仿真试验研究新型闸机通过能力对疏散时间的影响

2021-07-10杨利强

智能城市 2021年11期

杨利强

（徐州市城市轨道交通有限责任公司，江苏徐州 221000）

自动售检票系统（AFC）是城市轨道交通重要的设备系统，检票闸机是将AFC系统及车站划分为付费区和非付费区的重要设施之一。日常客流组织过程中，闸机对乘客进行身份识别和验证以保证车站秩序；车站内发生火灾等紧急情况时，闸机由于本身占据通道的部分宽度，对车站内人员安全快速疏散会产生影响，因此对闸机通过能力的研究是车站客流组织和安全管理方面的核心问题之一。本文对比不同类型闸机的通过能力，进一步分析闸机通过能力对车站疏散时间的影响。

目前国内外的车站疏散仿真研究中，针对车站的整体疏散情况和疏散过程研究较多。贾崇强[1]针对车站进行仿真模拟，优化了车站疏散时间；徐滢等[2]研究了影响车站疏散时间的影响因素，包括人群的具体位置和针对性的引导等。随着国内主要城市客流强度的逐渐增加，针对疏散仿真的研究也更趋于微观，不同设备设施对疏散的影响需要更有针对性的仿真研究。丁丹丹等[3]研究了大客流情况下，疏散时间受车站换乘设备的影响；孙亚杰[4]将三种不同闸机设置方式下的疏散过程用PathFinder模拟对比，得出疏散效率最高的闸机布置方式；柳泽原[5]利用Anylogic软件建模仿真站厅层闸机口通过能力，根据案例仿真对比结果对闸机布置情况进行优化设计；刘双庆[6]通过录像记录统计乘客通过闸机时间，采用SPSS软件进行数据分析，计算闸机通过能力；李胜利[7]分析人员恐慌状态下对车站中进站设备疏散效率的影响，最终得出结论闸机的混乱疏散效率是有序疏散效率的50%。

本文通过对比介绍新型闸机和传统闸机的属性和通过能力，定义闸机通过能力分析的影响因素和评价标准。设计仿真试验，对不同类型的新型闸机设备与传统闸机设备进行疏散能力的对比分析，得出结论。

1 各类闸机基本属性介绍

1.1 自动检票闸机按不同分类方法划分

（1）按阻挡方式划分。

车站内自动检票闸机按阻挡方式不同分三种，包括三杆式闸机、门扉式闸机和双向门扉式闸机。根据我国《地铁设计规范》（GB 50157—2013）、《地铁安全疏散规范》（GB/T 33668—2017）中相关内容可知，三杆式闸机在疏散过程中严重阻碍乘客疏散速度，无法像门扉式一样开放门扉，行人无法自由通过。

（2）按识别方式划分。

自动检票闸机按识别方式不同，可分为传统识别方式（刷卡、证件扫描和扫码）和生物识别方式（人脸识别和静脉识别）。传统识别方式目前技术相对成熟，通过与生物识别方式对比，可以更好地分析两者通过能力之间的差异。

自动检票闸机传统识别方式与生物识别方式对比如表1所示。

表1 自动检票闸机传统识别方式与生物识别方式对比

通过对比传统识别方式和生物识别方式可知，传统识别方式下的自动检票闸机技术成熟，应用比例高，在运营情况下，闸机通过能力高于生物识别方式，识别速度快、成功率高，因此通行速度快。相比之下，生物识别方式的技术要求较高，能够更有效地防止逃票现象的发生。由于生物识别方式闸机不需要回收票卡，不存在票箱，减少对通道宽度的占用，更有利于疏散情况下乘客逃生。

1.2 自动检票闸机通过能力分析

（1）通过能力影响因素。

地铁站闸机处是站内人流最密集的区域之一，闸机的通过能力很容易影响车站内的人流拥挤程度。影响闸机通过能力的因素主要分为两个方面，一是影响闸机自身通过能力的因素，二是影响整个闸机组通过能力的因素。影响闸机自身通过能力的因素，主要包括闸机本身长度、宽度、反应时间以及乘客的年龄、性别、出行目的、是否携带行李、通过闸机的速度等。

（2）实际通过能力。

闸机实际通过能力与各类乘客比例及其通过闸机的速度相关，但在发生突发事故时，地铁站这种高度密集场所的人群往往会产生恐慌心理。闸机的入口宽度一般为0.55 m，宽度较小，人员的恐慌行为会对疏散效率造成较大影响。

Helbin设定了15 m×15 m、门宽1 m的房间，研究200人规模下，期望速度对疏散时间的影响。结果显示，随着期望速度增大，疏散时间增加，门的通行能力降低。当门的宽度增加到一定值时，“快即是慢”现象便不明显，也可以解释在疏散过程中，生物识别方式闸机通过能力大于传统识别方式闸机的现象。

