地铁车站客流绕行设施对突发事件下乘客疏散的影响研究*

汪益敏，农 轲，仇培云，陈嘉诚，姚诗忆

(1.华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510640；2.华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 510640；3.广州地铁集团有限公司，广东 广州 510335)

0 引言

为应对大客流情况，地铁车站常用铁马、伸缩杆等绕行设施对进站客流进行绕行管控。将绕行设施设置在指定的位置，能起到增加乘客行走距离，降低乘客行走速度等作用。不同于闸机等地铁车站固定设施，铁马、伸缩杆等设施体积变化随意，移动方便，可结合地铁车站实际客流情况布置于车站各个区域。当发生紧急事件时，若绕行控制区域过大，绕行距离过长，处于绕行区域内排队等候的乘客需要在离开绕行区域后才可向地铁出入口疏散，导致可能无法迅速撤离，从而造成较大的人员伤亡。因此，如何科学合理地布置突发情况下地铁车站客流绕行设施，保证乘客快速有效疏散，成为地铁安全运营亟待解决的问题。

地铁车站发生紧急事件时，影响其疏散能力的主要因素有人的行为、设备设施的布局与能力以及人与设施之间的相互作用[1-2]。许多学者针对地铁车站中影响疏散的因素进行相关研究。郁奇涛等[3]通过对杭州地铁换乘站的实际观察，指出地铁车站高峰客流期间，地铁结构柱、垃圾箱与休息座椅等附属设施是地铁客流疏散的潜在安全隐患。胥旋[4]研究不同车门开启方式对乘客疏散影响，制定地铁紧急疏散时到站列车的开门方案。穆娜娜等[5]通过对车站站台扶梯、楼梯处不同导流杆长度的探究，给出地铁车站站台导流杆长度选择建议。侯正波等[6]探究疏散过程中扶梯对于疏散的影响，得出疏散时上行扶梯保持运行，下行扶梯停止运行更为合理。Qu等[7]以香港地铁为例探究地铁站屏蔽门与乘客疏散时间之间的关系，得出不同客流下车站屏蔽门开启条件，提供合理的地铁屏蔽门应急疏散策略。Huang等[8]探究地铁疏散过程中语音警报的作用，为地铁车站广播设备布置区域与设计提供建议。然而，现有研究主要集中于地铁车站的静态设施设备，其往往在地铁设计建造之初被确定了具体位置与形式，或是在日常运营中全天候布置，保持位置不变。对根据不同的客流情况，可以动态选择具体布置位置和形式的客流绕行设施鲜见报道。因此，本文结合广州东站交通枢纽地铁车站工程实践，通过现场调查、理论分析、仿真模拟等方法，系统开展地铁车站客流绕行设施对突发事件下乘客疏散的影响研究，以期为地铁车站合理布置客流绕行设施提供科学依据。

1 地铁车站客流绕行设施及实施方法

地铁车站客流绕行设施主要包括可移动铁马护栏、伸缩带栏杆、固定式隔离栏杆、预埋式隔离栏杆等设施。其中，可移动铁马护栏以不锈钢为主要材质，在冲击下不易变形，一般长度为1.2～2 m，高度为1.2～1.5 m，主要布置于车站出入口外、站厅、换乘通道等区域，起引导客流流向的作用，如图1(a)所示。可移动伸缩带栏杆由底座、伸缩头、杆体组成，具有体积小、移动方便的特点，主要布置于地铁站厅及站台层，起引导、禁止客流通行等作用，如图1(b)所示。

图1 地铁车站客流绕行设施Fig.1 Passenger flow bypass facilities in subway station

地铁车站绕行设施根据车站结构和使用目的的不同布置成“S”型、“L”型、“Z”型、“一”字型、“川”字型及混合型等。实施时主要根据客流分级管控要求[9]在不同位置进行灵活布置，绕行设施的布置方式、布置位置及其特点、作用如表1所示。

2 基于社会力模型的地铁车站安全疏散仿真模拟方法

2.1 基本原理

社会力模型将行人抽象为质点，并对其进行受力分析，规定行人在前往目的地的过程中受到包括自身驱动力、人与人之间相互作用力以及人与物体之间的相互作用力的影响，从而可以较好地对地铁车站乘客运动轨迹进行仿真模拟[10-11]。

社会力模型的一般数学表达式如式(1)所示：

(1)

