城市单层公交车不同火源位置人员疏散分析及优化

姜　璐，朱　杰

(1.四川师范大学 工学院； 2.四川省高校公共火灾防治重点实验室，四川 成都　610101)

0　引言

公交车作为城市公共交通运输的主要组成部分之一，因其载客量大、方便、快捷、经济等优点，已成为各大中小城市居民出行的重要交通工具。据统计，北京、深圳、上海等地的城市公交车规模已达到10 000辆以上，且日均运客量平均达几百万人次[1]。然而近年来，公交车火灾事故造成群死群伤的现象屡见不鲜,根据消防统计年鉴，我国2014年约有3 300起公交车火灾事故发生[2]。2009年6月5日，成都一公交车火灾事故造成27人死亡，74人受伤；2013年7月6日，厦门BRT公交发生火灾导致47人死亡，37人受伤；2014年2月27日，贵阳市237路公交车发生燃烧，造成6人死亡，35人受伤。值得注意的是，公交车发生火灾概率较私家车、货车等更高。一旦发生火灾，大多数公交车在10～20 min内完全损毁或车辆报废。

国内外众多研究者采用数值模拟等方法研究小汽车火灾，程远平等[3]采用试验方法，研究了小汽车火灾热释放速率和火场温度等变化规律，得出了汽车起火后4 min是人员安全逃生和灭火救援的最佳时机；毕昆等[4]通过数值模拟重现了2009年6月成都市公交车起火情况，为火灾调查提供了依据；祝飞、毕昆[5]利用数值模拟方法构建公交车模型，通过比较数值模拟结果和火灾现场调查结果，预测了公交车火势发展和烟气运动过程，分析得到公交车火势迅速增长的重要因素是车窗破碎导致大量新鲜空气补入，而造成人员死亡的主要原因是高温和过度拥挤。目前，针对公交车、地铁等交通工具火灾的研究多数基于火灾烟气蔓延规律数值模拟，且针对火灾事故人员疏散的研究主要以建筑物为研究对象，对交通工具，特别是公交车火灾事故的人员疏散研究十分有限。与传统建筑不同，公交车内部空间受限，且人员密度往往大于建筑物内部，加之各类不确定因素，使得公交车人员疏散相当困难。如何提高人员疏散效率，确保火灾场景下人员安全，已成为亟待解决的问题。

本文首先对公交车火灾事故和人员疏散特点进行分析，在此基础上，以城市典型单层公交车为研究对象，在公交车内部设置不同火源位置，分析其对人员疏散的影响。再采用Pyrosim软件对车内人员疏散情况进行模拟，提出公交车车门优化方案，为公交车车厢设计和人员安全疏散提供参考。

1　公交车火灾事故

1.1公交车火灾事故分析

据调查，公交车火灾事故致使大量人员伤亡的原因多种多样，但主要归于三方面，即高温有毒有害烟气、人员疏散不及时、二次事故。(1)高温有毒有害烟气。公交车内部属封闭受限空间，人员密集且可燃物众多，加之当下客车轻量化趋势明显，各类复合材料如塑料，更多用于公交车构件。一旦发生火灾，产生的大量烟雾将迅速降低车厢能见度。随着火势蔓延，各类材料燃烧裂解出的高温有毒有害烟气聚集，氧气含量降低，极易导致人中毒窒息，影响人员疏散，也增大了公交车火灾危险性[6]。(2)人员疏散不及时。通常导致人员疏散不及时的原因除高温有毒烟气影响外，还有逃生自救装置失效或障碍。公交车上主要逃生自救装置，如车门、车窗、安全锤，车门未及时开启或开启面积较小、车窗卡住或开启面积小、安全锤丢失或放置位置不明显等。(3)二次事故。由于公交车车厢内部空间狭小，在火灾等紧急情况下，大量乘客会造成通道和出口拥挤，加之乘客因恐慌忙于逃生，易因推搡引发踩踏等二次事故。

因公交车上人员流动性大，难以阻止乘客携带易燃易爆物品上车，且车内设施只能采用难燃、阻燃材料以延长可燃物达到着火点时间，阻止火灾蔓延的影响因素较多，实际操作具有一定困难。所以，对烟气进行有效控制的方案较难实现。比较而言，改进公交车逃生装置对避免和减少公交车火灾伤亡事故损失可行性强，特别是对公交车最主要疏散通道——车门的改进，能有效提高疏散效率，同时降低二次事故的发生概率。

