如何使用Pathfinder軟件來(lái)模擬地鐵站的運(yùn)動(dòng)

關(guān)鍵詞：人員疏散能力模擬分析軟件、Pathfinder人員疏散能力模擬分析軟件、消防安全評(píng)估軟件，PyroSim中文網(wǎng)

這篇文章演示了如何使用Pathfinder來(lái)模擬地鐵站的運(yùn)動(dòng)，火車到達(dá)和離開(kāi)地鐵站。越來(lái)越多的非特定于疏散的特征，例如乘客來(lái)源和輔助疏散，使得尋路器適用于更廣泛的行人移動(dòng)問(wèn)題。

地鐵站如圖所示圖1顯示了上層站臺(tái)的乘客。我們的模型將模擬乘客連續(xù)進(jìn)入車站登上特定的列車，以及乘客從已經(jīng)到達(dá)車站的列車上離開(kāi)。該模型包括10列火車，6列在上站臺(tái)到達(dá)和離開(kāi)，4列在下站臺(tái)。我們假設(shè)每列火車每隔10分鐘到達(dá)和離開(kāi)一次。到達(dá)時(shí)間是錯(cuò)開(kāi)的，因此每分鐘有一列火車到達(dá)。每列火車卸載然后裝載200名乘客，給出離開(kāi)車站的總流量200人/分鐘或者12000人/小時(shí)(同樣的號(hào)碼也到達(dá)車站)。選擇的列車荷載應(yīng)與每列列車的車廂大小和數(shù)量以及樓梯和自動(dòng)扶梯的通行能力一致。

圖1.地鐵模型顯示乘客乘火車到達(dá)和離開(kāi)的站臺(tái)

地鐵計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型。該CAD模型在Revit中繪制，并使用FBX導(dǎo)入功能和提取地板工具導(dǎo)入到路徑查找器中。它不代表真實(shí)世界的位置。

2.概念模型

在描述地鐵模型之前，用一個(gè)小的概念模型來(lái)演示這個(gè)方法是很有用的。圖2顯示火車時(shí)刻表。火車每隔3分鐘開(kāi)出一班，卸貨30秒，裝貨60秒。乘客以100%的速度連續(xù)進(jìn)入車站12次/分鐘并以以下流速離開(kāi)列車1.2秒/秒30秒。

圖2.乘客出站、登機(jī)和列車發(fā)車的順序。進(jìn)入車站的客流是連續(xù)的

圖3顯示了幾何圖形。右邊的門是車站門。這個(gè)門有一個(gè)附加的來(lái)源，將新的乘客插入模型，車站門也是離開(kāi)車站的乘客的出口。這等候室利用它的門和分割線是一種利用當(dāng)前的Pathfinder能力管理隊(duì)列的方法。將登上火車的乘客有一個(gè)行為這告訴他們?nèi)サ群蚴遥缓蟮降罔F門口下車。除了作為出口之外地鐵門有一個(gè)附加的來(lái)源，插入乘客然后前往車站門退出。事件的時(shí)間如所示圖2連續(xù)不斷的乘客進(jìn)入車站排隊(duì)時(shí)，地鐵列車會(huì)讓乘客下車30秒鐘，然后候車室的出口門會(huì)打開(kāi)60秒鐘，乘客就會(huì)登上列車。然后循環(huán)重復(fù)。

