地铁站火灾人员安全疏散研究综述

地铁站火灾人员安全疏散研究综述*

许伟伟1，2郑江华1，2余丹林3

（1．新疆大学资源与环境科学学院乌鲁木齐830046；2．新疆智慧城市与环境建模普通高校重点实验室乌鲁木齐830046；3．美国蒙特克莱尔州立大学地球与环境学院美国新泽西州）

摘要为提升地铁站火灾疏散能力，减少灾时人员伤亡和财产损失，国内外大量的研究成果服务于地铁应急预案的制定。分别从研究手段和研究对象方面对国内外近年来的文献进行梳理，分析了地铁站火灾疏

散中的烟雾特点、人员应急行为特征和心理反应、疏散中的瓶颈和疏散路径。系统地分析了影响地铁站火灾

疏散的因素，比较了不同学者地铁站火灾疏散中存在的差异以及有待改进的地方，从改善地铁设计管理方面

和提升人员疏散能力方面提出了建议。

关键词烟雾特点疏散瓶颈疏散路径建议

Ｒeview on Study of Personnel Evacuation in Subway Station Fires

XU Weiwei1，2ZHENG Jianghua1，2YU Danlin3

（1．College ofＲesource and Environment Sciences，Xinjiang University Urumqi830046）Abstract To improve fire evacuation capability in subway station and reduce casualties and property losses，a large

number of researches serve to the formulation of emergency plans in the subway station．This paper sorts out litera-

tures from the research means and aspects of domestic and foreign respectively，analyzes the characteristics of fires in

subway station，characteristics of emergency behavior，psychological response to emergency，the bottleneck of evacu-

ation and evacuation path．This paper systematically analyzes factors affecting the subway fire evacuation，compares

the differences and improvements between different researches and puts forward some suggestions to improve the metro

design and management and the evacuation capability of crowds．

Key Words fire characteristics evacuation bottleneck evacuation path suggestions

0引言

地铁作为有效缓解地面用地紧张和交通拥堵的最佳选择之一，凭借其独有的低碳、快速、准点等优点在城市轨道交通中发挥着不可替代的作用。目前世界上共有43个国家建立了118个轨道交通系统。截止到2011年，仅在中国的12个城市就已经超过了50条地铁线，总运营里程达到1500km［1］。然而，地铁站属于地下建筑，空间相对密闭，进出口相对有限。在这样特殊的条件下，一旦发生火灾，高温和浓烟将给人们造成极度的心理恐慌，容易导致群死群伤的恶性事件。因此，地铁火灾疏散问题，已成为国内外城市公共安全领域的热点问题。

1地铁火灾特点

表1简要列举了过去近20年按时间顺序世界各地发生的重大地铁火灾事故。从表中不难看出，纵火和恐怖袭击这类人为事故在地铁事故中所占比例较高，这些人为事故极易导致火灾的发生。对国内外典型地铁事故发生频率进行统计分析，发现地铁火灾在所有灾害中发生频率为32%［2］。地铁火灾的发生，往往伴随着巨大的人员伤亡和财产损失，这是因为：①无论是人为还是其他因素导致，地铁火灾突发性强，很难预防，地铁内部人员密集，极易造成大量人员伤亡。②火灾情况下，地铁墙壁中钢筋的强度在火焰和热烟的侵蚀下逐渐减弱，最终导致地铁结构的崩坏，也会造成巨大的伤亡［3］。③地铁站座位、走廊、广告牌等，是由易燃的玻璃纤维、碳酸乙烯、聚乙烯制成［4］，在供氧不足的环境中燃烧，会消耗大量的氧气，同时释放大量的毒气。不仅降低了地铁的能见度，而且引起人员的身体不适和心理恐惧，造成疏散困难［5］。

