城市轨道交通车站瓶颈口优化研究

刘 娜，王宏斌

(兰州交通大学 交通运输学院, 甘肃 兰州 730070)

地铁已逐渐成为大、中型城市最主要的公共交通工具之一。然而由于地铁车站大部分位于地下且内部环境复杂，地铁站内部环境的设计一直以来是安全工程的难题，已经有许多在紧急情况下因为相互推挤而造成旅客伤亡的事件发生。通过观察得知，在紧急疏散过程中由于旅客拥挤而造成的旅客伤亡事件，其中绝大部分伤亡者都是由于旅客的“非适应性行为”而造成的，而并非完全是灾难的原因。所谓“非适应性行为”是指人员在紧急疏散过程中发生的不利于他人安全的行为，如奔逃、互相推挤、将别人撞倒和互相踩踏等，在紧急疏散过程中人员的这些不安全行为是造成人员伤亡事故的主要原因之一。由于缺乏实际数据，国内外很多学者在疏散人员运动和行为的定量化。以及模拟实验研究方面并不成熟。已有的研究主要是对疏散行为的调查与统计以及利用建立模型仿真获得更多的行为表象和规律[1]。目前对单一建筑物内旅客应急疏散行为的研究较为普遍，此研究主要利用计算机来模拟火灾环境，而对旅客结伴行为的研究较少。王启全[1]等选用蚁群算法，对在地铁内发生爆炸事故时人的群体性疏散行为、疏散路径的选择及疏散时间等问题进行研究，且通过计算得出所研究地铁站的客流量上限；赵海峰等[2]在研究当旅客遭遇地铁火灾应急疏散行为的影响因素时，采用结构方程模型的方法进行实证分析，研究结果表明旅客对火灾知识的了解、地铁内部结构的熟悉程度和旅客同行者的行为都会对疏散过程中的旅客自身疏散行为产生明显影响。因此，本文通过对应急疏散过程中旅客行为的分析和微观描述，运用Anylogic仿真分别对比地铁站站台与通道连接处的瓶颈口和该瓶颈口改造后两种情况下行人进入通道之前正向和侧向的行人通过能力和通过速度。

1 瓶颈口竞争行为疏散问题

在地铁站内发生紧急情况时，旅客在遇到行走空间缩小的环境下由于旅客都希望用预期的速度通过收缩口而产生竞争通过行为，造成行人流速度急剧下降，这就容易产生瓶颈，从而影响旅客的疏散效率。正常情况下，当旅客的实际速度比期望速度大时，旅客在瓶颈口的拥挤现象比较缓和，当旅客的实际速度比预期速度小时，行人在收缩口的拥挤现象比较严重。然而在紧急疏散情况下，旅客求生避险的竞争行为更加剧了旅客的恐慌和紧张心理，其期望速度比正常速度高很多，从而加剧了瓶颈口的恶化，如图1所示。实验表明，当旅客密度为10.5人/m2时，旅客所受的作用力为1 100 N；当旅客密度为7.5人/m2时，旅客所受到的作用力为400 N。正是这种作用力导致旅客在瓶颈口的速度降低，产生了“欲快则欲慢”现象及在瓶颈口的“弧形拥堵”现象。

图1 瓶颈口竞争行为示意图

由于行人是复杂的综合智能体，具备自组织能力，所以弧形拥堵的时间一般持续较短，行人之间形成的弧形受力平衡很快被打破，当弧形受力解体时，这些旅客就像雪崩一样撤离瓶颈口，接着后一批旅客又会形成这种情况。所以在旅客紧急疏散过程中，旅客的期望速度越大，则产生拱形拥堵的几率也就越大，导致瓶颈口的通过能力越低。可以总结出瓶颈口竞争行为的紧急疏散能力与旅客日常的紧急疏散培训及瓶颈口设计的合理性密切相关。

2 仿真及结果分析

2.1 仿真环境设定

仿真环境采用某地铁站站台与通道为建筑结构，设定仿真区域的进入人流量为600人/h。站台长50 m、宽30 m，通道宽4 m作为仿真出口，如图2所示。为了更好地对比站台与通道连接处附近不同位置旅客的通过能力和速度，在仿真中设置了1、2、3、4个检测线，如图3所示。2号检测线位于通道口正对处，检测正向通过的旅客。1、3号检测线位于通道口两侧，检测侧向通过的旅客。4号检测线位于通道终端处，检测所有通过通道的旅客。其中旅客的尺寸设为3种：红色旅客尺寸0.7 m；蓝色旅客尺寸0.6 m；黑色旅客尺寸0.5 m，期望速度取1.1 m/s。本文通过运用基于社会力模型创建的Anylogic进行模拟仿真，对原始瓶颈口和改造后的瓶颈口进行分析，对站台和通道连接处正向进入通道和侧向进入通道以及通道出口处的旅客通过量、通过能力和通过速度进行对比分析。

