美国动车组车门通过能力与停站时间研究

王 姣 刘雅萍南车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心 山东青岛 266111



美国动车组车门通过能力与停站时间研究

王 姣 刘雅萍
南车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心 山东青岛 266111

【文章摘要】

动车组的车门通过能力和停站时间，不仅关系到列车的运营效率，而且关系到运载乘客的人身安全。本文利用Pathfinder仿真软件，依据美国Amtrak动车组为基本模型，合理构建参数，根据该模型进行仿真分析，并对模型进行了深入改进。通过对美国Amtrak动车组车辆的人员疏散能力分析，最终确定该型动车组车门的通过能力，并对停站时间给出了相应的建议。

【关键词】

Pathfinder；建模；停站时间

随着轨道交通技术的迅猛发展，轨道交通的管理水平需持续提升。研究合理的车门通过能力和停站时间，可以有效提高运营能力，并能够使列车运营在乘载更多客运量的前提下做到准时、快捷。本文利用Pathfinder仿真软件对列车的车门通过能力进行仿真测试，在乘客携带行李上车和下车的高峰时段，对不同客流量提出不同停站时间的建议，从而证明动车组的设计满足正常运行停留时间的要求。

1 模型的建立

Pathfinder仿真软件简介：

该软件是由美国公司研发的一款简单、直观、易用的新型的智能人员紧急疏散逃生评估系统。它利用计算机图形仿真和游戏角色领域的技术，对多个群体中的每个个体运动都进行图形化的虚拟演练，从而可以准确确定每个个体在灾难发生时最佳逃生路径和逃生时间。Pathfinder特点介绍 ：

1. 内部快速建模与DXF, FDS等格式的图形文件的导入建模相结合；

2. 三维动画视觉效果展示灾难发生时的场景；

3. 构筑物区域分解功能，同时展示各个区域的人员逃生路径；

4. 准确确定每个个体在灾难发生时最佳逃生路径和逃生时间。

图1　列车模型

根据图1所示的模型，本文运用Pathfinder软件对美国Amtrak动车组进行1:1的建模，对男女乘客、携带行李的乘客、残疾人分别进行参数的设置，设定门开启关闭时间均为10s，通过仿真得出1分钟，1.5分钟和2分钟各车门可以通过的乘客数量与百分比，并通过仿真结果对不同客流量下的停站时间做出建议。列车模型根据美国Amtrak动车组编组建立。座椅与过道均按照实际尺寸建立，车门宽度为900mm。图1为本次研究所建立的1号、2号车辆模型，其中绿色区域为可行走区域，也就是车上人员可以活动的区域，与实际车内情况一致。

注：美国Amtrak动车组为8编组列车，1号、8号车辆为一等车，5号车辆为餐车，其他车辆为二等车。

2 参数设置

2.1乘客数量与比例

首先需要在所建立车辆模型内添加乘客，乘客均设置在座椅上，按照实际情况，每个车辆添加了10%的超员乘客，并让50%的乘客携带行李，每节车还包括一名残疾人。乘客按照数量的规定在每个车辆内随机分布在座位上，二等车辆与餐车加设了10%的站立乘客，满足规定的要求。假设男女比例相同，那么一等、二等车辆需要添加的乘客数量如下表所示：

表1　模型中各车辆添加的人员数

2.2乘客肩宽

在软件中主要是通过设置肩宽来确定乘客所占用的空间大小，并通过以肩宽为直径的圆柱来表示乘客的占用空间。其中，为了区别乘客有无行李，将携带行李的乘客的肩宽设定比不带行李的乘客大，从而反映携带行李造成的影响，而残疾人设定统一的400mm作为肩宽。对于男性携带行李的乘客，肩宽平均值相比不携带行李的只增加了20mm，这是由于模型中座椅的大小限制了可设置的最大肩宽。携带行李所造成的影响还将从行走速度，加速时间，舒适距离这一系列参数的设置表现出来，从而让仿真结果更接近实际情况。具体乘客肩宽设置见下表2。

表2　模型中乘客肩宽设定值

2.3其他参数设定

由于车辆内的空间相对狭小，所以在设计速度的时候考虑速度低于乘客在地面的正常行走速度。其中，男乘客的速度高于女乘客，未携带行李乘客的速度高于携带行李的旅客的速度，并且未携带行李的旅客达到最大加速的所需的时间也更多，舒适距离也与携带行李与否有关，具体参数设置见表3。

