地铁出口和内部条件对人员疏散的影响分析及应用

文章编号:1004-6011(2008)04-0030-06地铁出口和内部条件对人员疏散的影响分析及应用喻 言, 刘栋栋, 孔维伟(北京建筑工程学院土木与交通工程学院,北京 100044)摘 要:应用STEPS 软件,采用计算机仿真技术对地铁出口人员疏散进行了研究.考虑了建筑物内部结构和人员行为对疏散的影响,建立了简单的地铁车站疏散模型,并利用该模型详细模拟了在不同出口和内部条件下的人员疏散过程.获得了不同时刻的人员分布状态,找到了不利于人员疏散的 瓶颈 位置,分析了地铁出口条件对于人员疏散的影响.这些结果可指导建筑物的疏散设计和建筑火灾等紧急情况下人员的安全疏散.关键词:人员疏散;元胞自动机模型;疏散模型中图分类号:U231文献标志码:AInfluences and Applications of Exit and Internal ObstacleConditions in S ubway on Pedestrian EvacuationYu Yan,Liu Dongdong,Kong Weiw ei(School of Civil and Traffic Engineeri ng,BU CEA Beiji ng 100044)Abstract :The research on pedestrain evacuation at the exits of subw ay is carried out by using computer simulation technique w ith STEPS software in the paper.Taking the effect of evacuation made by interior structure of buildings and people s behavior into consideration,the simple underground station evacuation model is set up and the process of personnel evacuation at different ex its and internal condition in detail are simulated by the model.By doing this,the personnel evacuation status in different time are obtained,the unfavorable position bottleneck is founded,and the influence to person evacuation is analysed because of the condition at metro exits.Under these results,the evacuation design and safety evacuation are proposed w hen meeting building fires or other emergency.Key words :pedestrian evacuation;cellular automata model;evacuation model 收稿日期:2008-09-08基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)专项课题 多层地下交通枢纽安全设计技术 (2007AA11Z125)作者简介:喻言(1983 ),男,硕士研究生,研究方向:防灾减灾.地铁作为现代化城市公共交通运输的主干线和客流运送的大动脉,是缓解城市交通紧张的有效工具.而且地铁是世界公认的低能耗、少污染的 绿色交通 ,对于实现城市可持续发展具有重要的意义,同时它也是国际大都市的标志之一[1].随着我国经济的发展和2008年北京奥运会的举行,城市建设事业的飞速发展,继北京之后,上海、广州、天津、深圳、南京、重庆等城市的地铁相继投入运营,还有一些城市的地铁也正在紧锣密鼓地建设中.