1.2公交车人员疏散特点

公交车人员疏散特点主要包括：(1)不确定因素众多。公交车内人员密度大，内部通道极易发生拥挤甚至堵塞。乘客的生理、心理状态存在较大差异，紧急疏散会受到乘客与乘客、乘客与周边环境相互作用的影响，例如心理素质较差乘客易产生恐慌心理而惊慌逃跑，造成车门堵塞；紧急疏散过程中，乘客间推拉挤让易造成踩踏等二次事故。(2)安全逃生出口少且窄。据调查，公交车前后门为主要安全逃生出口，设置数量少，且宽度较窄，通常设置为0.8～1.5 m，内部通道宽0.5～0.7 m[7]。公交车满载时人员密度可达8人·m-2，在紧急情况下，该设置难以保证安全疏散。因此，改进公交车车门对乘客安全疏散十分必要。

2　不同火源位置人员疏散模拟

2.1Pyrosim简介

Pyrosim是由美国标准技术研究院(NIST)研发的，专用于消防动态仿真模拟的软件，它是在FDS(Fire Dynamic Simulation)的基础上发展而来。软件以计算流体动力学为依据，可模拟预测火灾中的烟气、CO等毒气的运动、温度以及浓度等情况。Pyrosim中的FDS+Evac功能可实现对构建模型的人员疏散模拟，通过设置人员属性，如性别、年龄、行走速度、反应速度等，对模型中的人员随机分布，真实地反映模型内部火源燃烧时烟气蔓延以及人员疏散逃生情况。

2.2确定模拟参数

2.2.1公交车模型参数

本文以成都市常见的单层公交车为模拟对象，对公交车内部物理模型进行了简化，忽略了外部尺寸、内部细小部件，如扶手、扶杆。公交车车厢长×宽×高为11.0 m×2.5 m×3.0 m，座椅尺寸为0.4 m×0.4 m，共36个座位。公交车前门开门宽度为0.8 m，后门开门宽度为1.1 m。应用Pyrosim软件构建单层公交车模型，以FDS+Evac功能对不同火源位置的公交车车厢火灾人员疏散情景进行模拟。

2.2.2人数确定

根据《机动车运行技术条件》(GB 7258—2012)4.5.3.2条“设有乘客站立的公共汽车，按站立乘客的有效面积计算，每0.125 m2站立核定乘客1人[7]”，该公交车乘客站立区域面积为7.5 m2，则车内满载人员为97人(司机1人)。公交车平面布置图如图1所示。

图1　公交车平面布置图

2.2.3人员属性设定

模拟中人员统一设定为成年人，不分男女。由于不同场景下人员行走速度存在较大差异，在座椅密集的礼堂内人行走速度为0.2～0.5 m·s-1[8]。考虑公交车内人员密集且障碍物较多，因此乘客行走速度取0.3 m·s-1。

2.2.4疏散场景设定

为真实模拟人员疏散，火源所在处附近出口不作为疏散通道。根据单层公交车火灾特点以及对车内人员疏散最不利情况，考虑设置三种火灾工况：(1)火源位于车厢前部，前门关闭、后门打开；(2)火源位于车厢中部，前门打开、后门关闭；(3)火源位于车厢尾部，前门打开、后门打开。

2.3疏散模拟及结果分析

2.3.1疏散场景1

该场景设定在公交车车厢前部发生火灾，乘客只能通过后门疏散至安全区域。运用消防动态仿真模拟软件Pyrosim的FDS+Evac功能进行模拟，如图2～图6所示。

根据疏散场景1结果可知：当公交车车厢前部发生火灾时，该场景人员全部安全疏散共需200 s。由于火源距离前门较近，乘客只能通过后门进行疏散，而公交车内部通道和后门均较窄，后门仅1.1 m宽，使疏散时间较长。从图3和图4可知，后门处只通过了单股人流，疏散效率较低。由图5可知，火灾发生第150 s时，公交车前半截的乘客已经全部疏散，后半截车厢的乘客还剩下小部分未成功疏散。这是因为公交车车厢后部座位较多，障碍物偏多，且通道相对前部窄，大量乘客集中于后部车厢，该区域的疏散时间会相对长一些。因此，建议将后门加宽。

图2　0 s疏散场景1人员疏散情况图

图3　50 s疏散场景1人员疏散情况图

图4　100 s疏散场景1人员疏散情况图

图5　150 s疏散场景1人员疏散情况图

图6　200 s疏散场景1人员疏散情况图

2.3.2疏散场景2

该场景设定在公交车车厢中部发生火灾，由于火源距离后门较近，乘客只能通过前门疏散至安全区域。运用消防动态仿真模拟软件Pyrosim的FDS+Evac功能进行模拟，如图7～图12所示。

