城市軌道交通車站瓶頸口優(yōu)化研究

劉 娜，王宏斌

(蘭州交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070)

地鐵已逐漸成為大、中型城市最主要的公共交通工具之一。然而由于地鐵車站大部分位于地下且內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，地鐵站內(nèi)部環(huán)境的設(shè)計(jì)一直以來是安全工程的難題，已經(jīng)有許多在緊急情況下因?yàn)橄嗷ネ茢D而造成旅客傷亡的事件發(fā)生。通過觀察得知，在緊急疏散過程中由于旅客擁擠而造成的旅客傷亡事件，其中絕大部分傷亡者都是由于旅客的“非適應(yīng)性行為”而造成的，而并非完全是災(zāi)難的原因。所謂“非適應(yīng)性行為”是指人員在緊急疏散過程中發(fā)生的不利于他人安全的行為，如奔逃、互相推擠、將別人撞倒和互相踩踏等，在緊急疏散過程中人員的這些不安全行為是造成人員傷亡事故的主要原因之一。由于缺乏實(shí)際數(shù)據(jù)，國內(nèi)外很多學(xué)者在疏散人員運(yùn)動和行為的定量化。以及模擬實(shí)驗(yàn)研究方面并不成熟。已有的研究主要是對疏散行為的調(diào)查與統(tǒng)計(jì)以及利用建立模型仿真獲得更多的行為表象和規(guī)律[1]。目前對單一建筑物內(nèi)旅客應(yīng)急疏散行為的研究較為普遍，此研究主要利用計(jì)算機(jī)來模擬火災(zāi)環(huán)境，而對旅客結(jié)伴行為的研究較少。王啟全[1]等選用蟻群算法，對在地鐵內(nèi)發(fā)生爆炸事故時人的群體性疏散行為、疏散路徑的選擇及疏散時間等問題進(jìn)行研究，且通過計(jì)算得出所研究地鐵站的客流量上限；趙海峰等[2]在研究當(dāng)旅客遭遇地鐵火災(zāi)應(yīng)急疏散行為的影響因素時，采用結(jié)構(gòu)方程模型的方法進(jìn)行實(shí)證分析，研究結(jié)果表明旅客對火災(zāi)知識的了解、地鐵內(nèi)部結(jié)構(gòu)的熟悉程度和旅客同行者的行為都會對疏散過程中的旅客自身疏散行為產(chǎn)生明顯影響。因此，本文通過對應(yīng)急疏散過程中旅客行為的分析和微觀描述，運(yùn)用Anylogic仿真分別對比地鐵站站臺與通道連接處的瓶頸口和該瓶頸口改造后兩種情況下行人進(jìn)入通道之前正向和側(cè)向的行人通過能力和通過速度。

1 瓶頸口競爭行為疏散問題

在地鐵站內(nèi)發(fā)生緊急情況時，旅客在遇到行走空間縮小的環(huán)境下由于旅客都希望用預(yù)期的速度通過收縮口而產(chǎn)生競爭通過行為，造成行人流速度急劇下降，這就容易產(chǎn)生瓶頸，從而影響旅客的疏散效率。正常情況下，當(dāng)旅客的實(shí)際速度比期望速度大時，旅客在瓶頸口的擁擠現(xiàn)象比較緩和，當(dāng)旅客的實(shí)際速度比預(yù)期速度小時，行人在收縮口的擁擠現(xiàn)象比較嚴(yán)重。然而在緊急疏散情況下，旅客求生避險(xiǎn)的競爭行為更加劇了旅客的恐慌和緊張心理，其期望速度比正常速度高很多，從而加劇了瓶頸口的惡化，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)旅客密度為10.5人/m2時，旅客所受的作用力為1 100 N；當(dāng)旅客密度為7.5人/m2時，旅客所受到的作用力為400 N。正是這種作用力導(dǎo)致旅客在瓶頸口的速度降低，產(chǎn)生了“欲快則欲慢”現(xiàn)象及在瓶頸口的“弧形擁堵”現(xiàn)象。

圖1 瓶頸口競爭行為示意圖

由于行人是復(fù)雜的綜合智能體，具備自組織能力，所以弧形擁堵的時間一般持續(xù)較短，行人之間形成的弧形受力平衡很快被打破，當(dāng)弧形受力解體時，這些旅客就像雪崩一樣撤離瓶頸口，接著后一批旅客又會形成這種情況。所以在旅客緊急疏散過程中，旅客的期望速度越大，則產(chǎn)生拱形擁堵的幾率也就越大，導(dǎo)致瓶頸口的通過能力越低?？梢钥偨Y(jié)出瓶頸口競爭行為的緊急疏散能力與旅客日常的緊急疏散培訓(xùn)及瓶頸口設(shè)計(jì)的合理性密切相關(guān)。