然而地铁又是城市中人流密集的公众聚集场所,且部分处于地下的空间,形成封闭的环境,聚集密集的人员,通风和疏散都受到极大的限制是其十分突出的弱点.一旦发生事故,伤亡损失往往非常惨重[2-3].1986年11月19日英国伦敦地铁君王十字车第24卷第4期2008年12月北京建筑工程学院学报Journal o f Beijing U niversity of Civil Engineer ing and Ar chitecture V ol.24N o.4Dec.2008站由于木质自动扶梯轰燃导致32人死亡,100多人受伤;1995年10月28日阿塞拜疆首都巴库地铁发生火灾,最终造成558人死亡,269人受伤;2003年2月18日韩国东部城市大邱市地铁发生人为纵火案,人员伤亡巨大至少造成138人死亡,99人失踪;2004年莫斯科地铁发生了严重的地铁列车爆炸案造成近50人死亡,100多人受伤.我国地铁自1969年相继投入运行以来,因变电所、地铁车辆内的电气设备和线路出现故障以及违章电焊和电气设备误操作等,共发生火灾156起,其中重大火灾3起,特大火灾1起.一组组惊心动魄的数据和惨痛的教训给人们敲响了警钟.地铁的突发事件对生命财产以及生态环境都造成巨大损失,具有不容忽视的潜在危害,地铁具有密闭性、人员密度高等特点,人员安全疏散难度很大,所以地铁火灾人员疏散是一个十分重要的课题[4].1 仿真模型的建立1 1 人员疏散软件简介安全疏散是一个非常复杂的问题,有很多的影响因素,一直受到国际上众多科研机构的关注.根据Gwynne 等人的统计,当前国际上已经建立和正在开发的人员疏散模型和软件大约有22种:例如:英国的CRISP EXODUS (基于行为准则的模型),STEPS,SIMU LE(复杂行为模型);美国的ELVAC,EVACNET 4(无行为准则模型),EXIT 89(复杂行为模型),HAZARD;澳大利亚的FIREWIND,E -GRESSPRO (基于人工智能的模型);加拿大的FIERA system 和日本的EVACS 等.Helbing 等人提出的社会力模型(或称多粒子自驱动模型)[5]是近年来出现的建设性模型,它可望解决人员疏散过程中的不连续、非线性复杂行为.种种模型都各具特色,各自适用于特定的领域.本文所用的STEPS(Simulation of T ransient E -vacuation and Pedestrian MovementS,瞬态疏散和步行者移动模拟)是一个三维疏散软件.由M ott Mac -Donald 设计.该软件可以模拟办公区、体育场馆、购物中心和地铁车站等人员密集区域在紧急情况下快速疏散.此外,STEPS 具有很大的灵活性,因为它可以分配具有不同属性的人员,给予他们各自的耐心等级和适应性,也可以指定年龄、尺寸和性别;在任意时刻,可以模拟无限制的人员,每一次都可以具有他们自己的不同动作.可以模拟紧急疏散,也可以模拟人群在正常情况下的活动;基于PC,方便操作;图形界面简单易懂;可以自己创建几何模型,也可读入多种形式的几何模型.1 2 人员疏散模型简介本文所用的STEPS 采用元胞自动机建模技术,利用CAD 生成的DXF 文件对建筑平面初始化,建立了地铁车站疏散的计算机仿真模型.元胞自动机是一种在计算机仿真中常用的工具.它的主要原理是:在二维的网格阵中,每一网格有几种可能的状态;在仿真运行的过程中,每一单元格按照自身和与其相邻格的状态,依照一定的算法,更新自身的状态;所有单元格均更新了一次自身的状态,称仿真完成了一 步 .元胞自动机技术具有构造简单、运算能力强、所需硬件条件较低等优点.在地铁车站的仿真模型中,车站的平面空间被划分为许多微小正方形单元格阵(通常为0 5m 0 5m ,以反映一个人占据的平面空间).在同一时刻,每一单元格要么为障碍物占据,要么为一人占据,要么为空,三种状态必居其一.