地铁站火灾人员疏散时间评估方法探讨*

刘晨赟 韩雪峰 蒋军成

(南京工业大学安全科学与工程学院，江苏省城市与工业安全重点实验室，210009，南京//第一作者，硕士研究生)

地铁站厅结构复杂、环境密闭、人员密度大，一旦发生火灾，人员疏散难度很大。其主要体现在以下几个方面［1］:①客流量大;②逃生条件差，逃生方式单一;③允许逃生的时间短;④火灾产生的烟气具有毒性、高温性、遮光性［2］，燃烧过程消耗大量氧气。研究火灾发生时地铁车站人员的安全疏散，有利于性能化防火防烟设计及制定更加安全有效的应急预案，指导和改进安全疏散管理体制及内容，从而降低疏散时所受到的危害，避免发生群死群伤的事故。

笔者通过对地铁站人员疏散的研究发现，我国《地铁设计规范》虽然给出了人员疏散时间的经验计算公式，但其存在一定的局限性。考虑到公式计算的简便快捷等特点，笔者对地铁站人员疏散时间计算公式进行了优化，并运用Pathfinder 疏散模拟软件对该公式的计算结果准确性进行了验证。

1 安全疏散时间评估方法

通常，地铁中的人员安全疏散运动时间可通过经验公式量化计算获取，也可通过一些专业软件模拟计算得到。

1.1 经验公式计算

我国《地铁设计规范》规定，发生火灾时进站列车所载乘客、站台候车人员及工作人员全部撤离到安全区域所用时间不得超过6 min，对于提升高度不超过三层的车站，人员从站台层疏散至安全区域的疏散时间按下式计算［4］:

式中:

Q1——列车乘客数，人;

Q2——站台上候车乘客和站台上工作人员数之和，人;

A1——自动扶梯通过能力，人/(min·m);

A2——人行楼梯上行通过能力，人/(min·m);

N——自动扶梯台数，台;

B——人行楼梯总宽度，m。

1.2 Pathfinder 模拟计算

Pathfinder 是由美国 Thunderhead Engineering 公司开发的一套简单、直观的新型智能人员紧急疏散逃生评估系统。它利用计算机图形仿真和游戏角色领域的技术，对多个群体中的每个个体运动都进行图形化的虚拟演练，从而准确确定每个个体在灾难发生时的最佳逃生路径和逃生时间。Pathfinder 软件包括Steering 人员运动模式和SFPE 人员运动模式［5］。

(1)Steering 模式。Steering 模式是利用路径规划、碰撞控制和转向机制相结合控制人员运动的行为模式。当人员与最近出口的距离超过某一阈值，则会生成新的路径，以此来调节人员的运动。在Steering 人员运动模式中，人员会根据环境的改变随时调整自身的运动，计算机会根据人员的行走类型判断最近路线。当人员与其他人发生碰撞或躲避障碍物而使路线发生偏离时，会重新生成路径。

(2)SFPE 模式。SFPE 模式是以出口人员流量控制为基础的运动模式，它利用空间密度确定人员的运动速度。在Pathfinder 中，Room 被定义为某个开放、空旷的场地，疏散人员可在其中自由行走;楼梯则被设定成带有斜率的特定的Room，这种房间限制了人员行走的速度;门是连接房间和楼梯的载体，同时限制了人员的流量。在人员拥挤的情况下，为避免碰撞，模拟疏散过程中会出现排队现象。

2 两种计算方法的比较

2.1 安全疏散时间定义对比

由式(1)计算得到的安全疏散时间t 为乘客从站台层疏散至安全区域的时间。在Pathfinder 中，通常设置多个与外界连通的Door，将其定义为EXIT，人员安全疏散时间的判定为地铁系统中所有乘客通过楼梯、房间等最终从EXIT 离开的时间。

2.2 优缺点比较

经验公式计算法存在以下局限性:

(1)Q1的确定建立在1 列列车到站的情况，忽略了2 列列车同时到站的情况。文献［6-7］对地铁站高峰时间的疏散进行了分析，指出高峰时期应为2 列列车同时进站的情况。实际计算中，应考虑最不利状况，即2 列列车同时进站的情景。

(2)《地铁设计规范》规定的疏散安全判别标准为人员撤离至安全区域的时间，但其对于安全区域并没有明确的规定。由于地铁站的结构和功能的复杂性以及火灾的不确定性，安全区域的选择也应根据实际火灾情况确定。例如，当站厅层发生火灾时，人员疏散至地面才能认定为疏散至安全区域［8］。

