¹西南交通大学工业设计系，四川 成都

²西南交通大学人机环境系统设计研究所，四川 成都

³中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛

收稿日期：2022年1月20日；录用日期：2022年2月21日；发布日期：2022年2月28日

摘要

为了合理评估地铁列车设计方案的应急疏散效率，从A、B两型地铁列车车内旅客界面布局来研究旅客在火灾条件下的应急疏散问题，进而基于快速疏散仿真来评估地铁车内旅客界面典型布局方案的优劣。首先，从列车疏散位置、疏散方式、车辆因素和人员因素四个方面，构建了地铁列车应急疏散影响因素层次模型；然后，基于PyroSim仿真模拟并分析火灾条件下影响人员疏散的三个关键因素：能见度、温度和CO浓度，获得了三种典型布局方案的可用疏散时间；基于Pathfinder仿真模拟并分析满足额定载人数和仅座椅满员两种条件下的三种典型布局方案的必需疏散时间；最后，通过比较可用疏散时间和必需疏散时间来评估每种典型布局方案的疏散效率。研究结果表明：各车厢中部位置着火较两端着火更易导致可用疏散时间变小；综合考虑可用疏散时间和必需疏散时间，座椅为纵向布局的B型车方案疏散效率最优且更适用于市内载客量大、密度较高的地铁线路，座椅为横向布局和混合布局的A型车方案疏散效率接近，更适用于市郊和机场线旅客密度相对不高的线路。该研究有助于从快速疏散方面为国内地铁列车的旅客界面布局设计和车辆选型提供参考。

关键词

地铁列车，快速疏散，布局设计，仿真分析

Evaluation of the Passenger Interface Layout in Metro Train Based on Rapid Evacuation Simulation

Chen Liu¹, Zerui Xiang^1,2*, Shijun Pang³, Jinyi Zhi^1,2, Hongtao Chen¹

¹Department of Industrial Design, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan

²Institute of Design and Research for Man-Machine-Environment Engineering System, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan

³CRRC Qingdao Sifang Locomotive and Rolling Stock Co., Ltd., Qingdao Shandong

Received: Jan. 20^th, 2022; accepted: Feb. 21^st, 2022; published: Feb. 28^th, 2022

ABSTRACT

To reasonably evaluate the emergency evacuation efficiency of design schemes of metro train, the emergency evacuation of passengers under fire conditions was studied from the passenger interface layout in both type A and B metro trains, and then the typical passenger interface layout schemes in metro train were evaluated based on rapid evacuation simulation. Firstly, a Hierarchical model of influencing factors of metro train emergency evacuation was constructed from evacuation location of the trains, evacuation position in trains, factors of vehicles and factors of personnel. Then, based on PyroSim simulation, three key factors affecting personnel evacuation under fire conditions e.g. visibility, temperature and CO concentration were simulated and analyzed, and the ASET of three typical layout schemes was obtained. Based on Pathfinder simulation, the RSET of three schemes both at rated load and under the condition of full seats was simulated and analyzed; Finally, the evacuation efficiency of each typical layout scheme was evaluated by comparing the ASET and RSET. The results show that: The fire in the middle of each carriage is easier to cause the ASET to become smaller than that at both ends. Considering both the ASET and RSET, the evacuation efficiency of type B with longitudinal seats is the best and more suitable for metro lines with large passenger capacity and high density in the city. The evacuation efficiency of type A with transverse seats is close to the one with mixed seats, and the two are more suitable for lines with relatively low passenger density in suburban and airport lines. The findings can provide a reference for the design of passenger interface layout and train selection for domestic metro trains in terms of rapid evacuation.

