地鐵出口條件對(duì)人員疏散影響

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摘要:采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),綜合考慮建筑物結(jié)構(gòu)和人員行為對(duì)疏散的影響,建立了地鐵車站的疏散模型,并利用該模型詳細(xì)模擬了各種不同出口條件下的人員疏散過程.通過模擬,獲得了每個(gè)時(shí)刻的人員分布狀態(tài),找到了不利于人員疏散的“瓶頸”位置,分析了地鐵出口條件對(duì)于人員疏散的影響.

關(guān)鍵詞:地鐵;人員疏散;疏散時(shí)間;疏散模型

0引言

地鐵,被稱為世界上最安全的交通工具,現(xiàn)代城市不可或缺的交通工具.統(tǒng)計(jì)資料表明,它與路面交通工具發(fā)生事故的比例是1∶100[1].但是大量的地鐵火災(zāi)、爆炸及恐怖襲擊事故的發(fā)生,已經(jīng)給人們帶來了巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡.2005年7月8日剛剛發(fā)生的倫敦地鐵爆炸事件再次讓世人震驚,造成56人死亡.因此,對(duì)一旦發(fā)生緊急事故,如何快速安全地將危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的人員撤離到安全區(qū)域研究具有非常重要的意義.

人員疏散問題是一個(gè)涉及建筑物的結(jié)構(gòu)、火災(zāi)的發(fā)展過程和建筑物內(nèi)人員的行為三種基本因素的復(fù)雜問題.目前在計(jì)算疏散時(shí)間時(shí),大部分情況下都是只考慮了疏散通道總寬度的影響,采用簡單的公式法來計(jì)算[2～4].這種方法無法考慮建筑物結(jié)構(gòu)和人員行為對(duì)于人員疏散的影響,從而也就沒有考慮出口條件的影響.

近年來,隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的迅速發(fā)展,國內(nèi)外研究人員開始了人員疏散模型的研究.根據(jù)Gwynne等人的統(tǒng)計(jì),當(dāng)前國際上已經(jīng)建立和正在開發(fā)的人員疏散模型大約有22種,其中EVACNET[5]、EXODUS[6]、EXIT89[7]、Simulex[8]、HAZARD1中的EXITT模型[9]、FiRECAM程序中的人員逃生子模型[10]等受到了人們較多的注意.

探討地鐵出口條件對(duì)人員疏散的影響,本文采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),建立了地鐵站臺(tái)的疏散模型,對(duì)地鐵站臺(tái)的人員疏散情況進(jìn)行了詳細(xì)的模擬.

1型的建立

采用精細(xì)網(wǎng)格法,建立了某地鐵側(cè)式站臺(tái)的計(jì)算機(jī)仿真模型.精細(xì)網(wǎng)格法是把建筑平面空間劃分為許多小的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn).網(wǎng)格中的每一個(gè)位置稱為一個(gè)節(jié)點(diǎn).在不同的模型中,節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格大小和形狀也有所不同,該地鐵模型中選用0.5m×0.5m的正方形網(wǎng)格,與真實(shí)情況下一個(gè)人員所占的空間相符[11].每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以用弧線與相鄰的八個(gè)節(jié)點(diǎn)相連接,如圖1所示.人員可以沿著弧線從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)移動(dòng).但是在同一時(shí)間內(nèi),一個(gè)節(jié)點(diǎn)只能由一個(gè)人員所占據(jù).用這種方法可以比較準(zhǔn)確地表示建筑平面空間的幾何形狀及其內(nèi)部障礙物的位置,并可在人員疏散的任意時(shí)刻確定每個(gè)人的準(zhǔn)確位置[12].

對(duì)象為一單層側(cè)式站臺(tái),車站有效長度為146.7m,寬度為96.8m,高度為4.76m,車站斷面示意圖如圖2所示.由于側(cè)式站臺(tái)兩邊是對(duì)稱的,所以選用站臺(tái)的一側(cè)建立疏散模型,該側(cè)站臺(tái)一共有兩個(gè)疏散通道和一個(gè)正常出入口.

疏散的初始人員分布狀況:有一列載著乘客(1200人)的列車停靠在站內(nèi),而站臺(tái)上也隨機(jī)分布有300人(其中包括工作人員和候車人員),因此該站內(nèi)共有1500人.由此,建立該站臺(tái)的人員疏散模型如圖3所示.圖中小黑點(diǎn)表示地鐵中的人員.人員的步行速度將依據(jù)其性別、年齡、身體健康狀況的不同在0.8m·s-1～1.5m·s-1的范圍內(nèi)隨機(jī)給定.

