基于仿真技術的城市軌道交通應急預案優(yōu)化方法研究

基于仿真技術的城市軌道交通應急預案優(yōu)化方法研究 【摘要】目前城市軌道交通應急預案的編制采用靜態(tài)分析和案例借鑒的方法，缺乏定量計算 和動態(tài)檢驗，難以準確評估突發(fā)事件對線網(wǎng)的整體影響。本文提出在應急預案的編制中引入 交通仿真技術，在客流分析基礎上對火災等緊急狀態(tài)下車站行人組織、線網(wǎng)列車運行組織進 行動態(tài)分析和評價，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，并在此基礎上構 建“點—線—網(wǎng)”三級應急預案協(xié)調(diào)機制與方法。以深圳市軌道交通為例，采用行人仿真模 擬軟件Legion和列車運行仿真軟件OpenTrack，采用“點—線—網(wǎng)—線—點”的研究思路， 仿真分析和優(yōu)化火災等緊急情況下車站（區(qū)間）乘客疏散方案，進一步通過列車運行仿真評 估和改進網(wǎng)絡列車運營組織協(xié)調(diào)，量化軌道客流引導和公交接駁方案，最后對疏解客流對相 關車站的影響進行仿真評估，從而提出全面的應急預案。 【關鍵詞】軌道交通應急預案；行人仿真；列車運行仿真 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、便捷的交通運輸 服務，具有建設要求高、技術復雜度高、客運環(huán)境封閉、運轉(zhuǎn)強度大等特點，因此在地鐵建 設和運營方面加強突發(fā)事件應急管理是十分必要的。城市軌道交通應急預案的編制與管理是 保證安全運營生產(chǎn)的核心問題，是軌道交通運輸組織工作非常重要的問題和研究內(nèi)容。目前， 城市軌道交通應急預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 乏對于應急處置關鍵指標的量化分析，難以對系統(tǒng)中由于乘客行為等不確定性因素對整個系 統(tǒng)的影響進行評估；同時，現(xiàn)有預案重點針對發(fā)生故障的車站、區(qū)間以及線路，對于“點” 的故障對于整體線網(wǎng)影響的評估依然不足。 微觀交通仿真作為一種實用的工具，已經(jīng)在交通運營分析、交通設施設計、交通新技術 評價、交通安全評價、交通流模型研究等領域進行了廣泛的運用，其目的就是運用計算機技 術再現(xiàn)復雜的交通現(xiàn)象，并對這些現(xiàn)象進行解釋、分析，找出問題的癥結，最終對所研究的 交通系統(tǒng)進行優(yōu)化。本文在現(xiàn)有城市軌道應急預案編制方法的基礎上，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，結合客流分析構建“點—線—網(wǎng)”三級應急預案協(xié)調(diào) 體系，進行城市軌道交通應急預案編制的優(yōu)化。 2 應急預案系統(tǒng)分析及仿真優(yōu)化體系的構建 應急預案又稱應急計劃, 是針對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、有效地開展應急與救援行動, 降低事件(事故)損失而預先制定的計劃或方案" 應急預案的目標是控制緊急事件的發(fā)展并盡可能排除, 將事故對人生財產(chǎn)及環(huán)境的損傷和 影響減少到最低程度。 經(jīng)過多年的運營實踐, 我國城市軌道交通運營部門積累了大量的處置各類突發(fā)事件的 經(jīng)驗, 也制定了許多相應的應急預案。為了進一步提高應急預案在突發(fā)事件發(fā)生時的處置效 1 果, 應急管理部門有必要分析現(xiàn)有的應急預案, 對這些應急預案進行分類, 提出分類標準和 具體的分類方案。 表1 城市軌道交通應急預案分類 研究主要依據(jù)突發(fā)事件發(fā)生的類型分類進行特征歸納和匯總，將應急預案歸納為線網(wǎng)層 面和車站（區(qū)間）兩大層面共三總預案類型，即線網(wǎng)應急預案仿真、車站緊急疏散仿真和車 站大客流仿真。在車站應急預案層面中引入行人仿真技術，建立行人運動微觀模型和空間宏 觀模型，再現(xiàn)行人在空間中的復雜運動現(xiàn)象，從微觀角度對車站設施設備布局和客流組織方 法進行動態(tài)評價，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案的缺陷和薄弱 環(huán)節(jié)，并提出相應的優(yōu)化方案；在線網(wǎng)應急預案中引入列車仿真技術，對緊急情況下線路和 網(wǎng)絡列車開行方案進行仿真評估和能力評價，從而制定合理和可行的應急開行計劃；進行車 站客流與線網(wǎng)運能運量的綜合分析，進行車站應急預案與線網(wǎng)應急預案的協(xié)調(diào)與綜合。 