城市轨道交通车站客流疏散方案

郭嫚

(西南交通大学 交通运输与物流学院，四川 成都 610031)

城市轨道交通车站内部的客流紧急疏散是一个动态复杂的变化过程，乘客心理承受及应对能力都会对疏散方案造成一定的影响，因此，采取合理措施才能有效提高车站疏散效率。国内外学者对快速、安全的组织、疏散客流进行了大量研究，主要采取计算机仿真以及数学分析方法。仿真一般从宏、微观层次对疏散过程中的人员流动及交通运行状况进行模拟，主要用于预测疏散时间及评估疏散方案[1-5]。数学分析方法依托网络图，因此无论是建筑物内部疏散还是大范围疏散都可以将具体事件转换成疏散网络问题[6]。在客流疏散方面，文献[7]对疏散问题的宏观模型进行综述，并将时间作为主要考虑因素,给出多个基于动态网络流的客流疏散数学模型；文献[8]通过分析地铁客流特征和客流量，提出换乘站台的长度、宽度、自动扶梯数量、及楼梯的数量和宽度的计算公式；文献[9]提出地铁车站候车厅近车门处密度-客流速度数学模型，以此计算客流的疏散时间；文献[10]通过对应急情况下行人心理特征的分析,总结影响人群疏散效率的因素，并提出运用建模与仿真技术分析人群应急疏散与枢纽站空间设计的关系。而在疏散路径方面，文献[11]研究了疏散路径和交通路径的相关性，并提出疏散路径分配的必要条件及影响疏散路径选择的阻抗函数的确定；文献[12]研究了轨道交通的各有效路径搜索算法及其改进方法。上述模型的建立和算法尽管考虑到对客流疏散的影响条件，但大多针对全范围进行研究，并未将所处环境进行分类讨论，本文针对车站设施容量有限且具有多出口的情况，研究客流疏散方案，并给出具体算法以及模型的可靠性验证。

1 城市轨道交通车站内部网络结构

1.1 网络设施组成

城市轨道交通车站处在一个相对封闭、狭小的空间，出行线路迂回曲折、视野狭窄，当乘客在此空间内行走时，会不自觉地加快速度，心理压力较平时大。这些特性都会对车站的整体疏散能力造成影响，而疏散出口与安全出口存在一定距离并且由于沿途设施布置的复杂性会加大疏散难度，给乘客的安全带来威胁[13]。

乘客由站台到出口的距离是由一系列设施串联构成的，城市轨道交通车站内部各设施布局方位、数量存在差异，不同的疏散设施对应的疏散时间不同，因此合理地设计、布置站内设施，才能在发生突发事件时及时将乘客安全疏散出去。城市轨道交通车站内部设施主要分为以下几类：1)通道。通道是乘客进出站、换乘的必经之路，是车站内行人通行的重要连接设施，有单/双向通道、水平/斜坡之分[14]。2)楼梯。楼梯有上、下行两类，是乘客上下移动的工具，其适应条件为跨越高度在8 m以内的建筑物。楼梯的宽度会影响客流疏散心态及疏散效率。3)自动扶梯。自动扶梯是一种有效的疏散设施，广泛运用在空间升降的区域。当建筑物空间高度大于8 m，乘客因高差较大，行走较费力时，宜增设自动扶梯[7]。自动扶梯的通过能力受到扶梯坡度、宽度、运行速度的影响。4)闸机。闸机作为一种通道阻挡装置，隔离了车站的付费区和非付费区，分为三杆式和门扉式。5)站台。作为乘客候车的场所，用安全隔离门将其与铁轨隔离，站台可分为岛式站台和侧式站台。一般情况下岛式站台服务于上、下行车辆，较宽，便于客流疏散组织。

这些固定设施的长度、宽度、坡度、数量、运行状态以及内部客流量等宏观指标直接关系到乘客走行效率和车站服务质量[15]。

1.2 车站内部网络结构

为了获得待疏散人员在轨道交通车站中的合理疏散路径，需要将疏散区域的行走路径抽象成一种网络模型。因此结合车站内部设施结构特点和客流特点，将车站内部结构网络化来描述其内在特征。网络A=(S,V,D,E)，其中：S为待疏散客流起点，表示站台；D为出口点集，表示车站内各安全出口的集合，D={dj|j=i,i+1,……，m}；V为节点集合，表示车站内部设施的连接处，V={vi|i=m,m+1,……，n}；E为边集，即各类设施集合，E={eij|eij=(vi,vj);vi、vj∈V}，对应权值由乘客疏散时间决定。

因此，城市轨道交通车站应急疏散网络结构化的要素包括：1)作为节点的设施。包括站台(起点)、站台与楼梯/自动扶梯连接处、楼梯/自动扶梯与通道连接处、通道与站厅连接处、闸机、出口。2)作为边的设施。包括楼梯、自动扶梯、通道、乘客下车点到站台与楼梯连接处的有效距离。

客流在疏散过程中，往往会在节点处发生拥堵，为了便于分析计算，可将节点看作是一条具有容量限制但长度为零的边。而为了简化网络，也可将多出口节点同时汇交于同一个虚节点，该节点称之为超级终点[16]。

2 客流疏散模型

2.1 约束条件

在轨道交通车站进行应急疏散情况下，由于乘客流量过大，闸机、自动扶梯的入口宽度较小，当大量乘客涌向此设备时，会对疏散效率造成明显影响，相应的通行能力会有一定的折减。此外，在紧急疏散过程中，为了尽快将乘客疏散至安全区域，停运自动扶梯将其作为楼梯使用，但自动扶梯的台阶尺寸大于楼梯，行人的行走速度会有差异，因此，为了客观、真实、准确地模拟客流疏散，在模型中，要充分考虑行人恐慌、车站固定设施对疏散能力的影响，对其作相应的数值折减[17]。

