基于排队网络模型及行人仿真的车站应急疏散能力研究

发布时间：2017-10-22 08:27

  本文关键词：基于排队网络模型及行人仿真的车站应急疏散能力研究

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【摘要】：随着国民经济的快速发展和城市化进程的不断推进,城市交通需求日益旺盛,由此引发了交通拥堵等一系列城市交通问题。地铁因其运量大、速度快、环保等优点,逐渐成为解决城市地面交通问题的一个重要措施。然而,由于地铁封闭式的结构特征,当发生火灾、爆炸等事故或因大型活动产生超大客流时,人员疏散更容易产生潜在的安全问题。由于地铁车站的疏散能力是保证安全和高效疏散的关键,因此为了降低突发事件和超大客流下人员疏散时发生事故的概率,就需要事先对地铁车站的应急疏散能力进行评估。地铁疏散能力不仅与车站内部走行设施(楼梯、扶梯和通道等)的几何属性有关,也与设施间的空间连接结构有关,影响因素十分复杂。如何对地铁车站疏散能力进行科学评估,以识别疏散瓶颈,并提出解决方案是一个具有重要理论价值和实践意义的难题。本文首先采用M/G/c/c排队网络模型计算与评估地铁车站应急疏散能力,识别出站内走行设施的瓶颈,然后运用Pathfinder软件进行仿真实验,并对两种方法的计算结果进行对比分析,最后提出了提高疏散能力的措施建议。具体的研究内容如下：(1)研究和梳理了地铁应急疏散能力的基础理论。首先,结合《地铁设计规范》对地铁车站疏散时间、疏散能力等概念进行了明确,指出了既有计算方法的局限性。其次,分析了车站应急能力的影响因素,主要包括走行设施的几何属性、空间连接结构以及行人疏散特性等。最后,提出了应急疏散能力评价的三个指标,分别为疏散时间、客流密度以及设施瓶颈。(2)构建了地铁车站应急疏散能力评估的M/G/c/c排队网络模型。基于排队论相关基础理论,首先构建了地铁车站内单设施的M/G/c/c排队模型。然后,在车站物理网络拓扑结构的基础上分析了行人疏散路径,并在此基础上建立了地铁车站应急疏散能力评估的M/G/c/c排队网络模型。最后,给出了基于该模型的应急疏散能力评估框架并设计和实现了模型的求解算法。(3)构建了行人在分流型设施处的概率选择优化模型。首先分析了应急疏散情况下的行人在节点处对下行设施的选择的影响因素,其次对车站内设施之间的连接关系进行了总结,分析了不同连接关系下的到达率传递关系。再次,针对分流型设施,构建了概率选择的非线性规划模型。模型的目标是最大化下行设施的总输出率。最后,设计一个小规模算例验证了该模型的有效性。该模型是对M/G/c/c的排队网络模型的进一步的完善,使得模型计算结果与实际情况更为符合。(4)完成了基于改进的M/G/c/c排队网络模型的地铁应急疏散能力评估案例分析。选取北京地铁建国门车站作为案例背景,通过实地调研获得车站的几何空间结构、车站设施几何参数以及行人宏观运动特性(速度-密度函数),在此基础上规划出在应急情况下的乘客疏散路径；然后通过编程实现模型计算,并得到应急情况下建国门车站的相关设施的排队长度、排队时间及输出率以及疏散时间等指标,以此得到建国门车站的疏散能力的评估结论。(5)运用Pathfinder软件对建国门地铁站进行疏散仿真试验。利用调研获取的数据(包括行人的性别和年龄比例等)搭建了仿真环境,并在此基础上进行了实验。仿真软件可以输出疏散时间、客流密度等疏散能力评价指标,针对这些指标,对排队网络模型的计算结果和仿真计算结果进行了对比分析,验证了MIG/c/c排队网络模型在地铁车站应急疏散能力评估方面的有效性。最后,基于以上两种方法的建国门站疏散能力评估结果,提出了提高车站疏散能力的措施和建议。
【关键词】：地铁车站 排队网络模型 行人仿真 应急疏散能力
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U298
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-15
• 1 绪论15-24
• 1.1 研究背景和意义15-16
• 1.2 国内外研究现状16-20
• 1.2.1 行人运动模型研究现状16-17
• 1.2.2 应急疏散能力的评估方法现状17-19
• 1.2.3 排队网络模型建筑疏散研究现状19-20
• 1.3 主要研究内容及技术路线20-22
• 1.3.1 主要研究内容20-21
• 1.3.2 技术路线21-22
• 1.4 本章小结22-24
• 2 地铁车站应急疏散能力评估基础理论24-33
• 2.1 地铁车站应急疏散能力24-25
• 2.2 车站应急疏散能力的影响因素25-30
• 2.2.1 走行设施几何属性25-27
• 2.2.2 设施空间连接结构27-28
• 2.2.3 设施以及出口数量28
• 2.2.4 行人疏散行为特性28-29
• 2.2.5 车站应急疏散组织29-30
• 2.3 应急疏散能力的评价指标30-32
• 2.3.1 疏散时间30
• 2.3.2 客流密度30-31
• 2.3.3 设施瓶颈31-32
• 2.4 本章小结32-33
• 3 应急疏散能力评估的M/G/C/C排队网络模型33-51
• 3.1 排队论概述33
• 3.2 单设施M/G/C/C排队模型构建33-37
• 3.3 车站节点概率选择优化模型37-44
• 3.3.1 排队网络节点间到达率传递关系37-38
• 3.3.2 分流式节点概率选择优化模型38-40
• 3.3.3 模型求解策略40-41
• 3.3.4 模型验证41-44
• 3.4 地铁车站M/G/C/C排队网络模型构建及求解方法44-50
• 3.4.1 地铁车站疏排队网络44-45
• 3.4.2 车站疏散网络构建及疏散路径规划45-47
• 3.4.3 疏散能力评估计算框架47-48
• 3.4.4 排队网络模型算法设计与实现48-50
• 3.5 本章小结50-51
• 4 地铁车站设施调查及分析51-62
• 4.1 车站网络拓扑结构及走行设施几何属性51-55
• 4.1.1 建国门站概况51-52
• 4.1.2 车站网络拓扑结构52-54
• 4.1.3 车站主要走行设施几何属性54-55
• 4.2 客流调查方式55-57
• 4.3 行人个体属性特征57-58
• 4.4 行人宏观运动特性获取58-61
• 4.4.1 通道内的速度-密度函数58-59
• 4.4.2 上行楼梯的速度-密度函数59-61
• 4.5 本章小结61-62
• 5 案例分析62-77
• 5.1 建国门站疏散路径规划62-64
• 5.2 M/G/C/C排队网络模型计算结果分析64-68
• 5.2.1 疏散人数64-66
• 5.2.2 疏散时间66-67
• 5.2.3 客流密度及瓶颈设施67-68
• 5.3 模型计算结果与仿真对比分析68-75
• 5.3.1 Pathfinder仿真试验68-71
• 5.3.2 疏散人数对比分析71-73
• 5.3.3 疏散时间对比分析73-74
• 5.3.4 客流密度及瓶颈设施对比分析74-75
• 5.4 提高疏散能力的措施建议75-76
• 5.5 本章小结76-77
• 6 总结与展望77-79
• 6.1 主要结论77-78
• 6.2 研究不足与展望78-79
• 参考文献79-82
• 附录A82-89
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果89-91
• 学位论文数据集91

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本文编号：1077570