基于仿真技術(shù)的城市軌道交通應(yīng)急預(yù)案優(yōu)化方法研究

基于仿真技術(shù)的城市軌道交通應(yīng)急預(yù)案優(yōu)化方法研究 【摘要】目前城市軌道交通應(yīng)急預(yù)案的編制采用靜態(tài)分析和案例借鑒的方法，缺乏定量計(jì)算 和動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)，難以準(zhǔn)確評(píng)估突發(fā)事件對(duì)線網(wǎng)的整體影響。本文提出在應(yīng)急預(yù)案的編制中引入 交通仿真技術(shù)，在客流分析基礎(chǔ)上對(duì)火災(zāi)等緊急狀態(tài)下車站行人組織、線網(wǎng)列車運(yùn)行組織進(jìn) 行動(dòng)態(tài)分析和評(píng)價(jià)，找出薄弱環(huán)節(jié)及可能存在的問題，提出優(yōu)化解決方案，并在此基礎(chǔ)上構(gòu) 建“點(diǎn)—線—網(wǎng)”三級(jí)應(yīng)急預(yù)案協(xié)調(diào)機(jī)制與方法。以深圳市軌道交通為例，采用行人仿真模 擬軟件Legion和列車運(yùn)行仿真軟件OpenTrack，采用“點(diǎn)—線—網(wǎng)—線—點(diǎn)”的研究思路， 仿真分析和優(yōu)化火災(zāi)等緊急情況下車站（區(qū)間）乘客疏散方案，進(jìn)一步通過列車運(yùn)行仿真評(píng) 估和改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)列車運(yùn)營(yíng)組織協(xié)調(diào)，量化軌道客流引導(dǎo)和公交接駁方案，最后對(duì)疏解客流對(duì)相 關(guān)車站的影響進(jìn)行仿真評(píng)估，從而提出全面的應(yīng)急預(yù)案。 【關(guān)鍵詞】軌道交通應(yīng)急預(yù)案；行人仿真；列車運(yùn)行仿真 1 引言 城市軌道交通是城市公共交通的重要組成部分，它面向公眾提供快速、便捷的交通運(yùn)輸 服務(wù)，具有建設(shè)要求高、技術(shù)復(fù)雜度高、客運(yùn)環(huán)境封閉、運(yùn)轉(zhuǎn)強(qiáng)度大等特點(diǎn)，因此在地鐵建 設(shè)和運(yùn)營(yíng)方面加強(qiáng)突發(fā)事件應(yīng)急管理是十分必要的。城市軌道交通應(yīng)急預(yù)案的編制與管理是 保證安全運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)的核心問題，是軌道交通運(yùn)輸組織工作非常重要的問題和研究?jī)?nèi)容。目前， 城市軌道交通應(yīng)急預(yù)案的編制主要采用案例借鑒和靜態(tài)分析的方法，編制方法較為宏觀，缺 乏對(duì)于應(yīng)急處置關(guān)鍵指標(biāo)的量化分析，難以對(duì)系統(tǒng)中由于乘客行為等不確定性因素對(duì)整個(gè)系 統(tǒng)的影響進(jìn)行評(píng)估；同時(shí)，現(xiàn)有預(yù)案重點(diǎn)針對(duì)發(fā)生故障的車站、區(qū)間以及線路，對(duì)于“點(diǎn)” 的故障對(duì)于整體線網(wǎng)影響的評(píng)估依然不足。 微觀交通仿真作為一種實(shí)用的工具，已經(jīng)在交通運(yùn)營(yíng)分析、交通設(shè)施設(shè)計(jì)、交通新技術(shù) 評(píng)價(jià)、交通安全評(píng)價(jià)、交通流模型研究等領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的運(yùn)用，其目的就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)技 術(shù)再現(xiàn)復(fù)雜的交通現(xiàn)象，并對(duì)這些現(xiàn)象進(jìn)行解釋、分析，找出問題的癥結(jié)，最終對(duì)所研究的 交通系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。