交通枢纽应急疏散仿真和智能指示灯设计研究

陈 乾, 唐 飞, 于金山, 赵一楠, 谢蔚泓, 陈 利, 石 琴

(合肥工业大学 交通运输工程学院,安徽 合肥 230009)



交通枢纽应急疏散仿真和智能指示灯设计研究

陈 乾, 唐 飞, 于金山, 赵一楠, 谢蔚泓, 陈 利, 石 琴

(合肥工业大学 交通运输工程学院,安徽 合肥 230009)

针对大型综合交通枢纽在火灾情况下人员能否及时准确逃生的问题,文章采用人员疏散仿真模拟软件Pathfinder研究了某枢纽在不同火灾场景下应急疏散过程,获得了人员逃生疏散时间,并根据不同的疏散场景优化人员应急疏散路线，最后提出可以依据不同火灾疏散场景智能变换指示方向、显示距离等较多疏散信息的优化指示灯系统,向疏散人群传达应急疏散线路,以提高乘客的疏散效率和减少人员伤亡。

交通枢纽;应急疏散;安全诱导;路径优化;智能指示灯

随着经济社会的快速发展,各地陆续兴建了大量的城市交通枢纽,如上海虹桥综合交通枢纽、南京南站、合肥南站等。综合交通枢纽车站是一个主体封闭的大型空间,它与外界相通的仅有车站出入口、窗口,与普通车站相比有更复杂的结构断面、线路布置和机电设备,同时换乘路线的交叉、换乘高差带来的行走难度等因素都增加了疏散体系的复杂性。然而在交通枢纽内不可避免地会发生火灾等突发灾害事件,如不能及时有效地将人员疏散到安全区域,将造成人员伤亡及财产损失[1]。研究表明,火灾发生时火灾烟气是威胁人员安全的主要原因。火灾烟气致使地铁站建筑内部温度短期内迅速上升,烟雾密度也随之增加,这对于站内人员的疏散非常不利。对此很多学者在火灾烟气控制[2-3]和交通枢纽安全疏散设计[4-6]上做了大量研究。近年来,研究者开始关注智能应急指示灯系统研究[7-9]。文献[8]结合消防应急照明和火灾报警系统,采用一种联动可控的指示灯系统,通过实时数据调整指示牌的指示方向,这种指示灯虽然一定程度上缓解了消防疏散指示灯指向机械固定的缺点,但没有将疏散路径和指示灯有机地结合,实时疏散效率有限;文献[9]为了实现在动态环境中指示灯路线的规划,利用计算机对应急指示灯进行控制,并对指示灯进行改进,使其能够双向选择性指示。

本文以某市综合交通枢纽为研究对象,应用Pathfinder软件进行仿真模拟,研究该枢纽在火灾情况下人员疏散逃生时间,优化逃生路线,提出了可以依据不同火灾疏散场景智能变换指示方向、显示距离等疏散信息的优化指示灯系统。

1 工程概况和火灾场景设计

1.1 工程概况

该枢纽为高铁站、市地铁1号线(未建成通车)、地面公共交通综合换乘枢纽。车站各层工况图如图1所示。

图1 车站各层工况图

根据设计资料,地下一层为到达层,层高11 m,面积约50 000 m2,南侧有宽5 m门1个,宽2 m门10个,东西侧各有宽3 m门6个,通向室外;内部有宽0.9 m出站闸机70个;南北两侧有商铺等。地上一层为站台层,层高10 m,面积约77 000 m2,该层含12个站台;每个站台(除南北站台)均有向下连接到达层3 m宽楼梯1条,2 m宽楼梯1条,1 m宽扶梯2部;向上连接候车层3 m宽楼梯1条,1 m宽楼梯1条,1 m宽扶梯2部；北侧有售票厅、办公室等,南侧通往广场。地上二层为高架候车层,层高8 m,面积约50 000 m2,东西侧分别有宽5 m门5个,宽2.5 m门8个,北侧有宽3 m门2个,通向室外;内部有宽0.6 m进站闸机100个;四角有卫生间、售票处、办公室等,上方有商业夹层。地上三层为商业夹层,层高8 m,面积约12 000 m2,共分为4部分,无直接对外出口;北侧2夹层和角侧2夹层各有向下通向候车层宽1 m电梯2部，宽2.5 m楼梯2条,宽2 m楼梯分别为4条和2条。

