基于综合因子影响下的地铁站火灾应急疏散仿真研究

成琳娜

（五邑大学 轨道交通学院，广东 江门 529020）

基于综合因子影响下的地铁站火灾应急疏散仿真研究

成琳娜

（五邑大学 轨道交通学院，广东 江门 529020）

本文从主观影响和客观影响两方面对地铁站火灾应急疏散过程进行了深入分析；提出了综合因子η的概念，将尽可能多的影响因素定量地反映在疏散人员的速度上；最后，构建地铁站建筑结构及人员特性仿真环境，利用Pathfinder仿真软件对综合因素影响下的地铁站火灾应急疏散问题进行仿真研究.结果表明，综合因子η考虑的影响因素越多，仿真疏散过程就会越贴合实际情况，仿真疏散结果也就越具可靠性.

地铁站火灾；应急疏散；综合因子；Pathfinder仿真

随着我国城市化的不断发展，城市交通问题日益严重，地铁以其安全、快捷、舒适、能耗低等优点成为改善交通结构、解决交通拥堵难题的最佳方案.与此同时，如火如荼的地铁建设、运营也带来了亟待解决的地铁系统安全问题，其中最为频发、灾害性最大的就是火灾安全事故.

目前，国内外学者在研究地铁站火灾应急疏散问题时主要使用模型求解和软件仿真两种方法.文献[1]以某明挖两层岛式地铁站为例，对地铁火灾的疏散时间进行了模拟分析，根据人员不同的疏散行为反应过程，分别计算出不同阶段所需的具体疏散时间，为评价地铁站结构的合理性提供了有力依据.文献[2]确立了人员逃生的时间计算模型，进而构建出基于简单元胞自动机原理的疏散模型，并开发出地铁火灾人员疏散的计算机仿真软件SUBFE，利用该软件对实例进行了仿真研究.文献[3]中指出目前常用于应急疏散的仿真软件有：Legion、SimWalk、PedGo、AnyLogic、VISSIM等.但已有的研究成果在解决实际问题时仍达不到预期效果，且大部分建设有地铁的城市也未形成有效的地铁站火灾应急管理系统.因此，对地铁站火灾应急疏散问题的深入研究是十分迫切和必要的.本文在分析火灾应急疏散影响因素的基础上，提出了综合因子η的概念，将尽可能多的影响因素定量地反映在疏散人员的速度上，进而对不同情况下的地铁站火灾应急疏散过程进行仿真研究.

1　地铁站火灾应急疏散影响因素分析

1.1主观影响因素

人员作为地铁站火灾疏散的主体对象，势必会对疏散过程产生许多主观方面的影响，研究人员特性对疏散过程所产生的影响可以从宏观和微观两个角度进行.宏观方面是指行人交通流特性对疏散过程的影响，通常用行人流的密度、流量和速度这3个基本特征量来进行描述[4]；微观方面是指疏散人员的个体特征对疏散过程的影响，本文主要分析微观人员个体特征对疏散过程的影响.通过整理现有研究资料和进行实地调查得出，影响地铁站火灾应急疏散的微观主观因素主要包括人员的年龄、性别、健康状况以及受教育程度，对以上因素的相关数据分析结果见图1～图6[5-7].

图1　不同年龄人员的火灾行为反应时间比例

图2　火灾中不同年龄人员的行为差异统计

图3　火灾中不同性别人员的行为差异统计

图4　不同性别人员的火灾行为反应时间比例

图5　火灾中不同身体状况人员的行为差异统计

图6　火灾中不同受教育程度人员的行为差异统计

从图1～图6的分析结果可以看出，个体特征对人员遇到火灾时的行为和反应会产生明显不同的影响.例如，人员年龄与应急行为能力之间大致呈反向曲线的关系，即在一定年龄限制内，应急行为能力随着年龄的增加而增强，在中青年阶段时达到能力顶峰，之后随着年龄的增加，应急行为能力则会逐步减弱.由于女性和男性生理及心理结构的不同，导致女性在遇到突发事件时比男性更容易产生紧张、恐慌、焦虑等负面情绪，更容易表现出退缩、依附、从众、没有主见等心理、行为倾向.人员健康状况也会影响其对火灾反应的灵敏度和疏散速度，且与成功疏散呈正比关系，即身体健康状况良好的人员能够疏散成功的概率要高于健康状况不佳的人员.另外，人员受到的教育程度不同，也会使其在火灾中的行为反应有所不同.

