双层巴士火灾事故人员疏散研究

孙 滔,张小曼,任靓蓓,郑必江

(中国地质大学(武汉) 工程学院，湖北 武汉 430070)



双层巴士火灾事故人员疏散研究

孙 滔,张小曼,任靓蓓,郑必江

(中国地质大学(武汉) 工程学院，湖北 武汉 430070)

为提高双层巴士的安全性，从乘客逃生的角度分析，运用Pathfinder构建疏散模型，并进行模拟分析。研究双层巴士内部楼梯设计对乘客疏散的影响，得出将双层巴士的楼梯宽度从0.8 m增加至1.0 m时，疏散时间能够缩短14.8 s；在前后两个楼梯总宽度为1.0 m的情况下，双楼梯结构比单楼梯结构双层巴士的疏散时间缩短20 s。通过引入人员伤亡风险，进一步验证了改进双层巴士的楼梯能够在一定程度上降低事故带来的风险，该研究结果可为双层巴士的设计及火灾事故人员疏散提供一定的理论基础。

人员疏散；疏散时间；Pathfinder；双层巴士

公交车作为城市公共交通的重要组成部分，具有人员密度大、快速便捷、经济舒适等特点，成为人们出行的重要交通工具之一[1]。双层巴士由于具有比单层巴士搭载能力强，观赏性好等特点，已经在北京、上海、深圳、成都、武汉等大城市相继投入使用，日均运客量均达几万人次。但近年来各类城市双层巴士群死群伤事故时有发生，给社会带来恶劣的影响和严重的财产损失[2]。如2013年3月26日，南非开普敦一双层巴士发生事故，导致24人遇难，73人不同程度受伤；2013年9月18日，加拿大渥太华一辆公交车发生车祸，导致6人死亡，30多人受伤；2014年7月20日，沪昆高速一辆双层巴士和货车相撞发生火灾爆炸，造成41人死亡，6人受伤。由此可见，公交车一旦发生事故，人员安全疏散相当困难，目前公交车安全疏散的研究主要集中在单层巴士上，针对双层巴士人员疏散的研究相对较少。而双层巴士作为公共交通的组成部分，由于其具有人员密度大和空间密闭的特点，一旦发生火灾等事故，人员难以及时疏散，极易造成重大伤亡事件。如何提高双层巴士人员疏散效率，确保紧急情况下人员的安全性，已成为现阶段亟待解决的问题。

1 构建模型

1.1 疏散软件原理

Pathfinder是一套专门用于人员疏散模拟仿真的软件，目前广泛应用于火灾、消防性能设计和评估中[3]。Pathfinder中的Steering模式能够通过路径规划、碰撞规避来控制人员的前进[4]。其中，路径规划即路径选择，人员根据当前位置和距离阈值来选择路径，如选择最近出口、绕行超越等；碰撞规避即速度调节，如果前方不发生阻塞，人员倾向于加速到最大速度，如果前方受到无法超越的阻挡，人员可以减速直至停止[5]。Steering模式能客观形象地反映出火灾事故情况下公交车疏散过程的特点和乘客逃生的本能，因此，选取其进行建模和模拟计算[6]。

运用Pathfinder建模的基本流程大致可以分为3个步骤[7]：①根据研究对象的主体构建人员疏散的可行域，包括可能会涉及的房间、门、楼梯、电梯和出口等；②设定人员属性，包括人员的肩宽尺寸、受限空间内的行走速度、反应时间等；③设定模拟参数并执行模拟实验，模拟输出结果主要包括各个时间各出口对应的疏散人数、门和出口处的疏散统计信息及3D结果显示[8]。

1.2 双层巴士建模与乘客属性设置

笔者以现在普遍使用的大容量城市电动双层公交车为模拟对象，经实际测量，双层巴士车厢的长×宽×高为13.0m×2.5m×4.2m，车厢座椅尺寸为0.4m×0.4m，前后门开门宽度均为1.1m。双层巴士内部空间可分为前、中、后3个区域。前部区域两侧分布少量座椅，地面通道连通前车门，但难以满足双人并行通过；中部区域由于楼梯的影响空间最小，两侧分布适量座椅，地面通道连通后车门，是主要的疏散通道；后部区域较大，两侧分布大量座椅，地面通道连通中部区域，但无法满足双人并行通过，是主要的乘坐区。为获取安全的疏散结果，取站立区乘客的人均占用面积为0.2 m2/人，乘客肩宽设置为45.58 cm，此时，人与人直接身体接触，处于不舒服的状态[9]。考虑常见的双层巴士座椅分布形式，构建双层巴士的单楼梯和双楼梯结构模型，分别如图1和图2所示。