Keywords:Metro Train, Rapid Evacuation, Layout Design, Simulation Analysis

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1. 引言

地铁是一种快速、大运量的城市公共交通系统，截至2021年9月30日，中国内地累计有40个城市开通地铁线路，累计运营线路长度达6737.73公里 [1] [2]。作为地铁系统的核心装备，地铁列车载客量大，运行过程中车内空间封闭，一旦发生事故或灾难，如果应急疏散不及时则会对旅客的生命财产造成不可挽回的重大损失 [3] [4]。因此，研究并进一步提升地铁的应急疏散效率，对于提升地铁列车乘坐的安全性有着极为重要的意义。国内外与地铁列车应急疏散相关的研究主要有：在车站疏散方面，SHI等 [5] 研究提出了我国地铁车站的乘客疏散模型及安全疏散策略，这些结论将有助于指导中国地铁的安全疏散设计；在列车隧道疏散方面，席亚军等 [6] 研究得出地铁火灾发生后旅客应从排风口和供风口两个方向疏散；在列车疏散的车门选择方面，刘俐 [7] 提出区间隧道发生火灾的工况主要有4种，并指出疏散必须以列车侧门疏散为主；李琦等 [8] 提出在车厢一端双侧开启两扇车门比在车厢两端单侧开启两扇车门的平均疏散速度慢；在列车车门的出口流量方面，厉志强等 [9] 得出影响疏散过程和总疏散时间的关键决定因素是疏散出口的流量及有效性；FRIDOLF等 [10] 实验得出了区间隧道疏散时，宽度为1.4 m的列车出口的人员平均流量。在列车的车内优化设计方面，ZARBOUTIS等 [11] 采用基于代理仿真实现了地铁列车疏散方案设计，并从人员疏散方面提出建议，即减少人员的问题空间并增加旅客人员的适应性；QIU等 [12] 研究得出较宽的通道和合理的座椅间距有助于改善疏散效率。

列车客室的席位数量与布局，车门数量、尺寸与座椅布局等均对旅客的应急疏散具有直接的影响。为了明确地铁车内典型座椅布局对应急疏散的影响，进一步提升地铁的应急疏散效率，以造成人员伤亡最大的火灾事故为例，研究提出了一种基于快速疏散仿真的地铁车内旅客界面布局评估方法研究。

2. 地铁列车旅客界面与应急疏散

2.1. 旅客界面

旅客界面(Passenger interface, PI)是指在乘车过程中，旅客与列车之间存在相互作用的物理环境界面，由车外旅客界面和车内旅客界面共同构成，是列车设计的重要内容之一 [13]。本文侧重从A型和B型地铁列车的车内旅客界面布局来研究旅客在火灾条件下的应急疏散问题。

2.2. 地铁应急疏散

应急疏散通常又称紧急疏散、安全疏散，地铁因发生事故或遭遇灾难而需要进行应急疏散的典型位置有4种 [14] [15] [16]：1) 车站站台；2) 区间高架桥；3) 区间地面；4) 区间隧道。本文主要聚焦研究地铁列车的车站站台疏散。

人员能否安全疏散主要取决于2个时间，即可用安全疏散时间(Available safe egress time, ASET)和必需安全疏散时间(Required safe egress time, RSET)，且如果必需安全疏散时间(RSET)短于可用安全疏散时间(ASET)，则可以实现旅客的安全疏散 [11] [17]。

3. 应急疏散影响因素及层次模型

3.1. 疏散原因

根据近年地铁运营事故统计，可将高频的事故或灾难归纳为6类 [18]：火灾、脱轨事故、碰撞事故、设备故障事故、踩踏事故、其他。

1) 火灾。“NFPA 101 Life Safety Code”指出，火灾造成生命危险的因素主要有烟、热、有毒气体。历史上伤亡重大的地铁事故都是火灾导致的，如1995年阿塞拜疆巴库的地铁火灾事故中558人丧生，269人受伤；2003年韩国大邱市地铁人为纵火事件中198人死亡，146人受伤，289人失踪 [19]。地铁火灾的主要原因包括3类 [20]：人为因素、设备设施故障、管理缺陷。