2 疏散模型建立

2.1 仿真车站及客流特征简介

选取目前广泛采用的标准站型车站作为疏散研究案例车站。车站通常采用单承重柱和双承重柱两种形式，其取决于车站的所需承担的客流压力。

站厅和站台分别位于上下两层，通过3组楼扶梯连接，扶梯组布置采用的是标准模式，即左侧两扶梯、中部步梯升降梯、右侧步梯扶梯的形式。

研究对象为徐州地铁人民广场站，1号线一期工程运营初期的早高峰进站量为3 397 人/h，出站量为3 587 人/h，工作日早高峰上行方向工农路站-人民广场站的区间断面客流量为8 421 人/h，发车间隔为5 min。

由《1号线人民广场站客流组织方案》可知，日常客流组织中开放2、3及5号出入口；由《1号线人民广场站火灾现场处置方案》可知，此次安全疏散测试中该站的安全疏散口为2、3、5号出入口及应急疏散口。人民广场站的进出站量及高峰断面较大，因此在日常客流组织和应急疏散的情况下，乘客的走行流线会产生较多交叉，需要在安全疏散测试中重点分析。

2.2 针对不同闸机疏散表现的实验设计

在疏散过程中，不同类型闸机的通过能力对疏散的过程和总体时间有较大影响。

不同类型的闸机在疏散中的表现，主要体现在其通道宽度和过闸方式上。研究不同种类的闸机在疏散总的表现，设置疏散时通过能力不同的对照组，代表4种不同的闸机布置形式。

对照组、试验组设计如表2所示。

表2 对照试验组设计

3 疏散试验分析

3.1 仿真实验分析

通过对A、B、C、D四组试验分别进行仿真模型的构建和参数的调整，车站仿真模型客流平稳运行至450 s时，开始疏散，统计疏散过程中行人数量随时间变化和密度情况。

疏散全程车站行人密度分布如图1所示。

图1 车站疏散实仿真结果对比

通过对仿真过程中的行人密度进行分析，由4组闸机位置的行人密度可知：

A组只有行人流线折角导致的行人走行速度降低的情况，所以A组的四组闸机位置密度均较低，基本保持流线的平均密度水平。

随着通行难度和通过速率的降低，闸机位置密度越来越高，堵塞范围越来越大。

D组试验中，新式闸机无票箱的优势较为明显，在闸机位置有一定拥挤，最高密度控制在2.5 人/m2以下，不会引发其他位置的明显拥堵。

C组试验相比D组密度更高，但扩散范围相近，且并未引发其他位置的衍生拥堵。

B组试验中的三辊闸机相较于其他试验组，有明显的高密度区域变大的情况，疏散风险增加。在右侧出站闸机位置，闸机位置的拥堵乘客已经开始扩散至后方楼梯口位置的走行乘客，产生了流线上的大量乘客堆积，导致大面积区域的行人密度过高的情况。

对4组试验中的站内的剩余行人数量进行实时监控，统计行人数量-时间分布，如图2所示。

图2 仿真实验车站人数-时间分布

由图2可知，A、B、C、D四组在125 s之前的疏散效率和疏散人数差异较小，该部分疏散人员主要是在站厅非付费区的乘客，接到疏散的警报后，通过出站通道离开车站。

150 s后疏散表现差异明显，随着闸机位置通行能力的限制，疏散时间明显增加。B组疏散时间最长，接近330 s；C组疏散时间为320 s，相较于D组最后的疏散部分，C组疏散速率变化较小；D组疏散效率减小的情况较明显，出现斜率绝对值减小的趋势，说明闸机使用均衡性逐渐降低。

对比A和D组试验结果，结果几乎相同，差距不明显，说明在闸机能力超过一定阈值后，疏散能力的限制并不在闸机位置，会受到其他设备的影响。

3.2 车站疏散指标分析

通过仿真软件对疏散过程中的参数表现进行监控，计算疏散评价指标体系。

试验组疏散指标结果如表3所示。

表3 试验组疏散指标结果

分析表3结果可知，D组新型闸机类设备对于疏散能力的提升，可以直接提升整个闸机位置各指标。D组试验中的设备不均衡度较高，主要是因为在疏散过程中设备不均衡性受到行人的选择影响。

在D组相对排队较短的情境下，乘客更倾向于选择走行距离更短的疏散路线，致使设备的不均衡程度更高，侧面反映行人对高效疏散设备的使用率更高。除了设备使用不均衡性外，平均排队长、最大行人密度、疏散时间等指标均与闸机在疏散时通过速率呈负相关关系。因此，闸机设施疏散通过速率在减少行人排队时间、降低疏散风险方面均有显著的作用。