1.2 火灾场景设计

本文考虑只有一处火源发生点时的疏散情况,所模拟的火灾场景见表1所列。

表1 火灾疏散场景模拟

2 场景疏散模拟分析与优化

2.1 疏散设计

本文研究综合交通枢纽站内人数由到达层、站台层、高架候车层及高架夹层人员构成,并考虑2站台各有一列车同时进站,乘客恰好下车时发生火灾的人员疏散。根据可行性研究报告,经由该枢纽远期高峰时刻预测客流为16 653 人/h,各层疏散人数分别为:地下到达层7 862人;地上站台层2 552人;高架候车层5 093人;高架夹层1 146人。性别、年龄按照模拟软件默认设置,疏散人群的性别、年龄分布见表2所列。其中本次仿真模拟使用Pathfinder软件中steering模式,使用路径规划、指导机制和碰撞处理相结合的手段来控制行人运动,人员之间的距离和最近点的路径超过某一阈值时,算法就会产生新的路径,从而改变了行人的行走轨迹。

表2 疏散人群性别、年龄分布 %

通过仿真模拟得出每个主要客流区域的人员平均停留时间,发现某些人群疏散的路径选择并不科学,导致客流区域的人员平均停留时间过长,不满足规范要求[10-12]。如选取场景中火灾发生位于高架候车层时,部分站台层人员通过楼梯向上疏散不符合安全原则。

2.2 疏散场景分析与优化

本文对该火灾场景进行疏散优化,策略如下:由于高架候车层南部通往站台层楼梯处附近区域着火,导致站台层只能通过向下楼梯疏散至到达层,而应封闭向上楼梯;同时,原到达层旅客应当直接在到达层出口处立即疏散,避免向上寻找出口而接近火源引发危险和造成上下客流对冲,到达层向上楼梯封闭。以火灾场景B3为例,如图2所示。

根据实际火源位置及疏散客流特点,进行对应的疏散路径优化,以消除人流对冲为前提,确保疏散路径为远离火源方向。例如,高架候车层南侧出现火源,路径优化示意图如图3所示。在火势较大情况下,西南夹层南楼梯自发向下疏散客流易接近火源而返回,极易形成人流对冲(路径②),在楼梯处极易发生踩踏,故在西南夹层进行路径优化,诱导客流全部经北楼梯疏散(路径①),消除人流对冲隐患。在仿真软件中建立一个虚拟的人员集散地,诱导人群先以集散地为目标移动,到达集散地后再向出口等目标移动,分步进行最优路径计算。

图2 火灾场景B3

图3 路径优化示意图

运用Pathfinder软件对火灾场景B3进行人员应急疏散仿真模拟,优化了火灾场景B3的逃生路径。火灾场景B3人员疏散模拟见表3所列。

表3 火灾场景B3不同时刻人员疏散模拟

在对该火灾场景的优化过程中,着火使得高架夹层与高架候车层之间的楼梯成为疏散瓶颈。高架候车层客流按照最近路径直接疏散,受着火点影响不明显;候车层与夹层客流同时经候车层疏散时,安全出口的瓶颈现象不明显。全部疏散人数与时间的关系如图4所示。

图4 优化后疏散人数与时间的关系

B3疏散场景优化的疏散时间为256 s,比优化前缩短了39 s。站台层客流在优化后,全部经由向下疏散楼梯至到达层疏散。向上疏散楼梯封闭,避免接近着火点影响安全或与向下客流形成对冲。到达层客流全部就近疏散,向上疏散楼梯封闭;到达层客流大,且出站闸机等对疏散效率有一定影响,并承接站台层其中2站台的客流,所以疏散完成时间长,最后时刻疏散效率有所降低是因为站台层向下疏散楼梯与闸机处形成瓶颈。但到达层远离候车层着火点,最后完成客流疏散符合安全要求。

2.3 疏散结果

通过疏散优化,不同火灾场景人员疏散优化结果见表4所列。由表4可以看出,疏散时间平均优化了约10%。

表4 不同火灾场景人员疏散优化结果 s

3 基于疏散方案的指示灯优化

3.1 指示灯理念

当前我国大多数安全出口处所采用的疏散指示灯的特点是将客流平均疏散至最近的安全出口。一旦某个出口处发生火灾或当某处的火灾足够大使得安全出口无法正常通行,或当某一出口疏散人数远大于其疏散能力时,这些指示灯的疏散方向将影响区域疏散效率,甚至造成拥堵、人流对冲,在出口、楼梯处发生踩踏等次发安全问题,导致人员无法及时、安全地撤离。

本文通过对不同疏散场景的模拟,得到不同场景下的疏散方案,再通过优化人员应急逃生路线,最后将不同场景下的优化逃生路径方案转化为智能指示灯信号指引人员疏散。

本文提出的新理念智能应急动态指示灯系统,能实现智能联控,其特点为:通过对不同火灾场景人员逃生路线的优化模拟,对当前的疏散应急指示灯系统做出优化,将优化疏散路线方案和疏散信号指示灯相结合,合理排布特定的(满足不同情况下指示方向需求)疏散指示灯;将原有独立工作的就近引导的应急疏散指示灯设为专用安全引导,不仅可以用绿色箭头指示疏散方向,还可以用红灯样式警告行人危险方向,并显示疏散距离等信息,同时配合语音进行疏散诱导。智能应急动态指示灯样式如图5所示。