圖3.用于說(shuō)明乘客到達(dá)和離開(kāi)的概念模型

等候室使用的細(xì)節(jié)值得進(jìn)一步解釋，因?yàn)樗鼈兇砹艘环N在當(dāng)前的尋路器約束下對(duì)隊(duì)列建模的方法。如所示圖3等候室有一個(gè)單向入口門、一個(gè)單向出口門和一條延伸入口空間的分隔線。圖4顯示當(dāng)乘客離開(kāi)地鐵列車時(shí)，等候的乘客如何在候車室排隊(duì)。等候室的細(xì)節(jié)共同完成了這一運(yùn)動(dòng)。候車室很小，所以排隊(duì)的乘客會(huì)盡量靠近房間。這具有將乘客移動(dòng)到隊(duì)列前面的效果。分隔線是引導(dǎo)乘客排隊(duì)的屏障，而不是在候車室周圍形成半圓。單向入口門確保乘客只能通過(guò)出口門離開(kāi)等候室。其次，候車室出口門可以打開(kāi)和關(guān)閉，當(dāng)關(guān)閉時(shí)形成一個(gè)隊(duì)列，當(dāng)打開(kāi)時(shí)乘客離開(kāi)候車室并登上火車。下面的視頻動(dòng)態(tài)演示了這一運(yùn)動(dòng)。我們將使用同樣的概念方法來(lái)制作更復(fù)雜的地鐵模型。

圖4.乘客下車(藍(lán)色)，等候的乘客排隊(duì)(紅色)

3.地鐵模型

地鐵模型如圖5所示，有五個(gè)主要樓層：

• 樓層0米–這是下層站臺(tái)。四列火車連接到這層。樓梯連接0米到3米的樓層
• 樓層3米–該層的一側(cè)聚集從0米層離開(kāi)的乘客，并通過(guò)自動(dòng)扶梯將他們運(yùn)送到18米層。3米層的另一側(cè)供從18米層下降到0米層的乘客使用，以登上列車。
• 樓層15米–這是上層站臺(tái)。六列火車連接到這層。樓梯連接15層至18層。15層一側(cè)的樓梯用于乘客上下車，另一側(cè)用于乘客下火車。
• 樓層18米–該樓層匯集并分配從3米層和15米層流入的全數(shù)流量。樓梯和自動(dòng)扶梯將18米層連接到30米層。一組樓梯和自動(dòng)扶梯將流量提升到30米層，一組將流量從30米層降低
• 樓層30米–這是主樓層。全數(shù)乘客從這一層進(jìn)出車站。這一層的一邊是給上火車的乘客，另一邊是給乘火車到達(dá)并離開(kāi)車站的乘客。
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圖5.地鐵模型導(dǎo)航網(wǎng)格

樓梯和電梯被指定為向上流動(dòng)或向下流動(dòng)。圖6顯示了從樓層18米下降，通過(guò)樓層3米，然后下降到較低的平臺(tái)，樓層0米的流動(dòng)細(xì)節(jié)。紅色箭頭顯示了流動(dòng)方向。在樓層3米的另一端，流量達(dá)到樓層18米。樓層18米通過(guò)樓梯和自動(dòng)扶梯連接到主樓層。

圖6.流向地下0米。紅色箭頭表示流向

如簡(jiǎn)單模型所示，帶有入口和出口門的候車室用于控制進(jìn)入列車的乘客流量。圖7顯示了位于上部平臺(tái)上的6號(hào)列車末端車廂的組合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和導(dǎo)航網(wǎng)格視圖。你可以看到候車室，進(jìn)出候車室的單行道，以及火車的出口/入口。中顯示了相應(yīng)的導(dǎo)航網(wǎng)格及其詳細(xì)信息圖8。

圖7.上層平臺(tái)上6號(hào)列車端車的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和導(dǎo)航網(wǎng)格視圖

圖8.顯示6號(hào)列車的導(dǎo)航網(wǎng)格細(xì)節(jié)，帶有入口/出口門和相關(guān)的候車室

前15分鐘的地鐵時(shí)刻表如所示圖9。每列火車每10分鐘到達(dá)一次，運(yùn)送200名乘客。乘客在30秒內(nèi)離開(kāi)火車，然后排隊(duì)的乘客在一分鐘內(nèi)進(jìn)入火車，火車離開(kāi)。需要說(shuō)明的是，Pathfinder實(shí)際上并沒(méi)有設(shè)置火車到達(dá)和離開(kāi)的動(dòng)畫(huà)，到達(dá)和離開(kāi)是通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉火車和候車室的門來(lái)模擬的。

