地铁车站安全疏散模型综述_邢国新.pdf

文章编号:1009-6094(2023)07-2417-11地铁车站安全疏散模型综述*邢国新1，赵海龙2，任丹彤2(1 北京市地铁运营有限公司机电分公司，北京 100043;2 北京航天常兴科技发展股份有限公司，北京 102600)摘要:随着城市轨道交通的不断建设与扩张，地铁运营尤其是发生险情后的安全疏散问题引起社会的广泛关注。为了得到更加科学、合理的地铁安全疏散方案，论述了地铁车站安全疏散主要特征及影响因素。由于地铁疏散空间及客流聚集程度较为特殊，对于模型应用的角度也不尽相同。从微观、宏观、介观角度对经典及优化后的疏散模型进行了综述、讨论，在对应急安全疏散模型进行评述总结的基础上，就目前应用较多的疏散模型的优缺点进行了对比分析。结果表明，考虑到人群建模的精确度，目前建模研究重点已逐步转至微观建模领域，其中复杂系统建模精度与计算效率间的平衡性以及模型的主观性仍亟待解决。结合地铁车站疏散特点，针对该领域模型研究提出模型组合使用、行为预测机制、数理统计分析和智能算法应用的新思路。关键词:安全工程;地铁车站;疏散模型中图分类号:X951文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2022.0845*收稿日期:2022 05 16作者简介:邢国新，高级工程师，从事地铁机电设备研究，363439681 qq com。0引言当前，国家“新基建”战略已将城市轨道交通建设纳入其中，并对此提出高效、安全、可靠的基本要求。国内外事故案例表明，随着地铁运营规模持续扩大，人流量不断攀升，踩踏、拥挤等二次事故在一定程度上扩大了突发事件的影响程度。例如:1903年 8 月，法国巴黎地铁发生火灾，因乘客逃生意识淡薄、视线受阻、疏导不畅等原因，造成 84 名乘客丧生;1987 年 11 月，英国伦敦皇十字街地铁站由电火花引发火灾，后因人群拥挤、疏散不力致 32 人遇难，100 余人受伤;2008 年 3 月，北京地铁车站扶梯故障引发恐慌事件，人群未及时疏散继而发生踩踏事故，造成至少 13 人受伤;2015 年 4 月，深圳地铁发生小群体慌乱事件，15 名乘客受伤1 2。由于地铁建筑环境相对封闭且空间有限，站内人员集中，设施设备众多，合理的疏散方案将对开展救援工作、减少事故损失产生重要的影响。近些年，国内外诸多学者对应急疏散模型开展了深入研究，但针对地铁车站的安全疏散仍未建立完整、系统的架构。因此，本文对现有安全疏散模型建模方法进行综述，结合地铁车站安全疏散固有特征及其影响因素对上述方法进行对比及讨论，以期为地铁车站面对突发事件提高疏散效率、预防二次事故提供更加科学的参考。1地铁车站安全疏散概述建立地铁疏散模型是对疏散过程的抽象化分析，其参量选取及设置对模型合理性、准确性有重要意义。本节从地铁疏散特征及其影响因素两方面进行论述，为后续不同疏散模型在地铁场景应用中的适用性及优劣评价提供依据。1.1地铁车站安全疏散特征除地铁建筑群本身具备的空间特征外，其客流状态随时间、空间呈现特定的聚集及分散特征。从时间、空间角度出发，结合地铁应急疏散研究热点分析结论3 将地铁车站疏散特征概括为密闭空间跨层次特性、疏散路径特性及大客流特性。1.1.1密闭空间跨层次特性地铁具备显著的半封闭或全封闭环境特征，仅在出入口及通风管道处与外界连接。受地形及开发程度等影响，地铁车站采用不同程度深埋地下设计并向深层化发展，因此跨层次疏散也是其特征之一。突发事件下，楼梯及断电后的自动扶梯是人群跨层次疏散的唯一通道，经仿真计算，大量次深层、深层地铁车站很难满足规范要求4。不仅如此，多数地铁事故的发生伴随烟气等有害气体的产生，竖向通道的“烟囱效应”及列车运行的“活塞效应”均会加剧气体排出难度5。另外，地铁事故按场景可分为车站事故及区间隧道事故，后者空间环境对人员疏散更为不利，本文暂不对此环境进行论述。1.1.2疏散路径特性疏散路径选择通常取决于空间结构、事件发生点、疏散引导信息等。