摘" 要：針對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)階段的安全疏散問(wèn)題，統(tǒng)計(jì)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(duì)正常人流量以及早晚高峰流量進(jìn)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(guò)程中，并非所有的出口都能得到有效利用，出口附近的閘機(jī)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(duì)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(lèi)號(hào)：U231" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：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(jì)增長(zhǎng)和城市化步伐的加快導(dǎo)致城市人口激增，同時(shí)增加了居民的出行需求，這對(duì)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(yùn)營(yíng)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(shí)，大型地鐵站在高峰時(shí)段的客流量大，對(duì)運(yùn)營(yíng)安全提出了挑戰(zhàn)。在這些時(shí)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(guò)長(zhǎng)和瓶頸處擁堵等因素，可能導(dǎo)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(fēng)險(xiǎn)，可能導(dǎo)致人員傷亡或財(cái)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(guò)度擁擠，是至關(guān)重要的研究課題。

1" 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

對(duì)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(jì)50年代，跨越心理學(xué)、社會(huì)學(xué)、工程學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。

Roh等[1]利用FDS軟件模擬探討了站臺(tái)屏蔽門(mén)和通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)疏散效率的影響，發(fā)現(xiàn)屏蔽門(mén)的使用延長(zhǎng)了疏散時(shí)間。Tsukahara等[2]通過(guò)FDS軟件分析了火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧、高溫和有毒氣體對(duì)疏散過(guò)程的影響，并研究了在大規(guī)模火災(zāi)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(yùn)籌學(xué)原理，引入了“引導(dǎo)分區(qū)”理念，并開(kāi)發(fā)了地鐵站應(yīng)急疏散的智能引導(dǎo)算法。耿康順等[4]提出了一種基于定位技術(shù)的實(shí)時(shí)疏散引導(dǎo)策略，并通過(guò)Pathfinder軟件模擬了該策略下的室內(nèi)疏散過(guò)程，驗(yàn)證了其有效性。陳一洲等[5]構(gòu)建了復(fù)雜建筑人員密集區(qū)域的人群疏散數(shù)學(xué)模型，并利用Pathfinder計(jì)算了人員疏散時(shí)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(shí)間的現(xiàn)象。Li等[6]通過(guò)Pathfinder軟件對(duì)地鐵站疏散過(guò)程進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)樓梯和大門(mén)是疏散過(guò)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(jìn)行了仿真分析，探討了該站的疏散能力和瓶頸問(wèn)題。Zhang等[8]利用FDS軟件模擬了多種地鐵火災(zāi)場(chǎng)景，量化了溫度、能見(jiàn)度和有毒氣體對(duì)疏散時(shí)間的影響，并提出了一個(gè)新的參數(shù)來(lái)識(shí)別高風(fēng)險(xiǎn)火災(zāi)場(chǎng)景。

我國(guó)針對(duì)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面。然而，針對(duì)特定多出口地鐵站出口使用率關(guān)鍵問(wèn)題的研究相對(duì)較少。本文采用Pathfinder軟件對(duì)某多出口地鐵站乘客疏散過(guò)程進(jìn)行模擬，并針對(duì)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(guò)自定義每一個(gè)人員的數(shù)量、速度和出口數(shù)量，來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬不同人員獨(dú)特的逃生路徑和逃生時(shí)間，利用計(jì)算機(jī)圖形仿真和3D角色建模等技術(shù)，對(duì)多個(gè)群體中的每個(gè)個(gè)體運(yùn)動(dòng)都進(jìn)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(qiáng)大的仿真引擎與人群移動(dòng)的靈活控制相結(jié)合，能夠模擬出人員逃生時(shí)可能出現(xiàn)的各種狀況[9]，如今，應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到建筑防災(zāi)設(shè)計(jì)、災(zāi)難逃生科學(xué)研究、人員災(zāi)難模擬訓(xùn)練。2015年，杜長(zhǎng)寶等[10]把Pathfinder的人員疏散模擬原理、模擬疏散過(guò)程與其他軟件和現(xiàn)實(shí)疏散情況進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)Pathfinder模擬的疏散過(guò)程更接近于真實(shí)情況，所以使用該軟件進(jìn)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(jiǎn)介

