南宁轨道交通集团有限责任公司运营分公司 广西南宁 530029
摘要：随着中国城市化建设的加速，城市轨道交通得到了快速发展，越来越多的城市开始兴建地铁。地铁由于其建筑环境特点，人流密度大、排烟排热能力差、火灾扑救难度高，一旦发生火灾，后果不堪设想。因此，针对地铁车站人群疏散的安全研究十分必要。文章正是基于这个角度，重点就地铁车站火灾疏散展开相关探究。
关键词：地铁车站；火火灾；疏散研究
近些年，城市地铁发展迅速，大力发展地铁不仅可以缓解地面交通压力节省空间，并且具有快捷、准时、舒适、大运量、低污染等优点，因此地铁日渐受到人们的青睐。伴随着地下交通的不断发展，地铁火灾安全问题也越来越受到人们的重视，不断发生的地铁火灾事故给社会造成了巨大的损失。若地铁发生火灾等突发事故，无论火灾发生区域是在站内还是在隧道，一般都是利用车站进行乘客的疏散。因此探讨车站内的车厢及站台疏散情形，成为地铁火灾疏散研究的一个重要方向。
一、地铁站台火灾危害分析
地铁站台是乘客大量聚集候车、到达离开的场所，一旦发生火灾将直接威胁大量乘客的安全.根据统计，火灾中 80%以上遇难者是因高温烟气以及有毒气体致死的，其危害性主要体现在高温危害、烟气毒性、缺氧，以及可见度降低等方面。火灾烟气层高度低于人眼特征高度时，温度超过100℃，高温烟气将直接灼烧人体呼吸道和表皮；随着地铁系统建设对阻燃材料和环保材料的要求，火灾发生后主要的有毒气体为缺氧状态下产生的CO，当其浓度超过0.2%时将对人员构成伤害；站台空间封闭狭小，发生火灾将消耗大量氧气，当氧气浓度低于10%时，人的运动能力基本丧失；火灾烟气中存在大量悬浮固体和液体颗粒，造成附近空间的可见度下降，对建筑物不熟悉时需保证至少13米的可见度。
二、地铁火灾疏散时间分析
根据《地铁设计规范》的设计要求，地铁车站公共区的疏散能力应满足，在远期或客流控制期高峰小时，能够将一列地铁拉载的乘客及站台乘客和工作人员在 6 min 内撤离站台，到达安全区域。在火灾工程学中，对人员安全疏散的要求描述为可用安全疏散时间 ASET大于所需安全疏散时间RSET，而影响可用安全疏散时间的因素主要有：①与人体直接接触的烟气温度大于 60 ℃。②燃烧的有害物浓度对人体构成危害( 典型情形为CO浓度达到2 500×10－ 6( ppm) 。③能见度降低到影响人员行走。
三、地铁列车疏散演练实验
疏散演练使用的为一辆 B 型地铁列车，列车行驶于隧道中，预计 2 min 后进站，此时 1 号车厢均匀分布120 人，2 号车厢均匀分布 120 人，本次演练模拟地铁列车1 号车厢的司机室、1 号车厢一端着火的情况，实验中使用白色无害烟雾弹模拟火源。人群发现火情，1 号车厢的乘客全部转移至 2 号车厢，等待列车进站。列车进站后 240 人从 2 号车厢的 4 个车门撤离起火列车。通过对演练实验的时间统计，可知人群对起火的响应时间为 5 s，乘客全部转移至 2 号车厢耗时 105 s，地铁车进站共耗时 120 s( 转移完成后经 10 s 进站) ，车门打开时间为4 s，人员全部离开车厢时间为31 s，此情景演练共耗时 155 s。2 号车厢在满载乘客( 240 人) 的情况下，打开一侧 4 个车门耗时 31 s 将全部乘客疏散完毕。可知，单节车厢乘客从响应起火到撤离车厢共耗时 110 s，小于上文提及的单节车厢的安全撤离时间120 s，但随着人数的上升，单节车厢转移时间也必然上升。又可知在满载乘客时( 单节列车 240 人，4 个车门通行，耗时约31 s) ，B 型地铁列车单个车门的通过能力约为 2 人/s。
四、地铁车站疏散仿真
（一）元胞自动机模型简介
最早的元胞自动机模型由 Ulam 和 Von Neumann提出，是一种简化的数学模型，用于描述自然界的复杂现象。它把空间和时间按照特定规则离散化，是一种遵从一定局部规则，并且在离散的时间维度上演化的动力学系统。元胞自动机模型依靠其强大的空间建模和运算能力在经济学、地理科学、生物学等多领域得到了广泛的应用。