表1 绕行设施布置方式及特点Table 1 Layout modes and characteristics of bypass facilities

2.2 AnyLogic仿真建模步骤

AnyLogic是常用于研究人群疏散模型的仿真计算软件，其行人库模块以社会力模型为基础进行开发，仿真建模包括以下5个步骤，分别为基础资料搜集、仿真场景搭建、搭建行人逻辑流程、仿真过程演示、仿真结果输出，如图2所示。

图2 AnyLogic仿真过程Fig.2 AnyLogic simulation process

3 广州东站地铁站绕行设施布置调查与疏散模型建立

3.1 工程概况

广州东站地铁站位于广州东火车站大楼地底，是广州地铁1号线及广州地铁3号线北延段的换乘车站，在广州东火车站大楼的地底成“十”字布置。未来广州地铁11号线、广州地铁18号线也会在此设站，并与现有线路实现换乘。

目前该站共有4层结构，从上至下依次为共用站厅层、1号线站台层、换乘通道层以及3号线站台层，该站从北至南分别为3号线北站厅、1号线站厅以及3号线南站厅，如图3所示。

图3 车站结构布局Fig.3 Structural configuration of subway station

3号线南站厅与1号线站厅处于同1层，即共用站厅层，连接相同的非付费区，北站厅处于地铁站北端与其余2个站厅通过站内换乘通道相连接。车站目前设有6个地铁站的出入口。H、J出入口处于北站厅处，B、I、G、F出入口处于共用站厅层处，其中I口为广州东站火车站至地铁车站的单向免检入口，只进不出，其余出入口均可自由进出。

换乘通道位于车站中部，整体结构狭长，通过9个扶梯与1个楼梯连接车站中所有站厅与站台。

1号线站台位于1号线站厅之下并与换乘通道相接。3号线站台位于车站最底层，只与换乘通道相接。

3.2 客流特征

相比于普通地铁车站，综合交通枢纽地铁车站具有客流密度大，节假日客流高峰极高，客流组成复杂，家庭成员集体出行较多，老、幼乘客比例较高，携带行李多，进出站速度相对缓慢，客流组织和风险管控难度非常大等特点。

以2020年1月1日(元旦节)为例，广州东站地铁站单日进出客流量如图4所示，客流高峰时段进出站客流总量可达11 780人/h，全天客流高峰集中在10∶00～15∶00时段，高峰时间长达5 h，客流总计达到66 742人次，占全天客流总量的45.9%。同时，高峰时段实施单向免检的I口客流携带行李的比例达到278人/h，占该时段客流进站的24%。

图4 2020年1月1日客流分布情况Fig.4 Passenger flow distribution on January 1,2020

高峰时段车站各流向客流以及各出入口携带行李进站乘客数据如表2所示。

3.3 参数设定

3.3.1 车站设施设备参数

广州东站地铁站各种设备设施数量及其参数根据《地铁安全疏散规范》(GB/T 33668—2017)[12]与实地统计调查得出，如表3所示。

3.3.2 人员参数

设置行人直径在0.4～0.5 m之间，携带行李乘客为其1.2～1.5倍，且符合随机分布。乘客的行走速度包括初始速度、舒适速度，将其分别设为1～1.4 m/s、1.1～1.4 m/s的随机分布[13]。

以观测统计得到的各出入口流向客流量为依据，给出广州东站各个出入口进站客流分布比例，拟定车站各出入口进站人数。采用节假日地铁车站乘客进站高峰速率，即5 347人/h，得出I、G、F、B、H、J各个出入口进站速率分别为1 733,1 688,540,588,420,378人/h。

表2 高峰时段各出入口流向客流量及携带行李比例Table 2 Passenger flow and proportion of baggage carried of each entrance and exit during peak hours

表3 设备设施参数Table 3 Parameters of equipments and facilities

3.4 地铁车站绕行设施布置

为有效组织和管控地铁车站客流，广州东站地铁站在客流高峰期间布置了较多的可移动式绕行设施。具体采取绕行区域包括G口站外前往车站安检，I口、F口、B口前往车站通道，1号线站台前往换乘通道，换乘通道前往3号线站台处以及3号线站台屏蔽门前等地。其绕行设施布置调查结果如表4。图5(a)与图5(b)分别为车站出入口处客控点区域和换乘通道前往站台扶梯前的绕行，其布置形式均为“S”型，主要采用铁马进行绕行布置，其中在出入口控制点结合伸缩杆共同完成布置。图5(c)为站台屏蔽门前用伸缩杆组成的绕行。