本文在現(xiàn)有城市軌道應(yīng)急預(yù)案編制方法的基礎(chǔ)上，引入軌道交通線網(wǎng)列 車仿真、車站行人仿真等微觀仿真技術(shù)，結(jié)合客流分析構(gòu)建“點(diǎn)—線—網(wǎng)”三級(jí)應(yīng)急預(yù)案協(xié)調(diào) 體系，進(jìn)行城市軌道交通應(yīng)急預(yù)案編制的優(yōu)化。 2 應(yīng)急預(yù)案系統(tǒng)分析及仿真優(yōu)化體系的構(gòu)建 應(yīng)急預(yù)案又稱應(yīng)急計(jì)劃, 是針對(duì)城市軌道交通可能發(fā)生的突發(fā)事件和重大事故, 為保證 迅速、有序、有效地開展應(yīng)急與救援行動(dòng), 降低事件(事故)損失而預(yù)先制定的計(jì)劃或方案" 應(yīng)急預(yù)案的目標(biāo)是控制緊急事件的發(fā)展并盡可能排除, 將事故對(duì)人生財(cái)產(chǎn)及環(huán)境的損傷和 影響減少到最低程度。 經(jīng)過多年的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐, 我國(guó)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)部門積累了大量的處置各類突發(fā)事件的 經(jīng)驗(yàn), 也制定了許多相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。為了進(jìn)一步提高應(yīng)急預(yù)案在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)的處置效 1 果, 應(yīng)急管理部門有必要分析現(xiàn)有的應(yīng)急預(yù)案, 對(duì)這些應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行分類, 提出分類標(biāo)準(zhǔn)和 具體的分類方案。 表1 城市軌道交通應(yīng)急預(yù)案分類 研究主要依據(jù)突發(fā)事件發(fā)生的類型分類進(jìn)行特征歸納和匯總，將應(yīng)急預(yù)案歸納為線網(wǎng)層 面和車站（區(qū)間）兩大層面共三總預(yù)案類型，即線網(wǎng)應(yīng)急預(yù)案仿真、車站緊急疏散仿真和車 站大客流仿真。在車站應(yīng)急預(yù)案層面中引入行人仿真技術(shù)，建立行人運(yùn)動(dòng)微觀模型和空間宏 觀模型，再現(xiàn)行人在空間中的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，從微觀角度對(duì)車站設(shè)施設(shè)備布局和客流組織方 法進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，有助于發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有緊急疏散與車站大客流條件下客流組織預(yù)案的缺陷和薄弱 環(huán)節(jié)，并提出相應(yīng)的優(yōu)化方案；在線網(wǎng)應(yīng)急預(yù)案中引入列車仿真技術(shù)，對(duì)緊急情況下線路和 網(wǎng)絡(luò)列車開行方案進(jìn)行仿真評(píng)估和能力評(píng)價(jià)，從而制定合理和可行的應(yīng)急開行計(jì)劃；進(jìn)行車 站客流與線網(wǎng)運(yùn)能運(yùn)量的綜合分析，進(jìn)行車站應(yīng)急預(yù)案與線網(wǎng)應(yīng)急預(yù)案的協(xié)調(diào)與綜合。 圖1 軌道交通仿真優(yōu)化體系 3 城市軌道交通應(yīng)急預(yù)案仿真優(yōu)化工作方法 依托仿真技術(shù)建立“車站—線路—網(wǎng)絡(luò)”三級(jí)應(yīng)急預(yù)案協(xié)調(diào)體系，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行“點(diǎn)— 線—網(wǎng)—線—點(diǎn)”的預(yù)案優(yōu)化分析，以達(dá)到整體預(yù)案的協(xié)調(diào)與可行。 