地铁站异质人群疏散折返行为模拟分析*

2018-10-09陈长坤秦文龙

中国安全生产科学技术 2018年9期

陈长坤，秦文龙

(中南大学防灾科学与安全技术研究所，湖南长沙 410075)

0 引言

随着安全知识的普及，多数人已经拥有较高的安全素养，但当火灾等灾害场所存有贵重物品或人员时，部分人会有重返灾害场所的行为，即折返行为[1]。如2016年5月18日，遂川县雩田镇一店铺发生火灾，女子返回火场救儿女，造成该女子和女儿均不幸遇难。除了行人会发生折返行为，必要时救援人员也会发生折返行为。如2015年8月12日天津滨海新区发生爆炸，救援人员折返现场，共造成110名救援人员遇难。因此，预先了解折返行为的规律，开展相应的折返行为研究，则显得尤为迫切。

折返行为的一个很重要的现象就是行人的相向流。国内外学者早在20世纪90年代就开始研究行人相向流，Muramatsu等[2]提出偏向随机步行者格子气模型，研究开放边界的地铁通道中行人的逆流；Fukamachi等[3]利用格子气模型发现，侧身行走的速度快于面对面行走，绕路相向行走会在通道中心发生堵塞簇的震荡；Dai等[4]基于代理模型研究通过瓶颈时的逆流；Guo等[5]考虑行人的速度和密度分布研究走廊内的行人逆流对巷道形成的影响；Jin等[6]考虑身体的转向行为建立了双向行人流的元胞自动机模型；Li等[7]研究恐慌下的行人逆流。但上述的这些研究均是基于行人相向流的微观模型构建。卓亚琦等[8]采用元胞自动机模型研究有亲人的折返对行人疏散的影响；Chen等[9]发现若是小学生的教室座位存在一些物品，会有约40%的小学生发生折返行为，其中0.58%的小学生会立即折返。

卓亚琦和Chen的研究虽是基于宏观折返的研究，但未给出相向行为对整个疏散的影响。所以，基于行人的相向流研究行人在特殊场所的折返行为对疏散及个人的影响显得尤为重要。由于地铁站人员密集且多不熟悉环境，一旦发生火灾等灾害，极易造成较大的人员伤亡[10]。因此，本文选择某典型地铁站，研究疏散楼梯宽度、折返比例、折返位置、列车数量等对地铁站疏散的影响，其结果可为地铁站的应急预案制定、救援等提供依据。

1 疏散模拟建模

Pathfinder主要用于智能体的运动和疏散[11]，具有2种运动模式，即SFPE模式和Steering模式。SFPE模式基于出口流量，缺乏考虑人员的最短路径；Steering模式基于人类行为学，可规划最优路径、避免碰撞，更符合实际疏散[12]。因此，本文采用Steering模式模拟地铁车站人员的折返行为。

1.1 模型建立

模型根据某地下双层岛式地铁车站建立，分为站台层和站厅层。仅考虑两有效站台起始里程之间的人员疏散，模型长度为117 m，宽度为18.3 m，站厅层高4.8 m，站台层高4.55 m。楼梯踏步高0.15 m，踏步宽0.3 m，自动扶梯宽度1 m，楼梯宽2.5 m。由于某一地铁站发生事故时，线路上的其他列车会发生紧急制动，不会再驶入，电梯也会停运，所以在模拟时，仅考虑某一地铁站事故发生时停靠的列车，自动扶梯也被认为是疏散楼梯，默认由站厅层出去即为疏散完成。地铁站设计CAD图如图1和2所示。

图1 地铁站站厅层Fig.1 Subway station hall floor

图2 地铁站站台层Fig.2 Subway station platform

1.2 参数设计与假设

参考张立茂等[13]、刘梦洁[14]、潘科等[15]的研究，将疏散人员按照年龄、性别分为7类：儿童(12岁以下)、少年(13～18岁)、青年男性(19～40岁)、青年女性(19～40岁)、中年男性(41～60岁)、中年女性(41～60岁)、老人(60岁以上)，突发状况下的运动速度分别为1，1.35，1.55，1.50，1.52，1.40和1.1 m/s的均值，肩宽分别为0.3，0.32，0.4，0.37，0.41，0.38和0.4 m的均值，对应的人员比例为3%，18%，19%，17%，22%，17%和4%。列车车厢人数按M9线设计运输能力确定，M9线车辆采用标准B型车，3动3拖，初期(2014年)、近期(2021年)、远期(2036年)的列车定员均为1 460人，最小运行间隔分别为3，2.73，2.14 min，每小时最大发车对数分别为20，22，28对，每小时定员最大运输能力分别为29 200，32 120，40 880人，所以每列车初期模拟人数设计为1 460人[16]，高峰期的站厅层和站台层的人数分别取为550人和400人[12]。

