突发环境下地铁大客流疏散数值模拟

潘科，修顺延

(大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028)

突发环境下地铁大客流疏散数值模拟

潘科，修顺延

(大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028)

以大连地铁某换乘站为研究背景，对地铁站在发生火灾等紧急事件人群的疏散情况进行了分析.通过对调查统计人群的数量、年龄、性别等参数，应用pathfinder软件，建立地铁换乘车站人员疏散模型，并对该站在不同情况下发生紧急事件的人群疏散进行了研究.通过疏散模型，模拟不同情况下全部人员疏散至安全区域的时间，获取疏散过程中不同时刻的人员分布规律，找到疏散过程中不利于人群疏散的“关卡”.文章结论可为国内外地铁换乘通道设计、紧急情况下的人群疏散组织及应急管理等方面提供一定的指导意义.

地铁换乘站；人群疏散；微观仿真；疏散模型

0 引言

地铁为人流密集的公众聚集场所，在运行时间内，有限的地下空间内承载着大规模的人群.以北京地铁为例，随着网络化运营格局的形成，日客流量已达到600万人次，而运营不久的沈阳地铁的日客流量也已达到近100万人次.面对如此大规模的客流，地铁大客流疏运安全面临着很大的挑战.当在地铁站台、站厅及换乘通道内发生突发事件时，如果不能及时疏导，极容易产生踩踏事故，如2008年3月4日，北京地铁5号线东单站换乘通道内设备故障引起恐慌，由于乘客过度拥挤发生踩踏事件，造成10名乘客受伤.地铁事故风险及突发事件下的应急疏散及管理一直是地铁运营安全研究的热点.K. Fridolf[1]根据地铁事故案例，得出降低地铁火灾后果的最重要手段是完善地铁消防设计.Manabu Tsukahara[2]进行了地铁火灾中人员疏散方向的研究.其认为在地铁站台层向下扩建一层为火灾疏散层，当火灾发生时改变传统的上行疏散的模式，改为向下疏散人群，再从疏散层直接安装逃生楼梯将人群疏散至地面，可以有效提高逃生效率.Aysu sagun等[3]针对疏散能力较低的楼梯进行疏散组织优化，适当拓宽楼梯和出口宽度，可以有效缓解疏散中的拥堵情况，还能缓解心理的恐慌，避免或减轻人员伤亡事故.Enrico Ronchi[4]对紧急情况下，人群从楼梯疏散所需时间与人体疲劳度、人的心理变化之间的关系.杨培忠等[5]利用FDS和Evacuation软件研究了火灾对换乘地铁站的影响，认为火灾迫使人员改变疏散路径，乘客选择相对安全的逃生出口，而不是选择最短的逃生路径.史聪灵等[6]对大型体育场馆连接的车站在大型活动期间面对突发大客流疏导问题，利用行人仿真动力学的方法，建立地铁车站疏运模型.王春雪等[7]研究了地铁应急疏散情况下人员恐慌程度，建立地铁应急疏散恐慌程度模型.结果表明，地铁应急疏散恐慌程度受年龄、携带行李情况、接受安全教育程度、相关事故灾害经历等人员个体因素，以及人员密度、疏散环境复杂程度、事故灾害发生位置等环境因素影响.

因此，本文以大连地铁某换乘站为研究背景，通过对调查统计该换乘车站人群的数量、年龄、性别等参数，应用pathfinder软件，建立疏散模型，并对该站在不同情况下发生紧急事件的人群疏散进行研究.通过疏散模型，模拟不同情况下全部人员疏散至安全区域的时间，获取疏散过程中不同时刻的人员分布规律，找到疏散过程中不利于人群疏散的“关卡”.这些结果对于地铁站换乘站的疏散设计，紧急情况下的人群疏散组织及应急管理等方面具有一定的指导意义和应用价值.

1 地铁人员疏散的基本理论及模型建立

1.1 地铁人员疏散的基本理论

紧急情况下，保证人群能从地铁站中安全疏散的前提是可以短时间内将人群疏散至安全区域.根据《地铁设计规范》(GB 50157-2013)中第28.2.11条的规定：车站站台的公共区域、自动扶梯、出口楼梯和疏散通道的宽度，应保证在远期高峰小时客流量在发生紧急情况下，6 min内将一列车乘客和站台上候车的乘客及工作人员全部撤离站台.提升高度不超过三层的车站，乘客从站台层疏散至站厅公共区域或其他安全区域的时间按式(1)计算.