图1 双层巴士单楼梯结构模型

图2 双层巴士双楼梯结构模型

2 人员疏散场景设置及模拟

双层巴士人员疏散是一个复杂的场景，其影响因素来自各个方面，如事故发生的地理位置、乘客的反应时间、车辆能否及时控制、事故发生后车门是否损坏、受限空间内是否存在乘客伤亡情况及是否能够利用其他方式逃生等。为避免结果过于复杂和不确定，笔者仅从车辆自身结构分析，在构建模拟场景时做出以下假设：①不考虑灾害种类、强度和位置，仅从人员疏散运动的角度分析其风险；②设定模拟时各场景人员速度、布局、年龄特征等均一致；③车辆静止，不考虑车辆停止前的运动过程；④疏散开始车门即开；⑤不考虑乘客的死伤情况；⑥保守规定车窗不作为疏散出口。

疏散场景重点讨论双层巴士的楼梯形式对疏散的影响，疏散场景设置如表1所示，其中3个场景中前后门开门宽度均设置为1.1 m。通过对不同场景的模拟，分析制约公交车乘客安全疏散的关键因素，提出有利于双层巴士人员疏散的结构。

场景1 16.5 s时一层前半部分疏散完毕情况与各时刻的人员疏散情况分别如图3和图4所示，并在102.8 s人员全部疏散完毕。

表1 疏散场景设置

图3 场景1 16.5 s时一层前半部分疏散完毕的情况

图4 场景1各时刻人员疏散情况

场景2与场景3在16.5 s左右时的人员疏散情况分别如图5和图6所示。场景2、场景3各个时刻的人员疏散情况分别如图7和图8所示。

图5 场景2 16.4 s时的人员疏散情况

图6 场景3 16.5 s时的人员疏散情况

图7 场景2各时刻人员疏散情况

图8 场景3各时刻人员疏散情况

3 双层巴士火灾乘客疏散风险分析

3.1 双层巴士乘客可用安全疏散时间(ASET)的计算

乘客在进行疏散的过程中，疏散时间的长短决定了风险的大小。乘客能否进行安全疏散的关键在于可用安全疏散时间(available safe egress time，ASET)与必须安全疏散时间(required safe egress time，RSET)两者之间的关系。其中，ASET是指灾害发生对人员构成威胁所需要的时间，RSET是指人员疏散到安全区域所需要的时间[10]。当TASETTRSET，乘客能在受到威胁前全部撤离。因此，当双层巴士发生火灾后，出口往往出现人员拥堵情况，全体乘客通过出口的可用安全疏散时间TASET如式(1)所示。

(1)

式中：P为在受限空间内的乘客数量；N为可用于疏散的出口数目；V为乘客疏散的平均速度；W为疏散出口的宽度；L为乘客摆臂或携带货物的边界影响，一般取值为15 cm。在受限空间内的人员疏散速度很大程度上取决于人员密度，研究表明当乘客密度达到一定范围时，乘客的疏散速度趋于一个固定值，因此，笔者设定V=0.8 m/s。

根据双层巴士及乘客属性可知，双层巴士前后门宽度均为1.1 m；逃生出口数量2个；乘客密度为5人/m2；场景1和场景2的乘客总人数为132人，场景3的总人数为127人，因此根据式(1)可以得到场景1～场景3的可用安全疏散时间分别为TASET1=86.0 s，TASET2=86.0 s，TASET3=83.0 s。

3.2 双层巴士火灾乘客伤亡风险分析

通过双层巴士发生火灾事故造成的伤亡率来表征火灾事故给乘客带来的生命风险的大小。双层巴士火灾事故的伤亡率可以通过可用安全疏散时间对应时刻的滞留人数和总人数之间的比值得到。考虑最不利情况，假定到达可用安全疏散时间后，还没疏散到指定安全区域的按伤亡情况处理[11]。具体表达式为：

(2)

式中：R为火灾事故带来的伤亡风险；P为双层巴士内乘客总数；P′为某一时刻已疏散的乘客人数。因此，由式(2)和各场景所需的疏散时间可得到各场景的乘客伤亡风险：

4 模拟结果分析

各个场景的疏散结果如表2所示，由模拟结果可知，与场景1相比，场景2的疏散时间缩短了14.8 s；场景3比场景2的疏散结果缩短了20 s。结合图3和图5的模拟结果可知，前门所承担的人流量相对较少，在大约17 s过后，二层的乘客基本只通过后门进行疏散，前门闲置，这一设置显然有明显的缺陷。增设场景3，模拟结果显示双楼梯结构缓解了后门疏散压力，也为双层巴士突发事故提供了疏散路径，缩短了疏散时间。结合乘客可用安全疏散时间与软件模拟的疏散结果得到各场景的乘客伤亡风险，结果表明场景3乘客可用安全疏散时间大于乘客必须安全疏散时间，即乘客能够及时疏散，不会造成人员伤亡；场景2较场景1在一定程度上降低了火灾事故给乘客带来的伤亡风险。