2緊急疏散仿真車站（區(qū)間）突發(fā)客流組織仿真線路開行方案優(yōu)化線路線路間運(yùn)能優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)開行方案優(yōu)化網(wǎng)絡(luò) 圖2 城市軌道交通應(yīng)急預(yù)案仿真優(yōu)化工作方法 首先對(duì)突發(fā)事件發(fā)生的點(diǎn)（車站、區(qū)間）進(jìn)行分析，采用車站行人仿真方法重點(diǎn)研究突 發(fā)事件發(fā)生后緊急疏散方案是否能夠保證乘客安全、快速離開事故范圍；其次，分析突發(fā)事 件發(fā)生后中斷線路降級(jí)運(yùn)行方案，并采用列車仿真技術(shù)模擬中斷情況下列車開行小交路的方 案和能力；進(jìn)一步基于列車仿真技術(shù)模擬和分析線路列車開行方案調(diào)整后網(wǎng)絡(luò)相關(guān)線路的調(diào) 整方案以實(shí)現(xiàn)線路見運(yùn)能匹配；最后對(duì)網(wǎng)絡(luò)開行方案調(diào)整后各線路列車開行和車站（主要是 換乘站）突發(fā)客流組織方案進(jìn)行仿真評(píng)價(jià)和優(yōu)化。 4 仿真技術(shù)在應(yīng)急預(yù)案優(yōu)化中的功能實(shí)現(xiàn) 本次研究以深圳市城市軌道交通為例，采用車站行人仿真軟件Legion 和軌道交通列車 運(yùn)行仿真軟件OpenTrack 實(shí)證仿真優(yōu)化方法在軌道交通應(yīng)急預(yù)案編制中功能實(shí)現(xiàn)。 4.1仿真技術(shù)在車站緊急疏散預(yù)案優(yōu)化中的應(yīng)用 車站緊急疏散預(yù)案的關(guān)鍵就是保證乘客在緊急情況發(fā)生時(shí)，乘客能夠在有效時(shí)間能安全 的疏散。但是目前軌道交通緊急疏散預(yù)案的內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單，大致可以歸納為：開放所有邊門、 閘機(jī)、疏散通道；扶梯關(guān)閉或者向有利于疏散的方向運(yùn)行等基本措施，其疏散能力評(píng)估也是 來自于設(shè)計(jì)階段通道、樓扶梯能力計(jì)算，不能夠充分反映乘客行為特征對(duì)客流疏散的影響。 在車站緊急疏散預(yù)案的編制中引入仿真技術(shù)，對(duì)原有的預(yù)案進(jìn)行仿真分析，重點(diǎn)對(duì)實(shí)際 的疏散時(shí)間進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)乘客疏散的瓶頸，并提出相應(yīng)的優(yōu)化措施。 以深圳市軌道交通老街站負(fù)四層站臺(tái)為例，可知站臺(tái)樓扶梯設(shè)計(jì)能力滿足疏散要求。以 設(shè)計(jì)客流為背景，同時(shí)借鑒BritishStandard相關(guān)研究，假定乘客在火災(zāi)發(fā)生后30s-60s進(jìn)入 疏散狀態(tài)，進(jìn)行客流疏散仿真測(cè)試?？芍?fù)四層乘客疏散實(shí)際時(shí)間達(dá)到7分鐘，超過《地鐵 設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。主要原因是南側(cè)1號(hào)線站臺(tái)與樓扶梯分布相對(duì)錯(cuò)位導(dǎo)致局部乘客集聚，因 此要在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過程中采取必要措施，加強(qiáng)人工疏導(dǎo)，引導(dǎo)乘客均衡使用樓扶梯疏散。運(yùn)營(yíng) 組織優(yōu)化后，仿真測(cè)試結(jié)果顯示滿足規(guī)范要求。 3 圖3 老街站負(fù)四層客流疏散仿真 4.2仿真技術(shù)在線網(wǎng)列車應(yīng)急預(yù)案優(yōu)化中的應(yīng)用 線網(wǎng)列車應(yīng)急預(yù)案的核心是在線路發(fā)生故障時(shí)，盡可能的保證乘客安全和高效到達(dá)目的 地，保證軌道交通系統(tǒng)的正常運(yùn)行，盡可能減少中斷線路對(duì)整個(gè)軌道交通網(wǎng)絡(luò)和公共交通系 統(tǒng)的影響。 