2) 脱轨事故。正常运行中，造成脱轨的因素包括列车速度、法兰角、曲率半径、轨道维护条件、风压等外力；如台铁“太鲁阁号”408次列车于2021年发生出轨事故，造成了重大人员伤亡 [21]。

3) 碰撞事故。碰撞事故的原因主要有 [22]：信号系统故障、在人工调度模式下人为操作出现失误、刹车失灵。如2009年12月上海市轨道交通1号线发生两辆列车碰撞事故，其原因就是由于信号系统发送错误速度码导致列车制动距离不足所引发 [23]。

4) 设备故障事故。车辆在运营过程中出现的故障形式较多，仅考虑故障性质，可分为破坏性故障、不规则性故障和劣化性故障3类；如2015年3月上海地铁2号线地铁触网设备故障，列车受电弓严重变形，导致500多名旅客被疏散 [24]。

5) 踩踏事故。踩踏事故诱发原因种类较多，主要涉及人的不安全行为、物的不安全状态和管理缺陷3类；如2014年3月广州地铁5号线由于两名旅客喷射催泪剂，引发大量旅客恐慌，从而涌出车厢发生踩踏事件，最终致使13人受伤 [25]。

6) 其他。除了上述5种主要事故或灾难外，还有其他一些构成旅客疏散条件的因素如：恐怖袭击、毒气、爆炸、触电、列车解体、塌方、地震等事故，因案例较少，故不作详述。

3.2. 疏散影响因素

除了应急疏散典型位置对疏散有直接影响外，车辆因素、人员因素和疏散方式也对疏散有较大的影响。

3.2.1. 车辆因素

在我国，地铁列车分为A型和B型(B₁型、B₂型)共2类3种，通常由2辆端车和若干中车组成；其中，A型车车体宽度3000 mm，部分端车车头设有端门，车门为2~5组，车门宽度为1300~1400 mm；B型车车体宽度2800 mm，车门为2~4组，车门宽度为1300~1400 mm [16] [26] [27]。我国地铁运营列车车辆编组形式主要有：2辆编组、3辆编组、4辆编组、5辆编组、6辆编组、7辆编组、8辆编组，共7种 [14]。如表1所示，A型地铁列车车内旅客界面布局主要有3种：纵向座椅布局、横向座椅布局以及混合座椅布局；而B型的车内旅客界面布局多为纵向布局。

表1. 地铁列车车内旅客界面布局分类

3.2.2. 人员因素

地铁疏散过程中主要关注的人员包括：司机、巡查员和旅客3类人员。当车厢发生事故后，巡查员或者旅客应先通过呼叫机或者紧急报警器告知地铁司机事故情况，由巡查员正确地使用车内布置的消防设备等，帮助旅客争取逃生疏散的时间。车内的旅客则需要听从广播的指示有序地进行疏散。

旅客基础信息是旅客心理行为产生的基础，主要分为生理属性和社会心理属性 [28]。本文主要聚焦于旅客的生理属性，包括身体尺寸、运动能力、年龄和性别。结合文献 [15] [17] 明确了各类人员的疏散平均步行速度，详见表2。

3.2.3. 疏散方式

除了紧急时候司机从司机室逃生窗疏散外，旅客的疏散方式包括以下5种 [15]：端门疏散、侧门单侧疏散、侧门单侧疏散 + 端门疏散、侧门双侧疏散、侧门双侧疏散 + 端门疏散。

3.3. 疏散影响层次模型

基于上述影响因素，构建了适用于地铁列车的应急疏散影响因素层次模型，见图1。

表2. 各类人员的疏散平均步行速度

图1. 地铁列车应急疏散影响因素层次模型

4. 车内火灾对旅客界面布局的影响

PyroSim是由美国国家标准与技术研究院研发的，专用于火灾动态仿真模拟的软件 [29]。选择座椅横向布局的A型车、座椅混合布局的A型车、座椅纵向布局的B型车作为3种典型布局方案，采用PyroSim来仿真分析火灾对不同座椅布局的旅客界面中旅客疏散所产生的影响。