利用該模型,可以清楚地看到每個(gè)時(shí)刻人員的分布情況,如40s后人員的分布如圖4所示.從圖中可以發(fā)現(xiàn),在疏散通道附近出現(xiàn)了明顯的不利于人員疏散的“瓶頸”現(xiàn)象.

2模擬結(jié)果及其分析

實(shí)驗(yàn)表明[13],人們對(duì)于出口的選擇,主要與人員對(duì)于出口的熟悉程度(包括正常出口和緊急出口)、離出口的距離和緊急出口的狀態(tài)(是打開還是關(guān)閉)三個(gè)因素有關(guān).為了有效地利用每個(gè)出口,提高人員疏散的效率,下面將利用地鐵的疏散模型,分析比較各種不同出口條件下人員的疏散情況.

2.1疏散通道是否打開

如果人員完全按照最近路線原則選擇出口,在其它條件都相同的情況下,分別對(duì)兩個(gè)疏散通道均關(guān)閉、打開一個(gè)疏散通道和兩個(gè)疏散通道全部打開三種不同出口條件下的人員疏散情況進(jìn)行了模擬,模擬結(jié)果如圖5所示.

從圖5中顯示的最終疏散結(jié)果來看,圖線1與圖線2所顯示的總的疏散時(shí)間相差不遠(yuǎn),而圖線3的疏散時(shí)間卻要明顯的大于前兩種情況.這就表明,當(dāng)人員完全按照最近路線原則來選擇出口時(shí),打開兩個(gè)疏散通道與打開一個(gè)所用的總的疏散時(shí)間相差不遠(yuǎn).但是,在同一時(shí)間內(nèi),圖線1所表示的疏散出去的人數(shù)明顯大于圖線2.這說明,當(dāng)兩個(gè)疏散通道都打開時(shí),在同一時(shí)間內(nèi)比僅打開一個(gè)疏散通道疏散出去的人要多,尤其是在前160s更是明顯.在160s之后,差別逐漸減小,這是因?yàn)樵趦蓚€(gè)疏散通道附近出現(xiàn)了疏散的“瓶頸”現(xiàn)象,大量的人員聚集在疏散通道附近進(jìn)行排隊(duì)等候,導(dǎo)致疏散速度有所降低.同時(shí),在圖中也可以看出,如果兩個(gè)疏散通道均關(guān)閉的話,人員全部疏散出去的時(shí)間卻要延長75s左右.

在模擬過程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)疏散通道關(guān)閉時(shí),對(duì)人員疏散造成的影響不僅僅是減少了出口的數(shù)量,更為嚴(yán)重的是會(huì)導(dǎo)致大量的人員聚集在出口附近,大大增強(qiáng)了疏散的“瓶頸”現(xiàn)象,從而降低了疏散的效率.另外,由于乘客并不知道疏散通道是否是打開的,如果人們到達(dá)疏散通道附近發(fā)現(xiàn)其關(guān)閉再返回來尋找其它出口的話,就會(huì)造成“反向流”的現(xiàn)象,導(dǎo)致疏散效率降低.­

2.2疏散通道打開是否及時(shí)

在其它條件都相同的情況下,對(duì)在發(fā)生火災(zāi)等緊急情況時(shí),兩個(gè)疏散通道及時(shí)打開、其中一個(gè)延遲60s打開以及兩個(gè)都延遲60s打開三種不同的出口條件下的人員疏散狀況進(jìn)行了模擬,模擬結(jié)果如圖6所示.

從圖中可以看出,在同一時(shí)間內(nèi),3條圖線所顯示的從所有出口疏散出去的總?cè)藬?shù)的關(guān)系:圖線1>圖線2>圖線3.也就是說,當(dāng)延遲打開疏散通道時(shí),由于沒有及時(shí)有效地利用每個(gè)出口,所以導(dǎo)致在同一時(shí)間內(nèi),疏散出去的總?cè)藬?shù)減少,疏散的總時(shí)間明顯增加.

值得注意的是,如果疏散通道沒有及時(shí)打開,會(huì)導(dǎo)致大量的人員滯留在疏散通道附近造成擁擠現(xiàn)象.由于擁擠造成人員傷亡慘案的教訓(xùn)是非常慘痛的.例如,1971年發(fā)生在蘇格蘭的格拉斯哥體育場的66名足球球迷在樓梯上被踩死的慘劇;1980年發(fā)生在辛辛那提市的搖滾音樂會(huì)會(huì)場入會(huì)過程中11名人員被擠踩死的慘案[14]等.