圖9.每列火車的地鐵時(shí)刻表。每列火車每10分鐘卸載一次

乘客的行為由他們的概況(身體特征)和行為(特定的運(yùn)動(dòng)目標(biāo))決定。此外，來(lái)源用于定義乘客進(jìn)入車站的流量和乘客離開(kāi)列車的流量。中列出了模型中使用的配置文件、行為和來(lái)源圖10。

中顯示的配置文件圖10指定行走速度和其他身體特征。全數(shù)乘客都被分配了一個(gè)速度，該速度來(lái)自一個(gè)界限為0.7米/秒和1.5米/秒，該范圍涵蓋了大多數(shù)人群的步行速度(海事組織2007)。較簡(jiǎn)單的方法是使用一個(gè)輪廓來(lái)定義步行速度，但是多個(gè)輪廓被用來(lái)為乘客分配不同的顏色，這取決于他們要登上的列車或者他們是否要離開(kāi)車站。或者，尋路器框架支持為每種乘客類型定義詳細(xì)的簡(jiǎn)檔，例如，“兒童”簡(jiǎn)檔可以使用兒童化身并且具有適合于兒童的速度范圍，而“年輕男性”簡(jiǎn)檔可以使用年輕人的化身并且具有不同的適當(dāng)速度范圍。該模型中采用的方法是簡(jiǎn)單方法和復(fù)雜方法的折衷。

中顯示的行為圖10定義乘客將如何移動(dòng)。離開(kāi)列車的乘客被隨機(jī)分配到兩個(gè)車站出口中的一個(gè)。進(jìn)入車站登上列車的乘客被隨機(jī)分配到其中一輛列車上，因此他們先進(jìn)入與該列車排隊(duì)相關(guān)的任何候車室，然后在等候隊(duì)列出口門打開(kāi)時(shí)登上列車。

每個(gè)占用者源可以被分配不同簡(jiǎn)檔和不同行為的分布。當(dāng)一個(gè)占用者由源創(chuàng)建時(shí)，占用者被從分布中隨機(jī)分配一個(gè)簡(jiǎn)檔和行為。

乘客來(lái)源，如所示圖10，與離開(kāi)列車的乘客的列車車門和車站外的兩個(gè)源(中的兩條綠色長(zhǎng)線圖5)供進(jìn)入車站登車的乘客使用。列車的出口流是周期性的，如所示圖11.每列火車有15個(gè)門，離開(kāi)火車的時(shí)間間隔為30秒，因此流量為0.4444 pers/s每10分鐘就有200名乘客。與進(jìn)入車站的乘客相關(guān)的來(lái)源(30層上的兩條綠色長(zhǎng)線圖5)有連續(xù)的流動(dòng)0.1666秒/秒每列火車。由于有兩個(gè)來(lái)源和10列火車，這使得每分鐘有200名乘客到達(dá)(或每列火車每10分鐘有200名乘客)。因此，進(jìn)入車站的旅客總到達(dá)流量為12000 pers/hr，這與列車流出車站的總流量相匹配。

圖10.地鐵模型中使用的配置文件、行為和來(lái)源的列表

圖11.一號(hào)列車出口門的來(lái)源。流量以0.444秒/秒的速率周期性變化，每10分鐘持續(xù)30秒

4.結(jié)果

地鐵模擬視頻提供了結(jié)果概述。這顯示了模擬開(kāi)始后從510秒到660秒的移動(dòng)。

更詳細(xì)地觀察空間使用的一種方法是繪制累積使用輪廓。圖12顯示主樓層的累計(jì)使用情況。這些輪廓為1800秒(30分鐘)，輪廓范圍為0到500秒。

圖12.累計(jì)使用的輪廓(空間被占用的綜合時(shí)間)

