大型铁路客运枢纽设施应急能力匹配度研究

刘福华，赵怀民 ，邓 瑞

（1.中铁二院工程集团有限责任公司 交通与城市规划设计研究所，四川 成都 610031；2.西南交通大学 交通运输与物流学院，四川 成都 610031）

目前营，管我理国已大经型日铁趋路完客善运，枢但纽仍的存规在划设设施计应和急运能力与疏散客流不相适应、设施之间的应急疏散能力不匹配的现象，针对这些情况有关人员进行了一系列探索性研究。《建筑设计防火规范》对一般的普遍性问题进行了规定，给出了建筑出入口数量、安全疏散口、每部楼梯宽度等设施设计的一般要求。美国的《NFPA130》在轨道交通设计规范中，对站台上人员的疏散时间及到达安全点的疏散时间进行了明确规定：应该有充足的出口容量在 4 min 或更短的时间内，将站台上的人员疏散完毕。Greenwich大学开发的人流仿真软件 Exodus，可以模拟得到疏散总时间、疏散速度和疏散瓶颈等指标，以评价建筑物的设计是否合乎规范的要求；F.Kaakai.et[1]运用了混杂 Petri 网建模方法。宋卫国等[2]应用社会力模型分析出入口条件及出口瓶颈宽度对人员疏散的影响，研究出口宽度、出口厚度等建筑结构特征及期望速度等人群特征与疏散时间之间的关系。赵光华等[3]利用 Legion 对北京五棵松地铁站疏散能力进行了分析。国内外的研究主要集中在紧急疏散状态下的行人行为分析和枢纽行人行为仿真方面的研究，针对枢纽设施、设备的匹配度研究主要是应用仿真方法对人员疏散及建筑设计要求进行了分析，而针对紧急状态下枢纽设施、设备能力匹配度的研究较少。

1 匹配度的概念与测度方法

1.1 匹配度的概念

匹配度是指事物之间所具有的一致性和拟合程度，对于枢纽内部设施应急能力的匹配度而言，包括枢纽内部各类设施之间的匹配程度、设施与整体的匹配程度、相邻设施间的匹配程度、节点设施(如疏散楼梯口、安全出口、出租车乘降站等瓶颈点) 与汇合设施的匹配程度等。在大型客运枢纽中常见多个设施汇入单一设施的情况。其中，多个汇入的设施称为汇合设施；该单一设施称为节点设施。例如，多通道连接的一部楼梯，称多通道为汇合设施，楼梯为节点设施。

在突发事件下，人员拥挤是大型铁路客运枢纽最严重的安全隐患，其关键是各类设施及各个功能区是否能够相互协调与匹配。枢纽内部设施的应急通行能力不能满足应急疏散需求时，将导致大量人员滞留，甚至引发二次衍生拥挤踩踏事故。枢纽内部的衔接模式，站台、通道、出入口和楼梯等的流线设计、宽度、布设方式不妥当，都将成为阻碍枢纽内人员安全疏散的最大制约因素，影响枢纽内部应急交通安全。

1.2 应急能力与需求匹配度

大型铁路客运枢纽内部各类设施的应急能力若不能满足突发事件的需求会影响人员的安全疏散。在紧急情况下人员受事故位置空间结构、事故状态、群体行为、心理等因素影响移动速度与常态下的人员平均流量存在区别[4]，相应的设施通行能力将会受到影响。应急能力与需求匹配度是指紧急情况下枢纽内部设施应急通行能力与应急需求之间的贴近程度。枢纽设施的应急能力可以用通道类设施单位时间的通行能力衡量，按以下公式计算：

式中：Ny为紧急状态下的人员通过系数；By为设施的有效宽度。

紧急状态下行人的自组织行为、从众行为等群体行为明显，并且疏散对象大部分是对建筑不熟悉的行人，故人员紧急状态下的群体行动能力有别于正常状态，根据《地铁防火规范详解》规定，紧急状态下的群体行动能力为：疏散者的平均步行速度为 1.00 m/s，平均楼梯步行速度 0.50 m/s，楼梯流出系数为 1.3人/(m.s)，水平流出系数为 1.5人/(m.s)。因此，应急能力与需求的匹配度 Py可以用下式进行测度：

式中：Qy为突发事件下的行人流量，用常态下各类设施的设计行人流量 Qc乘以相应的紧急状态影响系数 (修正系数) α 计算，匹配度值越高说明设施的紧急疏散能力与应急需求的差异越大。

