论文研究-基于危险源影响的地铁车站乘客疏散仿真模型.pdf

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论文研究-基于危险源影响的地铁车站乘客疏散仿真模型.pdf,  为研究地铁车站在危险源突发事件条件下乘客主观能动性和外界环境对疏散过程的影响,结合危险源场景特征对乘客疏散过程进行社会力分析,建立基于危险源的社会力模型.模型考虑了乘客的主观能动性,调整自驱动力中期望速度大小和方向的确定方法及更新规则,并针对外界环境的影响,引入危险源对乘客的排斥力.以上海地铁某车站站台层为场景进行算例应用及分析
第6期 马洁,等:基于危险源影响的地铁车站乘客疏散仿真模型 1587 程度越高.应对区Ⅷ距危险源较近,该区域内的乘客会考虑危险源的影响,不同程度远离危险源,做出疏散 决策并执行.非应对区V离危险源较远,本文假定该区域内乘客的吮散过程不受危险源影响.为便于建模和 计算,将危险源利应对区简化成以危险源中心D为圆心的圆形区域,半径分别为m1和rVn本文不考虑危 险源和应对区的扩散,即m;和rv在仿真过程中不随时间变化 V Ⅵn 图1地铁车站站台层疏散场景示意图 3乘客疏散过程的社会力分析及建模 时刻受到的合力f见公式()《 社会力模型模拟常态条件下地铁车站乘客运动过程及分布特点具有良好的效果6.模型中乘客i在t f dvi(t) 力+∑f+∑+∑f+ j(≠i) 其中对于乘客2m是质量d0(t)是at时间内,实际速度的变化,力是乘客为向目标前进,自身施加的 自驱动力.∫;是乘客j施加的排斥力.f是乘客受到来自障碍的排斥力.f是其他乘客或物体t带 来的吸引力.ξ是波动项,加入随机作用力,解决仿真时出现的死锁问题 地铁车站发生危险源突发事件后,乘客发挥主观能动性,不断提速向疏散目标行走,并依情况绕行危险 源.乘客在疏散过程中受到危险源、其他乘客和障碍等外界环境的影响.被迫与之俣持距离.因此乘客在疏 散过程中的社会力应考虑主观能动性和外部环境两个方面,需要对自驱动力和排斥力进行深入研究,其中,自 驱动力主要表现为乘客对期望速度大小和方向的控制上,排斥力主要体现为危险源、其他乘客以及障物对 乘客疏散的影响 3.1乘客疏散过程中的自驱动力 自驱动力是乘客主动施加给自己的社会力反映乘客为实现期望速度表现出的主观能动性自驱动力力 见公式(2) f2 t)e(t)-0(t) 其中,2()、e(1)、(4)分别代表l时刻乘客i的期望速度大小、方向和实际速度 下文将分别给出,乘客在危险源环境中,期望速度大小和方向的确定方法 31.1期望速度的大小(t) 乘客与危险源处于同一平面,生命受到危险源的直接威胁,加之危险源及烟气的扩散,造成身体不适、生 理机能下降,导致疏散时间越久,乘客感受到的不确定性越大,承受的心理压力也越大,越希望叮以尽快离廾 危险源平面.因此,乘客期望速度的大小随疏散时间动态增长,直至最大期望速率vmax,具体见公式(3) ui(t)=min(vi+EiT,u 其中,E;为期望速度的增长率,反映乘客希望尽快疏散的迫切程度.9(0)=v,表示疏散开始时刻,乘客的 期望速率为平均速率.T为疏散时长 31.2期望速度的方向e(t 受危险源影响的乘客在疏散过程中首先要确定疏散目标,本文假设乘客选择走行距离最近的疏散设备为 疏散目标.确定疏散目标后,乘客要进行从当前位置到疏散目标的路径规划,其中非应对区内的乘客直接以 疏散目标为期望速度方向,而应对区内的乘客先决定是否绕行危险源:没必要绕行危险源的乘客为直行乘客, 以疏散目标为期望速度方冋;其他乘客为绕行乘客,其期望速度方向山绕行系数p;调节,反映乘客的绕行程 度 1)确定疏散目标 疏散设备指地铁车站中输送乘客离开危险源所在平面的可用设施设备,若危险源在站台层,则站台层的 楼扶梯为硫散设备、被乘客讠选中的疏散设备是其疏散目标、这里假定,所有乘客的疏散目标一经确定,整个 疏散过程中不再更改 1588 系统工程理论与实践 第36卷 E1、E2、…、En是一系列可用疏散设备,Es是其中任一设备,乘客i到Es的直线距离为alE (xE,-x;)2+(yB-y)由于危险源区域不可进入,因此乘客i到E的最小走行距离dE,需分两种情 况在dE。的基础上进行修正lE是连接乘客和E的线段 a)若乘客直行不会进入危险源区域,即lEn∩V-0或lE∩V-1,直线lE。