表3　模型中乘客速度，加速度，舒适距离参数的设定值

车辆的具体人员分配和相应的出口设置见下图2。

图2　车辆整体分布及出口图

3 仿真结果

3.160s内通过乘客数量

规定车门保持打开的时间为计时开始的第10s-第50s（假设开门关门的时间均为10s）。

注：车门的开门时间包括门扇的打开时间和轮椅渡板的伸出、展开时间。

下图为2号车辆不同时间点车门通过情况：

图3　2号车辆不同时间点车门通过仿真图

第50s时车门开始关闭，1分钟通过人数为计时第50s时通过的乘客数量，如下表：

表4　计时第50s时间内通过车门的人数

图4　2号车辆不同时间点车门通过情况

3.290s内通过乘客数量

规定车门保持打开的时间为计时开始的第10s～第80s（假设开门关门的时间均为10s）。

第80s时车门开始关闭，1.5分钟通过人数为计时第80s时通过的乘客数量，如下表：

表5　计时第80s时间内通过车门的人数

5节2等车辆在计时开始后80s内下车人数不等，平均下车60人，占车内全部人数的78.9%。

3.3120s内乘客通过数量

规定车门保持打开的时间为计时开始的第10s-第110s。图5为2号车辆不同时间点车门通过情况：

图5　2号车辆不同时间点车门通过情况

具体到各个车辆乘客全部通过车门所耗费的时间见表6，所耗费的平均时间见表7。

表6　全部通过车门所需时间

表7　全部通过车门所用的平均时间

由于关门需要10s的时间，以上时间加上10s后都小于2分钟，所以2分钟内一列车的乘客（包括携带行李，10%超员与残疾人）可以从每个车辆打开的一个车门全部下车到站台上。

4 模型的改进

在上面的模型中，对列车整体进行了研究，下面对模型进行适当改进。为了研究车门的最终通过能力，从上文已知2号车辆全部乘客下车所耗时间最多。所以本部分单独对2号车辆进行研究，针对美国列车的下车人数确定模型。表8给出了针对2号车辆的下车人数与下车时间的关系。此处，在进行的仿真中，依然采用男女比例1:1，有行李与无行李比例1:1，并且仍旧有一名残疾人士。

表8　2号车辆下车人数与下车时间

根据相关文献《关于地铁换乘站行人流特性和疏散时间模型研究》，针对行人流下车时间所建立的模型，可以知道在车门宽度确定的情况下，指定车辆的下车人数与下车所耗费的时间并不是简单的线性关系，而是满足

为了最终确定关系函数，利用表8数据并根据式（1）对原始幂函数进行拟合，于是得到了图6所示的拟合曲线。

图6　下车人数与时间拟合曲线

利用MATLAB2009a软件的函数拟合工具箱最终确定了拟合后的函数如下：

从图6中可知曲线的拟合程度很高，由图6曲线可以求得曲线的相关拟合系数：

5 结论

1）一等车辆，餐车通过人数分析

在仿真结果中，一等车辆（1号车辆，8号车辆）与餐车（5号车辆）都在1分钟的时间里完成了所有乘客的下车。要得出停站的参考时间，则应对乘客更多的二等车辆进行通过人数分析。

2）二等车辆通过人数分析

对1分钟，1.5分钟，2分钟时车上乘客通过车门的人数与百分比进行汇总，其中二等车人数76人包括50%携带行李的乘客与10%的超员情况。软件中主要研究的是车上乘客下车的情况，如考虑上车的乘客，则上表的通过人数应为实际下车与上车人数之和。即为不同时间下车门的通过能力（人数）。具体情况如下表9所示：

表9　不同时间车上乘客通过车门的人数与百分比

3）不同客流量停站时间的建议

为说明方便，将二等车辆50%携带行李的乘客与10%的超员条件下的总人数称为M人。从仿真结果可以看出，在2分钟的停站时间下，每节车辆的一个车门可以通过100%M人；在1.5分钟的停站时间下，每节车辆的一个车门可以通过78%M人；在1分钟的停站时间下，每节车辆的一个车门可以通过44%M人。其中客流量为单节车辆的下车人数与此节车辆上车人数之和，M为二等车辆在50%乘客携带行李与10%的超员条件下的总人数，这里为76人。这里建议的停站时间是在每辆车开一个车门的条件下得出的。对于客流量超过180%M的情况，停站时间需根据进一步仿真计算得出结论。

由仿真结果得出不同客流量下合适的停站时间，以保证乘客的下车和上车都能在停站时间之内完成。如下表10所示：

表10　不同客流量建议的停站时间

【参考文献】

[1]Claire C.Gordon,Cynthia L.Blackwell, Bruce Bradtmiller*,Joseph L.Parham, Jennifer Hotzman*,Stephen P. Paquette,Brian D.Corner & Belva M. Hodge* (2013).2010 Anthropometric Survey of U.S.Marine Corps Personnel: Methods and Summary Statistics

[2]张碧纯，卢戈.城市轨道交通停站时间建模研究[J].交通与运输，2011, 12: 48-52.

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[5]张朝峰.地铁换乘站行人流特性和疏散时间模型研究[D]北京：北京交通大学，2013,6:45-46.