地鐵出口條件對(duì)人員疏散的影響分析

地鐵出口條件對(duì)人員疏散的影響分析摘　要:采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),綜合考慮建筑物結(jié)構(gòu)和人員行為對(duì)疏散的影響,建立了地鐵車(chē)站的疏散模型,并利用該模型詳細(xì)模擬了各種不同出口條件下的人員疏散過(guò)程.通過(guò)模擬,獲得了每個(gè)時(shí)刻的人員分布狀態(tài),找到了不利于人員疏散的“瓶頸”位置,分析了地鐵出口條件對(duì)于人員疏散的影響.關(guān)鍵詞:地鐵;人員疏散;疏散時(shí)間;疏散模型0 引　言 地鐵,被稱為世界上最安全的交通工具,現(xiàn)代城市不可或缺的交通工具.統(tǒng)計(jì)資料表明,它與路面交通工具發(fā)生事故的比例是1∶100[1].但是大量的地鐵火災(zāi)、爆炸及恐怖襲擊事故的發(fā)生,已經(jīng)給人們帶來(lái)了巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡.2005年7月8日剛剛發(fā)生的倫敦地鐵爆炸事件再次讓世人震驚,造成56人死亡.因此,對(duì)一旦發(fā)生緊急事故,如何快速安全地將危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的人員撤離到安全區(qū)域研究具有非常重要的意義. 人員疏散問(wèn)題是一個(gè)涉及建筑物的結(jié)構(gòu)、火災(zāi)的發(fā)展過(guò)程和建筑物內(nèi)人員的行為三種基本因素的復(fù)雜問(wèn)題.目前在計(jì)算疏散時(shí)間時(shí),大部分情況下都是只考慮了疏散通道總寬度的影響,采用簡(jiǎn)單的公式法來(lái)計(jì)算[2～4].這種方法無(wú)法考慮建筑物結(jié)構(gòu)和人員行為對(duì)于人員疏散的影響,從而也就沒(méi)有考慮出口條件的影響.近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的迅速發(fā)展,國(guó)內(nèi)外研究人員開(kāi)始了人員疏散模型的研究.根據(jù)Gwynne等人的統(tǒng)計(jì),當(dāng)前國(guó)際上已經(jīng)建立和正在開(kāi)發(fā)的人員疏散模型大約有22種,其中EV ACNET[5]、EXODUS[6]、EXIT89[7]、Simulex[8]、HAZARD1中的EXITT模型[9]、FiRECAM程序中的人員逃生子模型[10]等受到了人們較多的注意. 探討地鐵出口條件對(duì)人員疏散的影響,本文采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),建立了地鐵站臺(tái)的疏散模型,對(duì)地鐵站臺(tái)的人員疏散情況進(jìn)行了詳細(xì)的模擬.1 型的建立 采用精細(xì)網(wǎng)格法,建立了某地鐵側(cè)式站臺(tái)的計(jì)算機(jī)仿真模型.精細(xì)網(wǎng)格法是把建筑平面空間劃分為許多小的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn).網(wǎng)格中的每一個(gè)位置稱為一個(gè)節(jié)點(diǎn).在不同的模型中,節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格大小和形狀也有所不同,該地鐵模型中選用0.5m×0.5m的正方形網(wǎng)格,與真實(shí)情況下一個(gè)人員所占的空間相符[11].每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以用弧線與相鄰的八個(gè)節(jié)點(diǎn)相連接,如圖1所示.人員可以沿著弧線從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)移動(dòng).但是在同一時(shí)間內(nèi),一個(gè)節(jié)點(diǎn)只能由一個(gè)人員所占據(jù).用這種方法可以比較準(zhǔn)確地表示建筑平面空間的幾何形狀及其內(nèi)部障礙物的位置,并可在人員疏散的任意時(shí)刻確定每個(gè)人的準(zhǔn)確位置[12]. 對(duì)象為一單層側(cè)式站臺(tái),車(chē)站有效長(zhǎng)度為146.7m,寬度為96.8m,高度為4.76m,車(chē)站斷面示意圖如圖2所示.