与危险源区域V没有 交点或只有一个交点,则d1En=a b)若乘客直行会进入危险源区域,即lEn^V>1、直线lE。与危险源区域Ⅴ不只有一个交点,则 dE=a1E,-2 C ru, sin+7m.其中,如图2,lE,与圆Dr相交于P、Q两点,9为PQ对应的圆心角 F∈(0,x Es 图2乘客到疏散设备的距离修正示意图 乘客i选择走行距离最小的疏散设备为疏散目标E,即dF0=min(dn1,ln2,……,lFn) 2)确定期望速度方向e() ①非应对区内乘客 非应对区内乘客距危险源较远,其首要目标是快速疏散,不对危险源做出行为反应.乘客以疏散目标为 期望速度方向,即c(t)=cE0CE是由乘客指向疏散目标Eo的单位向量 ②应对区内乘客 应对区的乘客,先判断是否为直行乘客.本文中判断过程只进行一次,对于疏散开始时就处于应对区的 乘客,判断发生在吮散开始之时;对于疏散过程中步入应对区的乘客,判晰断发生在进入应对区之时.之后,直 行乘客和绕行乘客分别按各自期望速度方向的确定规则进行期望速度方向的更新 eD是单位向量由乘客指向危险源中心D,如图3,hED;=0,G是eh上除i外任意一点,是线 段1D到线段lcD的夹角,且∈(-丌/2,0)b为由ek到EEnt的夹角 假设乘客沿ek走行,经过T时间后,满足ab(t)≈a2b(t+7),表示乘客既没有远离危险源也没有 靠近危险源.对于乘客,若0∈0.,+丌],如图3中01,乘客在直行走向疏散目标的同时,也可反向远离危险 源,是安全的.为直行乘客 若θ∈(-丌,0),乘客在直行走向疏散目标的同时,会不同程度靠近危险源,存在风险.但是,满足如下条 件的乘客没有必要绕行,为直行乘客.设lE0是连接乘客和Eo的线段,乘客i的疏散目标Eo到危险源中 心的距离比直行线路lE上任何点到危险源中心的距离都要近如图3中l1p,具体表示为:H是lE上 点,对任意H,总有nD≤lD E e 图3直行乘客示意图 图4绕行乘客绕行方向e(t)示意图 上述两种情况下是直行乘客,以疏散目标为期望速度方向.其他均为绕行乘客,下面介绍绕行乘客期望 速度方向的确定方法 对于绕行乘客,先确定绕行方向e(t):若θ∈[-π/2,0),如图4中2,表示乘客沿ek比沿-ek绕行, 第6期 马洁,等:基于危险源影响的地铁车站乘客疏散仿真模型 1589 走行距离近,所以e(t=ek同理,若6∈(-丌,-丌/2),如图4中03,则e(t)=-ek,见公式(4 ek,9∈[-π/2,0)时 ek,9∈(-丌,-丌/2)时 (4) 再确定绕行方向e2():直线l是过乘客i所在位置的危险源区域V的切线,e是lp上的单位向量 且eae;(t)>0.下面将绕行乘客分为两类 a)当lEn∩V=0或lE∩V=1时,即直线lEo与危险源区域Ⅴ没有交点或只有一个交点时,如图 5(a)所示若乘客沿eEn走行;不会进入危险源区域,是可接受的,因此,c2(t)=cE0 b)当lE0∩V>1时,即直线lE。与危险源区域V不只有一个交点时,如图5(b)所示若乘客沿eEaz 走行,会进入危险源区域,不可行,因此,取危险源区域的切线方向,即e2(t)=e e()=cEn,当lmn=0或lE∩V=1时 当lEo∩V>1时 E e p eeoi k Di DL 图5绕行乘容绕行方向e2(t)示意图:(a)乘容到疏散目标的直行路径不穿过危险源区域; (b)乘客到疏散目标的直行路径穿过危险源区域 最终,对于绕行乘客,其期望速度方向c()在e(t)和e(t)的基础上进行调整,具体为 e? (t)=Norm[(1-pi)e!(t)+pie(t) 其中Norm(ω)=a/,是向量的标准化.T为绕行系数,;∈[0,1]z取值越大,乘客越倾向于冒险,选 择距离较近的走行路径;反之,;取值越小,乘客越惧怕危险源,选择离危险源较远的走行路径. 综上.乘客i期望速度的方向为 e eols 应对区乘客和应对区直行乘客 Norm[(1-n)e(t)+ne(t),应对区绕行乘客 32乘客疏散过程中的排斥力 321危险源的排斥力 危险源的排斥力是一种心理排斥力,危险源让人身体不适、心理惧怕,因此.乘客从心理上排斥靠近危险 源.影响危险源排斥力大小的主要因素有:乘客与危险源的距离以及危险源的面积.乘客离危险源越近,受到 的生命威胁越突出,相应地,排斥力急剧增大.