元胞自动机方法模拟人员疏散,是从研究每个人从一个单元格移动到相邻单元格的概率入手,然后综合全体人员的移动情况,模拟整个疏散过程并计算出疏散需要的时间.因此,在仿真中,问题的核心是确定单个个体移动到下一步位置的算法.在某一刻,每个个体可以选择移动到相邻的8个单元格中的一格,或留在原格不动(图1).在移动时,主要考虑以下两个因素:第一,若该单元格被障碍物或别的人占据,则此格不可达;第二,该单元格距离出口越近,则人越倾向于走向该格[6].图1 网格示意图1 3 研究对象的模型简介研究模型为一T 形平面如图2,有效长度为140m ,宽度为50m,其中站台通道宽为10m;中间31第4期喻 言等:地铁出口和内部条件对人员疏散的影响分析及应用走廊长为40m,宽为20m.在疏散模型走廊中内部约束障碍(自动检票闸机);下方有三个正常出入口,分别为3m 、4m 、3m.人员类型属性见表1,初始分布状态设为:站台通道内(Location 1)为1000人,同时过道和走廊上(Location 2、Location 3)也随机分布有300人和400人(其中包括工作人员和候车人员),因此该模型内共有1700人.模拟中图中的小点表示地铁中的人员.一般可认为,在宽敞开阔地带跑动速率在3m/s~7m/s 区间内,走动速率在1 2~1 8m/s 区间内[7];人员的步行速度将依据其性别、年龄、身体健康状况的不同,在0 8m/s~1 4m/s 的范围内随机给定.疏散一旦开始,人员将按照最近疏散原则选择出口进行疏散.在疏散过程中,如果遇到墙、闸机等障碍物,人员将绕开障碍物行走,直接通向系统出口,通过出口认为该人员安全疏散.图3 无障碍,所有出口正常打开t =50s 时的人员疏散示意图及局部点详图图2 模型平面示意图(单位:m)表1 人员类型属性类型属性颜色长宽高耐心程度状态人员类型1蓝0 420 351 78低推二轮车人员类型2黑0 400 301 65中公文包人员类型3红0 300 251 20高空手2 模拟的结果与分析地铁中自动检票闸机(内部条件)的引用,有利于地铁运行的智能化,给人们的行程节约了时间,减少了车站的工作人员,提高了客流的流通能力.但是当地铁中发生紧急事故时,闸机便成了人们急于疏散的障碍,而这些障碍对人们的快速疏散又会造成什么样的影响呢?下面本文分有、无障碍,当所有出口正常打开和关闭中间出口时,在其它条件都相同的情况下进行了模拟.根据上文模型的描述,模拟人员在模型的疏散过程.为了较好的模拟不同条件下的人员疏散情况,本文采用以下四大种不同的形式:1)无障碍,所有出口正常打开;2)有障碍,所有出口正常打开;3)无障碍,关闭中间出口;4)有障碍,关闭中间出口.2 1 有、无障碍,所有出口正常打开图3为不考虑闸机的影响即无障碍时,所有出口正常打开(绿色为疏散出口,下同),在疏散开始50s 时的人员疏散屏幕截图,此刻有472人安全的疏散出模型;图4为有闸机即有障碍时,所有出口正常打开在疏散开始50s 时的人员疏散屏幕截图,此刻有390人安全的疏散出模型.从图3可以看出无障碍时,人员只有在出口处出现了少量的聚积;而在图4中大量的人员被积累而堵塞在闸机附近,出口处没有人员聚积,闸机成为制约人员快速疏散的障碍,出现了不利于人员疏散的 瓶颈 现象.随着时间的推移,闸机附近的人数大量地攀升,将会发生人员拥挤迅速堆积,会导致大量人员滞留在疏散通道附近造成拥挤现象,出现这种管涌现象一旦在真实场景中发生将是致命的.这种拥挤力量完全能够扭曲钢构件或者推倒砖墙[8],32北京建筑工程学院学报2008年图4 有障碍,所有出口正常打开t =50s 时的人员疏散示意图及局部点详图图6 无障碍,关闭中间出口t =10s 时的人员疏散示意图及局部点详图例如,1971年发生在苏格兰的格拉斯哥体育场的66名足球球迷在楼梯上被踩死的惨剧;1980年发生在辛辛那提市的摇滚音乐会会场入场过程中有11名人员被挤踩死的惨案等,可见由拥挤造成人员伤亡惨案的教训是非常惨痛的.从对比分析的模拟结果来看(如图5),没有障碍时将所有人员疏散用时为210s,而有障碍时将所图5 有、无障碍,所有出口正常打开时的比较分析图有人员疏散用时为290s;说明是闸机影响了人员的疏散,比无障碍时的疏散时间延长了约80s.