地铁车站应急事件一般发生于列车内、站台层及站厅层，通常合理的疏散路径6 默认为由站内各处向出口方向移动，具体见表 1。“就近原则”“熟悉路径原则”是 69.6%的人群对于疏散路线的选取依据7，这种常规性不均匀选择极易在出口形成拱形人流，增加疏散时间，因此衍生出对疏散路径求最优解的研究思路。黄昕等8 基于 A*算法建立了动态地下空间路径规划模型并以地铁车站为例进行模拟，结果表明，人群疏散路径长度具有“突变”特征。罗凌燕等9 通过问卷调查及7142第 23 卷第 7 期2023 年 7 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 7Jul，2023表 1地铁车站应急事件突发点及其安全疏散路径Table 1Emergency point and safe evacuation route of subway station应急事件突发点安全疏散路线列车内车门屏蔽门站台楼梯/自动扶梯站厅通道检票闸机安全区域站台楼梯/自动扶梯站厅通道检票闸机安全区域站厅通道检票闸机安全区域现场试验方式得出，设计路径或最优路径并非是乘客实际疏散的唯一选择，路径熟悉程度、出口可见度、人群密度是路径选择的主要影响因素，且语音疏散指导较标志指引更具优势。王恒等10 对地铁乘客的路线偏好进行了量化分析，出口可见性、流向流量、密度及出口距离均存在异质性。因此，地铁乘客疏散路径途经点较为固定，但对于通道的选择具有随机性，做好疏散引导可有效提高疏散效率。1.1.3大客流特性地铁车站大客流可按形成原因分为特定时间段内的可预见常态化大客流及因恶劣天气、事故等造成的突发性不可预见大客流。有关数据表明，北京地铁多条线路早晚高峰时段最大满载率达到甚至超过 120%，运力、运量矛盾突出的原因可归结为人口数量激增、站点周边区域发展及地铁规划建设滞后等因素11。按照日客流变化车站可分为单峰型、双峰型、多峰型、全峰型及无峰型 5 类12，其分类表明客流在时间维度具有极大的不均衡性;而在空间维度方面，客流均衡性与线路结构有直接映射关系。康元磊等13 仿真结果显示，当地铁达到最大通行能力时，初始乘客数对疏散时间有较大影响。1.2地铁车站安全疏散影响因素地铁轨道交通系统作为人员密集场所，空间结构复杂、人流集散量大，但安全通道数量有限。依据系统管理理论，疏散影响因素分为客观因素及主观因素，客观因素包括地铁车站空间结构、设施配置等功能性支撑强度，主观因素涉及安全疏散参与各方，包括疏散乘客、系统内工作人员行为因素及应急管理响应能力14。1.2.1客观因素1)地铁车站空间结构。地铁车站空间结构的组成包括车站主体(站台、站厅、设备间、辅助间)、出入口、换乘通道及地面附属建筑15，本节的论述对象包括车站主体结构中的站台(站厅可做安全区)部分以及出入口与换乘通道部分。地铁站台形式包括岛式、侧式和混合式，考虑到工程投资及管理复杂度，一般较少采用混合式站台16。岛式站台利用率高、客流分布更均衡，对客运组织能力要求低，因此更利于疏散。近些年，在满足使用功能的前提下，一体化、人性化中庭式地铁车站应运而生。而在应急事件发生时，较大的多层共享空间受灾害影响程度更为显著，气体、烟雾、火焰形成的烟囱效应更为剧烈且破坏了传统地铁设计站厅层作为安全区的良好基础，增加了疏散难度17。选择地铁出入口是疏散过程中人群的关键决策之一。地铁车站出入口设计具备鲜明的标准化特征，GB 501572013地铁设计规范 规定车站出入口数量应根据客流要求设计，但不得少于 2 个。按照导流需求，地铁出入口包括独立式、下沉式及合建式18。姚国伟19 经仿真得出，出入口处于地铁车站中央位置时更利于客流疏散，出入口宽度小于 4m 对疏散效率影响较大，宽度超过 7 m 则对疏散效率不再产生积极影响。换乘功能是地铁提升运输效率的重要方式之一。不同线路通常以平行或交叉形式进行换乘设计，交叉式换乘根据交叉点区别又可分为“十”形、T形及 L 形换乘20 21。线路车站结构脱离情况下，以通道方式换乘。