圖1 軌道交通仿真優(yōu)化體系 3 城市軌道交通應急預案仿真優(yōu)化工作方法 依托仿真技術建立“車站—線路—網(wǎng)絡”三級應急預案協(xié)調(diào)體系，在此基礎上進行“點— 線—網(wǎng)—線—點”的預案優(yōu)化分析，以達到整體預案的協(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)化線路線路間運能優(yōu)化網(wǎng)絡開行方案優(yōu)化網(wǎng)絡 圖2 城市軌道交通應急預案仿真優(yōu)化工作方法 首先對突發(fā)事件發(fā)生的點（車站、區(qū)間）進行分析，采用車站行人仿真方法重點研究突 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)生后中斷線路降級運行方案，并采用列車仿真技術模擬中斷情況下列車開行小交路的方 案和能力；進一步基于列車仿真技術模擬和分析線路列車開行方案調(diào)整后網(wǎng)絡相關線路的調(diào) 整方案以實現(xiàn)線路見運能匹配；最后對網(wǎng)絡開行方案調(diào)整后各線路列車開行和車站（主要是 換乘站）突發(fā)客流組織方案進行仿真評價和優(yōu)化。 4 仿真技術在應急預案優(yōu)化中的功能實現(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 運行仿真軟件OpenTrack 實證仿真優(yōu)化方法在軌道交通應急預案編制中功能實現(xiàn)。 4.1仿真技術在車站緊急疏散預案優(yōu)化中的應用 車站緊急疏散預案的關鍵就是保證乘客在緊急情況發(fā)生時，乘客能夠在有效時間能安全 的疏散。但是目前軌道交通緊急疏散預案的內(nèi)容相對簡單，大致可以歸納為：開放所有邊門、 閘機、疏散通道；扶梯關閉或者向有利于疏散的方向運行等基本措施，其疏散能力評估也是 來自于設計階段通道、樓扶梯能力計算，不能夠充分反映乘客行為特征對客流疏散的影響。 在車站緊急疏散預案的編制中引入仿真技術，對原有的預案進行仿真分析，重點對實際 的疏散時間進行評價，進一步發(fā)現(xiàn)乘客疏散的瓶頸，并提出相應的優(yōu)化措施。 以深圳市軌道交通老街站負四層站臺為例，可知站臺樓扶梯設計能力滿足疏散要求。以 設計客流為背景，同時借鑒BritishStandard相關研究，假定乘客在火災發(fā)生后30s-60s進入 疏散狀態(tài)，進行客流疏散仿真測試?？芍撍膶映丝褪枭嶋H時間達到7分鐘，超過《地鐵 設計規(guī)范》要求。主要原因是南側1號線站臺與樓扶梯分布相對錯位導致局部乘客集聚，因 此要在實際運營過程中采取必要措施，加強人工疏導，引導乘客均衡使用樓扶梯疏散。運營 組織優(yōu)化后，仿真測試結果顯示滿足規(guī)范要求。 3 圖3 老街站負四層客流疏散仿真 4.2仿真技術在線網(wǎng)列車應急預案優(yōu)化中的應用 線網(wǎng)列車應急預案的核心是在線路發(fā)生故障時，盡可能的保證乘客安全和高效到達目的 地，保證軌道交通系統(tǒng)的正常運行，盡可能減少中斷線路對整個軌道交通網(wǎng)絡和公共交通系 統(tǒng)的影響。 在系統(tǒng)分析中斷線路對線網(wǎng)影響的基礎上，以列車運行仿真為基礎進行線路和網(wǎng)絡開行 計劃的優(yōu)化，具體工作思路為：首先，按線路分析網(wǎng)絡中出現(xiàn)中斷的情形及相關預案，找出 預案存在問題并分析對策；其次，設計網(wǎng)絡協(xié)同引導方案，引導客流在軌道網(wǎng)上繞開中斷區(qū) 間，選擇替代路徑；第三：基于網(wǎng)絡協(xié)同引導方案，線網(wǎng)仿真分析相關線路及車站的客流變 化；最后，評估客流增加的線路運能，若存在運能不足線路，在列車折返能力仿真分析協(xié)助 下，提出高峰開行對數(shù)和配車計劃建議，重新評估運能。 以深圳市軌道交通4號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、會展中心、福民、福田口岸共計4個車站停止服務，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；少年宮、市民中心、會展中心為半中斷，部分前站 或后站不可抵達。根據(jù)現(xiàn)行的《行車組織規(guī)則》，對于市民中心~福田口岸區(qū)段中斷情況應對 預案是：4號線清湖~少年宮小交路（經(jīng)少年宮渡線）開行4分鐘間隔；4號線少年宮~福田 口岸區(qū)段采取公交接駁。 