在系統(tǒng)分析中斷線路對(duì)線網(wǎng)影響的基礎(chǔ)上，以列車運(yùn)行仿真為基礎(chǔ)進(jìn)行線路和網(wǎng)絡(luò)開行 計(jì)劃的優(yōu)化，具體工作思路為：首先，按線路分析網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)中斷的情形及相關(guān)預(yù)案，找出 預(yù)案存在問題并分析對(duì)策；其次，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同引導(dǎo)方案，引導(dǎo)客流在軌道網(wǎng)上繞開中斷區(qū) 間，選擇替代路徑；第三：基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)同引導(dǎo)方案，線網(wǎng)仿真分析相關(guān)線路及車站的客流變 化；最后，評(píng)估客流增加的線路運(yùn)能，若存在運(yùn)能不足線路，在列車折返能力仿真分析協(xié)助 下，提出高峰開行對(duì)數(shù)和配車計(jì)劃建議，重新評(píng)估運(yùn)能。 以深圳市軌道交通4號(hào)線福田口岸至市民中心區(qū)段早高峰中斷為例。緊急情況發(fā)生后， 市民中心、會(huì)展中心、福民、福田口岸共計(jì)4個(gè)車站停止服務(wù)，在軌道網(wǎng)上福民、福田口岸 站為完全中斷，前站和后站都不可抵達(dá)；少年宮、市民中心、會(huì)展中心為半中斷，部分前站 或后站不可抵達(dá)。根據(jù)現(xiàn)行的《行車組織規(guī)則》，對(duì)于市民中心~福田口岸區(qū)段中斷情況應(yīng)對(duì) 預(yù)案是：4號(hào)線清湖~少年宮小交路（經(jīng)少年宮渡線）開行4分鐘間隔；4號(hào)線少年宮~福田 口岸區(qū)段采取公交接駁。 表2 工作日4號(hào)線早高峰斷面斷面上行下行福田口岸~福民14422264福民~會(huì)展中心31092781會(huì)展中心~市民中心345914306市民中心~少年宮269817299少年宮~蓮花北266920901蓮花北~上梅林241221138上梅林~民樂230620732 但是通過早高峰斷面量分析可知，原有預(yù)案存在以下問題： （1）來往少年宮、市民中心、會(huì)展中心、福民、福田口岸的客流量和經(jīng)過少年宮~會(huì)展 中心區(qū)段的客流量?jī)H靠“接駁公交”運(yùn)送，接駁公交壓力很大。 4 （2）清湖~少年宮小交路運(yùn)能不足。 （3）未考慮乘客自發(fā)轉(zhuǎn)移及對(duì)其他線路影響。 根據(jù)客流及運(yùn)能特征，對(duì)原有預(yù)案進(jìn)行調(diào)整，主要措施包括：1）引導(dǎo)原4號(hào)線南段車 站換乘客流在線路中斷后由少年宮站換乘至3號(hào)線后再換乘至目的地；2）公交接駁至服務(wù) 于原4號(hào)線本線客流。 預(yù)案調(diào)整后，網(wǎng)絡(luò)客流發(fā)生變化，因此要進(jìn)行相關(guān)線路開行計(jì)劃調(diào)整。根據(jù)客流轉(zhuǎn)移特 征，影響線路主要包括3號(hào)線、1號(hào)線和4號(hào)線北段且1號(hào)線、3號(hào)線客流轉(zhuǎn)移后能力充足， 開行計(jì)劃不做調(diào)整，4號(hào)線能力不足。 表3客流引導(dǎo)后運(yùn)能運(yùn)量匹配線路早高峰最大斷面線路運(yùn)能運(yùn)能評(píng)估正常引導(dǎo)后3號(hào)線199841998417280充足1號(hào)線242252422527900充足4號(hào)線211382113818600不足清湖~少年宮 由于4號(hào)線計(jì)劃運(yùn)能不足，運(yùn)用列車仿真技術(shù)對(duì)少年宮站后折返能力進(jìn)行仿真分析。仿 真方案為：少年宮上行站臺(tái)發(fā)車，經(jīng)少年宮站后渡線折返至少年宮下行站臺(tái)；以2分鐘為行 車間隔，若少年宮下行站臺(tái)停站時(shí)間最大時(shí)可滿足列車上滿客所需時(shí)間，則認(rèn)為少年宮站后 折返能力滿足2分鐘行車間隔。