4.1. 火源特性

在考虑地铁安保前提下，不法分子携带的燃料所产生的最大热值不会超过5 kg汽油所产生的热值 [30]，而在单位面积下5 kg汽油燃烧产生的热释放速率最大值为1400 KW [6]，每平方米的热释放速率为：

$\text{1400}\times \frac{\text{4}}{\text{π}\times {\text{D}}^2}\approx \text{616}\text{.8}{\text{KW/m}}^{\text{2}}$ (1)

式(1)中，D为5 kg汽油在地板上浸铺的直径，取值1.7 m [30]。

选用热释放速率为616.8 KW/m²、面积约为2.27 m²的起火源来引燃车厢，依此来研究不同座椅布局的地铁车厢的火灾蔓延规律。表3是基于文献 [6] [31] 设定的地铁车厢火灾危险参数限值。

可燃物燃烧产生的烟会导致车内的能见度降低，烟气层高度下降到人眼高度(取值1.65 m [6])后会对旅客的疏散产生极大阻碍；燃烧产生的高温(温度极限值取值60℃，2D切片高度取值1.75 m [6])可能会灼伤旅客；燃烧产生的CO到达2500 ppm的浓度后会使旅客造成严重伤害，经换算：在25℃的温度下2500 ppm的CO约为2862.85 mg/m³ [31] (2D切片高度取值1.6 m [6])。

表3. 火灾危险关键参数限值

4.2. 典型着火点

调查发现旅客行李放置点主要集中在表4所示的典型位置，包括：1) 立姿旅客通常放置于车厢端部左、中或右位置，两侧门口及两侧中间位置，座椅上或座椅旁地板上；2) 坐姿旅客通常放置于座椅上、临近坐席的地上或身上。

以常见的6节车厢编组列车为例，设座椅横向布局的A型车方案为M1、座椅混合布局的A型车设计方案为M2、座椅纵向布局的B型车设计方案为M3，且M1、M2、M3各方案中第1车和第6车为端车；第2至第5车为中车。

因在PyroSim中无法设置圆形汽油圈，结合3种地铁方案车内旅客界面空间尺寸，在列车两车厢相连的折棚过道处设置了与圆形汽油圈面积近似的矩形汽油圈，在其余车厢位置设置了与圆形汽油圈面积近似的正方形汽油圈，M1、M2与M3三个方案的汽油圈尺寸详见表5。

表4. 地铁旅客行李放置的典型位置

表5. 不同着火位置汽油圈尺寸

结合行李放置典型位置和表5中不同着火位置的汽油圈尺寸，构建了3种地铁方案端车和中车的典型着火点，详见表6。

表6. 3种地铁方案中端车和中车的典型着火点

4.3. 构建3种典型布局的PyroSim列车模型

结合文献 [16] 和现有同类实际运营车辆，确定了3个方案的关键尺寸及额定载人数，详见表7。结合文献 [6] [32] 和现有同类实际运营车辆，确定了3个方案的主要设备及材料，详见表8。综合上述确定的参数及材料，在PyroSim中构建了用于仿真的3个方案模型，详见表9。

表7. 3个方案的关键尺寸及额定载人数

表8. 3个方案的主要设备及材料

表9. 构建的PyroSim列车模型

4.4. PyroSim仿真分析

1) 火源参数。“NFPA 101 Life Safety Code”将火灾的发展分为极快、快速、中速和缓慢4种类型。本文设定燃烧场景为：将汽油泼洒至座椅或地板上，并将其引燃。一般火灾的初始增长阶段可以总结为t²增长，满足下式 [33]：

$\text{Q}={\text{at}}^{\text{2}}$ (2)

式(2)中：Q为汽油的热释放速率，取值为616.8 KW/m²；α为火源增长系数，取值0.1878 [30]。因此，结合式(2)可得，在车厢着火点起火后约57.31 s火源达到最大热释放功率。