而在0~40s 时比有障碍疏出的人数稍多,这是由于在段时间疏出的人员为闸机下方走廊的人员,闸机上方的人员只有一小部分通过闸机,还没有到达出口,即受闸机影响的人员没有疏出模型.40s 后闸机的影响才表现出来,此后两条线偏离越来越大,没有障碍比有障碍疏出的人数要多的多.2 2 有、无障碍,关闭中间出口图6为不考虑闸机的影响即无障碍时关闭中间出口(宽为4m),为了得到不同的仿真时间,取在疏散开始10s 时的人员疏散屏幕截图,此刻有71人安全的疏散出模型;图7为有闸机即有障碍时,关闭中间出口在疏散开始10s 时的人员疏散屏幕截图,此刻有59人安全的疏散出模型.由图6和图7闸机上部可以看出,出现了沿墙壁边沿排队的行走而中间地带 真空 的状况,并在走道的两个拐角处出现了不利于人员快速疏散的拥挤 瓶颈 现象;造成这种仿真 失真 现象的原因为STEPS 软件基于元胞自动机最短路径的原则.合理地调整通道和出口的通行能力(如调10人/s 到2人/s)可以改善这种情况,但这又与出口的实际客观通行能力不完全相符合.因此,划分更为精细的局部人员布置区域(Location)就能改善这种问题,从而使仿真更加趋于真实.从图7出口上部可以看出,由于拥堵一小部分人员开始选择不同的出口,可见不同的出口人员对出口的选择也受到堵塞情况的影响.从对比分析的模拟结果来看(如图8),1)横向对比:无障碍关闭中间出口时将所有人员疏散用时33第4期喻 言等:地铁出口和内部条件对人员疏散的影响分析及应用图7 有障碍,关闭中间出口t =10s 时的人员疏散示意图及局部点详图为280s,而有障碍关闭中间出口时将所有人员疏散用时为360s;说明在关闭了中间出口闸机依然影响人员的疏散,且比无障碍时的疏散时间延长了80s.这和在有、无障碍所有出口正常打开时的障碍对人员疏散的影响基本符合;2)纵向对比:在有、无障碍所有出口正常打开时,没有障碍时将所有人员疏散用时为210s,而有障碍时将所有人员疏散用时为290s;这就充分表明是关闭了中间出口影响了人员的疏散,比出口全部打开时的疏散时间延长了70s.即对比图7和图8,会发现由于关闭了中间出口,疏出能力减少了近2/5,所以无障碍的通行能力始终远远大于有障碍的通行能力.同样,如果在相同的条件下,单纯改变出口的宽度、位置,出口的通行能力和打开的时间等等因素也同样能影响疏散的过程和时间;另外,障碍物对疏散安全性造成了严重的威胁.在建筑物出口有效宽度相同的情况下,障碍物的尺寸大小、障碍物和安全出口的相对位置、安全出口布局对人员疏散安全性具有较大的影响.本文限于篇幅,需另行讨论.图8 有、无障碍,关闭中间出口时的比较分析图3 工程实际应用本文结合北京某地铁站二号线站台(图9)为例运用上面介绍的理论知识分析如下:站台数据:长243m,宽12 1m,其中两头为机器房和调度室(分布为极少工作人员);出口1、2选择为楼梯口,宽度为5m;分布人员为1700名,人员组成及特性如上模型简介.在0s 时疏散开始,从图10通过分析对比在三种不同条件下可以得出:图9 两出口打开、无障碍20s 时人员疏散分布的站台模型屏幕截图在条件1无障碍,两出口正常打开时全部人员疏出站台为133s,比实际拍摄的录像时间为124s稍长,这是由于模型假设疏散开始时两出口平均地使用.而在108s 后曲线的斜率急减并趋于平缓,这是由于在这时出口的输出能力达到最大值,疏散的 瓶颈 在楼梯口附近出现,人员在出口附近聚集并开始排队,就出现了人员密度大拥挤的情况,反而疏散减缓的状况,这与实际情况是完全相吻合的.在条件2无障碍,当出口1在事故发生时关闭,仅出口2正常打开时全部人员疏出站台为237s,疏散时间远大于条件1;但这时间比在条件1下133s 的2倍266s 要小30s,这是由于通向出口1的人员34北京建筑工程学院学报2008年图10 在三种情况下站台人员输出时间-人数比较分析图到出口2的距离远,减小了排队等候的时间.