2.2 构建模型

构建疏散模型的目的是将乘客合理分组并在最短时间内引导他们从各疏散路径中安全撤离，因此根据上述约束条件及车站网络化建立相应的疏散模型

图1 疏散路径求解流程图

3 模型求解

模型求解流程如图1所示。

通过最短路径优先饱和疏散思想，可以得出n条疏散路径，其中TP1

xm=fm(Tm-TPm)

，

(2)

式中：fm为通过路径Pm的实际流量；TPm为待疏散人员通过路径Pm所用时间，相当于在路径Pm上的旅行时间。

由文献[16]可知，路径容量限制和出口容量限制的疏散问题都是依据最小的瓶颈疏散，所以计算n1的表达式为：

(3)

整个疏散过程的用时是由最后一组疏散路径所需时间决定，疏散时间需满足Tm=T，其中m=1,2,……，n1。

因此，在疏散过程结束时，该区域能够疏散的全部客流量依照式(2)可推算出：

(4)

而根据文献[18]要求可知，整个疏散过程确保客流安全的时间为360 s，若要验证该疏散方案是否合理需要满足T≤360 s 。

联立公式(2)(4)可得：

xm=fm(T-TPm),

由此可计算出每条实际疏散路径中的疏散人数。

4 算例分析

4.1 车站简介

珠江路站是南京地铁1#线的车站，又称“糖果车站”，是南京地铁第一个特色车站，位于南京市珠江路、广州路和中山路交界处，为地下二层岛式车站。该车站设有4个出入口，其中2#出口暂时封闭。车站附近居民区、高校众多，车站客流量大。一旦遭遇突发事件，如果车站人员未能及时安全撤离，将造成巨大影响[19]。

4.2 求解过程

假定地铁1#线运行至珠江路地铁站时，该站突发状况，要将该站的所有乘客在规定时间内全部疏散到安全区域。通过对该地铁站内部空间布局调查，将乘客逃生出去所要经过的设施全部记录下来，绘制相应的疏散路线图，并将其网格化，其结构示意图如图2所示。

图2 珠江路地铁站突发状况疏散路线

图2中S为地铁站人员疏散起点，此处假设地铁到达珠江路站，车站发生火灾，要将车上乘客疏散出去。因为珠江路地铁站的结构对称，所以起点选在列车中点位置，根据南京地铁1#线设计的参数要求，该车满载时载客量为1 860人，而珠江路站距离火车站和新街口这两个客流高峰站距离较近，因此假设车厢中有80%左右乘客，即到达珠江路地铁站的人数有1 500人。其参数中D0是超级终点，D1,D3,D4均为出口，图2中未标明的设施均为通道。

根据文献[20]可知，闸机口的人员处于恐慌状态下的疏散效率是正常疏散情况下的50%，自动扶梯中的人员在恐慌状况下的疏散效率是有序疏散情况下的70%。而通道宽度一般较大，恐慌对疏散效率造成影响可设为有序疏散情况下的90%，在突发状况下，为了及时疏散客流会将自动扶梯停运，将其当作楼梯处理，而各设施连接处(除闸机外)空间均较大，为了简化运算，假设其通行能力不受影响。因此，本模型在计算过程中仅考虑闸机对客流疏散造成的影响。通过现场调查和相关资料数据，可得图3～5所示地铁站各类设施的属性值(图3中时间单位为s，图4中宽度单位为m，图5中行人流量单位为人/s)。

图3 各类设施疏散时间

紧急情况下，为提高客流疏散效率，闸机将全部开放，乘客在闸机处的逗留时间忽略不计，通过查阅资料可知闸机的通行能力2 100人/h，也就是0.58人/s，在图3中闸机1包含4个闸口，因此闸机1的流量为2.33人/s，折减后为1.17人/s，闸机2、3包含5个闸口，因此流量为1.44人/s, 闸机4包含6个闸口，流量为1.75人/s。

4.3 结果分析

通过上述步骤共得出6条最短有效路径它们分别是：S—2—6—10—14—17—D3；S—1—5—9—13—17—D3；S—3—7—12—16—19—D1；S—4—8—12—16—18—20—21—D4；S—4—8—11—15—18—20—21—D4；S—1—5—10—14—17—D3。通过式(3)的限定，得出n1=5，运用式(1)～(4)，可知疏散时间T=347 s<360 s，满足地铁站客流疏散的安全时间，该模型适应性成立。

图4 各类设施宽度

图5 各类设施通过行人流量

因此该地铁站最优疏散路径及客流量分别为：

1)S—2—6—10—14—17—D3，该路径实际流量为1.44人/s，共疏散405人；

2)S—1—5—9—13—17—D3，该路径实际流量为1.17人/s，共疏散315人；

3)S—3—7—12—16—19—D1，该路径实际流量为1.44人/s，共疏散379人；

4)S—4—8—12—16—18—20—21—D4，该路径实际流量为0.31人/s，共疏散81人。

5)S—4—8—11—15—18—20—21—D4，该路径实际流量为1.25人/s，共疏散320人。

5 结语

针对轨道交通车站路径及出口都存在容量限制的客流疏散问题，首先将车站抽象成网络结构，获得该车站所有疏散路径，之后将各条疏散路径中的闸机通行能力看作整个疏散路径的最大通行能力。通过不断找寻最短路径，对网络不断更新确定每条路径的实际通过量，从而得到有效的疏散路径。并结合南京珠江路地铁站实际算例，获得突发状况下可疏散客流的5条有效疏散路径，且疏散时间满足消防安全要求，为城市轨道交通部门制定更合理的客流疏散方案提供参考。

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