2) 仿真设置。3个方案均为6车编组，且各方案的第1车与第6车布局相同，第2车与第5车布局相同，第3车与第4车布局相同，因此各方案仅需对第1车至第4车进行仿真，仿真结果同样适合对称分布的其余车厢。3个方案的主要设备及材料按照表8录入。在PyroSim中按照表6设置各方案第1至第3车的典型着火点，然后针对每种方案不同的着火点进行模拟仿真，共计模拟了66次。表10为典型着火位置的仿真采样图片。表11为选定因素到达危险极限值的时间节点，即用于评估3个方案疏散的ASET。由于有毒气体量在120 s内不能到达人体承受的极限值，而120 s的数值又远大于温度和能见度到达极限值的时间，因此仅列出温度和能见度到达极限值的时间。

表10. 3个方案典型燃烧位置下产生的可用安全疏散时间的仿真采样图片

表11. 选定因素到达火灾危险极限值的时间节点

4.5. 结果

M1第1至3车的ASET分别为38 s、38.8 s、38.2 s；M2第1至3车的ASET分别为37.9 s、43.7 s、42 s；M3第1至3车的ASET分别为38 s、36 s、34.2 s (注：所有ASET均取仿真获得的最小值)。3个方案的共同点是：最短时间内使车厢能见度到达极限值的典型着火点主要为车厢中部的第C、D着火点。

5. 旅客界面布局对安全疏散的影响

Pathfinder是一款基于人员进出和运动的模拟器，可以计算每个人员的独立运动并给予了一套独特的参数 [29]。本文采用Pathfinder来研究旅客界面布局对旅客安全疏散的影响。

5.1. 构建3个方案的Pathfinder列车模型

1) Pathfinder列车模型构建。将3个方案的PyroSim模型导入至Pathfinder中，根据俯视图构建车厢内部人员站立空间及疏散通道，完成3个方案1:1比例Pathfinder列车模型构建。

2) 旅客、司机和巡查员数量设定。表12为结合文献 [34] 换算得出的旅客性别及年龄结构比例。表13是我国成年人和未成年人各年龄属性人群中人体尺寸主要百分位数的最大肩宽值 [35] [36]，选择各年龄属性人群人体尺寸的第95百分位数的最大肩宽值(注：未成年人选择16~17岁的对应值)。

表12. 旅客性别及年龄结构比例

表13. 各年龄属性人群中主要百分位数人体最大肩宽值

结合表7和表12，确定了3个方案各车厢满员情况下的旅客人员类型的具体数量，详见表14。同理，结合表7中3个方案各车厢的座椅数，确定了3个方案按照座位数应设置的旅客人员类型的具体数量。同时，额外增加手动轮椅使用者1名，分别设置在M1的1车、M2的3车、M3的3车，详见表15。

设定司机和巡查员为18~60岁男性，巡查员随机布置在车厢中。司机设定在满员人数之外，巡查员设定在满员人数之内，均为1人。

表14. 各车厢额定载人数条件下3个方案的旅客人员类型比例

表15. 车厢座位人数满座条件下3个方案的旅客人员类型比例

5.2. Pathfinder仿真分析

设定列车疏散位置均为车站疏散，疏散方式均为侧门单侧疏散。点燃火源后，人员立即响应，车门开启时间为4 s [6]。因车内人员不同的站位会导致最终的疏散时间有所差异，所以对2种载客人数条件下的3个方案进行了5次模拟仿真。表16为额定载人数和仅座椅满员条件下，3个方案车内人员疏散过程中的仿真采样图。图2为通过5次仿真获得的分别在额定载人数条件下和仅座椅满员条件下的3个方案的RSET (包含4秒车门开启时间)。

表16. 额定载人数和仅座椅满员条件下3个方案人员疏散的仿真采样图

从图2可以得出，在额定载人数条件下和仅座椅满员条件下，车内人员完成疏散的时间呈一致性趋势，即：M1、M2两端的第1车和第6车内的人员疏散时间较长，M3中部的第3和第5车内的人员疏散时间较长。