由于側(cè)式站臺(tái)兩邊是對(duì)稱的,所以選用站臺(tái)的一側(cè)建立疏散模型,該側(cè)站臺(tái)一共有兩個(gè)疏散通道和一個(gè)正常出入口. 疏散的初始人員分布狀況:有一列載著乘客(1200人)的列車(chē)停靠在站內(nèi),而站臺(tái)上也隨機(jī)分布有300人(其中包括工作人員和候車(chē)人員),因此該站內(nèi)共有1500人.由此,建立該站臺(tái)的人員疏散模型如圖3所示.圖中小黑點(diǎn)表示地鐵中的人員.人員的步行速度將依據(jù)其性別、年齡、身體健康狀況的不同在0.8m·s-1～1.5m·s-1的范圍內(nèi)隨機(jī)給定. 利用該模型,可以清楚地看到每個(gè)時(shí)刻人員的分布情況,如40s后人員的分布如圖4所示.從圖中可以發(fā)現(xiàn),在疏散通道附近出現(xiàn)了明顯的不利于人員疏散的“瓶頸”現(xiàn)象.2 模擬結(jié)果及其分析 實(shí)驗(yàn)表明[13],人們對(duì)于出口的選擇,主要與人員對(duì)于出口的熟悉程度(包括正常出口和緊急出口)、離出口的距離和緊急出口的狀態(tài)(是打開(kāi)還是關(guān)閉)三個(gè)因素有關(guān).為了有效地利用每個(gè)出口,提高人員疏散的效率,下面將利用地鐵的疏散模型,分析比較各種不同出口條件下人員的疏散情況.2.1疏散通道是否打開(kāi) 如果人員完全按照最近路線原則選擇出口,在其它條件都相同的情況下,分別對(duì)兩個(gè)疏散通道均關(guān)閉、打開(kāi)一個(gè)疏散通道和兩個(gè)疏散通道全部打開(kāi)三種不同出口條件下的人員疏散情況進(jìn)行了模擬,模擬結(jié)果如圖5所示. 從圖5中顯示的最終疏散結(jié)果來(lái)看,圖線1與圖線2所顯示的總的疏散時(shí)間相差不遠(yuǎn),而圖線3的疏散時(shí)間卻要明顯的大于前兩種情況.這就表明,當(dāng)人員完全按照最近路線原則來(lái)選擇出口時(shí),打開(kāi)兩個(gè)疏散通道與打開(kāi)一個(gè)所用的總的疏散時(shí)間相差不遠(yuǎn).但是,在同一時(shí)間內(nèi),圖線1所表示的疏散出去的人數(shù)明顯大于圖線2.這說(shuō)明,當(dāng)兩個(gè)疏散通道都打開(kāi)時(shí),在同一時(shí)間內(nèi)比僅打開(kāi)一個(gè)疏散通道疏散出去的人要多,尤其是在前160s更是明顯.在160s之后,差別逐漸減小,這是因?yàn)樵趦蓚€(gè)疏散通道附近出現(xiàn)了疏散的“瓶頸”現(xiàn)象,大量的人員聚集在疏散通道附近進(jìn)行排隊(duì)等候,導(dǎo)致疏散速度有所降低.同時(shí),在圖中也可以看出,如果兩個(gè)疏散通道均關(guān)閉的話,人員全部疏散出去的時(shí)間卻要延長(zhǎng)75s左右. 在模擬過(guò)程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)疏散通道關(guān)閉時(shí),對(duì)人員疏散造成的影響不僅僅是減少了出口的數(shù)量,更為嚴(yán)重的是會(huì)導(dǎo)致大量的人員聚集在出口附近,大大增強(qiáng)了疏散的“瓶頸”現(xiàn)象,從而降低了疏散的效率.另外,由于乘客并不知道疏散通道是否是打開(kāi)的,如果人們到達(dá)疏散通道附近發(fā)現(xiàn)其關(guān)閉再返回來(lái)尋找其它出口的話,就會(huì)造成“反向流”的現(xiàn)象,導(dǎo)致疏散效率降低.­2.2疏散通道打開(kāi)是否及時(shí) 在其它條件都相同的情況下,對(duì)在發(fā)生火災(zāi)等緊急情況時(shí),兩個(gè)疏散通道及時(shí)打開(kāi)、其中一個(gè)延遲60s打開(kāi)以及兩個(gè)都延遲60s打開(kāi)三種不同的出口條件下的人員疏散狀況進(jìn)行了模擬,模擬結(jié)果如圖6所示. 從圖中可以看出,在同一時(shí)間內(nèi),3條圖線所顯示的從所有出口疏散出去的總?cè)藬?shù)的關(guān)系:圖線1>圖線2>圖線3.也就是說(shuō),當(dāng)延遲打開(kāi)疏散通道時(shí),由于沒(méi)有及時(shí)有效地利用每個(gè)出口,所以導(dǎo)致在同一時(shí)間內(nèi),疏散出去的總?cè)藬?shù)減少,疏散的總時(shí)間明顯增加. 值得注意的是,如果疏散通道沒(méi)有及時(shí)打開(kāi),會(huì)導(dǎo)致大量的人員滯留在疏散通道附近造成擁擠現(xiàn)象.由于擁擠造成人員傷亡慘案的教訓(xùn)是非常慘痛的.