本文統(tǒng)計(jì)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(biāo)高取該樓層站臺(tái)層標(biāo)高，1號(hào)線、2號(hào)線站廳層標(biāo)高-4.45 m，1號(hào)線設(shè)備層、2號(hào)線站臺(tái)層標(biāo)高-9.81 m，1號(hào)線站臺(tái)層標(biāo)高-16.41 m。2號(hào)線站臺(tái)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(hào)線站臺(tái)層。1號(hào)線站臺(tái)層設(shè)有4部供乘客使用的疏散樓梯，分別為2#樓梯、1號(hào)線1#樓扶梯、1號(hào)線2#樓扶梯和1號(hào)線3#樓扶梯。1號(hào)線1#樓扶梯、1號(hào)線2#樓扶梯、1號(hào)線3#樓扶梯直接連通站廳層及1號(hào)線站臺(tái)層，2#樓梯連接建筑各層。當(dāng)?shù)罔F站內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，1號(hào)線及2號(hào)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?yàn)樵谶@種環(huán)境下，人員在疏散時(shí)會(huì)頻繁發(fā)生身體接觸和碰撞，導(dǎo)致移動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)擁堵和停滯，這與真實(shí)疏散場(chǎng)景中的人流動(dòng)態(tài)相仿。在疏散過(guò)程中假設(shè)人員移動(dòng)不受心理狀態(tài)、生理?xiàng)l件或外部環(huán)境的影響，不考慮疏散過(guò)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(guò)程的有序性，不考慮疏散人員的個(gè)體差異對(duì)疏散的影響，因此人員的相關(guān)參數(shù)均采用默認(rèn)值，每個(gè)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(yàn)地鐵站人員疏散能力，設(shè)置不同人員密度進(jìn)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(hào)線雙向列車(chē)同時(shí)到站，每輛列車(chē)載有600人，候車(chē)人員100人；2號(hào)線雙向列車(chē)每輛列車(chē)載有500人，設(shè)候車(chē)人員100人；站廳層隨機(jī)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(hào)線雙向列車(chē)同時(shí)到站，每輛列車(chē)載有1 100人，候車(chē)人員200人；2號(hào)線雙向列車(chē)每輛列車(chē)載有900人，候車(chē)人員200人，站廳層隨機(jī)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(jìn)行疏散，疏散開(kāi)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(hào)、11號(hào)、12號(hào)、13號(hào)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(jī)口處，擁堵情況如圖3所示。

開(kāi)始疏散的第100 s時(shí)，站廳層人員擁堵最為嚴(yán)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(dǎo)致兩側(cè)的閘機(jī)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(jī)進(jìn)行疏散，而未使用背側(cè)的閘機(jī)，導(dǎo)致人員堵塞，此時(shí)疏散人員主要使用的是10號(hào)、11號(hào)、12號(hào)、13號(hào)出口和通地面出口1，如圖4所示。

隨著疏散的進(jìn)行，位于2號(hào)線站臺(tái)層和1號(hào)線站臺(tái)層的人員逐漸匯集到站廳層。疏散進(jìn)行到約150 s時(shí)，從圖4可以觀察到，12號(hào)、13號(hào)出口以及通地面1出口聚集的人數(shù)最多，一方面是因?yàn)?號(hào)線和2號(hào)線疏散人員在疏散樓梯出口處進(jìn)行了匯流，人員密度增加；另一方面是因?yàn)?號(hào)線3#樓扶梯口的閘機(jī)使用率不足，沒(méi)有將疏散人員分流至較近的16號(hào)出口以及稍遠(yuǎn)的1號(hào)出口，導(dǎo)致16號(hào)出口和1號(hào)出口利用率不足，同時(shí)也加劇了樓梯口的擁堵。疏散路徑圖如圖5所示?？傆?jì)疏散時(shí)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(jìn)行疏散，疏散開(kāi)始約90 s時(shí)，疏散人員主要使用的出口分別是10號(hào)、11號(hào)、12號(hào)、13號(hào)，以及通地面出口1、通地面出口2。開(kāi)始疏散后的第150 s站廳層人員擁堵最為嚴(yán)重，堵塞普遍發(fā)生在閘機(jī)口處。位于站廳層2#樓扶梯兩側(cè)的閘機(jī)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(jī)進(jìn)行疏散，而未使用背側(cè)的閘機(jī)，導(dǎo)致人員堵塞。此時(shí)疏散人員主要使用的是10號(hào)、11號(hào)、12號(hào)、13號(hào)、16號(hào)出口，以及通地面出口1。出口使用率如圖7所示。