(1)

式中：Q1为远期或客流控制期中超高峰小时一列进站列车的最大客流断面流量(人)；Q2为远期或客流控制期中超高峰小时站台上的最大候车乘客(人)；A1为一台自动扶梯的通过能力(人/min·m)；A2为疏散楼梯的通过能力(人/min·m)；B为疏散楼梯的总宽度，每组宽度按照0.55的整数倍计算.T的单位为min ；N为自动扶梯数量(台)；1为人员的反应时间；N-1为考虑一台自动扶梯损坏不能使用的概率；0.9 为自动扶梯和楼梯的通过能力按设计的90%计算.

式(1)的计算方法着重考虑了自动扶梯和楼梯在疏散中对疏散时间的影响，但忽略了人在站台上行走所用的时间以及闸机等对疏散的影响.

1.2 地铁人员疏散模型的建立

由于换乘车站具有换乘、客流量大等特点，本文选择大连地铁某换乘站作为研究对象.该站有地下三层结构，最下层为地铁2号线站台，中间一层为1号线站台，最上层为站厅，并设有售票处，调度室，办公室等设施.其中地下二层和三层长度为115 m，有效候车站台宽度为13.3 m，层高约为5 m，一层站厅长度为130 m，宽度为21.3 m.2号线站台有两个供换乘使用的楼梯，和两个直接通向站厅的楼梯，1号线站台设有两个直接通向站厅的楼梯，另外，该站共设有A，B，D 三个出站口.其具体布局如图1～图3所示.

图1 站厅示意图(地下一层)

图2 1号线站台示意图(地下二层)

图3 2号线站台示意图(地下三层)

1.3 模拟参数的确定

考虑到人群数量、性别、年龄等因素对于疏散的影响，本文通过现场调研确定该类参数.模拟列车进站时的人群疏散，需要考虑到车内人数，大连地铁所采用的列车为B2式列车，总长度为120m，供乘客使用长度约为104 m，宽度为2.8 m，车厢总面积为291.2 m，根据现场调研，大连地铁二号线高峰期时上行列车车厢内的最大人数约为1100 人，下行列车车厢内的最大人数约为800人，均出现在周一的上午7∶00～8∶00时，所以车厢乘客密度取为3.2.各年龄段人群人数比例大致为：10岁以下占2%，10～30岁占55%，30～60岁占38%，60岁以上占5%.男性乘客占43.4%，女性乘客占56.6%.

2 疏散模拟过程

2.1 高峰期人群疏散模拟(无列车进站)

经分析调研所得的人群年龄段及性别构成数据可得，西安路地铁站人群高峰期无列车进站时，地铁一、二号线的候车总人数约为900人，站厅层流动人数约为60人，站内工作人员为40人，即模拟中需要的疏散的总人数约为1 000人.Pathfinder模拟无列车进站时的人群疏散结果，如图4所示.

(a) 程序运行时间及总疏散时间

(b) 最后一人到达站厅示意图

(c) 最后一人离开站厅示意图

(d) 站内人数与出站人数变化规律图

由上述模拟结果图可以得出：当无列车进站时，若高峰期时站台发生紧急情况，站台中的候乘人员可在169 s内全部撤离至站厅层的安全区域.考虑到危急情况下，人们的紧张心理和反应时间，额外加60 s为人群反应时间，所以总时间为229 s，小于《地铁设计规范》中规定的值.所以，该站能够满足此种情况下的人群及时疏散.若遇到某些极度危险的情况，如地震、火灾等，人员需要疏散至地面才能脱离危险.从上图中可得到，所有人员从地铁站逃离的时间为253.3 s，加上人群反应时间60 s，总计313.3 s，同样满足疏散要求.

2.2 高峰期人群疏散模拟(一辆列车进站)

地铁一号线位于地铁站的中间层，当发生意外时，需要将该层人员及2号线所有人员疏散至站厅层或地面.将车内人数按照统计的人群构成比例，设置于车厢内.Pathfinder模拟1号线有一辆列车进站时的人群疏散结果，如图5所示.