表2 工作日4號線早高峰斷面斷面上行下行福田口岸~福民14422264福民~會展中心31092781會展中心~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，原有預案存在以下問題： （1）來往少年宮、市民中心、會展中心、福民、福田口岸的客流量和經(jīng)過少年宮~會展 中心區(qū)段的客流量僅靠“接駁公交”運送，接駁公交壓力很大。 4 （2）清湖~少年宮小交路運能不足。 （3）未考慮乘客自發(fā)轉(zhuǎn)移及對其他線路影響。 根據(jù)客流及運能特征，對原有預案進行調(diào)整，主要措施包括：1）引導原4號線南段車 站換乘客流在線路中斷后由少年宮站換乘至3號線后再換乘至目的地；2）公交接駁至服務 于原4號線本線客流。 預案調(diào)整后，網(wǎng)絡客流發(fā)生變化，因此要進行相關線路開行計劃調(diào)整。根據(jù)客流轉(zhuǎn)移特 征，影響線路主要包括3號線、1號線和4號線北段且1號線、3號線客流轉(zhuǎn)移后能力充足， 開行計劃不做調(diào)整，4號線能力不足。 表3客流引導后運能運量匹配線路早高峰最大斷面線路運能運能評估正常引導后3號線199841998417280充足1號線242252422527900充足4號線211382113818600不足清湖~少年宮 由于4號線計劃運能不足，運用列車仿真技術對少年宮站后折返能力進行仿真分析。仿 真方案為：少年宮上行站臺發(fā)車，經(jīng)少年宮站后渡線折返至少年宮下行站臺；以2分鐘為行 車間隔，若少年宮下行站臺停站時間最大時可滿足列車上滿客所需時間，則認為少年宮站后 折返能力滿足2分鐘行車間隔。仿真結果表明，少年宮站后折返能力可滿足120秒行車間隔， 因此根據(jù)客流需求將開行對數(shù)調(diào)整至18對。 表4 折返能力仿真方案及分析結果方案少年宮下行站臺停站時間(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、運行圖 4.3仿真技術在突發(fā)大客流應急中的應用 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)絡上的轉(zhuǎn) 移，會引起部分車站突發(fā)大客流（換乘客流、進出站客流）。保證乘客在車站內(nèi)安全和有效 的疏解是突發(fā)大客流預案編制的關鍵。在突發(fā)大客流編制中引入車站行人仿真技術，重點在 于評估車站現(xiàn)有設施設備是否能夠?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 5 的優(yōu)化措施。主要的評價標準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)絡客流引導后，4號線本線客流轉(zhuǎn)移至3號線比重較高，造成少年 宮站換乘客流激增，因此我們進一步對少年宮站進行客流組織仿真評價。 表5 引導后各線路斷面客流方向3號線東行3號線西行4號線南行4號線北行合計3號線東行----0|02423|190802423|190803號線西行----0|0266|1169266|11694號線南行1498|28324941|4868----26439|51514號線北行0|00|0----0|0合計1498|28324941|48680|02690|2025029129|25401 線路中斷后，少年宮站成為臨時終點站，南行站臺所有樓扶梯承擔上行功能，北行站臺 所有樓扶梯承擔下行功能。初步仿真顯示：1）換乘客流沖突嚴重，在換乘通道北側進出口 處引起阻塞；2）4號線南行站臺下客量高，樓扶梯使用不均衡導致疏導能力不能充分發(fā)揮， 出站臺旅客嚴重阻塞。 圖5 少年宮初步仿真分析 針對初步仿真結果，進行客流組織優(yōu)化，提出改善方案：1）調(diào)整3號線換乘4號線客 流通過地面通道換乘4號線，換乘通道調(diào)整為單向運行；2）加強站臺客流組織，引導乘客 均衡使用樓扶梯出站臺；3）調(diào)整3號線東側扶梯均為下行，出站客流均采用站臺西側扶梯， 以增強乘客下至站臺能力。 采取優(yōu)化方案后4號線南行站臺客流疏散良好，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 本次研究通過引入車站行人與列車運行仿真技術，在傳統(tǒng)城市軌道交通應急預案編制方 法的基礎上，引入微觀仿真技術提出一個基于仿真的優(yōu)化方法，并結合深圳是軌道交通進行 了應用驗證。該研究來自于《深圳地鐵二期開通初期網(wǎng)絡化運營方案仿真研究》課題，相關 研究成果已經(jīng)作為深圳城市軌道交通相關部門進行運營組織的依據(jù)。進一步的研究方向主要 是，在現(xiàn)有行人仿真和列車運行仿真軟件基礎上，能夠拓展研究范圍，結合更多仿真軟件和