突发情况下地铁站应急疏散研究 赵恒伟 （广州市地下铁道总公司 广州５１００００） 摘 要：地铁车站作为城市轨道交通乘客集散的枢纽，其特殊、复杂的建筑结构和客流特性使得乘客在站内的安 全问题尤其受到重视。如何预防和减少安全事故的发生，以及在突发事件情况下对乘客进行安全迅速的疏散，已经 成为国内外研究的重要问题。本文在元胞自动机的基础上，考虑了突发情况下乘客存在的非理性行为，建立疏散模型， 并利用Ｐａｔｈｆｉｎｄｅｒ仿真软件，对广州地铁１号线杨箕站进行模拟仿真，通过对仿真结果的分析，提出合理可行的意 见和建议。 关键词：地铁车站；应急疏散；微观仿真 中图分类号：Ｕ２３１ ．４ 文献标志码：Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｐａｓｓｅｎｇｅｒ Ｅｖａｃｕａｔｉｏｎ ｉｎ ａ Ｓｕｂｗａｙ Ｓｔａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ Ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ Ｓｉｔｕａｔｉｏｎ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｍｅｔｒｏ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ，５ １ ００００ Ｚｈａｏ Ｈｅｎｇｗｅｉ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｕｂｗａｙ ｓｔａｔｉｏｎ ａｓ ｔｈｅ ｐａｓｓｅｎｇｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｈｕｂ ｆｏｒ ｕｒｂａｎ ｒａｉｌ ｔｒａｎｓｉｔ，ｔｈｅ ｓｐｅｃｉａｌ ａｎｄ ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐａｓｓｅｎｇｅｒ ｆｌｏｗ ｏｆ ｓｕｂｗａｙ ｓｔａｔｉｏｎｓ ｌｅａｄｓ ｔｏ ｔｈｅ ｅｍｐｈａｓｉｓ ｏｎ ｐａｓｓｅｎｇｅｒｓ’ｓａｆｅｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｏｎｓ．Ｉｔ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｐｒｏｂｌｅｍ ｆｏｒ ｂｏｔｈ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｎｄ ｆｏｒｅｉｇｎ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｈｏｗ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ａｃｃｉｄｅｎｔｓ ａｎｄ ｈｏｗ ｔｏ ｏｒｇａｎｉｚｅ ｓａｆｅ ａｎｄ ｒａｐｉｄ ｅｖａｃｕａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｐａｓｓｅｎｇｅｒｓ ｉｎ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｅｎｃｅ ｏｆ ｐａｓｓｅｎｇｅｒｓ’ｉｒｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ，ｅｖａｃｕａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂａｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ ｃｅｌｌｕｌａｒ ａｕｔｏｍａｔｏｎ，ａｎｄ ｕｓｅ ｔｈｅ Ｐａｔｈｆｉｎｄｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｔｔｗａｒｅ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ Ｙａｎｇｊｉ ｓｔａｔｉｏｎ ｉｎ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｓｕｂｗａｙ Ｌｉｎｅ １，ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｆｅａｓｉｂｌｅ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｏｐｉｎｉｏｎｓ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｓｕｂｗａｙ ｓｔａｔｉｏｎ；Ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｅｖａｃｕａｔｉｏｎ；Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 的ＪＲ福知山线脱轨事故造成１０７人死亡，４００余 引言 地铁车站作为一个相对封闭的空间，其主要建 筑设施位于地下，客流数量大，乘客密度高，疏散 过程走行距离较长，容易形成大量乘客间的拥挤和 交叉对流现象。