1.3 节点设施匹配度

当各个汇合设施流出率的最大值之和小于节点设施的流出速度时，在该节点设施处不会出现滞留现象；当节点设施的应急通行能力不能满足汇合设施的应急需求时将产生人员滞留现象。滞留人员过多，将给防火分区隔离等应急安全措施带来影响，甚至造成拥挤踩踏等二次衍生事故。节点设施是疏散过程中的关键环节，故对节点设施的匹配度进行量度具有重要意义。节点是枢纽内部应急疏散流线的连接点和交叉点，其应急通行能力应与相应的衔接设施相互匹配，能够在紧急情况下与枢纽设施系统协调匹配。节点设施 j 的匹配度 Pj可以用下式进行测度：

1.4 疏散流线匹配度

疏散流线匹配度主要包括单一疏散流线内各个设施之间的匹配程度和设计疏散流线之间的匹配度。紧急状态下为保证人员安全，快速将所有人员疏散至安全场所是至关重要的，故可将疏散时间作为分析疏散流线匹配度的重要因素。由流线分析可知，疏散完成的总时间可用人员在各个设施的移动时间、滞留时间表示，用 ti表示疏散流线上 i 设施的移动时间，tiw表示单一疏散流线内部在 i 设施处的滞留时间，疏散过程中最长滞留时间为各个设施滞留时间最大值 Tmax，故该单一流线疏散完成时间 tr可表示为：

疏散流线内设施 i 的匹配度 Pi可以采用下式进行测度：

式中：Pi为枢纽设施 i 滞留时间与疏散流线内部各个设施滞留时间平均值的比值。该匹配度值越高说明该设施的应急能力与流线整体疏散能力的差异程度越大。

大型铁路枢纽内部各疏散流线之间的匹配度用各条设计疏散流线 k (k＝1,2,…,m) 上旅客疏散所需的疏散时间与总疏散时间平均值的比值表示，其中 m 为设计疏散流线的数量。Pk用公式表示为：

式中：Pk为枢纽各设计疏散流线之间的匹配度。该匹配度值越高说明设计疏散流线之间的应急能力与大型铁路客运枢纽整体设施能力的差异程度越大。

2 设施能力匹配度优化模型

基于大型铁路客运枢纽设施的应急能力与需求匹配度、节点设施匹配度、疏散流线匹配度，建立枢纽设施应急能力匹配度优化模型，通过设施应急能力的量化处理，把匹配度问题归结到目标优化问题上，同时引入漂移参数以解决系统的鲁棒稳定性。匹配度优化模型的表达式为：

式中：F 表示目标函数；PY为枢纽应急能力与需求匹配度函数，由各类设施的应急需求匹配度值决定；PI为枢纽疏散流线的总体匹配度函数，由各流线的匹配度值决定；PJ为枢纽节点设施匹配度函数，由各个节点设施匹配度值决定；PK为枢纽内各条设计疏散流线之间的匹配度，由各条疏散流线间的匹配度值决定；ξ 表示漂移函数；TA表示安全疏散时间。

公式⑻表示各条流线的疏散须在安全疏散时间内完成，是基于安全时间的约束条件。

针对突发事件下枢纽的安全保障设施设计，可根据能力匹配度函数 F 的值对枢纽内部设施整体匹配度进行判别，并进行优化调整以达到整体设施的协调与匹配。设施的匹配度可以从两个方面进行优化和改善：①减少设施所分配的客流数量及客流种类，调整应急疏散流线设计；②提高设施能力。前者的主要措施是改变客流组织策略，更改换乘流线，关闭或开启部分出入口；针对通道等设施，为了减少多种客流交织对通道内行人通行的影响，通常会设置隔离带。后者对于步行类设施，提高能力的主要方法是改变设施几何参数，如拓宽通道、楼梯、站厅，增加站台面积或增加扶梯数量；针对交通服务类设施及辅助服务类设施，则可以通过提高设施的数量来提高设施能力。

3 结束语

根据枢纽设施应急能力匹配度的概念给出了相应的测度方法，通过匹配度的分析与计算寻找枢纽内部不能满足应急需求的设施及节点，通过计算应急疏散流线匹配度分析大型客运枢纽疏散流线的应急能力。在满足疏散流线安全时间的要求下，优化应急能力匹配度、节点设施匹配度和疏散流线匹配度，使大型铁路客运枢纽内部设施整体协调匹配。

[1]Kaakai F，Hayat S，Moudni.A.El. A hybrid petrinets-based simulation model for evaluating the design of railway transit station[J]. Simulation Modelling Practice and Theory，2007，15(8)：935-969.

[2]宋卫国，于彦飞，陈 涛. 出口条件对人员疏散的影响及其分析[J]. 火灾科学，2003，12(2)：100-104.

[3]赵光华. 行人仿真在奥运地铁站的应用研究[D]. 北京：北京工业大学，2007.

[4] 刘文婷. 城市轨道交通车站乘客紧急疏散能力研究[D]. 上海：同济大学，2008.