讓我們更詳細(xì)地看一下樓梯A和B，它們管理從列車向上的流動(dòng)，以及樓梯C和D，它們管理向下的流動(dòng)以登上列車。等高線顯示，A樓梯比B樓梯使用得多。原因是A樓梯鄰近列車從3層向上的氣流，所以更多的乘客使用更近的樓梯。但是因?yàn)閺?5層到18層的兩側(cè)都有向上的水流，所以樓梯B也有很大的用途。向下的水流都全數(shù)從靠近樓梯C的一側(cè)進(jìn)入，所以它比樓梯d使用得多

這在樓梯的流速圖中得到證實(shí)。圖13顯示了樓梯A和B的上升氣流，同時(shí)圖14顯示了樓梯C和D的向下流量。為了比較，這些樓梯的SFPE流量峰值為2.4次/秒。樓梯A和B的向上流動(dòng)是循環(huán)的，反映了列車的到達(dá)。這些樓梯上的峰值流速大約是1次/秒。由于乘客的穩(wěn)定到達(dá)，C和D樓梯的向下流動(dòng)更加穩(wěn)定。樓梯C顯示相對(duì)恒定的流速約為2次/秒。

圖13.樓梯A和B的向上流速(見(jiàn)圖12對(duì)于樓梯標(biāo)簽)

圖14.樓梯C和D至列車的流速(見(jiàn)圖12用于樓梯標(biāo)簽的定義)

5.改變流向會(huì)導(dǎo)致?lián)矶?/span>

在地鐵模型中，旋轉(zhuǎn)柵門、樓梯和自動(dòng)扶梯的流動(dòng)方向被定義為較小化前往列車的乘客和離開(kāi)車站的乘客之間的交叉流動(dòng)圖6。為了觀察在30米和18米之間改變流動(dòng)方向的效果，運(yùn)行了一個(gè)案例，其中旋轉(zhuǎn)柵門、樓梯和自動(dòng)扶梯的流動(dòng)方向被重新安排。原始和新的流動(dòng)方向如所示圖15.現(xiàn)在，樓梯/自動(dòng)扶梯的右半部分與左半部分的流向不同。

流向的改變意味著試圖下火車的乘客(混合顏色)現(xiàn)在必須穿過(guò)離開(kāi)車站的乘客流(藍(lán)色)。主樓層樓梯入口/出口之間的空間相對(duì)較小，因此這種交叉流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致?lián)頂D。

圖15.改變流動(dòng)方向以說(shuō)明在狹窄空間內(nèi)混合流動(dòng)的困難

Pathfinder中的移動(dòng)計(jì)算針對(duì)疏散進(jìn)行了優(yōu)化，在疏散中通常不會(huì)出現(xiàn)逆流和橫流。Pathfinder的逆流能力記錄在驗(yàn)證和驗(yàn)證手冊(cè)。Pathfinder中的移動(dòng)算法確實(shí)包括一些車道形成能力，但是一般來(lái)說(shuō)，預(yù)計(jì)Pathfinder將會(huì)增強(qiáng)交叉流條件下的擁塞。交叉流的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很少，因此很難嚴(yán)格評(píng)估模擬。在某種意義上，增強(qiáng)的擁塞也可以被認(rèn)為是一種資產(chǎn)，因?yàn)檫@意味著Pathfinder的結(jié)果是保守的。

6.總結(jié)和征求意見(jiàn)

在這篇文章中，我們演示了如何使用Pathfinder來(lái)模擬地鐵站的運(yùn)動(dòng)。模型和結(jié)果顯示:

• 源的使用使得模擬乘客在指定的時(shí)間間隔離開(kāi)列車成為可能。消息來(lái)源還支持乘客連續(xù)進(jìn)入車站。
• 乘客流量以及樓梯和自動(dòng)扶梯的使用符合預(yù)期行為。
• 樓梯上的峰值流速接近預(yù)期的SFPE較大流速。
• Pathfinder使得研究由不充分或不良的設(shè)計(jì)選擇導(dǎo)致的擁塞成為可能。