考虑高峰期无列车到站、高峰期1辆车到站和高峰期2辆车到站时的人员数量。人员的折返位置分别为站台层楼梯口(楼梯前)、站厅层楼梯口(楼梯后)和闸机处，每个折返人员的折返楼梯为与其距离较近的楼梯，对应的折返路径分别为：折返人员由初始位置先走到站台层楼梯口然后折返回到初始位置再正常疏散；折返人员由初始位置从站台层经过楼梯走向站厅层楼梯口，然后返回到初始位置正常疏散；折返人员由初始位置经过楼梯走向闸机口，然后返回到初始位置正常疏散。

为研究异质人员折返对地铁站疏散的影响，本文做了以下假设：

1)为统一变量，每种工况的折返人员均为同一类型，且折返人员的初始位置全部在站台层。

2)不考虑工作人员的疏散，不考虑人员反应时间。

3)不同工况需对比时，疏散人员的初始位置不变；不同折返人员需对比时，两折返人员之间的距离不大于1 m，且折返路径相同。

1.3 工况设置

为研究人员的折返意向，调查了220人面对贵重物品遗落和家人被困时的折返行为，如图3～4所示。

由图3～4可以看出，70%以上的人面对贵重物品遗落不会折返，当然也有约1%的人表现出一定会折返；近50%的人面对家人被困时一定会折返。这表明折返行为普遍存在，且不同场所的疏散会存在着不同的折返情况。但人员在疏散过程中遗漏物品或是有家人遗留的情况很少，实际折返人员的比例会远低于调查人员的折返比例，所以在本次的折返比例设置为0，0.5%，1.0%，

2.0%，3.0%和4.0%。工况设置如表1所示。

图3 面对贵重物品遗落的折返意向Fig.3 Backtracking intention when valuables is left behind

图4 面对家人被困时的折返意向Fig.4 Backtracking intention when relative is trapped

2 结果分析

2.1 不同疏散楼梯宽度影响分析

站台层通往站厅层的楼梯宽度会影响站台层人员的疏散进而影响整个地铁站的疏散。选择高峰期1列车到站，随机挑选0.5%的同类人员进行折返，折返位置为站厅层楼梯口(楼梯后)。

表1 工况设置Table 1 Working condition setting

图5给出了不同楼梯宽度下青年男性折返时地铁站剩余人数的变化规律，其他类人员折返的地铁站剩余人数曲线也类似图5。以0.6倍疏散宽度下的剩余人数曲线为例，地铁站人数在0～30 s急剧下降，随后有约50 s的过渡期，80 s之后人员数量开始呈一定斜率下降，即将完成疏散时，曲线又开始平缓。通过对疏散过程的观察，前30 s疏散出去的完全是站厅层人员；过渡期的发生是由于该时期站厅层人员距离出口较近，站台层人员距出口远未来得及完成疏散引起的；80 s之后达到稳定的疏散期。即将完成疏散的平缓期是由于折返人员的疏散距离增加引起的。

图5 不同楼梯宽度下地铁站剩余人数分析(青年男性折返)Fig.5 Analysis of the remaining number of subway stations under different stairs width (young male backtracking)

由图5还可以看出不同楼梯宽度在稳定疏散期的剩余曲线斜率不同，即疏散速率不同，如表2所示。可以看出，折返会导致地铁站整体人员疏散速率降低；随着疏散楼梯宽度倍数的增加，地铁站稳定疏散期疏散速率不断增加，且倍数越大，疏散速率增加的幅度越大；少年和青年男性折返时地铁站稳定疏散期的疏散速率较高，中年女性和老年折返时地铁站稳定疏散期的疏散速率较低；儿童和青年女性在疏散宽度倍数为0.5～0.7倍时，疏散速率低，疏散宽度为0.8～1.0倍时，疏散速率高。说明地铁站的疏散速率与折返人员的肩宽和运动速度有关，且肩宽的影响多于运动速度，肩越窄、运动速度越快，地铁站人员的疏散速率越高，对地铁站人员的疏散越有利。

图6为地铁站人员疏散时间随疏散楼梯宽度倍数增加下的变化规律。

图6 不同楼梯宽度下地铁站人员疏散时间分析Fig.6 Analysis of evacuation time of subway station personnel under different stairs width

人/s

可以看出，折返导致地铁站人员的疏散时间增加；随着疏散楼梯宽度倍数的增加，地铁站人员疏散时间不断的降低；0.5和0.6倍楼梯宽度的疏散时间较长；0.6～0.7倍地铁站整体疏散时间急剧下降；0.8～1.0倍疏散时间较短，原因是人员的肩宽为0.30～0.41 m。0.5和0.6倍时，楼梯宽度只能通过1个人；0.6～0.7倍之间，肩部较窄的可以通过2人；0.8～1.0倍时，楼梯宽度可以通过2人，但通过3人还存在一定问题。对比不同类折返人员地铁站整体疏散时间，儿童和老年折返的地铁站疏散时间较长，青年男性和青年女性折返的疏散时间较短，少年折返的疏散时间在0.5～0.7倍疏散宽度时，疏散时间长，在0.8～1.0倍疏散宽度时，疏散时间短。地铁站的疏散时间与折返人员的肩宽和运动速度有关，且运动速度的影响多于肩宽，肩宽越窄、疏散速度越快，地铁站的疏散时间越短，对地铁站人员的疏散越有利。