(a) 程序运行时间及总疏散时间

(b) 模拟疏散过程中人群示意图

(c) 站内人数与出站人数变化规律图

图5 1号线有一辆列车进站时Pathfinder模拟下 的人群疏散结果

由上述模拟结果图可知，在360s时，地铁站中人群并未疏散完毕，当1号线有一辆列车进站，此时若发生紧急情况，无法满足360s内将站内全部人员疏散至安全区域的要求.

2.3 高峰期人群疏散模拟(两辆列车同时进站)

在现场调研中可以发现，高峰期会出现同层站台两侧相向的列车几乎同时到达的情况，Pathfinder模拟2号线两辆列车同时进站的人群疏散结果，如6所示.

(a) 程序运行时间及疏散总时间

(b) 模拟疏散过程中人群示意图

(c) 站内人数与出站人数变化规律图

图6 2号线有两辆列车进站时Pathfinder模拟 下的人群疏散结果

由上述模拟结果图可知，当人群疏散进行到360 s时，仍有部分人员未到达地下二层以上的安全位置，站内仍有大量人员，所以，当2号线有两辆列车同时到站时，不管是将地下二层以上视为安全区域或者车站外作为安全区域，在360 s内，均不能使所有人员疏散至安全区域.

3 疏散模拟结果分析及建议

(1)完善灾害探测、应急电话系统和报警控制系统

缩短人群的反应时间和行动时间可以有效提高人员的疏散效率.在发生紧急情况时，现场工作人员比乘客要更熟悉站内情况，因此，要在第一时间内采用有效的措施向乘客、指挥中心传达危险情况，指挥中心接到汇报后，要及时采取措施，如：关闭下行电梯，开启所有闸机等，为群疏散创造最佳条件.

(2)提高工作人员及乘客的安全意识与自救能力

现场工作人员必须具备一定的消防安全知识，要定期对现场工作人员进行培训教育和实战演练.确保员工在任何一个位置都能熟知疏散线路，正确引导现场群众疏散.加大地铁安全宣传，如在站内张贴安全标语，在列车内播放应急疏散视频，提高乘客自身的安全意识与自救能力.通过有效的人员疏导和人员培训，可以有效提高人员疏散时的步行速度.

(3)制定合理的列车调度时间，控制站内人数站内人群密度过大，是导致疏散无法按时完成的重要原因.因此，为避免站内人数过多，就要避免有多辆列车同时进站的情况，保证同一时间内，只有一辆列车进入站内，从而减少紧急情况发生时需要疏散人员的基数.当遇到特殊情况，如大连国际马拉松比赛日当天，地铁的人流量为平时的10倍，在这种情况下，应控制进入站台候车的人数数量，保证人群密度低于0.56 m2.

(4)保证疏散过程中“瓶颈”位置的通畅

模拟中可以得到，在疏散过程中，屏蔽门、楼梯口、闸机为疏散过程中的关键位置，为提高疏散效率，这些位置应重点关注.首先，在日常情况下，应保证这些位置无人群逗留，以免危险发生时造成疏散不便，其次可以适当增加闸机的宽度来提高人员的疏散效率.屏蔽门处的候车人员，应有序的站在车门位置的两侧，避免紧急情况发生时，影响车内乘客的疏散.紧急情况发生时，要保证上述设备的正常使用，并安排工作人员在对应位置进行疏导，安抚人群慌张心理，组织人群快速高效的撤离.

当提高闸机口的宽度0.2 m及提高人群步行速度0.2 m/s后，Pathfinder对1号线有一辆列车进站的模拟可以将疏散时间由原来的528 s减少到423 s，其效率提高了20%.