疏散進(jìn)行到約200 s時(shí)，從圖8可以觀察到12號(hào)、13號(hào)出口人數(shù)最多，一方面是因?yàn)?號(hào)線和2號(hào)線疏散人員在疏散樓梯出口處進(jìn)行了匯流，人員密度增加；另一方面是因?yàn)?號(hào)線3#樓扶梯口的閘機(jī)使用率不足，沒(méi)有將疏散人員分流至較近的16號(hào)出口和1號(hào)出口，導(dǎo)致16號(hào)出口以及1號(hào)出口利用率不足，同時(shí)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(duì)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(duì)地鐵站疏散設(shè)計(jì)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(guò)分析各個(gè)出口的利用率，發(fā)現(xiàn)2#樓和3#樓扶梯兩側(cè)的閘機(jī)區(qū)域在高峰時(shí)段承受著較大的疏散壓力。為了緩解這一問(wèn)題，將2#樓扶梯和3#樓扶梯兩側(cè)的閘機(jī)確定為疏散的關(guān)鍵位置，并在這2個(gè)閘機(jī)附近增設(shè)緊急疏散出口緩解該處疏散壓力。

通過(guò)動(dòng)態(tài)指引系統(tǒng)引導(dǎo)乘客使用較少使用的出口，以達(dá)到出口使用率的均衡，這一系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控各個(gè)出口的使用情況，并根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)引導(dǎo)乘客使用那些相對(duì)較少使用的出口。在1號(hào)線站臺(tái)層1#樓扶梯和3#樓扶梯以及2號(hào)線2#樓扶梯和3#樓扶梯設(shè)置疏散引導(dǎo)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(duì)地鐵站的出口進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，確保每個(gè)出口的寬度和通行能力能夠滿足高峰時(shí)段的需求，減少瓶頸效應(yīng)。增加出口使用率最高的門(mén)的寬度和通行能力，比如11號(hào)出口和13號(hào)出口。

在高峰時(shí)段或特殊事件期間，通過(guò)限制部分入口的客流量或引導(dǎo)乘客分批進(jìn)入，以減少站內(nèi)的擁擠程度，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)站內(nèi)廣播、指示牌、移動(dòng)應(yīng)用等多種渠道，向乘客提供實(shí)時(shí)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(hào)出口發(fā)生擁擠時(shí)，通過(guò)廣播告知扶梯兩側(cè)也有閘機(jī)可以作為疏散通道，從而引導(dǎo)乘客選擇更合理的疏散路徑。

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

參考文獻(xiàn)：

[1] ROH S J，RYOU S H，PARK H W， et al. CFD simulation and assessment of life safety in a subway train fire[J]. Tunnelling and Underground Space Technology incorporating Trenchless Technology Research，2009，24（4）：447-453.

[2] TSUKAHARA M，KOSHIBA Y，OHTANI H. Effectiveness of downward evacuation in a large-scale subway fire using Fire Dynamics Simulator[J]. Tunnelling and Underground Space Technology incorporating Trenchless Technology Research，2011（4）：26.

[3] WANG J，GUO J，WU M X， et al. Study on intelligent algorithm of guide partition for emergency evacuation of subway station[J]. IET Intelligent Transport Systems，2020，14（11）：1440-1446.

[4] 耿康順，張曉濤.基于室內(nèi)定位的地下商業(yè)綜合體疏散引導(dǎo)策略研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2020，16（1）：7-13.

[5] 陳一洲，陳文濤，張無(wú)敵，等.復(fù)雜建筑人員密集區(qū)域疏散模型[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2019，29（5）：13-18.

[6] LI Z Y，TANG M B，LIANG D， et al. Numerical simulation of evacuation in a subway station[J]. Procedia Engineering，2016， 135：616-621.

[7] 梅艷蘭，謝科范，劉思施，等.地鐵站密集人群應(yīng)急疏散能力分析模型及仿真[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（信息與管理工程版），2018，40（4）：370-375，382.

[8] ZHANG L M，WU X G，LIU M J， et al. Discovering worst fire scenarios in subway stations： A simulation approach[J]. Automation in Construction，2019，99：183-196.

[9] 于洋，常卉，唐杰.基于Pathfinder的分離島車(chē)站平面布置客流適應(yīng)性研究——以西安地鐵鐘樓站為例[J].綠色建造與智能建筑，2023（8）：85-88.

[10] 杜長(zhǎng)寶，朱國(guó)慶，李俊毅.疏散模擬軟件STEPS與Pathfinder對(duì)比研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2015，34（4）：456-460.