人群拥挤碰撞训练系统设计

刘海生，刘晓雯，苏海龙，韩 丽，韩亚丽

(1.唐山学院 a.机电工程学院，b.河北省智能装备数字化设计及过程仿真重点实验室，河北 唐山 063000； 2.中国一拖集团有限公司，河南 洛阳 471004；3.中国一拖集团柴油机公司，河南 洛阳 471004； 4.机械工业部第四设计研究院，河南 洛阳 471004)

0 引言

公共场所或大型活动现场往往人流密集，极易造成个体间的拥挤碰撞，甚至导致突发踩踏事故[1-2]。近年来，国内外学者针对此类问题做了多方面研究，但主要集中在利用虚拟仿真技术建立监测机制进行风险评估、人群的拥挤机理及群集行为特性研究、对碰撞个体进行建模和仿真分析三个方面[3-5]，而对实训训练系统的设计开发却鲜少研究。

本文研发了一套供保安等相关人员训练使用的实战化训练系统。该系统可近似真实地模拟人群流动及拥挤碰撞的不同状态，受训者可利用该系统训练自身在人群拥挤碰撞情况下自我防护及引导疏散和实施营救的能力。基于该系统研究得出不同拥挤状况下的碰撞规律，并通过实验验证了仿真结果的合理性。

1 总体方案

人群拥挤碰撞训练系统方案如图1所示。该系统主要由主体框架、架空轨道、输送机构、吊具、转向装置、驱动装置、安全装置、拟人沙袋及控制器组成，最大外形尺寸为21 m×13 m。

1.架空轨道；2.支撑立柱

1.主体框架；2.架空轨道；3.拟人沙袋 4.输送机构；5.吊具

系统主体框架采用双坡屋面钢架结构，由间距5.1 m布置的10根支撑立柱、立柱连接梁、5套钢屋架、轨道安装梁及7环S形架空轨道组成。输送结构及其驱动装置安装在架空轨道上，拟人沙袋通过吊具固定在输送机构的牵引链条上，并通过变频调速器控制其运行速度，沙袋可前后左右摇摆从而产生侧向力，与转向装置相结合，模拟人群突然启动、即停、前进、后退、加速、减速、同向和对冲等运动状态。

2 碰撞分析

2.1 碰撞初始条件设定

根据中国成年男、女平均身高分别为1 671 mm和1 586 mm，体重分别为66.2 kg和57.3 kg[6]，选取高1 600 mm，质量60 kg的拟人沙袋，并将其三维模型导入ANSYS软件LS-DYNA模块，设置沙袋质量60 kg、密度520.3 kg/m3、自由网格划分、施加重力加速度。

根据拟人沙袋重60 kg，高1 600 mm及实际训练基本速度要求，施加给沙袋A的撞击速度分别为0.33 m/s，2 m/s，4 m/s，沙袋B设置为静止，碰撞方式为匀速。

2.2 速度分析

当0.1 s内沙袋A分别以0.33 m/s，2 m/s，4 m/s的速度碰撞沙袋B时，两沙袋的速度波动如图2和图3所示。

(a)v=0.33 m/s

(b)v=2 m/s

(c)v=4 m/s图2 0.1 s内沙袋A的碰撞速度波动

(a)v=0.33 m/s

(b)v=2 m/s

(c)v=4 m/s图3 0.1 s内沙袋B的碰撞速度波动

由图2可知，A，B两沙袋相撞后，运动沙袋A的速度迅速下降并呈波浪式变化，平均速度趋近于定值；并且可知沙袋A的初始速度越大，碰撞后的速度波动量也越大。

由图3可知，沙袋B被沙袋A碰撞后，速度迅速加快，最终围绕沙袋A的初始碰撞速度上下波动并有不断接近的趋势，之后沙袋B还将以这个速度运行一段时间；碰撞后沙袋B的最大速度和最小速度互补，平均速度趋近于零。

2.3 应力分析

三种碰撞速度下，沙袋碰撞力云图如图4所示。

(a)v=0.33 m/s

(b)v=2 m/s

(c)v=4 m/s图4 不同碰撞速度下沙袋正应力云图

由图4可知，速度越大，碰撞时产生的撞击力越大；最小撞击力发生在沙袋头部，σmin=9.1×103Pa，此时碰撞速度为0.33 m/s；最大撞击力σmax出现在沙袋中部，σmax=8.10×104Pa，此时碰撞速度为4 m/s。仿真结论与文献[7]中“撞击主要发生在胸部”一致。

3 实验验证

3.1 实验方案及参数

实验方案如图5所示。拟人沙袋质量和高度与仿真一致，质量为60 kg，高为1 600 mm，吊装后高度Y=2 150 mm；沙袋与撞击点的初始水平间距为X1=0，通过计算及实验，确定沙袋由Ⅰ位推至Ⅱ位时的水平位移X2，得到控制沙袋的摆角θ分别为15°，30°和45°时，产生的撞击速度分别为0.33 m/s，2 m/s和4 m/s，与仿真速度一致；撞击点A，B，C分别代表头颈部、胸部和腿部，考虑撞击主要发生在胸部，故选取撞击点B为测量点，重复实验3次并取冲击力的平均值，用以研究不同碰撞速度下胸部受到的冲击力。

图5 实验方案

3.2 实验材料

实验材料主要包括悬吊沙袋、瑞士托力多SBC-500kg称重传感器、XSB5-CHK1R2A1V0称重控制器、传感器调节固定架。3个传感器及控制器围绕测试中心区呈放射状焊接在撞击测试装置上，如图6所示。

(a)主视图

(b)俯视图图6 撞击测试装置图

3.3 现场实验及测量结果

当摆角θ=45°时现场实验如图7所示。

图7 θ=45°时B点冲击力测试图

经3次测量并取平均值，得到测量点B的冲击速度和冲击力，如表1和表2所示。

表1 沙袋不同角度撞击点B的冲击速度 m/s

表2 B点冲击力 Pa

3.4 实验与仿真结果对比分析

由表1可知，当θ分别为15°，30°和45°时，撞击点B的冲击速度实验值与仿真值相近。

由表2可知，测量点B碰撞力最大实验值P1max出现在θ=45°时，P1max=8.51×104Pa，此时撞击速度平均值为v=3.92 m/s，与仿真结果接近。

由图4和表2可得θ分别为15°，30°和45°时，沙袋B点碰撞力P的实验值与仿真值的对比结果，如表3所示。

由表3可知，测量点B冲击力的实验平均值接近仿真值，最大误差为5.2%，验证了仿真结果的合理性。

表3 B点碰撞力实验值与仿真值对比表

美国联邦机动车安全标准(FMVSS)指出，人的胸部单位面积耐冲击上限为Plim=12×104Pa[8]，而沙袋单纯摆动下产生的最大冲击力P1max

4 结论

针对拥挤碰撞事故多发问题研发了一套供保安等相关人员训练使用的训练系统，该系统通过控制拟人沙袋突然启动、即停、前进、后退、加速、减速、同向和对冲等运动状态，模拟人群各种拥挤状况下的碰撞情况。基于该系统研究了不同碰撞速度下的碰撞规律，通过仿真发现最大撞击力σmax出现在沙袋中部，最大撞击力值为8.10×104Pa，此时撞击速度为4 m/s。通过实验发现，冲击力及冲击速度的实验平均值接近仿真值，验证了仿真结果的合理性。