元胞自动机具有空间离散、时间离散、状态离散、并行运算、局部性等特征。元胞自动机模型的基本组成成分包括元胞空间、元胞状态、邻居、和变化规则，可由如下的数学公式进行描述：
CA = { C，N，S，Ｒ} ( 1)
式( 1) 中，CA 代表元胞自动机系统，C 代表元胞空间，或称为元胞( 在元胞自动机中，空间被划分为许多网格，这些网格也被称作元胞) ，N 表示元胞周围的邻居，S 表示元胞的状态，Ｒ 表示元胞的演变规则。常见的元胞自动机模型的邻域有 Von Neumann型、Moore 型和扩展的 Moore 。
元胞自动机的基本演变规则是根据当前元胞的状态和邻居的状态确定下一步的元胞状态，演变规则可以描述为：
( 2)
式( 2) 中，Stij表示元胞 ij 在 t 时刻的状态； St +1ij表示元胞ij 在 t + 1 时刻的状态； fN表示元胞ij 根据其邻域状态N进行的转换函数。元胞自动机模型，利用简便的局部规则，可以演变出复杂的结果，利用计算机进行建模仿真，模型构造方便且运行速度快，故本文采用元胞自动机模型进行地铁车站的人员疏散仿真。
（二）地铁车站疏散仿真
利用上文介绍的元胞自动机模型设计地铁车站疏散仿真，为了简化计算，做出如下假设: 一辆 6 编组的 B型地铁列车，单节列车长 20 m，宽 3 m，车门宽度为 1. 5m。该车 1 号车箱车头位置突发火情，乘客全部转移至2 ～ 6 号车厢，列车进站打开一侧车门，每节车厢有 4 个车门，乘客从 2 ～6 号的 20 个车厢开始转移，此时的 2～ 6 号车厢每节载有乘客 240 人，根据上文演练实验可知，平均每个车门的通过能力为 2 人/s。因为本文元胞自动机模型所使用的单个时间步长为 0. 25 s，因此这里设定每 4 个时间步长车门处出现 2人，120 个时间步长( 30 s) 之后，乘客全部转移离开车厢。站台长 150 m，宽 10m。本文针对站台有无乘客、疏散出口数量及出口宽度等变化因素，使用前文介绍元胞自动机模型，利用 MATLAB2009a 软件进行计算机仿真分析。
仿真中针对三类影响条件的设计:
1.人数: 2 类工况，一类为地铁列车拉载1 200 人( 2 ～6 车每节 240 人) ，站台无乘客，疏散总人数 1 200人； 另一种为地铁列车拉载 1 200 人，站台乘客 800 人，疏散总人数 2 000 人。
2.出口数量: 站台存在 2 个出口和 3 个出口两种工况。
3.出口宽度: 出口有两种工况，分别为有 3 m( 6个元胞长度) 宽和 5 m( 10 个元胞长度) 宽。具体针对三类影响因素进行了 8 种工况的仿真，并对疏散时间进行了详细统计，各个工况疏散总时间见表 1。
表 1 疏散时间统计表
由表 1可知: 通过对工况 1 ～4与工况 5 ～8 比较，发现在站台有乘客的情况下疏散，疏散时间总是高于站台没有乘客的工况； 通过对工况1、3，工况 2、4，工况 5、7，工况 6、8 的比较，发现疏散人数相同，出口数量的增加，可以大幅缩短疏散的时间；通过对工况 1、2，工况 3、4，工况 5、6，工况 7、8 的比较，发现出口宽度的增加，也有利于缩短疏散时间。
总之，本文利用元胞自动机模型，通过比较人数、出口数、出口宽度，进行了地铁车站站台的疏散仿真分析，得到如下结论: ① 同等疏散人数的情况下，适当增加出口数量有利于减少疏散时间； ② 增加疏散出口的宽度也能在一定程度上减少疏散时间；③ 列车起火后，原则上要进站进行疏散，此时应该将站台的乘客在车未进站前尽量疏散，站台没有乘客的情况能够减少疏散时间。
参考文献：
[1]李意.地铁车站火灾条件下疏散客流状态的仿真分析[D].西南交通大学,2017.
[2]史荣丹.地铁车站站台火灾烟气控制策略与人员疏散研究[D].北京交通大学,2016.
[3]郭雩.地铁车站火灾乘客应急疏散行为及能力研究[D].湖南科技大学,2012.
论文作者:包国军
论文发表刊物:《防护工程》2017年第17期
论文发表时间:2017/12/1
标签：地铁论文; 自动机论文; 工况论文; 乘客论文; 车厢论文; 站台论文; 时间论文; 《防护工程》2017年第17期论文;