危险源半径越大,危险程度越高,排斥力也越大因此,乘客i 受到危险源的排斥力fad为 fid Aidrvexp (Ti+rvi 其中,Aa、Bd用来调节危险源排斥力的作用强度和作用范围m;是乘客i的身体半径,D是乘客质心到危 险源中心D的直线距离因此-(n+mv-a)代表乘客身体外围到危险源外围的最小距离.n,D是由危 险源中心D指向乘客讠的单位向量,表征∫a的作用方向 3.22其他乘客和障碍的排斥力 根据社会力模型,乘客i受到乘客j和障碍v的排斥力包括心理排斥力和高密度时产生的接触排斥力, 接触排斥力分为径向的挤压力和切向的摩擦力.具体为 f={Aexp[(n-d3)/B+kg(x-d3)+g(r;-d)△t 1590 系统工程理论与实践 第36卷 fiw -Aiexp[(ri-dia) Bi+kg(ri-diwriiw-hg(ri-diw) 公式(⑨)中,A、B;调节排斥力的作用强度和作用范围,k是弹性系数,是摩擦系数.r;=7z+rj,d2 是乘客i、j间的质心距离当7>时,g(r;-dlx)=7x;-d;否则,g(Tx-d;)=0.m是由乘客j 指向乘客i的单位向量,表征心理排斥力和挤压力的作用方向.t是乘客i、j切线方向的单位向量,表征摩 擦力的作用方向.△=(,-0)C是乘客切线方向的速率差 公式(10)描述乘客讠与障碍间的排斥力,与公式(9)结构相同.参数含义相似 不考吸引力fu和波动项ξ最终,乘客在t时刻受到的社会力的合力f1为 f=m=户+∑+∑+∑f 其中,丹由公式(2)、(3)、(7)求得,f、f、f分别由公式(8)、(9)、(10)求得 通过公式(11),计算每位乘客在d时间后的位置和速度,推动仿真前进、直至所有乘客都完成疏散 4算例分析 本文以课题组已有的地铁车站常态客流仿真软件16-17为基础,加入上述模型后,进行案例设计与仿真 选取上海某地铁车站站台层为场景验证模型的有效性,研究危险源场景下,乘客主观能动性和外界环境对疏 散过程的影响.该站台层长145m,宽13m,危险源位于站台中部,如图1所示.疏散仿真开始前,乘客均匀 分布在站台层的各个候车区,仿真开始后,假设站台左侧的扶梯囚危险源的存在而关闭,所有乘客通过右侧 的楼棁疏散至站厅层.疏散过程是指乘客从开始疏散到到达站厅层.危险源场景下实际疏散过程的数据资料 缺乏,本文通过参照相关文献进行参数标定.根据《中国成年人人体尺寸》(GB10008)8换算得到:r2 0.23m,mz=70kg参照人体视觉尺度范围19,标定应对区半径rvn=25m.模型中部分参数取值与社会 力模型保持一致:=0.5s,vma=1.5m-s-1,Aad=A1=2×103N,B1=0.08m,k=1.2×105kgs-2, =24×105kgs-2.取Ba=0.4m 乘客的主观能动性在模型里,体现在自驱动力中期望速度的大小和方向上,因此,针对期望速度的大小和 方向,分别对应选取模型参数期望速度增长蕐和绕行系数,来研究乘客的主观能动性对疏散过程的影响.外 界环境在模型中,主要表现为危险源对乘客的排斥力及乘客间的排斥力,相应地,分别通过调节环境属性危 险源半径和站台人数,研究各自对疏散过程的影响、疏散模型的有效性体现在通过对数据和行为的分析能够 合理模拟真实疏散过程,为应急疏散演练或灾害发生时人员应急疏散提供重要参考20 41期望速度增长率 取mV=1m,P=0.5.研究乘客期望速度增长率E和站台人数取不同值时,对疏散的影响,见图6和 图 180 1.5 总140 平均疏 疏 散1.1 散 120 0.9 100 米 80 60 0.5 0.0050.010.0150.020.0250.03 0.0050.010.0150020.025003 期望速度增长率(米/平方秒) 期望速度增长(米/平方秒) 一100人200人300人-400人500人 100人200人 300人 400人 =500人 图6期望速度增长率及站台人数对总疏散时间的影响图7期望速度增长率及站台人数对平均疏散速度的影响 当站台人数较少时,随E增加,疏散时间减少,疏散速度增大.尤其,E;从尢到有时,疏散时间和速度 的变化十分显著.E越大,乘客期望速率越早达到最大值vnax,乘客自驱动力也越大.因此,可通过提高期 望速度增长率的方式降低疏散时间.而当站台人数较多时,由于疏散瓶颈的制约,F的增长,对疏散时间和 疏散速度的影响不大.