2 仿真及結(jié)果分析

2.1 仿真環(huán)境設(shè)定

仿真環(huán)境采用某地鐵站站臺與通道為建筑結(jié)構(gòu)，設(shè)定仿真區(qū)域的進(jìn)入人流量為600人/h。站臺長50 m、寬30 m，通道寬4 m作為仿真出口，如圖2所示。為了更好地對比站臺與通道連接處附近不同位置旅客的通過能力和速度，在仿真中設(shè)置了1、2、3、4個檢測線，如圖3所示。2號檢測線位于通道口正對處，檢測正向通過的旅客。1、3號檢測線位于通道口兩側(cè)，檢測側(cè)向通過的旅客。4號檢測線位于通道終端處，檢測所有通過通道的旅客。其中旅客的尺寸設(shè)為3種：紅色旅客尺寸0.7 m；藍(lán)色旅客尺寸0.6 m；黑色旅客尺寸0.5 m，期望速度取1.1 m/s。本文通過運(yùn)用基于社會力模型創(chuàng)建的Anylogic進(jìn)行模擬仿真，對原始瓶頸口和改造后的瓶頸口進(jìn)行分析，對站臺和通道連接處正向進(jìn)入通道和側(cè)向進(jìn)入通道以及通道出口處的旅客通過量、通過能力和通過速度進(jìn)行對比分析。

圖2 瓶頸口檢測線設(shè)置

2.2 仿真結(jié)果分析

圖3為緊急疏散仿真過程中某一時刻的截圖，從此刻的仿真實(shí)景圖可以看出，在站臺與通道的連接口附近出現(xiàn)了拱形擁堵現(xiàn)象。而在整個仿真過程中，在站臺與通道的連接口處旅客反復(fù)產(chǎn)生相互擁擠出現(xiàn)平衡，隨后平衡被打破，行人沖入通道，是一個不斷循環(huán)反復(fù)的過程。

圖3 瓶頸口競爭行為仿真

圖4—圖6分別為4條檢測線觀測的旅客通過瓶頸口時的通過量(人)、通過能力(人/s)和速度(m/s)，由圖4通過量圖可發(fā)現(xiàn)，仿真開始時，在時間相同的情況下，2號檢測線的通過量一直最大，1號和3號檢測線的通過量大小基本相等。仿真運(yùn)行一段時間后，旅客產(chǎn)生擁堵現(xiàn)象，造成1、2、3號檢測線通過量趨于一致。由圖5通過能力可知，在仿真剛開始時2號檢測線的通過能力快速增加，2、3號檢測線則緩慢增加，但隨著仿真的運(yùn)行，旅客產(chǎn)生擁堵，1、2、3號檢測線的通過能力趨于一致。由圖6的速度圖可以發(fā)現(xiàn)，仿真剛開始時沒有旅客擁堵現(xiàn)象，1號檢測線的速度快速增加，仿真運(yùn)行一段時間后由于旅客在瓶頸口的擁堵造成1號檢測線的速度快速下降，最后和2、3號檢測線的速度趨于一致。

圖4 瓶頸口各檢測線的旅客通過量

3 仿真優(yōu)化

3.1 瓶頸口改造

由正常瓶頸口狀態(tài)下旅客緊急疏散仿真可以發(fā)現(xiàn)，此瓶頸口比較突兀，旅客在此處容易發(fā)生擁擠，出現(xiàn)走行速度驟降現(xiàn)象，并產(chǎn)生其他很多弊端。為降低該瓶頸口造成的驟降行為，將該瓶頸口改造成如圖7所示，通過人為渠化，將出口門框兩邊設(shè)置成弧形墻?；《葦?shù)沒有具體要求，建造時可根據(jù)我國《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50157—2003來設(shè)置，滿足規(guī)范要求即可。消除垂直出口方向低速行人流。再次檢查1、2、3、4號檢測線的旅客通過量、通過能力和通過速度。

圖7 瓶頸口改造

3.2 仿真結(jié)果分析

對瓶頸口改造后，通過仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，這種改造方式可大大緩解旅客在此處的擁堵現(xiàn)象，仿真運(yùn)行200s時，旅客在通道出口處通過量從以前的480人增加到620人，檢測線2的通過量從600人增加到800人，同時1、2號檢測線的通過量也有所增加。旅客整體走行速度也從之前的0.4 m/s增加到0.5 m/s，如圖8、圖9所示。

圖8 瓶頸口改造后各檢測線的通過量

圖9 瓶頸口改造后各檢測線的旅客走行速度

4 結(jié)束語

本文以瓶頸口競爭求生行為作為研究對象，通過分析旅客在疏散過程中瓶頸口競爭行為的特性，闡述“拱形擁塞”的產(chǎn)生機(jī)理。通過系統(tǒng)仿真對原始瓶頸口和瓶頸口改造后疏散過程中旅客產(chǎn)生的競爭行為進(jìn)行分析，論述對疏散時間、服務(wù)水平和疏散速度產(chǎn)生的影響，量化比較良好的逃生意識和素質(zhì)對于瓶頸口疏散性能的影響。

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