例如,1971年發(fā)生在蘇格蘭的格拉斯哥體育場(chǎng)的66名足球球迷在樓梯上被踩死的慘劇;1980年發(fā)生在辛辛那提市的搖滾音樂(lè)會(huì)會(huì)場(chǎng)入會(huì)過(guò)程中11名人員被擠踩死的慘案[14]等.2.3正常出口與疏散通道的有效利用 前面的模擬都是假設(shè)人員完全按照最近路線的疏散原則來(lái)選擇出口的.然而,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明[13]:即使人們離熟悉的正常出口的距離比最近的緊急疏散出口遠(yuǎn)一些,人們?nèi)匀粌A向于選擇比較熟悉的正常出口.但是,如果緊急疏散出口的門(mén)是開(kāi)著的并且人們可以看到外面的話,緊急疏散出口就變得更加受歡迎,大部分人將會(huì)選擇緊急疏散出口.另外,一般在發(fā)生緊急事件之后,地鐵中的工作人員或者消防人員也會(huì)指導(dǎo)人員進(jìn)行疏散.為了便于分析這些因素對(duì)于人員疏散的影響,筆者用出口吸引力來(lái)表示出口受歡迎的程度,某出口的吸引力越大,則表示該出口越受歡迎,人員選擇該出口的可能性也就越大,反之亦然.筆者對(duì)各個(gè)出口在不同吸引力情況下的人員疏散狀況進(jìn)行了模擬,模擬結(jié)果如圖7所示. 在圖7中,圖線1為正常出口與疏散通道具有相同吸引力,人員完全按照最近路線的疏散原則選擇出口時(shí)的模擬結(jié)果.在模擬過(guò)程中發(fā)現(xiàn),在這種情況下,在疏散通道附近出現(xiàn)“瓶頸”現(xiàn)象,疏散時(shí)間較長(zhǎng).圖線2為降低疏散通道吸引力時(shí)的模擬結(jié)果.可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)降低疏散通道的吸引力,即更多的人員選擇正常出口進(jìn)行疏散時(shí),疏散的總時(shí)間減少,尤其是在160s之后更是明顯.但是如果進(jìn)一步降低疏散通道的吸引力(如圖線3)時(shí),則會(huì)發(fā)現(xiàn)疏散的總時(shí)間反而會(huì)有所延長(zhǎng).反過(guò)來(lái),當(dāng)增大疏散通道的吸引力時(shí),由于加重了疏散通道附近的“瓶頸”現(xiàn)象,增加了人員排隊(duì)等待的時(shí)間,從而會(huì)導(dǎo)致疏散時(shí)間更長(zhǎng).而且,疏散通道的吸引力越大,則所用的疏散時(shí)間就越長(zhǎng),如圖線4和5所示.這就說(shuō)明,疏散通道的吸引力存在一個(gè)最佳值.3結(jié)　論 本文在分析某地鐵側(cè)式站臺(tái)疏散模型的基礎(chǔ)上,采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),綜合考慮了建筑物結(jié)構(gòu)和人員行為對(duì)疏散的影響,對(duì)不同地鐵出口條件下的人員疏散過(guò)程進(jìn)行了模擬,得出了如下結(jié)論. (1)疏散通道關(guān)閉時(shí)所用的人員疏散時(shí)間要比打開(kāi)時(shí)延長(zhǎng)75s左右.這不僅是因?yàn)闇p少了出口的數(shù)量,更為嚴(yán)重的是會(huì)導(dǎo)致大量的人員聚集在出口附近,大大增強(qiáng)了疏散的“瓶頸”現(xiàn)象,從而降低了疏散的效率.另外,還可能造成不利于人員疏散的“反向流”現(xiàn)象. (2)及時(shí)打開(kāi)疏散通道比其中一個(gè)延遲打開(kāi)60s要少用20s左右的時(shí)間,而比兩個(gè)都延遲60秒打開(kāi)節(jié)省約60s的時(shí)間.而且發(fā)現(xiàn),延遲打開(kāi)疏散通道,不僅延長(zhǎng)了疏散時(shí)間,而且在出口附近造成了嚴(yán)重的擁擠現(xiàn)象,很容易造成人員傷亡.因而,在地鐵發(fā)生火災(zāi)等緊急事故時(shí)應(yīng)及時(shí)打開(kāi)疏散通道. (3)出口的吸引力不同,則人員疏散所用的時(shí)間也有所不同.正常出口與疏散通道的吸引力存在一個(gè)最佳值,如果通過(guò)指導(dǎo)人員有序的進(jìn)行疏散,使每個(gè)出口的人員分配取得最佳值,將會(huì)有效地避免出口的“瓶頸”現(xiàn)象,減少人員疏散的時(shí)間. (4)采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),可以直觀地觀察到人員的整個(gè)疏散過(guò)程,得到每個(gè)時(shí)刻的人員分布狀況,從而可以找出地鐵站臺(tái)中不利于人員疏散的“瓶頸”位置,進(jìn)一步優(yōu)化地鐵站臺(tái)的布局.