(3)式(1)中，火灾报警时间和人员响应时间的总和为1 min，而实际上火灾报警时间由报警温度及火灾燃烧情况决定，人员响应时间由人员的性别、年龄等因素决定。建议该时间通过软件模拟或火灾演习来确定。

(4)文献［9］指出了公式中折减系数(0.9)偏大的问题。文献［10］对式(1)中自动扶梯通行能力的合理性提出了质疑。火灾状态下，由于自动扶梯的宽度相对较小，容易造成人员大量拥堵，且自动扶梯在火灾条件下很可能停运，因此式(1)中与自动扶梯相关部分的取值值得商榷。

模拟软件计算法具有计算精确、更符合实际情况、能分析各时刻疏散情况等优点，但也存在对计算机的CPU 要求较高、对不同的燃烧物质和疏散方式需要建立不同的模型、计算时间较长、部分疏散方式(如自动扶梯)的相关参数无法确定等缺点。

在日常的地铁站人员疏散问题研究过程中，为了快捷估算地铁站发生火灾后乘客的疏散时间，通常使用经验公式计算法。然而，式(1)存在上述局限性，因此，对其进行优化有着重要的意义。

3 经验公式的优化

针对《地铁设计规范》疏散时间计算公式存在的问题，考虑火灾时自动扶梯停运的情况，对人员从地铁站内疏散至地面的疏散时间计算公式进行了优化:将人员所需疏散时间分为火灾报警时间、人员响应时间、站台层人员疏散至站厅层的时间，以及站台层人员疏散至站厅层后，站厅层剩余未疏散人员疏散至地面的时间;考虑到火灾时列车车门口、疏散楼梯、检票口滞留时间，引入折减系数。根据多次模拟结果发现，站台层人员疏散至站厅层后，站厅层总人数和站台层的疏散宽度成正比，和站厅层的疏散宽度成反比，因此建立如下经验公式:

式中:

tb——火灾报警时间，可由实际火灾演练或模拟软件模拟获得;

tc——人员响应时间(可由实际火灾演练或模拟软件模拟获得);

Q'1——发生火灾时站厅层人数;

Q'2——火灾时站台层候车人数与进站列车所载人数之和;

B1——站厅层至地面的可用疏散楼梯总宽度;

B2——站台层至站厅层可用疏散楼梯总宽度;

λ——楼梯通行能力的折减系数;

α——人员的折减系数;

A——人行楼梯通过能力。

4 实例计算与分析

4.1 疏散实例场景

以南京地铁1号线某地铁站为研究对象。该地铁站为地下二层岛式车站，总长度234.9 m，主体宽度22.4 m。站台和站厅长141 m，宽12 m，高3.5 m。站厅层位于地下一层，共有3 个人行出入口与外界相连。每个出入口宽4 m。站厅层与站台层之间通过2 个宽4 m、1 个宽3 m 的楼梯及1 个宽1m的自动扶梯输送旅客。楼梯水平长度为7.2 m。地铁站平面示意图如图1所示。列车采用A 型车6 节编组。车辆有效长度为22.1m，宽3 m，左右两侧各有5 个门，最大载客量为310 人。

图1 地铁站平面示意图

4.2 疏散参量的设定

(1)列车乘客数:站台考虑2 列车同时进站的情况，Q'1=310 人 ×6 ×2 =3 720 人。

(2)1号线高峰时刻最大客流断面为30 878 人次/h，平均等待时间为3 min，站台最大人数为Q'2=30 878 人 ×3 ÷60 =1 544 人，其中工作人员 20人。工作人员能在发生火灾后起到引导疏散的作用。

(3)人员的组成、分类及对应的步行速度见表1。

表1 人员的组成、分类及对应的步行速度表

(4)自动扶梯通过能力:《地铁设计规范》给定了部分最大客流通过能力，查阅可知，输送速度为0.65 m/s 的1 m 宽扶梯，每小时的最大通过人数为8 190 人，则通过能力为137 人次/(min·m)。

(5)人行楼梯通过能力:1 m 宽的上行楼梯每小时最大的通过人数为3700 人，则通过能力为62人次/(min·m)。

(6)该地铁站中自动扶梯台数N=1，人行楼梯总宽度B=4 m×5 +3 m×1 =23 m。

4.3 经验公式的计算结果

将上述参数代入式(1)得:

此计算结果满足《地铁设计规范》中关于6 min内将列车内乘客、工作人员和候车乘客疏散至安全区域的相关规定。

4.4 Pathfinder模式选择与模拟结果分析

根据南京地铁火灾模拟演习结果［11］，取tb=30 s，tc=20 s，人员疏散时间 ts由 Pathfinder 的 Steering模式和SFPE 模式模拟所得。

4.4.1 Steering 模式

Steering 模式模拟结果如图2、图3所示。

图2 Steering 模式模拟结果图

由模拟结果得出ts=270.8 s。对疏散楼梯进行分析发现，站台层的疏散楼梯在 191 s 通过了1 441 人，即通过能力为 113 人/(min·m)，大大超出了规范中给出的上行楼梯最大通行能力。因此，Steering 模式的模拟结果不满足规范要求，本文不采用Steering 模式进行模拟分析。

图3 Steering 模式楼梯流量图

4.4.2 SFPE 模式

SFPE 模式模拟结果如图4、图5所示。

图4 SFPE 模式模拟结果图

由模拟结果可知ts=486.0 s。对地铁站的楼梯进行分析发现，站台层1号楼梯的单位时间通过量最大，该楼梯在376s通过了1542人，在模拟中该楼梯的实际通行量为61.5 人/(min·m)，符合规范中不大于62 人/(min·m)的要求。因此SFPE 模式的模拟结果更符合实际情况。

图5 SFPE 模式楼梯流量图

图6 为SFPE 模式下各Room 的人数图。可以看出:站台层所有人员疏散完毕所用时间为324.0 s，疏散至地面的时间为486.0 s。则该模式下乘客撤离站台层的时间为324.0 s+20 s+30 s=374 s=6.23 min，疏散至地面的时间为486.0 s+20 s+30 s=536 s=8.93 min，均不满足《地铁设计规范》中6 min 之内疏散至安全区域的要求，且与式(1)的计算结果有较大的差距。

图6 SFPE 模式下各Room 的人数

4.5 疏散场景设置及优化公式的验证

4.5.1 人员疏散场景设置

为了确定折减系数，并对优化公式进行验证，设置了5 个疏散场景，每个场景中只改变站台层至站厅层以及站厅层至地面的楼梯宽度及个数，其他参数保持不变。5 个场景分别为:

(1)场景1:站台层3 个5 m 宽的楼梯，站厅层3 个 5 m 宽的楼梯;

(2)场景2:站台层5 个4 m 宽的楼梯，站厅层3 个4 m 宽的楼梯;

(3)场景3:站台层4 个4 m 宽的楼梯，站厅层3 个4 m 宽的楼梯;

(4)场景4:站台层3 个4 m 宽的楼梯，站厅层4 个4 m 宽的楼梯;

(5)场景5:站台层3 个4 m 宽的楼梯，站厅层3 个4 m 宽的楼梯。

4.5.2 折减系数确定及验证

报警时间和人员响应时间设为50 s。人员组成及速度设置见表1。疏散场景的相关参数设置见表2。优化公式计算与模拟结果见表3。将上述5 个优化公式两两组成方程组，对α 取平均值，并利用最小二乘法对 λ 进行回归拟合得 α =0.2，λ =0.82。此时计算结果与模拟结果最接近。将其代入表3 各式，可得出各场景的优化公式计算值。该计算值与式(1)计算值及模拟结果的比较见表4。

表2 各疏散场景参数表

表3 各疏散场景疏散时间模拟与优化公式计算结果表

表4 各疏散场景疏散时间模拟与计算结果表

由表4 可知，应用式(1)计算所得结果与软件模拟的结果相差较大，误差在50%左右;而应用式(2)计算所得结果与模拟结果较接近，误差在10%以内。因此，对于上述场景，优化公式计算的结果与模拟结果更为接近，较经验公式更符合实际情况。

5 结论

对《地铁设计规范》中的公式计算结果、优化公式计算结果和软件模拟结果进行比较分析得出:

(1)规范中疏散时间的计算方法存在疏散人数、火灾报警时间和人员响应时间确定不合理，疏散安全判定标准不明确，自动扶梯通行能力设定不合理等问题，不能完全适应地铁火灾时人员疏散的实际情况。

(2)相对于原公式，优化公式的计算结果与模拟结果更为接近，误差更小，更符合实际情况。

(3)优化后的计算公式相对于软件模拟具有直观、使用简单、容易掌握、更加便捷的特点，更适合地铁公司及政府相关部门。其对人员疏散安全进行科学准确的评估，制定应急疏散机制以保证紧急情况下人员的安全疏散、避免群死群伤事故的发生，维护公共安全和社会稳定，具有较好的应用价值。

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