2.3正常出口與疏散通道的有效利用

前面的模擬都是假設(shè)人員完全按照最近路線的疏散原則來選擇出口的.然而,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明[13]:即使人們離熟悉的正常出口的距離比最近的緊急疏散出口遠(yuǎn)一些,人們?nèi)匀粌A向于選擇比較熟悉的正常出口.但是,如果緊急疏散出口的門是開著的并且人們可以看到外面的話,緊急疏散出口就變得更加受歡迎,大部分人將會(huì)選擇緊急疏散出口.另外,一般在發(fā)生緊急事件之后,地鐵中的工作人員或者消防人員也會(huì)指導(dǎo)人員進(jìn)行疏散.為了便于分析這些因素對(duì)于人員疏散的影響,筆者用出口吸引力來表示出口受歡迎的程度,某出口的吸引力越大,則表示該出口越受歡迎,人員選擇該出口的可能性也就越大,反之亦然.筆者對(duì)各個(gè)出口在不同吸引力情況下的人員疏散狀況進(jìn)行了模擬,模擬結(jié)果如圖7所示.

在圖7中,圖線1為正常出口與疏散通道具有相同吸引力,人員完全按照最近路線的疏散原則選擇出口時(shí)的模擬結(jié)果.在模擬過程中發(fā)現(xiàn),在這種情況下,在疏散通道附近出現(xiàn)“瓶頸”現(xiàn)象,疏散時(shí)間較長.圖線2為降低疏散通道吸引力時(shí)的模擬結(jié)果.可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)降低疏散通道的吸引力,即更多的人員選擇正常出口進(jìn)行疏散時(shí),疏散的總時(shí)間減少,尤其是在160s之后更是明顯.但是如果進(jìn)一步降低疏散通道的吸引力(如圖線3)時(shí),則會(huì)發(fā)現(xiàn)疏散的總時(shí)間反而會(huì)有所延長.反過來,當(dāng)增大疏散通道的吸引力時(shí),由于加重了疏散通道附近的“瓶頸”現(xiàn)象,增加了人員排隊(duì)等待的時(shí)間,從而會(huì)導(dǎo)致疏散時(shí)間更長.而且,疏散通道的吸引力越大,則所用的疏散時(shí)間就越長,如圖線4和5所示.這就說明,疏散通道的吸引力存在一個(gè)最佳值.

3結(jié)論

本文在分析某地鐵側(cè)式站臺(tái)疏散模型的基礎(chǔ)上,采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),綜合考慮了建筑物結(jié)構(gòu)和人員行為對(duì)疏散的影響,對(duì)不同地鐵出口條件下的人員疏散過程進(jìn)行了模擬,得出了如下結(jié)論.

(1)疏散通道關(guān)閉時(shí)所用的人員疏散時(shí)間要比打開時(shí)延長75s左右.這不僅是因?yàn)闇p少了出口的數(shù)量,更為嚴(yán)重的是會(huì)導(dǎo)致大量的人員聚集在出口附近,大大增強(qiáng)了疏散的“瓶頸”現(xiàn)象,從而降低了疏散的效率.另外,還可能造成不利于人員疏散的“反向流”現(xiàn)象.

(2)及時(shí)打開疏散通道比其中一個(gè)延遲打開60s要少用20s左右的時(shí)間,而比兩個(gè)都延遲60秒打開節(jié)省約60s的時(shí)間.而且發(fā)現(xiàn),延遲打開疏散通道,不僅延長了疏散時(shí)間,而且在出口附近造成了嚴(yán)重的擁擠現(xiàn)象,很容易造成人員傷亡.因而,在地鐵發(fā)生火災(zāi)等緊急事故時(shí)應(yīng)及時(shí)打開疏散通道.

(3)出口的吸引力不同,則人員疏散所用的時(shí)間也有所不同.正常出口與疏散通道的吸引力存在一個(gè)最佳值,如果通過指導(dǎo)人員有序的進(jìn)行疏散,使每個(gè)出口的人員分配取得最佳值,將會(huì)有效地避免出口的“瓶頸”現(xiàn)象,減少人員疏散的時(shí)間.

(4)采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),可以直觀地觀察到人員的整個(gè)疏散過程,得到每個(gè)時(shí)刻的人員分布狀況,從而可以找出地鐵站臺(tái)中不利于人員疏散的“瓶頸”位置,進(jìn)一步優(yōu)化地鐵站臺(tái)的布局.因而,地鐵站臺(tái)人員疏散的計(jì)算機(jī)仿真模擬具有廣闊的應(yīng)用前景.

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