再加上站台、楼梯口、通道、出口 狭窄，很容易形成瓶颈现象，另外站内照明通风等 人受伤；２０１１年７月５日北京地铁四号线动物园 站自动扶梯发生故障，之后突然倒转，快速下行， 导致１人死亡，３０人受伤；２０１１年９月２７日上海 地铁１０号线发生列车追尾事故，造成２７１人受伤。 如何在发生紧急情况时，快速疏散乘客，避免产生 严重的后果显得尤为重要。 设备作用有限，潜在的隐患很多。如果客流组织和 疏散不利的话，一旦发生突发事件，极易产生重大 的安全事故，对旅客的出行成本和出行安全造成重 大的影响。２００４年２月６ Ｅｔ莫斯科地铁发生恐怖 １ 现有疏散模型简介 由于通过现有的桌面演练、现场演练都无法精 确地模拟出真实场景，利用计算机仿真的方法来模 袭击事件，爆炸引发大火，造成３Ｏ余人死亡，１００ 多人受伤；２００５年４月２５日，日本兵库县尼崎市 拟乘客疏散，可以寻求出现场解决方案。乘客疏散 模型按不同的标准可以划分为不同的类型。从对乘 ３４《城市公共交通》ＵＲＢＡＮ ＰＵＢＬＩＣ ＴＲＡＮＳＰＯＲＴ ２０１ ４・０７ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ学海泛舟■■一客运动描述细节程度的角度，乘客疏散模型有宏观 模型和微观模型之分。宏观模型是将乘客视为连续 的逃离路径。 本文在元胞自动机的基础上，建立考虑非理性 行为影响的乘客疏散模型。元胞自动机模型最早由 流动的介质，不单独描述乘客个体的运动，忽略了 个体之间差异，主要关注乘客的出行决定和路径选 择等行为，难以描述观测到的乘客复杂的交通行为。 微观模型主要单独描述乘客行为，考虑了单个乘客 的个体差异以及周围环境的影响。 现有的微观模型主要有Ｈｅｌｂｉｎｇ等人提出 冯诺依曼等人提出。元胞自动机是由大量的同质单 一个体，通过局部联系组成的离散、分散及空间可 扩展系统。其特有属性主要有：维度、空间划分、 邻域、转换规则等。元胞的状态由当前时间步周围 邻域所有元胞的状态决定。 的社会力模型、元胞自动机模型（ＣＡ模型）及 Ｈｏｏｇｅｎｄｏｍ的气体动力学模型。气体动力学模型的 基础是气体动力学理论，基本思路是研究速度概率 分布相近的乘客群体，建立乘客移动动态方程，但 模型较为复杂，参数较多，可实现性较差。社会力 模型以牛顿力学为基础，认为乘客行走时受到自身 的驱动力，从而驱动其运动，Ｈｅｌｂｉｎｇ把这种力称 为“社会力”，这些使得乘客的速度矢量改变，从 而影响乘客的疏散过程。社会力模型直接对乘客个 体进行建模，可以通过考虑乘客间的冲撞、挤压、 恐慌和可视范围等因素使乘客表现出思考能力和对 环境刺激的响应能力。社会力模型能够真实描述现 实中很多现象，如乘客自组织、瓶颈处的乘客震荡 等现象。社会力模型缺点是无法完全解决乘客间碰 撞问题，追求社会力的平衡可能会导致乘客的行为 异常等。 ２ 考虑非理性行为影响的乘客疏散模型 在实际情形中，由于突发事件的影响，乘客往 往会有非理性行为，比如恐慌导致期望速度变大、 心理崩溃导致原地滞留需要他人帮助、争抢位置导 致产生冲突以及沿自己熟悉但不一定是最优的路径 疏散等。总体上我们将乘客分为以下几种。跟从型： 此类乘客往往在突发紧急情况下不能靠自我判断分 析，而是采取跟从他人的行为。当乘客对车站环境 不熟悉，且在紧急情况时容易产生恐慌等情绪，便 容易跟从大部分人的行为。折返型：发生紧急情况 时，往往容易产生群聚现象，造成拥挤，可能导致 亲人被冲散的情况，乘客通常会折返去寻找亲人同 亲人一并逃离。熟悉型：此类乘客经常乘坐地铁， 对车站环境熟悉，能够迅速地找到出口，确定自己 最初元胞自动机模型是应用于交通流模拟上的， 后来经过不断的进化和演变，逐渐应用到乘客流模 拟上来，然而两者存在显著的差异，在乘客疏散过 程中，不可避免会产生碰撞，故我们定义一个“静 态场”和“动态场”， “静态场” ．，表示不随时间、 乘客的移动等因素影响的场。 “动态场”Ｄｊ．，则可体 现乘客之间的相互作用，它与乘客的行走路径有关。 