图2. 3个方案的必需安全疏散时间

5.3. 结果与分析

通过比较由PyroSim仿真分析获得的ASET和由Pathfinder仿真分析获得的RSET，在座椅满员条件下3个方案仿真获得的ASET均大于RSET，也即均可实现安全疏散；而在额定载人数条件下，仅M3方案的ASET和RSET接近，M1和M2方案的ASET则远小于RSET，如表17所示。根据对3种方案多次人员疏散仿真视频的观察，可得到的原因主要为：M1、M2侧门数量较M3少，可用有效的疏散出口不足；M1、M2的横向布局座椅之间的过道宽度要小于M3的纵向布局座椅之间的过道宽度，旅客在从横向座椅处疏散至最近的车门时会在过道处形成一股拥堵的人流，导致疏散时间增加；M2的纵向座椅间过道虽然比M3的座椅间过道宽200 mm，但与M3相比，M2的立柱设置在疏散通道上，不利于疏散，也会导致疏散时间增加，见表18。

表17. 不同载人数下3个方案的人员安全疏散可行性

表18. M1、M2方案阻碍人员安全疏散的原因

在安全疏散方面，M1的横向座椅间狭窄过道是影响旅客疏散速度的主要原因；M2的横向座椅间的狭窄通道以及纵向座椅间的扶手立柱是减缓旅客疏散速度的主要原因；M3的整体疏散效率最高。

6. 结论

1) 在由5 kg汽油燃烧所致的火灾条件下，ASET通常是由能见度5 m限制所致，温度60℃限制所致时间略长，而CO浓度限制所致时间太长而可以忽略；着火点在地铁列车车厢中部位置较着火点在地铁列车车厢两端更易致能见度值快速达到限值5 m，从而导致ASET值减小。

2) 在额定载人数下，M1的RSET均值为82.8 s，M2的RSET均值为81.8 s，M3的RSET均值为50.1 s，均大于5 kg汽油燃烧所致的ASET，理论上均难以实现该极端条件下的安全疏散；在仅座椅满员条件下，M1的RSET均值为24.9 s，M2的RSET均值为24.2 s，M3的RSET均值为14.1 s，均小于5 kg汽油燃烧所致的ASET，理论上均能够实现该极端条件下的安全疏散。无论是额定载人数还是仅座椅满员条件下，三种典型布局方案的RSET均值均远远小于TSI标准规定的180 s [9] 或GB/T 33668-2017规定的6 min (360 s) [15]，均符合要求，见表19；三种典型布局方案中，M3疏散所用时间最短、疏散效率最高，M1、M2的疏散效率相近且低于M3。

表19. 不同条件及标准规定下3个方案的人员疏散时间

3) M1、M2的座椅为具有防火性能的软质聚氨酯发泡材料和涤纶材料，舒适性更佳，更适用于乘坐时间较长、停靠站数量相对较少、旅客密度相对不高的远距离市郊和机场线路；M3的座椅为聚酯玻璃钢或不锈钢材料，且快速疏散能力较强，更适用于市内载客量大、密度较高的地铁线路。

此外，为了实现在额定载人数条件下的安全疏散，设计方面可适当增加侧门数量、适当减少立柱并增加不碰头的高位横杆等措施，管理方面应适当限制额定载客人数，见表20。继续考虑更多的列车疏散位置、疏散方式、人员因素和车辆因素将是下一步开展的研究工作。

表20. 利于3种方案的快速疏散的建议

基金项目

本项目受国家自然科学基金项目(52175253)资助。

文章引用

刘 辰,向泽锐,庞世俊,支锦亦,陈洪涛. 基于快速疏散仿真的地铁车内旅客界面布局评估研究
Evaluation of the Passenger Interface Layout in Metro Train Based on Rapid Evacuation Simulation[J]. 交通技术, 2022, 11(02): 74-89. https://doi.org/10.12677/OJTT.2022.112007

参考文献