表2 乘客疏散结果

综上所述，双层巴士通过增加楼梯宽度至1.0 m或增设楼梯数目，能不同程度地缩短人员疏散时间，缓解疏散压力，对降低火灾事故风险具有一定现实意义。

5 结论

为提高双层巴士人员疏散效率，确保发生事故时快速有效地疏散，针对双层巴士的内部结构，笔者研究得出以下结论：①将双层巴士的楼梯宽度加大至1.0 m，比楼梯宽度0.8 m的疏散时间缩短了14.8 s，有效提高了人员疏散的效率；②单楼梯结构的双层巴士，其前门在17 s后基本闲置，利用率低，后门承担了主要的疏散压力，资源分配不均，存在一定的弊端；③双层巴士前部车门的瓶颈式结构限制了前车门的疏散能力。因此，应该重视前车门的疏散作用，可以将二层的乘客通过增设楼梯的方式，引导乘客从前门疏散。实验结果表明：在楼梯总宽度均为1.0 m的情况下，双楼梯结构的双层巴士比单楼梯结构的双层巴士的疏散时间缩短了20 s；④引入乘客伤亡风险，将计算得到的各场景下乘客可用安全疏散时间与乘客必须安全疏散时间进行比较，得到场景1～场景3的乘客伤亡风险分别为9.85%、1.25%和0.00%，表明改进双层巴士的楼梯结构能够在一定程度上降低事故带来的风险。

[1] 吕伟,宋英华,王喆,等.城市单层大型公交车乘客疏散风险分析[J].中国安全科学学报,2014,16(10):151-156.

[2] 代君雨,朱杰,宋云龙,等.公交车火灾安全及人员疏散分析[J].安全与环境学报, 2015,17(5):184-188.

[3] 李成龙,李元洲,孙焕,等.不同形状出口处的人员拥挤研究[J].安全与环境学报, 2015,14(1):137-140.

[4] 张利欣,郭海林,刘宵,等.不同室内布局对安全疏散的影响研究[J].消防科学与技术,2014,23(6):639-641.

[5] 马骏驰.火灾中人群疏散的仿真研究[D].上海：同济大学,2007.

[6] 张婷婷.地铁车站火灾人员疏散影响因素探讨[J].消防科学与技术,2015,24(12):1594-1597.

[7] 赵宇宁,党会森.教学楼应急疏散演练方案改进研究[J].中国公共安全：学术版,2011(3):52-55.

[8] 党会森,赵宇宁.基于Pathfinder的人员疏散仿真[J].中国公共安全：学术版,2011(4):46-49.

[9] 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,2012,16(2):50-54.

[10] PIARC．Fire and smoke control in road tunnels[J]．PIARC Committee on Road Tunnels，2002(4)：27-31．

[11] 邓玲.FDS场模拟计算中的网格分析[J].消防科学与技术，2006，19(2)：207-210.

SUN Tao:Postgraduate; School of Engineering, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430070, China.

Research on Evacuation of Double-decker Bus Fire Accident

SUNTao,ZHANGXiaoman,RENLiangbei,ZHENGBijiang

In order to improve the safety of double- deck bus, with the help of pathfinder the evacuation model is built, and the simulation analysis is carried out from the angle of the passenger escape. According to study on double-decker bus internal staircase design influence on the evacuation of passengers, the result shows that when the bus stair width increase from 0.8m to 1m, 14.8s can be shorten the evacuation time; when the two stairs total width is 1m, the double staircase structure than the single double-decker bus structure of the staircase evacuation time can be shortened 20s. By introducing the risk of casualties, further validation of the double deck bus to the improvement of the stairs to a certain extent, reduce the risk of accident. This study provides a theoretical basis for the design of double-deck bus and the evacuation of fire accidents.

crowd evacuation; evacuation time; Pathfinder; double-decker bus

2095-3852(2017)02-0158-04

A

2016-12-07.

孙滔(1993-)，男，湖南岳阳人，中国地质大学(武汉)工程学院硕士研究生，主要研究方向为安全仿真技术.

X928.7

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.02.008