可见出口的数量和位置的选择直接影响着疏散的时间和人员分布状态.在条件3打开出口2并同时启动闸机时,全部人员疏出站台为294s.在80s时其疏散情况和条件2基本一样,这是由于在开始疏散启动时人员在出口没有聚集,此时闸机没有起到阻挡的障碍作用;随时间的推移疏散能力开始减小,闸机的障碍阻挡作用逐渐显现.通过ST EPS模型对比分析与实际情况要求基本相吻合,证明了模型的正确性.对于一些特别的楼层平面,如要达到与实际更为相近的计算结果,便须在STEPS模型设定时将疏散人员理想地布置.4 结论本文应用STEPS软件采用计算机仿真模拟了不同条件下的人员疏散过程,得到了影响地铁人员疏散的主要因素和滞留 瓶颈 和以下结论:1)无障碍比有障碍所用的时间要减少约为28%~38%;打开中间出口比关闭中间出口用时少约为24%~33%.2)采用计算机仿真计算与传统的计算方法相比具有明显的优势.在仿真模拟中,同时考虑了疏散通道宽度、车站的内部布局条件、人员的状况(包括人员的形体尺寸、耐心系数、心理状况)等诸多因素对疏散时间的影响.因此,这样得出的疏散时间更加准确和可信.3)采用计算机仿真计算,可以直观地对人群的整个疏散过程和疏散人群分布状况进行动态观察,从而可以找出车站布局中不利于人员疏散的瓶颈之处,为车站布局的优化提供参考. 但由于地铁突发事件的不确定性,人员疏散行为受周围环境、个体心理素质和身体素质等多方面的影响,基础数据资源的不足,现有模型还存在一些不足之处,还有待在以下方面进行深入研究: a文章中仅以自动闸机作为障碍考虑,没有考虑人员翻越障碍以及返流的情况;其实由于地铁内部布置和环境的复杂性,楼梯、台阶、转角等都有可能影响人员的疏散分布状态,成了阻止人员疏散的 瓶颈 .考虑了人员的形体、类别、耐心系数等,但没有考虑家庭等小团体和他们相互作用及烟雾、灯光、热辐射、有毒气体等外界条件的影响.b本文主要是在突发事件下的人员紧急疏散模拟,假设人员都熟悉安全出口的位置,直接以最短的路径通过通道以及走廊没有考虑人员的反应和准备时间,且认为疏出系统即为安全,没有考虑出口外部附近的通行状况,因此文中的疏散模型还需要不断修正、完善、精细化,力求更加趋近实际.参考文献:[1] 张庆贺,朱合华,庄荣.地铁与轻轨[M].北京:人民交通出版社,2002[2] Zhong M aohua,F an W eicheng.Safety evaluation of en-g ineering and construction projects in China[J].Journalof L oss Prevention in the Process Industries,2003,16(3):201-207[3] 钟茂华,王金安,史聪灵,等.地铁施工围岩稳定性数值分析[M].北京:科学出版社,2006[4] 胡忠日.安全疏散研究的国内外动态和发展趋势[J].消防科学与技术,2001,20(6):7-10[5] D.Helbing D,I.F ar kas I,T.V icsek T.Simulat ingdynamical features of escape panic[J].N ature,2000,407(2):487-490[6] 徐高.地铁车站人员疏散的计算机仿真研究[J].现代隧道技术,2003,40(2):32-34,45[7] Smith R A.Density,velocity and flow relationships forclosely packed cro wds[J].Safety Science,1995,18(4):321-327[8] Kelley,H.H.,Condry,J.C.Jr Dahlke,A.E.,et al.Collective behavio r in a simulated panic situation[J].J.Ex p.Social Psy chol,1965(1):20-54[责任编辑:王克黎]35第4期喻 言等:地铁出口和内部条件对人员疏散的影响分析及应用。