因而,地鐵站臺(tái)人員疏散的計(jì)算機(jī)仿真模擬具有廣闊的應(yīng)用前景.參考文獻(xiàn):[1]　劉繼純.人類(lèi)災(zāi)難全紀(jì)錄[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2000.5.LIUJi chun.Humantragedyentirenewsreel[M].Beijing:WeaponIndustryPress,2000.5.[2]　汪曉蓉.關(guān)于地鐵車(chē)站緊急疏散計(jì)算的體會(huì)「J].科學(xué)技術(shù)通訊,2001(3):26 27.WANGXiao rui.Theexperienceofcalculationevacuationtimeonsubwaystation[J].ScienceandTechnologyCommunica tion,2001(3):26 27.[3]　芮立群.地鐵的火災(zāi)疏散和防排煙「J].城市公用事業(yè),1997,11(l):11 12.RUILi qun.Fireevacuationandventingsmoke[J].CityPublicEquipmentProject,1997,11(l):11 12.[4]　徐　高,地鐵車(chē)站人員疏散的計(jì)算機(jī)仿真研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2003,40(2):32 34,45.XUGao.Computersimulationstudyonpersonnelevacuatinginmetrostation[J].ModernTunnelTechnology,2003,40(2):32 34,45.[5]　KiskoTM,FrancisRL,NobelCR.EVECNET4user sguide[M].UniversityofFlorida,1998.[6]GaleaER,Galparsoro.Acomputer basedsimulation modelforthepredictionofevacuationfrommass transportvehicles[J].FireSafetyJ,1994,22:341 366.[7]FahyRF.Apracticalexampleofanevacuationmodelforcomplexspaces[C]//HumanBehaviourinFire FirstInternationalSymposium.1999:743 751.[8]ThompsonPA,MarchantEW.Acomputermodelfortheevacuationoflargebuildingpopulations[J].FireSafeJ,1995(24):131 148.[9]　KostrevaMM,LancasterLC.AcomparisonoftwomethodologiesinHAZARDIfireegressanalysis[J].FireTechnology,1998,34(3):227 246.[10]　YungD,HadjisophocleousGV,ProulxG.AdescriptionoftheprobabilisticanddeterministicmodellingusedinFIRE CAM[J].InternationalJournalonEngineeringPerformancebasedFireCode,Vol.1,No.1,1999.[11]　ElliottD,SmithD.FootballstadiadisastersintheUnitedKingdom:learningfromtragedy?[J].Ind.Environ.CrisisQ.,1993,7(3):205 229.[12]　霍　然,袁宏永.性能化防火分析與設(shè)計(jì)[M].合肥:安徽科學(xué)技術(shù)出版社,2003.HUORan,YUANHong yong.Performance basedfireprotectiondesigncode[M].Hefei:AnhuiScienceandTechnologyPress,2003.[13]　LarsBenthorn,H akanFrantzich.Firealarminapublicbuilding:Howdopeopleevaluateinformationandchooseevacuationexit?[J].LundsuniversitetLund,1996.[14]　Reportofthetaskforceoncrowdcontrolandsafety[R].CityofCincinnati,Cincinnati,1980.