2.2 不同折返比例影响分析

不同折返比例对疏散的影响规律不同。选择高峰期1列车到站，随机挑选1.0%，2.0%，3.0%和4.0%的同类人员折返，折返位置为站厅层楼梯口(楼梯后)。

表3为不同折返比例下地铁站稳定疏散期疏散速率。可以看出，折返导致地铁站人员的疏散速率降低；随着折返比例的增加，稳定疏散期疏散速率不断下降，即折返比例越高，地铁站人员稳定疏散期疏散速率越低；青年男性折返的地铁站稳定期的疏散速率大于青年女性折返的地铁站稳定疏散速率。

表3 不同折返比例下地铁站稳定疏散期疏散速率Table 3 Evacuation rate table of stable evacuation period of subway stations under different backtrack ratios 人/s

图7为不同折返比例下地铁人员疏散时间。可以看出，折返导致地铁站人员疏散时间增加；随着折返比例的增加，地铁站人员的疏散时间也在不断的增加；青年男性折返的地铁站疏散时间大于青年女性，虽然青年男性有着更高的运动速度，但青年女性有肩窄的优势。

图7 不同折返比例下地铁人员疏散时间分析Fig.7 Analysis of evacuation time of subway personnel underdifferent backtrack ratios

2.3 不同折返位置影响分析

折返发生的位置也是比较重要的疏散影响因素。选择高峰期1列车到站，随机挑选0.5%的同类人员进行折返。折返位置分别为站台层楼梯口(楼梯前)、站厅层楼梯口(楼梯后)和闸机处。

表4为不同折返位置下地铁站稳定疏散期的疏散速率。可以看出，随着折返距离以及折返难度的增加，折返导致地铁站稳定疏散期的速率不断降低；楼梯前折返可能会导致有折返的疏散速率大于无折返的疏散速率，尤其体现在儿童、少年、中年女性、老年折返时，其原因是这几类折返人员的运动速度较慢，折返时刚好错开了楼梯的拥挤；楼梯后与闸机处折返的地铁站稳定疏散期疏散速率与折返人员的肩和运动速度相关，且肩宽占主导，折返人员的运动速度越快、肩越窄，稳定疏散期疏散速率越大。

图8给出了不同折返位置不同类人员折返下地铁站整体疏散时间。可以看出，随着折返难度以及距离的增加，地铁站整体疏散时间有了明显的上升；儿童、少年、老年折返导致地铁站疏散时间上升较大，青年男性折返导致地铁站疏散时间上升较小；折返人员的运动速度越快、肩越窄，且运动速度影响多于肩宽影响，折返导致地铁站整体疏散时间的增加越小；由于儿童的运动速度最慢，在其折返时，对整体疏散时间的影响巨大。

表4 不同折返位置下地铁站稳定疏散期疏散速率Table 4 Evacuation rate table of stable evacuation period of subway stations under different backtrack positions 人/s

图8 不同折返位置下地铁站整体疏散时间分析Fig.8 Analysis of the overall evacuation time of subway stations under different backtrack positions

2.4 不同数量列车到站影响分析

列车到站的数量不同，需要疏散的人员数量也不同，折返行为导致的地铁站疏散情况也会有所差异。典型列车到站的数量有3种：无列车、1辆列车、2辆列车，折返比例为0.5%，折返位置为站厅层楼梯口(楼梯后)。

表5为不同列车到站时地铁站稳定疏散期疏散速率。可以看出，折返行为会降低地铁站整体人员的疏散速率；随着列车进站数量(需要疏散的人数)增多，除儿童、少年折返的情况下，发生折返行为的地铁站疏散速率不断的增加，即在一定范围内疏散速率会随着疏散人数的增加而增加；儿童和少年折返导致的地铁站疏散速率较大，其原因是儿童和少年的疏散速率较慢、肩较窄，这些人员的折返会错开行人的相向流；儿童、少年、青年女性、中年女性折返的地铁站疏散速率较快，即肩越窄，折返对地铁站稳定疏散期的疏散速率影响越小。

表5 不同列车到站下地铁站稳定疏散期疏散速率Table 5 Evacuation rate table for stable evacuation period of different number of trains arriving at the station 人/s

图9为不同列车进站时地铁站人员的整体疏散时间。可以看出，折返行为会导致地铁站整体疏散时间的增加，且列车进站的数量越多，发生折返行为的疏散相较于未发生折返行为的疏散需要更多的疏散时间；老年、儿童折返导致的地铁站疏散时间增加的最多，青年男性、中年男性折返导致的地铁站疏散时间增加的最少，符合肩越窄、运动速度越快，折返对疏散时间影响越小的规律。