根据疏散场景2结果可知：当公交车车厢中部发生火灾时，人员全部疏散共需440 s，比疏散场景1多240 s。由于火源距离后门较近，车厢全部乘客只能通过前门进行疏散。由图8可知，公交车车厢通常后半截座位布置较前半截密集，障碍物分布多，加之大量乘客集中于车厢后部，导致通道拥挤。而前门宽度0.8 m，比后门窄0.3 m，仅允许乘客以单股人流形式通过，疏散困难。在约350 s时，车厢前半部乘客已经全部疏散。剩下小部分位于车厢后半截的乘客还未成功疏散，这是因为该区域乘客疏散时所通过的距离较长，在人员拥挤情况下，需从车厢后部走至车厢前部，疏散变得更为困难。由图12可知，在第440 s时，乘客才全部疏散完毕。通过以上分析，建议将前门宽度加宽。

图7　0 s 疏散场景2人员疏散情况图

图8　100 s 疏散场景2人员疏散情况图

图9　200 s 疏散场景2人员疏散情况图

图10　350 s 疏散场景2人员疏散情况图

图11　430 s 疏散场景2人员疏散情况图

图12　440 s 疏散场景2人员疏散情况图

2.3.3疏散场景3

该场景设定在公交车车厢尾部发生火灾，乘客能通过前门和后门疏散至安全区域。运用消防动态仿真模拟软件Pyrosim的FDS+Evac功能进行模拟，如图13～16图所示。

根据疏散场景3结果可知：当公交车车厢尾部发生火灾时，人员全部疏散共需155 s，比疏散场景1少45 s，比场景2少285 s。由于火源位于车厢尾部，前门和后门能同时作为安全出口，车厢乘客可选择就近出口进行逃生。由图15可知，第100 s时，前半截车厢和后半截车厢的乘客大部分已安全逃生。在约155 s时，车厢内乘客全部完成疏散，此时车厢内温度大致为70 ℃。因此，为确保乘客安全，建议将前、后门均加宽，以进一步缩短疏散时间。

图13　0 s疏散场景3人员疏散情况图

图14　50 s疏散场景3人员疏散情况图

图15　100 s疏散场景3人员疏散情况图

图16　155 s疏散场景3人员疏散情况图

3　优化方案及结果

3.1优化方案

前后门是公交车最主要的疏散出口，但前门宽度仅0.8 m，后门仅1.1 m，只能保证以单股人流形式通过，增大了疏散中乘客推搡、拥挤的概率，使疏散变得困难。我国单层公交车车门宽度一般为0.8～1.5 m，因此提出以下公交车前后门优化方案：(1)前门宽度不变，后门加宽至1.3 m；(2)前门宽度不变，后门加宽至1.5 m；(3)前门加宽至1.1 m，后门宽度不变；(4)前门加宽至1.1 m，后门加宽至1.3 m；(5)前门加宽至1.1 m，后门加宽至1.5 m。优化后，除公交车前后车门宽度改变外，其余车门位置、车体尺寸、疏散场景等均不改变，模拟疏散人数不变，疏散场景设置如表1所示。

表1　优化后的疏散场景设置

3.2优化方案结果及分析

运用消防动态仿真模拟软件Pyrosim的FDS+Evac功能对优化后疏散场景进行模拟，并将各优化方案与优化前进行对比，如表2所示。

表2　各疏散场景设置及疏散时间

由表2可知，当火源位于公交车前部时，后门宽度由1.1 m增至1.3 m，疏散时间减少39 s，增至1.5 m时减少49 s，表明增加后门宽度可一定程度增大疏散效率；当火源位于公交车中部时，前门宽度由0.8 m增至1.1 m，疏散时间大幅度下降，减少了240 s；当火源位于公交车尾部时，前门宽度增至1.1 m，后门宽度增至1.3 m，疏散时间减少26 s，后门宽度增至1.5 m时，疏散时间减少了48 s。除此之外，还可得出火源处于不同位置时，由于车门开闭情况不同，中部火源的疏散时间最长，前部火源次之，尾部火源最短。

4　结论

4.1通过在公交车车厢前部、中部和尾部设置火灾场景，利用消防动态仿真模拟软件Pyrosim的FDS+Evac功能对乘客疏散过程进行模拟，得出车厢三种不同火源位置时的疏散时间，找到疏散出口的不足，并进行优化。

4.2对公交车前门和后门宽度进行优化，经优化后发现：当火源位于公交车车厢中部时，若公交车前门宽度增加至1.1 m，疏散时间减少十分显著，用时缩短了240 s；当火源位于车厢前部时，若公交车后门宽度增加至1.3 m和1.5 m时，疏散时间将分别减少39 s和49 s；当火源位于公交车车厢尾部时，若公交车前门宽度增加至1.1 m，后门宽度增加至1.3 m和1.5 m，疏散时间将分别减少26 s和48 s。

4.3当火源处于不同位置时，由于车门开闭情况不同，中部火源的疏散时间最长，前部火源次之，尾部火源最短。

综上所述，从安全和经济实用的角度看，建议将公交车前门宽度增加至1.1 m，后门宽度增加至1.5 m，以保证火灾发生时乘客能及时安全地疏散。