表4 广州东站地铁站绕行布置调查Table 4 Survey on bypass facilities layout of Guangzhou East Railway Station subway station

3.5 疏散仿真模型建立

3.5.1 模拟工况

考虑不同管控等级对应的绕行设施布置形式、布置位置等不同的特点，结合实地调查结果，选取绕行设施布置4种工况开展疏散仿真分析研究，仿真分析工况条件如表5所示。

将车站固定铁马设施视为车站结构布置于4种工况之中，换乘通道内，B口、F口通道内的绕行设施所占横截面宽度为通道宽度的1/2，换乘通道内设施的宽度与楼梯、扶梯宽度一致。换乘通道内部绕行设施一端与楼扶梯相连，B口处绕行设施出入口处均在通道内部，F口处绕行设施与安检相连。以广州东站建筑结构为基础，结合观测所获设施设备布局、设施设备参数、人员数据进行参数设定，建立广州东站仿真场景。场景包含车站建筑各层结构、楼梯与扶梯、列车轨道、绕行设施布置，客流密度检测点等，如图6所示。

图5 广州东站地铁站绕行布置Fig.5 Bypass facilities layout in Guangzhou East Railway Station subway station

表5 仿真分析工况条件Table 5 Conditions of simulation analysis

图6 仿真工况Fig.6 Simulation conditions

3.5.2 疏散仿真分析模型

仿真模拟重点研究不同绕行设施对客流疏散的影响，仿真时假设如下：

1)全体乘客均需疏散出站。

2)疏散过程中，车站所有出入口均可进出、闸机处于打开状态，扶梯均停止运行。

3)乘客选择距离最短的出入口离开车站。

行人进站与疏散时的逻辑流程如图7所示，包含行人产生、购票、乘车流程[14]。根据观察多次仿真过程，当模型运行时间约550 s时，站台处聚集一定规模乘客，且车站各区域客流密度变化保持稳定，分布符合实地调查结果，如图8～9所示。据此选取模型运行时长10 min为疏散开始时间，列车尚未驶进车站，疏散乘客主要为进站乘客。在疏散仿真中根据乘客疏散开始时位置将其分为站厅疏散以及站台疏散2种类型，统计乘客疏散时间以及相应人数，车站关键位置的客流密度变化情况。

图7 行人进站与疏散逻辑流程Fig.7 Logical procedure of pedestrian arrival and evacuation

4 结果及分析

4.1 疏散时间

表6为4种仿真情况下站厅与站台乘客疏散至地铁车站外的时间统计。

站厅层最后1位乘客疏散所需时间最长为196.1 s，最短为192.0 s，二者相差较小。站台层乘客疏散时间差别较大，最后1位乘客的疏散时间随着绕行设施的增加不断增加。造成这样耗时增加原因主要有：绕行设施的设置使得乘客疏散时所需走过的路程增加；疏散过程中进出站乘客冲突而无法快速疏散；设施减小通道宽度使得疏散过程中产生拥挤，在二级客流管控绕行下乘客的最长疏散时间达到1 035.2 s。

站厅乘客、站台乘客及全体乘客平均疏散时间如图10所示。在一级客流管控绕行措施下，客流从站台向上疏散时绕行设施提供明确的路径引导，避免乘客疏散时的冲突，为站厅乘客疏散预留了时间，使得其站厅层、站台层以及全体乘客的疏散时间有所下降。其中站厅层平均疏散时间与全体乘客平均疏散时间均为4种仿真情况下的最小值，一级客流管控绕行措施下，站厅疏散时间比无绕行设施疏散时间降低1.5%，站台疏散时间比无绕行设施疏散时间增加0.4%，全体乘客疏散时间则比无绕行设施下疏散时间下降1.8%。二级客流管控绕行各疏散时间均为4种工况仿真中最大值，站厅、站台疏散时间以及全体乘客疏散时间较无绕行设施分别增加6.5%，2.3%，5.3%。

图8 第550 s时刻换乘通道与3号线站台乘客分布Fig.8 Passenger distribution of transfer channel and platform of Line 3 at 550 s