除了上述因素外，人员性格、对车站环境的熟悉度、是否接受过消防训练以及人员之间的特殊关系等其他主观因素也会对应急疏散造成不同程度的影响.

1.2客观影响因素

1.2.1站内建筑结构对地铁站火灾应急疏散的影响

站内建筑结构对应急疏散的影响主要表现为：出入口、疏散通道的通行能力；站内建筑物的耐火等级；报警、消防设施的配置情况；疏散出口的数量、位置；楼梯的位置、宽度；疏散通道的设计；指示引导标志的设置情况；站台的宽度、长度；柱子的数量、位置等.相关影响情况见表1～表3[8-10].

表1　人员在疏散通道上的走行速度

表2　地铁站各建筑部位的最大通过能力

表3　北京南站不同位置的行人平均速度

1.2.2火灾产物对地铁站火灾应急疏散的影响

地铁站发生火灾时，所产生的烟气、高温、热辐射、对流热、毒性等火灾产物会严重阻碍人员的安全疏散，燃烧作用同时会消耗大量氧气，使氧气浓度快速降低，对人员造成极大伤害，这些因素通常是造成地铁站内人员伤亡的最直接原因.相关数据统计结果见表4～表6[11-13].

表4　人体所能承受的各种火灾产物的最大剂量和浓度值

表5　人体可承受的可视度界限值

表6　人体可以忍受的火场温度临界条件

除了上述几方面主要的地铁站火灾应急疏散影响因素外，还存在着一些其他影响因素，例如生活环境、职业、季节、行李、获知火灾线索的途径等.

2　地铁站火灾应急疏散仿真环境的建立

Pathfinder疏散模拟软件是一个基于人员运动的仿真系统，该系统的运动环境是一个完整的三维三角网格设计环境，可以配合建筑物实际层面的建设模式，给每个人员设定一套独特的参数（走行速度、肩宽、出口选择等），并分别仿真出每个人员的独立运动模式，它还提供了图形用户界面的模拟设计和执行，以及三维可视化工具的分析结果[14].基于以上优点，本文选用Pathfinder疏散模拟软件对地铁站火灾应急疏散过程进行仿真研究.

2.1站内建筑结构仿真环境

本文以西安地铁二号线的钟楼站为基础，将仿真地铁站设计为非换乘地铁站Q站.采用5列A型车编组，A型车长22.1m，为了方便仿真过程，取为整数22 m，车宽为3 m.站台（岛式）计算长度（列车停靠区域）为112 m，总长度为120 m，宽度为24 m，站厅层位于站台层上方高5.7 m处，在站台中部采用两组相同规格的楼梯连通站台层与站厅层，分别由两段倾角为26°、长为6.5 m，宽为4.5 m的楼梯和一个长为2 m，宽为4.5 m，高为2.85 m的过渡平台组成，并标定连接站台层与过渡平台的两段楼梯分别为stair1和stair2，连接过渡平台与站厅层的两段楼梯分别为stair3和stair4，每段楼梯又分别用下侧的入口door1和上侧的出口door2来表示.站厅层采用A、B、C 3个出口在不同方向与地面相连通，分别设计A、B出口宽度为5 m、C出口宽度为9 m.

2.2站内疏散人员仿真环境

依据图1～图6及表1～表6中对主要影响因素相关数据的统计，将站内疏散人员划分为不同类别.首先如表7所示按年龄不同将疏散人员划分为五类，再进一步根据性别不同将疏散人员具体划分为7类：儿童、少年、青年男性、青年女性、中年男性、中年女性和老年人，并且设定不同类别的疏散人员在紧急状况下的平均速度见表8.