图5 智能应急动态指示灯样式

3.2 工作原理

当发生火灾等突发事件时,通过传感器采集到可利用的火警状态信息,结合消防应急照明和火灾报警系统的联动,根据预案设置所有的标志指示灯,给各个疏散人员发出正确的疏散指示方向与语音提示,向用户提供安全出口的位置、距离信息,可有效降低疏散人员的焦虑与恐慌,使得人们在得知自己安全的情况下能够保持冷静,选择最优的路径,有秩序地疏散离开,避免客流对冲、踩踏等危险的发生,可以有效引导人员疏散,提高疏散效率。智能应急指示灯作用流程如图6所示。

图6 智能应急指示灯作用流程

4 结 论

本文采用人员疏散仿真模拟软件Pathfinder,对某交通枢纽火灾情况下人员应急逃生情况进行了仿真研究,通过对不同火灾疏散场景进行合理优化,可以提高人员疏散效率、降低人员伤亡。同时，将优化后疏散路线方案与实际火灾场景相结合,提出智能应急动态指示灯系统,该系统可以有效指引人员疏散,有利于火灾下人员的应急安全疏散。

[1] 李炎锋,王超,樊洪明.城市地下综合交通枢纽火灾控制研究[J].建筑科学,2011,27(1):39-44.

[2] 姜明理,路世昌.天津站交通枢纽性能化防火设计及消防应急预案[J].消防科学与技术,2008,27(10):735-738.

[3] 杨胜州,莫善军,潘迁宏.地下交通枢纽站火灾烟气控制数值模拟研究[J].中国安全生产科学技术,2012,8(12):48-52.

[4] 王方明.综合交通枢纽站换乘空间安全疏散设计研究[D].杭州:浙江大学,2014.

[5] 侯玉成.某交通枢纽建筑疏散设计的案例分析[J].消防技术与产品信息,2014(8):50-54,69.

[6] 陈锦添.大型铁路客运枢纽火灾及人员安全疏散研究[D].广州:华南理工大学,2014.

[7] 李顺康,冯志文.灯光疏散指示标志设置探讨[C]//上海电气工程设计研究会.上海电气工程设计研究会2011年学术年会论文集.上海:上海电气工程设计研究会，2011:239-246.

[8] 胡凯.地铁站智能应急照明疏散指示系统的研究[D].西安:西安建筑科技大学,2013.

[9] 徐正平,孟文,闻晶,等.基于Floyd算法的应急指示路径规划[J].照明工程学报,2013,24(1):120-123.

[10] 公安部天津消防研究所.建筑设计防火规范：GB 50016—2006[S].北京：中国计划出版社，2006：31-35.

[11] 北京城建设计研究院.地铁设计规范：GB 50157—2003[S].北京：中国计划出版社，2003：401-402.

[12] 上海市隧道工程轨道交通设计研究院,上海轨道交通学科(专项技术)研究发展中心.城市轨道交通设计规范：DGJ 08-109—2004[S].上海：[s.n.],2003:269.

(责任编辑 胡亚敏)

Study of emergency evacuation simulation and intelligent indicator lamp design for transportation hubs

CHEN Qian, TANG Fei, YU Jinshan, ZHAO Yi’nan, XIE Weihong, CHEN Li, SHI Qin

(School of Transportation Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009， China)

To study whether people can escape in time in case of catching fire in the transportation hub, the personnel emergency evacuation in a transportation hub under different fire scenarios is simulated by applying the dynamic evacuation simulation software Pathfinder. Personnel escape evacuation time under different fire scenarios is obtained, and according to the different evacuation scenarios, the personnel emergency evacuation route is optimized. Finally, the optimized indicator lamp system, which can intelligently transform the evacuation information including the direction and distance according to different fire evacuation scenarios, is put forward. Dynamic emergency evacuation routes are displayed in order to improve the passenger evacuation efficiency and reduce casualties to the greatest extent.

transportation hub; emergency evacuation; safety induction; route optimization; intelligent indicator lamp

2015-04-15；

2015-05-15

国家自然科学基金资助项目(71431003)；安徽省自然科学基金资助项目(1508085QE84)

陈 乾(1993-),男,山东潍坊人,合肥工业大学硕士生;

石 琴(1963-),女,安徽蚌埠人,博士,合肥工业大学教授,博士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.09.005

U121

A

1003-5060(2016)09-1174-05