图9 第550 s时刻共用站厅客流密度Fig.9 Passenger flow density of shared station hall at 550 s

4.2 客流密度

绕行设施区域客流密度如图11所示。由图11(a)可知，一级客流管控绕行与二级客流管控绕行均在换乘通道处设置绕行设施，距离绕行设施距离较远的区域，各情况下客流密度变化较为稳定，最高密度差距较小，最大客流密度约为1.1人/m2。图11(b)表明，B口通道中，二级客流管控绕行对客流密度影响较大，密度最大值为其余工况下的2～4倍。F口检测点位于安检通道处，由图11(c)可知，二级客流管控绕行开始疏散时绕行设施内部客流密度同样较大，随后逐渐下降，在720 s时，站台乘客的到来使其增加，其中二级客流管控下增加值最大。可见，疏散时因乘客受到绕行设施的限制无法及时撤离，使绕行区域内客流密度增大，对于绕行区域附近区域影响较小。绕行设施两端均布置于通道内会对客流密度的影响较大，客流进一步增加会导致通道的拥堵。

表6 仿真疏散时间Table 6 Simulated evacuation time

图10 疏散时间对比Fig.10 Comparison of evacuation time

图11 客流密度变化Fig.11 Change of passenger flow density

4.3 疏散人数

疏散人数变化如图12所示，0～120 s主要为站厅乘客疏散时间，4种工况分别疏散532，589，604，593人。一级客流管控绕行和二级客流管控绕行站台乘客在向上疏散时，受到站台层或换乘通道处绕行设施的阻拦，避免“快即是慢”的现象，在前期疏散速率较高。同时，其余情况下站台乘客在疏散时易发生站厅层与站台层乘客的冲突，造成疏散效率下降，使站厅和站台乘客疏散之间出现明显的分界，如图12工况2所示，疏散速率在120 s左右区域平缓，随着站台乘客的到来疏散速率进一步提高。

图12 仿真疏散人数变化Fig.12 Change of number of simulated evacuation passenger

4.4 改进措施

由上述结果分析可知，二级管控条件下绕行设施以“S”型布置于车站通道、安检区域等地使其疏散时间延长，乘客疏散时会在绕行设施处产生拥挤，使客流密度增加。因此对二级客流管控绕行布置形式进行进一步优化，优化方案1：采用间隔布置的“S”型铁马，乘客进站时的管控效果与原“S”型布置相同；优化方案2：采用与通道平行的“一”字型铁马设置，将通道宽度按进站方向宽度比出站方向宽度为1∶2进行分隔，在乘客进站通过时限制其速度，起到与绕行相似效果。对2种疏散优化方案进行仿真，所得疏散结果与未优化前疏散结果进行比较，如表7所示。

表7 优化前后对比Table 7 Comparison before and after optimization

当采用优化方案1的间隔布置时，乘客在疏散时可从绕行设施布置间隔中逃离，站厅乘客平均疏散时间为59.97 s，相较于未优化时减少5.3%，但在疏散过程中仍有客流密度过大的问题；当采用优化方案2的“一”字型铁马布置时，占用通道面积减少，站厅乘客在短暂的拥挤后能快速度疏散，站厅乘客平均疏散时间为62.00 s，相较于未优化时减少2.0%。同时，避免站台乘客疏散至站厅造成进一步拥挤的情况，站台疏散时间相较于未优化时减少1.6%。

5 结论

1)常态化管控绕行与二级客流管控情况下设施布置使疏散时间分别增加1.2%和5%，疏散时及时撤离绕行设施可保证乘客快捷有效疏散。绕行设施有助于提高车站整体乘客疏散效率，一级管控条件下设置于楼扶梯相接的绕行设施使得疏散时间相比于无绕行设施下降1.8%，疏散过程中保留与楼梯和扶梯相连接的绕行设施可以保证客流更为有序疏散。

2)当绕行设施布置于车站通道时，疏散初期客流密度是无绕行设施布置情况下的2～4倍，疏散时间最大增加约30 s。二级管控下的绕行布置阻挡站台向上疏散至出入口的乘客疏散，客流密度增加值为4种条件下的最高值。地铁车站在采取二级客流管控时，应在考虑绕行对疏散影响下选择开阔的区域布置“S”型绕行设施。

3)在绕行布置地点一致的情况下，采取不同的布置形式可有效减少乘客疏散时间，间隔布置下站厅乘客平均疏散时间为59.97 s，较未优化前减少3.32 s，但在疏散时乘客密度与优化前相差不大。“一”字型布置下站厅与站台乘客疏散时间分别下降2%与1.6%，同时客流密度也减少至0.09人/m2。可见，“一”字型绕行设施布置于车站长通道内对于地铁站乘客疏散更为有利。