表7　疏散人员类别

表8　人员在紧急状况下的平均速度

设定一般情况下人员平均肩宽为0.38 m、穿衣厚度为0.02 m、缓冲区域为0.60 m，得出圆形投影的行人空间为0.79 m2/人，站台层、站厅层和列车的基本容量约为2 200人、3000人和1050人.

3　地铁站火灾应急疏散仿真研究

基于前文对地铁站火灾应急疏散影响因素的分析，它们具有多样性、复杂性、随机性、不确定性等特性.因此，本文提出了一个与疏散过程中人员走行速度相关的变量综合因子η，对不同影响因素下疏散人员的速度进行调整，即

其中，ηn表示不同影响因素所对应的子因子，其值根据不同情况下的历史统计数据、实验数据等推算得出，并且定义某类人员在某条件下疏散过程中的实际速度等于紧急状况下该类人员的平均速度与该条件下综合因子的乘积.后文设定起火点位于Q地铁站内连通站台层与站厅层的楼梯下方，并将站内疏散人员按中青年男性、中青年女性、未成年人和老年人这3大类平均分配，在该条件下对综合因子η的应用加以说明.

1）不利影响因素较多时

定义η=η1· η2·η3·η4·η5·η6·η7·η8，其中η1表示站内疏散通道有多处拐弯等复杂建筑结构，取0.95；η2表示客流平峰期，取1.00；η3表示冬季，取0.95；η4表示大部分疏散人员对站内环境不熟悉，取0.95；η5表示大部分疏散人员携带大量行李，取0.90；η6表示出现较多的紧张、慌乱等负面情绪，取0.90；η7表示站内消防设施未能及时发挥有效的灭火作用，取0.85；η8表示疏散引导标志无法清晰辨识，取0.95.得到η=0.56，各类疏散人员特征参数见表9.

为了体现不同人员的反应特性，设定不同的反应延迟时间比例：列车内有2.5%的人员延迟1s后开始疏散行为；站台内有2%的人员延迟1s后开始疏散行为；1.5%的人员延迟2 s后开始疏散行为；1%的人员延迟3s后开始疏散行为；0.5%的人员延迟4 s后开始疏散行为.

2）不利影响因素较少时

定义η′=η1′ ·η2′·η3′ ·η4′·η5′ ·η6′·η7′·η8′，此时设定与前文完全相反的疏散条件，因此η1′、η2′、η3′、η4′、η5′、η6′、η7′、η8′取值分别为1.05、1.00、1.05、1.00、0.95、0.95、1.10、1.00.得到η′=1.09，各类疏散人员特征参数见表10，并且设定不同的反应延迟时间比例.

表9　不利影响因素较多时Q地铁站人员特征参数表

表10　不利影响因素较少时Q地铁站人员特征参数表

对比两种条件下的仿真运行结果，提取出主要的分析结果如表11~表12所示.

表11　仿真结果汇总1

表12　仿真结果汇总2

对比两个仿真实例，站内疏散人员结构一定时，疏散环境中较多的不利因素会严重影响到人员的走行速度，并使人员走行的持续性降低.表11和表12中的仿真结果表明，不利影响因素较少时，整体疏散时间明显减少，站内总疏散时间和站台层疏散时间的减少幅度分别达到了40%和38%；对比出口和楼梯口出现第一个疏散人员的时间可以看出，整体疏散速度明显提高，提高幅度为30%左右；对比楼梯内人员数量变化、楼梯口和出口的通过人流量得出，各类疏散通道的通过能力都有较大提升，平均提升幅度为53%左右；从出口C的累计通过人员数量变化情况得出，有更多的疏散人员放弃距离较近，但出口宽度较小、拥堵程度较严重的A和B出口，而选择距离较远，但出口宽度较大、拥堵程度较轻的C出口.综上所述，在不利影响因素较少时，人员疏散行为的主动性和理智性有了明显提高，有利于地铁站火灾时应急疏散和救援工作的有效开展.