因设计原因，换乘通道多数狭长并伴随多处转弯及障碍阻挡，由此造成的视线受阻及心理波动将对疏散效率产生影响。马洁等22 针对换乘环境及心理因素进行乘客疏散决策建模，结果表明:视野半径对疏散的影响程度取决于乘客对环境的熟悉程度;合理设置工作人员的引导位置比盲目增加引导人员数量更为关键。2)地铁车站服务设施配置。地铁站内设施配置包括检售票设施、通道类设施(自动扶梯、楼梯、闸机)、引导类设施(导流栏、指示标志)等，且多数基础设施设备移动不便。其中扶梯运行状态、闸机流通方向及导流栏的设置是疏散效率的主要制约因素。王若成23 采用 EVACNET4软件基于结构重要度对地铁人员疏散动态瓶颈进行8142Vol 23No 7安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 7 期了模拟，结果表明:站台层疏散瓶颈主要分布于楼梯及自动扶梯处，且影响程度大于闸机;站厅层的疏散瓶颈位于出口及部分闸机处。秦华礼等24 运用Pathfinder 软件对 T 形换乘车站进行了仿真，结果表明，当列车载荷分别达到 80%及 90%以上时，楼梯口及闸机口的突发性拥堵会大幅度增加安全疏散时间。导流栏一般设于扶梯处、售票处、换乘通道内及出入口处，按设置方式分为固定式、可推拉式和可移动式。穆娜娜等25 26 对地铁环境下不同形式及长度的导流栏进行了数值模拟，结果表明:较长的固定导流栏会在通道内形成排队现象，极易在封闭空间及应急事故的多重作用下增加乘客产生冲突行为的可能性;而设置合理长度的可推拉导流栏可缩短疏散时间，提高疏散效率。1.2.2主观因素地铁安全疏散过程的主观因素包括人员的行为因素及地铁系统内部应急疏散能力，其中人员不仅包括站内乘客，同时涵盖城市轨道交通系统内服务人员。1)疏散行为。疏散行为是被疏散者心理活动的外在表征，也是应急疏散中难以预测、控制的部分。早期地铁疏散行为研究多为问卷调查定性分析27 29，被调查人员在年龄、学历、性别比例方面高度一致，结果较为统一，70%80%的人员在突发事件情况下选择保持冷静，50%60%的人员听从指挥或按指示标识进行疏散，但该比例随着学历的提升呈下降趋势。近些年，学者通过调查与统计学结合的方式进行定量研究。董书衡30 认为，性别、年龄、职业、培训经历、乘车频次与行为特征显著相关。卢颖等31 认为，“突发事件经历”和“环境熟悉度”是地铁乘客社会脆弱性的直接表征，并对乘客的行为及自我恢复能力造成影响。此外，上述研究表明，被疏散者中存在明显恐慌心理及恐慌行为者占比均较早期呈现攀升趋势32，进而产生了具备自主疏散意识的多类逃生行为，学者将这种逃生行为分为从众行为、自主疏散行为、排他性行为及互助行为 4类33，其中弱势人群的从众心理更为明显，同时更易造成拥堵和阻塞，从而延缓疏散过程34。逃生行为在空间分布上体现为出口扎堆、通道不均匀与拐角拥挤现象。对于系统内服务人员，定期应急演练的设置35将大幅降低因恐慌情绪产生的不安全行为，在快速执行保障方案的同时对站内乘客提供正向情绪输出。2)应急管理与现场处置。GBT 336682017地铁安全疏散规范 中规定地铁运营企业应编制疏散专项应急预案及其现场应急处置方案并定期进行演练。从应急突发事件疏散管理理论36 出发，控制危机发生中的混乱状态并形成规律性群体组织系统模式对疏散效率的提升有决定性作用。据调查，客流流线交叉是疏散过程的重要隐患点之一，瓶颈点、分流处的人工引导极为重要，疏散指示系统起到类似作用。研究表明，疏散人员服从引导并将其期望速度降为 0 时可缩短疏散时间，提高疏散效率 18%45%37。此外，定期对安全疏散设施、疏散路线等关键因素开展评估分析，结合具体模型对设施、路径优化可有效提高疏散过程对疏散能力的匹配度要求，减小因管理不当加剧事故严重程度的概率。2地铁车站疏散模型在信息技术不断发展的研究背景下，人员疏散模型及仿真软件不断被优化。根据研究方法的不同，可将人群动态疏散模型分为微观模型、宏观模型及介观模型。微观模型对个体