘客逃生出去所要經(jīng)過(guò)的設(shè)施全部記錄下來(lái)，繪制相應(yīng)的疏散路線圖，并將其網(wǎng)格化，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 珠江路地鐵站突發(fā)狀況疏散路線

圖2中S為地鐵站人員疏散起點(diǎn)，此處假設(shè)地鐵到達(dá)珠江路站，車站發(fā)生火災(zāi)，要將車上乘客疏散出去。因?yàn)橹榻返罔F站的結(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以起點(diǎn)選在列車中點(diǎn)位置，根據(jù)南京地鐵1#線設(shè)計(jì)的參數(shù)要求，該車滿載時(shí)載客量為1 860人，而珠江路站距離火車站和新街口這兩個(gè)客流高峰站距離較近，因此假設(shè)車廂中有80%左右乘客，即到達(dá)珠江路地鐵站的人數(shù)有1 500人。其參數(shù)中D0是超級(jí)終點(diǎn)，D1,D3,D4均為出口，圖2中未標(biāo)明的設(shè)施均為通道。

根據(jù)文獻(xiàn)[20]可知，閘機(jī)口的人員處于恐慌狀態(tài)下的疏散效率是正常疏散情況下的50%，自動(dòng)扶梯中的人員在恐慌狀況下的疏散效率是有序疏散情況下的70%。而通道寬度一般較大，恐慌對(duì)疏散效率造成影響可設(shè)為有序疏散情況下的90%，在突發(fā)狀況下，為了及時(shí)疏散客流會(huì)將自動(dòng)扶梯停運(yùn)，將其當(dāng)作樓梯處理，而各設(shè)施連接處(除閘機(jī)外)空間均較大，為了簡(jiǎn)化運(yùn)算，假設(shè)其通行能力不受影響。因此，本模型在計(jì)算過(guò)程中僅考慮閘機(jī)對(duì)客流疏散造成的影響。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和相關(guān)資料數(shù)據(jù)，可得圖3～5所示地鐵站各類設(shè)施的屬性值(圖3中時(shí)間單位為s，圖4中寬度單位為m，圖5中行人流量單位為人/s)。

圖3 各類設(shè)施疏散時(shí)間

緊急情況下，為提高客流疏散效率，閘機(jī)將全部開(kāi)放，乘客在閘機(jī)處的逗留時(shí)間忽略不計(jì)，通過(guò)查閱資料可知閘機(jī)的通行能力2 100人/h，也就是0.58人/s，在圖3中閘機(jī)1包含4個(gè)閘口，因此閘機(jī)1的流量為2.33人/s，折減后為1.17人/s，閘機(jī)2、3包含5個(gè)閘口，因此流量為1.44人/s, 閘機(jī)4包含6個(gè)閘口，流量為1.75人/s。

4.3 結(jié)果分析

通過(guò)上述步驟共得出6條最短有效路徑它們分別是：S—2—6—10—14—17—D3；S—1—5—9—13—17—D3；S—3—7—12—16—19—D1；S—4—8—12—16—18—20—21—D4；S—4—8—11—15—18—20—21—D4；S—1—5—10—14—17—D3。通過(guò)式(3)的限定，得出n1=5，運(yùn)用式(1)～(4)，可知疏散時(shí)間T=347 s<360 s，滿足地鐵站客流疏散的安全時(shí)間，該模型適應(yīng)性成立。

圖4 各類設(shè)施寬度

圖5 各類設(shè)施通過(guò)行人流量

因此該地鐵站最優(yōu)疏散路徑及客流量分別為：

1)S—2—6—10—14—17—D3，該路徑實(shí)際流量為1.44人/s，共疏散405人；

2)S—1—5—9—13—17—D3，該路徑實(shí)際流量為1.17人/s，共疏散315人；

3)S—3—7—12—16—19—D1，該路徑實(shí)際流量為1.44人/s，共疏散379人；

4)S—4—8—12—16—18—20—21—D4，該路徑實(shí)際流量為0.31人/s，共疏散81人。

5)S—4—8—11—15—18—20—21—D4，該路徑實(shí)際流量為1.25人/s，共疏散320人。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)軌道交通車站路徑及出口都存在容量限制的客流疏散問(wèn)題，首先將車站抽象成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，獲得該車站所有疏散路徑，之后將各條疏散路徑中的閘機(jī)通行能力看作整個(gè)疏散路徑的最大通行能力。通過(guò)不斷找尋最短路徑，對(duì)網(wǎng)絡(luò)不斷更新確定每條路徑的實(shí)際通過(guò)量，從而得到有效的疏散路徑。并結(jié)合南京珠江路地鐵站實(shí)際算例，獲得突發(fā)狀況下可疏散客流的5條有效疏散路徑，且疏散時(shí)間滿足消防安全要求，為城市軌道交通部門(mén)制定更合理的客流疏散方案提供參考。

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