4 结论

(1)应用pathfinder软件模拟了不同条件下的人群疏散情况.通过模拟仿真，可以得到人群的疏散时间与疏散人数之间的关系，而且可以直观的对整个疏散过程和人群的分布动态进行观察，及时找出疏散过程中的“瓶颈位置”，如：楼梯，闸机和屏蔽门，按300 s的总疏散时间为例，疏散个体在站台及站厅中的行动时间仅为总时间的1/3，而在“瓶颈位置”滞留时间则超过总时间的1/2；

(2)通过模拟得到在不同情况下人群的疏散时间分别为：无列车进站时，站台上全部乘客疏散至站厅安全区域的时间为229 s，疏散至站外的时间为313.5 s，均满足规定的安全疏散时间360 s的要求.1号线有一辆列车进站时，人群疏散至安全区域需要528s，不满足规定的要求，2号线有两辆列车同时进站时，人群疏散至安全区域需要662 s，均超出了规定的安全疏散时间；

(3)提出了突发环境下地铁大客流人群管理的有关对策，如改进闸机口的宽度、有效的人群管理和应急疏导等措施可以有效的减少疏散时间，提高疏散效率，当提高闸机口的宽度0.2 m和人群步行速度0.2 m/s,，疏散时间减少了105 s，效率提高了20%.

[1]FRIDOLF K. Fire Evacuation in Underground Transportation systems: A Review of Accidents and Empirical Research[J].Fire Technology, 2013, 49 (2): 451-475.

[2]MANABU TSUKAHARA. Effectiveness of downward evacuation in a large-scale subway fire using Fire Dynamics simulator[J].Tunnel ling and Underground space Technology，2011，26(4):573-581.

[3]AYSU SAGUN，DINO BOUCHLAGHEM，CHIMAY J ANUMBA．Computer simulations vs building guidance to enhance evacuation performance of buildings during emergency events[J]．simulation Modelling Practiceand Theory，2011，19(5)：1007-1019.

[4]ENRICO RONCHI. A conceptual fatigue-motivation model to represent pedestrian movement during stair evacuation[J]. Applied Mathematical Modelling , 2015, 40(7-8):4380- 4396.

[5]YANG PEIZHONG，LI CHAO，CHEN DEHU．Fire emergency evacuation simulation based on integrated fire-evacuation model with discrete design method [J].Advances in Engineering software，2013，65(9)：101-111.

[6]史聪灵，钟茂华.与体育场馆连接地铁车站大客流疏运能力计算模拟分析[J]. 中国安全科学学报，2011，21(3):34- 41.

[7]王春雪，索晓，吕淑然，等. 地铁应急疏散恐慌程度模型研究[J]. 中国安全科学学报，2015，25(2):171-176.

表贴式永磁同步电机铁耗计算仿真分析

马思群1，袁冰1，辛志峰2,孙彦彬1

(1.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028； 2.天津电力机车有限公司，天津 300452)

摘 要：基于FLUX对某型号表贴式永磁同步电机铁耗进行仿真分析研究，根据电机的传统铁耗Bertottti计算模型，得出电机不同磁密的定子铁心损耗；在考虑旋转磁场影响的条件下，首先利用有限元法改进计算模型，通过对定子铁心仿真分析，得到不同区域特征点磁场分布情况及磁密变化曲线；然后将径向和切向磁密分量叠加得到损耗，计算结果与传统模型进行对比，铁耗增加比例为19.325%，与最新研究文献的研究结果相符.

Numerical Simulation of Large Metro Passenger Evacuation under Emergency Environmental

PAN Ke, XIU Shunyan

(School of Civil & Safety Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028, China)

The evacuation situation of metro station in fire and other emergency situations is analyzed based on the research background of certain transfer station in Dalian metro. Through the survey of the number, age, gender and other parameters, the evacuation models are established. The models consider the different cases of emergency evacuation of the crowd with the application of Pathfinder software. The time of all evacuation to a safe area and evacuation at different times in the process of personnel distribution are obtained. That evacuation process is not conducive to the crowd evacuation "level" is found through the evacuation model and simulation under different circumstances. The conclusions of the study can be used as a reference for similar metro systems. These results also can be used as a reference for formulation of emergency crowd, evacuation organization, related emergency management and other aspects.

metro transfer station; crowd evacuation; microscopic simulation; evacuation model

1673- 9590(2017)04- 0142- 05

2016-07-01

辽宁省教育厅科学研究计划资助项目(L2015096)

潘科(1980-)，男，讲师，博士研究生，主要从事系统风险及评价相关的研究E- mail:parker_9@126.com.

A