此时,走行速度再快也无济于事,疏散时间取决于瓶颈处,提高瓶颈的通过能力和通行 效率才是当务之急 第6期 马洁,等:基于危险源影响的地铁车站乘客疏散仿真模型 1591 42站台人数 取nv=1m,p=0.5,Ez-0.005ms-2.通常情况下,站台人数越多.乘客间的相互作用越明显,不同站 台人数对疏散的影响见图8 由图6~图8,可以看岀,随着站台人数的増加,疏散时间相应增加,疏散速度随之减小.当站台人数大 于350人时乘客在褛梯口处聚集,产生拥堵,表现岀竞争行为,楼梯口成为疏散瓶颈,疏散时间急剧增加,疏 散速度也大幅下降,这与实际疏散情况相符.因此,当站台人数较多时,需加强楼梯口处的客流组织和疏导工 作 43绕行系数 取m=1m,E1=00m2,站台人数为100人绕行系数P取不同值时,对疏散的影响,见图9 散140 疏150 疏 散 1散的 130 100 米 距 0.6 0.4 50100150200250300350400450 00.10.20.30.40.50.50.70.80.91 疏散人效(人) 绕行系数 ←总疏散时间 平均疏散距离 平均散速度 总疏散时间 一平均疏散时间 平均疏散距离 图8站台人数对疏散效果的影响 图9绕行系数对疏散效果的影响 0当p,502时,乘客在危险源外积聚等待依次沿墙绕过危险源,如图10所示,疏散时间长.当 0.3≤p≤0.7时,乘客的吮散过程流畅,绕行距离和统散时间均随p2增加而减小.而当p≥0.8时,虽然乘 客的期望绕行距离越来越小,但由于危险源排斥力的作用,乘客很难进一步靠近危险源,表现出对危险源的 退避行为,绕行距离和疏散时间呈稳定趋势.总体而言,随绕行系数的増加,乘客的疏散距离和疏散时间逐渐 减小并趋于恒定.囚此,合理的绕行程度对安全和疏散都是有利的 44危险源半径 取p=0.5,E=0.005m:s-2,站台人数为100人危险源半径rv越大,危险源的危害性越大,造成的 影响和后果越严重,具体见图11 170 散 150 图10乘客依次沿墙绕过危险源 离 0.511522.533.544.55 危险源半径(米) 总疏散时间 平均疏散时间 平均疏散距离 图12乘客受困于站台层 图11危险源半径对疏散效果的影响 随眷πv旳增加,考虑到人身安全,乘客逐步绕远,疏散距离相应增加,由于空间的限制,增加幅度逐渐 变缓,并趋于稳定.疏散时间随πv的增加而变大,乘客受到危险源排斥力的阻碍,疏散时间的增长幅度逐渐 陡峭当ⅵ≥4.5m时,乘客在危险源外围积聚等侯,沿墙绕过危险源,疏散时间大幅增长.当ⅵ≥5.5m 后,会有鄙分乘客受困于站台层,无法完成疏散,如图12所示.上述仿真结果与人们的思维认知一致 5结论 本文研究危险源场景下,乘客主观能动性和外界环境对疏散过程的影响.基于乘客疏散过程中的社会力 分析,改进社会力模型中的自驱动力和排斥力,建立了基于危险源的社会力模型,通过四个算例,验证了模型 的有效性和灵敏性,并得到如下结论 1592 系统工程理论与实践 第36卷 1)车站人数较少时通过人员和广播提示等方式,合理激发乘客的危机意识,以提高期望速率,减少疏散 时间 2)车站密度过大时,疏散时间取决于疏散瓶颈的通过能力和通行效率通过人员和广播引导乘客使用紧 急通道和消防疏散门进行硫散,加强瓶颈处的人员疏导和客流组织工作,可提高疏散效率. 3)危险源所在楼层,要加大人员投入,一方面控制危险源扩散,另一方面安抚乘客,缓解乘客对危险源的 恐惧感.并安排乘客合理绕行,可同时兼顾疏散安全与疏散效率 4)危险源的扩大对疏散的消极影响十分显著,严重时,会造成大量人员伤亡,因此控制危险源扩散是车 站工作的重点.在危险源突发事件发生伊始,要尽快确认,及时处理,可达到事半功倍的效果. 本文中未考虑危险源和应对区的扩散,下一步的硏究方冋是面向扩散危险源环境的乘客疏散过程建模 除此,通过算例分析可以看出绕行系数对仿真结果貝有比较大的影响,那么在具体案例中绕行系数应如何取 值也是下一步研究的重点内容 参考文献 交通运输部道路运输司.国内外城市轨道交通事故案例评析[M·北京:人民交通岀版社、2011:7-45. 2 Kirchner A, Schadschneider A. 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