图2 瓶颈口检测线设置

2.2 仿真结果分析

图3为紧急疏散仿真过程中某一时刻的截图，从此刻的仿真实景图可以看出，在站台与通道的连接口附近出现了拱形拥堵现象。而在整个仿真过程中，在站台与通道的连接口处旅客反复产生相互拥挤出现平衡，随后平衡被打破，行人冲入通道，是一个不断循环反复的过程。

图3 瓶颈口竞争行为仿真

图4—图6分别为4条检测线观测的旅客通过瓶颈口时的通过量(人)、通过能力(人/s)和速度(m/s)，由图4通过量图可发现，仿真开始时，在时间相同的情况下，2号检测线的通过量一直最大，1号和3号检测线的通过量大小基本相等。仿真运行一段时间后，旅客产生拥堵现象，造成1、2、3号检测线通过量趋于一致。由图5通过能力可知，在仿真刚开始时2号检测线的通过能力快速增加，2、3号检测线则缓慢增加，但随着仿真的运行，旅客产生拥堵，1、2、3号检测线的通过能力趋于一致。由图6的速度图可以发现，仿真刚开始时没有旅客拥堵现象，1号检测线的速度快速增加，仿真运行一段时间后由于旅客在瓶颈口的拥堵造成1号检测线的速度快速下降，最后和2、3号检测线的速度趋于一致。

图4 瓶颈口各检测线的旅客通过量

3 仿真优化

3.1 瓶颈口改造

由正常瓶颈口状态下旅客紧急疏散仿真可以发现，此瓶颈口比较突兀，旅客在此处容易发生拥挤，出现走行速度骤降现象，并产生其他很多弊端。为降低该瓶颈口造成的骤降行为，将该瓶颈口改造成如图7所示，通过人为渠化，将出口门框两边设置成弧形墙。弧度数没有具体要求，建造时可根据我国《地铁设计规范》GB 50157—2003来设置，满足规范要求即可。消除垂直出口方向低速行人流。再次检查1、2、3、4号检测线的旅客通过量、通过能力和通过速度。

图7 瓶颈口改造

3.2 仿真结果分析

对瓶颈口改造后，通过仿真结果可以发现，这种改造方式可大大缓解旅客在此处的拥堵现象，仿真运行200s时，旅客在通道出口处通过量从以前的480人增加到620人，检测线2的通过量从600人增加到800人，同时1、2号检测线的通过量也有所增加。旅客整体走行速度也从之前的0.4 m/s增加到0.5 m/s，如图8、图9所示。

图8 瓶颈口改造后各检测线的通过量

图9 瓶颈口改造后各检测线的旅客走行速度

4 结束语

本文以瓶颈口竞争求生行为作为研究对象，通过分析旅客在疏散过程中瓶颈口竞争行为的特性，阐述“拱形拥塞”的产生机理。通过系统仿真对原始瓶颈口和瓶颈口改造后疏散过程中旅客产生的竞争行为进行分析，论述对疏散时间、服务水平和疏散速度产生的影响，量化比较良好的逃生意识和素质对于瓶颈口疏散性能的影响。

[1] 王起全，杜艳洋，张心远.蚁群算法在地铁车站内应急疏散的应用[J].消防科学与技术，2015(1):55-58.

[2] 赵海峰，张颖，罗秀秀.地铁突发火灾时乘客应急疏散行为影响因素研究[J].经营管理者，2016(5):283-284.

[3] 赵道亮.紧急条件下人员疏散特殊行为的元胞自动机模拟[D].合肥:中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，2007.

[4] 任常兴，张欣，张网，等.人员密集场所突发火灾事故应急疏散能力分析[J].中国安全生产科学技术，2010，6(2):39-43.

[5] 刘栋栋，赵斌，李磊，等.北京南站行人特征参数的调查与分析[J].建筑科学，2011(5):61-66.

[6] TERRY R.Controlling Steering Behavior for Small Groups of Pedestrians in Virtual Urban Environments [D].The University of lowa.2008.

[7] 李得伟．城市轨道交通枢纽乘客集散模型及微观仿真理论[D]．北京：北京交通大学，2007.

[8] 张培红，陈宝智．火灾时人员疏散的行为规律[J].东北大学学报(自然科学版)，2001，22(1):54-56.

[9] 肖国清，温丽敏，陈宝智．建筑物火灾疏散中人的行为研究的回顾与发展[J].中国安全科学学报，2001，11 (3):50-54.

[10] 王驰．某地铁站火灾情况下人员安全疏散研究[D].北京:北京交通大学，2007.

[11] 田玉敏.人群疏散中“非适应性”行为的研究[J].灾害学,2006，21(2).

[12] 冯俊辉.基于心理学的行人交通违规行为的研究[D].昆明：昆明理工大学,2010.

[13] 黎升福.行人交通仿真技术实现方法研究[D].广州:华南理工大学， 2011.

[14] 廖明军，李克平，王凯英.行人交通微观仿真研究综述[J].武汉理工大学学报,2010，34(1):180-183.

[15] 胡清梅，方卫宁，李广燕.公共建筑环境下行人行为特性及拥挤机理研究综述[J].中国安全科学学报，2008，18(8):68-73.