4　结论

本文以西安地铁二号线的钟楼站为基础，设计出非换乘仿真地铁站Q站，进而在系统考虑各类影响因素的基础上，提出了综合因子η的概念，并对两种相反条件下Q站火灾应急疏散过程进行仿真研究.仿真结果表明，利用综合因子η描述出不同条件下影响地铁站火灾应急疏散过程的各类因素，能够直观反应出不同的影响结果，并且能够考虑的影响因素越多，仿真疏散结果越具可靠性，从而可以找出瓶颈因素，制定有针对性的措施，对地铁站的防火建筑设计以及火灾时的人员应急疏散管理具有一定参考价值.如何合理定义η，从而尽可能全面地将各类影响因素体现在疏散速度上，是需要进一步研究的问题.

[1] 方心怡，齐福强.地铁火灾时人员疏散模拟分析研究[J].中国水运，2008,8(1): 181-182.

[2] 张莉.基于地铁火灾仿真的人员疏散研究[D].上海：同济大学，2008.

[3] 张诗波.基于Agent的行人交通微观仿真建模与分析[D].昆明：昆明理工大学，2007.

[4] 田娟荣，周孝清.某地铁火灾人员疏散分析[J].建筑防火设计，2011,30(11): 1011-1014.

[5] 徐敏.中国人心理行为特点对应急疏散的影响[J].安全，2008(5): 66-68.

[6] 张程.地铁人员行为特征与人员疏散仿真[D].重庆：重庆大学，2013.

[7] 谢启苗.基于多项式混沌展开的人员疏散时间不确定性研究[D].合肥：中国科学技术大学，2014.

[8] 马金宁，韩新，丛北华.地铁列车火灾中的人员疏散仿真研究[J].灾害学，2010,25（增刊）：146-149.

[9] 中华人民共和国建设部.地铁设计规范：GB50157-2003 [S].北京：中国计划出版社，2003.

[10] 刘民伟.铁路大型客运枢纽站突发事件应急能力评价模型与方法的研究[D].北京：北京交通大学，2008.

[11] 易赛莉.双层地铁换乘站性能化火灾烟气虚拟仿真分析[J].系统仿真学报，2013,25(4): 681-686.

[12] 沈亮峰.中庭式地铁车站公共区防排烟系统优化设计探讨[J].铁道标准设计，2013(6): 131-135.

[13] 张江涛，王景刚，龚凯.基于FDS的办公大楼火灾数值模拟分析[J].建筑科学，2015(2): 14-17.

[14] 徐艳秋，王振东.基于Pathfinder和FDS的火场下人员疏散研究[J].中国安全生产科学技术，2012,8(2): 50-54.

[责任编辑：韦 韬]

Research on Subway Station Fire Emergency Evacuation Simulation Based on Multi-stress

CHENG Lin-na
(School of Railway Tracks and Transportation,Wuyi University,Jiangmen 529020,China)

The influencing factors in a subway station fire emergency evacuation process are discussed from both subjective and objective perspectives and the concept of multi-stress η is advanced to reflect quantificationally as many influencing factors as possible in the speed of the evacuation; and finally,a simulation study of subway station fire emergency evacuation is made by simulating the subway environment including the building structure and personnel characteristics using the Pathfinder simulation software.The results show that the more influencing factors are taken into consideration,the closer is the simulation to the actual situation of the evacuation process and the more reliable are the simulation results.

subway station fires; emergency evacuation; multi-stress; Pathfinder simulation

U291.6

A

1006-7302（2016）01-0034-07

2015-11-02

江门市科技计划项目（20150030003955）

成琳娜（1988—），女，甘肃金昌人，助教，硕士，主要研究方向为交通运输规划与管理.