乘客向旁边网格运动的移动规则表示如下： ，＝ＮＭ“ ，，，Ｓｉ，『（１一 ，，）………………（１） 式中， ， 为移动规则，Ｎ为归一系数， ，＝０ 或者ｎｉｌ广１表示目标格子被占据或者为空。概率矩阵 ．，表示系统中个体的移动概率，对于“动态场” 的定义可以表达为： ａＤ／ａｔ：ｙＡＤ一８Ｄ………………………（２） 式中， 和６为扩散、衰减系数。 而由于实际中乘客存在折返、停滞等非理性行 为，这些行为将导致乘客的行走路径产生改变，折 返的乘客总是在寻找到亲人后一并逃离，停滞的乘 客往往是到某个点或因某个人驱使进行逃离，折返 乘客与亲人相遇的点及停滞乘客停滞的点将像出口 一样产生一个场，而这个点和出口将形成一个合力， 决定乘客的路径，此时乘客的移动规则如下： ．，＝Ｎｅｘｐ（ｋ，Ｓ￣．，）ｅｘｐ（ 《ｌ ，，）毒．，……（３） 式中，Ｎ＝【ｅｘｐ（ｋ，Ｓｊ，，）唧（ ％（１一 ，，）磊，，】Ｉ’为归一常数， 用来确保 ； ；系数 用以判断（ｆ，．，）是否被人占 据，若为空 “＝ｏ，否则为ｌ；系数盏．，判断（ｆ， ）是否 被障碍、边界占据，为空毒，：１，否则为Ｏ；％反 映第ｍ对乘客的最优相遇点的吸引力；ｋ。和 为 两个大于等于零的参数。 由于出口位置确定，所以可以将表示空间内 出口位置对任意格子的吸引力度 ， 表示为： ＝ ｛ 一ｉ）２＋（ 一们）一（ｎｌ ｌｌ【√【 ） ＋（ 一 Ｊ．．。（４） ２０１ ４・０７ ＵＲＢＡＮ ＰＵＢＬＩＣ ＴＲＡＮＳＰＯＲＴ《城市公共交通》３５ 学海泛舟Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ 其中（ ， ）为出口坐标。 用参数吃， 来表示乘客非理性行为的一个重要 参数，将乘客的初始点、相遇点（停滞点）、出口 联系起来，表达式为： 吃，ｒ＿＝√（ 一Ｘｏ） ＋（ 一Ｙｏ） ＋ （ 而， 而）…一【５ Ｊ （ ， ） 当‘ ＝ 时，有折返行为的乘客相遇的点在两 人初始点连线的垂线上，此时乘客将同时达到相 遇点，定义该点为理想相遇点，但是此相遇点不 一定是最优相遇点，因为从此点到出口的时间即 逃离时间不一定是最短的。最优相遇点应满足如 下条件： ＝ 。， （嘎， ）…………………………（６） 而对于停滞的乘客则相当于一直停留在原地， 直到另一人找到他与他一起逃离，即他们的相遇点 即是该乘客的停滞点。 ３应急疏散实例仿真分析 本文利用Ｐａｔｈｆｉｎｄｅｒ仿真平台环境，对杨箕站 在突发事件情况下的乘客疏散进行模拟分析。得出 相关疏散结果，并提出合理可行的意见和建议。 ３．１杨箕地铁站概况 杨箕站位于中山一路上，为广州地铁一号线与 五号线的换乘站。车站客流以换乘客流为主，且主 要集中在上、下班的高峰期及节假日放假前一天。 车站客流主要分为附近居住上下班乘客的进出站客 流及一号线和五号线的换乘客流。客流主要特点为： 早晨上班时间７：３０—９：３０出站及换乘客流较大， 下午下班时间１６：３０－１９：００进站及换乘客流较大。 杨箕站一号线为地下双层单柱双跨式矩形结 构。上层为站厅层，下层为站台层，站厅层土建 结构高５．０ｍ，站厅宽度为１７．８ｍ，岛式站台宽度为 １０．１０ｍ，站台有效长度为１４２ｍ。站台层从站台地面 算起结构高为４．６０ｍ，装修后净高３．０ｍ，站厅站台 间有四部扶梯，两个楼梯，扶梯宽度为ｌｍ，楼梯 宽度为１．８ｍ。车站共设有（Ｂ、Ｃ、Ｄ）三个出人口， ３６《城市公共交通》ＵＲＢＡＮ ＰＵＢＬＩＣ ＴＲＡＮｓＰｏＲＴ ２０１ ４・０７ 其中Ｂ口宽度为２．７ｍ，Ｃ口宽度为３．８ｍ，Ｄ口宽度 为５．６ｍ，此外，一号线站厅与五号线站厅相连接的 换乘通道宽度为４．５ｍ。站厅、站台如图１、图２所示。 图１杨箕站站厅示意图 ＝ ＝翠 盛 ｌ印 图２杨箕站站台示意图 ３。２仿真环境与参数设定 （１）车站设施：在仿真环境中按照杨箕站的 建筑尺寸建立乘客疏散的仿真环境。６个车厢简化 为连通的空间，每个车厢５个车门。疏散过程中屏 蔽门全部打开，在构造车站环境时不予考虑。 （２）疏散人数：设列车停靠在站台一侧，地 铁为６节编组，列车定员载荷为１８６０人，超员载 荷为２５９２人，模拟时采取超载载荷２５９２人。高峰 时期站台层车厢内总人数１８１４人，候车乘客和工 作人员共７２１人，假设在列车发生火灾或爆炸等紧 急情况，故站台总疏散人数为２５３５人。站厅层人 数为７８１人。 （３）人员性别比例：根据调查数据，乘客的 性别比例约为男５５％、女４５％，由于在高峰时期上 下班客流为主，乘坐地铁的乘客大多数为青年人和 中年人，暂不考虑小孩和老人的影响。 （４）乘客的行走速度：根据中国建筑科学研 究院防火研究所研究报告中的统计数据，广州地铁 站内乘客的移动速度：中青年男性女性速度分别约 ■＿