仿真結(jié)果表明，少年宮站后折返能力可滿足120秒行車間隔， 因此根據(jù)客流需求將開行對(duì)數(shù)調(diào)整至18對(duì)。 表4 折返能力仿真方案及分析結(jié)果方案少年宮下行站臺(tái)停站時(shí)間(秒)行車間隔(秒)仿真情況方案一70120列車折返順暢 圖4少年宮站后折返仿真示意圖、運(yùn)行圖 4.3仿真技術(shù)在突發(fā)大客流應(yīng)急中的應(yīng)用 在軌道交通系統(tǒng)發(fā)生突發(fā)事件造成線網(wǎng)中斷等情況，造成乘客在軌道交通網(wǎng)絡(luò)上的轉(zhuǎn) 移，會(huì)引起部分車站突發(fā)大客流（換乘客流、進(jìn)出站客流）。保證乘客在車站內(nèi)安全和有效 的疏解是突發(fā)大客流預(yù)案編制的關(guān)鍵。在突發(fā)大客流編制中引入車站行人仿真技術(shù)，重點(diǎn)在 于評(píng)估車站現(xiàn)有設(shè)施設(shè)備是否能夠?qū)崿F(xiàn)大客流的順利通過及客流組織的薄弱環(huán)節(jié)，提出相應(yīng) 5 的優(yōu)化措施。主要的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是客流通過的順暢度（即是否發(fā)生擁堵）和客流分布密度。 仍采用上述案例，網(wǎng)絡(luò)客流引導(dǎo)后，4號(hào)線本線客流轉(zhuǎn)移至3號(hào)線比重較高，造成少年 宮站換乘客流激增，因此我們進(jìn)一步對(duì)少年宮站進(jìn)行客流組織仿真評(píng)價(jià)。 表5 引導(dǎo)后各線路斷面客流方向3號(hào)線東行3號(hào)線西行4號(hào)線南行4號(hào)線北行合計(jì)3號(hào)線東行----0|02423|190802423|190803號(hào)線西行----0|0266|1169266|11694號(hào)線南行1498|28324941|4868----26439|51514號(hào)線北行0|00|0----0|0合計(jì)1498|28324941|48680|02690|2025029129|25401 線路中斷后，少年宮站成為臨時(shí)終點(diǎn)站，南行站臺(tái)所有樓扶梯承擔(dān)上行功能，北行站臺(tái) 所有樓扶梯承擔(dān)下行功能。初步仿真顯示：1）換乘客流沖突嚴(yán)重，在換乘通道北側(cè)進(jìn)出口 處引起阻塞；2）4號(hào)線南行站臺(tái)下客量高，樓扶梯使用不均衡導(dǎo)致疏導(dǎo)能力不能充分發(fā)揮， 出站臺(tái)旅客嚴(yán)重阻塞。 圖5 少年宮初步仿真分析 針對(duì)初步仿真結(jié)果，進(jìn)行客流組織優(yōu)化，提出改善方案：1）調(diào)整3號(hào)線換乘4號(hào)線客 流通過地面通道換乘4號(hào)線，換乘通道調(diào)整為單向運(yùn)行；2）加強(qiáng)站臺(tái)客流組織，引導(dǎo)乘客 均衡使用樓扶梯出站臺(tái)；3）調(diào)整3號(hào)線東側(cè)扶梯均為下行，出站客流均采用站臺(tái)西側(cè)扶梯， 以增強(qiáng)乘客下至站臺(tái)能力。 采取優(yōu)化方案后4號(hào)線南行站臺(tái)客流疏散良好，換乘通道客流沖突得到疏解，乘客能夠 有序完成換乘，車站能夠維持正常作業(yè)。 6矞矞矞矞 圖6 改善方案二平均密度 5 小結(jié) 本次研究通過引入車站行人與列車運(yùn)行仿真技術(shù)，在傳統(tǒng)城市軌道交通應(yīng)急預(yù)案編制方 法的基礎(chǔ)上，引入微觀仿真技術(shù)提出一個(gè)基于仿真的優(yōu)化方法，并結(jié)合深圳是軌道交通進(jìn)行 了應(yīng)用驗(yàn)證。該研究來自于《深圳地鐵二期開通初期網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)方案仿真研究》課題，相關(guān) 研究成果已經(jīng)作為深圳城市軌道交通相關(guān)部門進(jìn)行運(yùn)營(yíng)組織的依據(jù)。進(jìn)一步的研究方向主要 是，在現(xiàn)有行人仿真和列車運(yùn)行仿真軟件基礎(chǔ)上，能夠拓展研究范圍，結(jié)合更多仿真軟件和