国内外学者对地铁火灾机理、原因、防范及火灾发生后人员疏散与财产减损等方面的研究，积累了

*基金项目：国家自然科学基金（40801058）。

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2015年第41卷第1期January2015

工业安全与环保

Industrial Safety and Environmental Protection

表1地铁事故一览

时间地点事故原因伤亡情况1995．10．28阿塞拜疆地铁在两个车站之间隧道中起火300多人死亡1996．6．11俄罗斯地铁在行进中发生爆炸4人死亡，7人受伤1999．8．23德国科隆地铁碰撞67人受伤，7人重伤2003．2．8韩国大邱人为纵火198人死亡，147人受伤2004．2．6莫斯科地铁列车爆炸40多人死亡，120多人受伤2011．4．11白俄罗斯地铁站高峰时段发生爆炸15人死亡，200多人受伤

大量的成果，给决策部门制定疏散预案、合理配置安全设备及科学运营地铁站等提供了科学依据。本文从国内外学者对地铁站疏散的研究出发，主要对以下4方面的内容进行总结归纳：火灾热释放率的研究，火灾烟雾蔓延方向的研究，疏散瓶颈的研究，疏散路径的研究。

2火灾烟雾热释放率及蔓延方向的研究

众多的地铁火灾案例统计结果表明，78．9%以上的死亡是烟雾所致。火灾中烟雾成为乘客的致命物质［6］，这是因为烟雾流动方向和逃生方向是重合的［7］。为此，深入研究火灾烟雾特性，成为地铁火灾安全疏散研究的重点之一，其研究的主要焦点集中在烟雾热释放率及蔓延速度和方向上。

2．1火灾烟雾热释放率的研究

国内外对于火灾中热源释放率（HＲＲs，heat－release rates）的研究，已经开展了很多年，针对地铁站台火灾的研究相对深入。Peizhong Yang等人［8］利用FDS+Evac研究地铁站火灾热源对疏散的影响，认为热释放率对于火灾紧急疏散只有微弱的影响，但是火源点、疏散人员所处的位置、通风条件和地铁材料性能对于紧急疏散有很大的影响。Ｒan Gao等人［9］利用LES（Large Eddy Simulation）针对中国西安大型地铁站进行仿真实验，发现火灾发生后大部分的烟会蔓延到天窗的顶部。因此，大型的天窗对于地铁火灾中人员生命安全是有利的，它可以储存大量的烟雾并能抑制其在水平方向上的传播。杨君涛、杨昀等人［10－11］在研究火源位置对楼梯口处烟气速度的影响中，对火灾热源热释放率做了一定研究，并与实验结果进行对比分析，验证了数据模拟的有效性。对烟雾热释放率的研究主要在一维或者二维空间对火灾的烟雾情况进行模拟，不能直接反映出火灾烟雾热量在地铁站内的分布情况。Jae SeongＲoh等人［4］将地铁站台划分成沿X、Y、Z的三维空间网格，利用火灾动态仿真软件Fire Dynamics Simulator（FDS V406）评估月台幕门和通风系统对地铁火灾疏散的影响，发现火灾的规模取决于热释放率，同时发现检票口极大地增加了疏散所需时间，给地铁火灾中乘客的生命安全带来了危险。

火灾高温烟雾不仅恶化了地铁内的建筑结构，而且给疏散人员的生理和心理带来了巨大损伤，造成在出入口的拥堵、踩踏等不适当行为，加剧了灾害的人员伤亡。在掌握烟雾热释放率的基础上，尽可能优化地铁站台内部空间，可以达到在灾时减缓火灾蔓延速度和减少人员伤亡的目的。

2．2火灾烟雾蔓延方向的研究

地铁站作为典型的地下交通枢纽，只有有限的出入口。地铁站突发火灾时，人员会被大量的烟雾围困，特别是在纵火、意外火灾或者恐怖袭击的情况下，伤亡会更加惨重。大量烟雾和毒气对于被滞留的待疏散者有很大的危险，会导致人员呼吸困难和中毒。另外，迅速升高的浓烟密度会导致能见度降低。一般的，烟雾沿水平流动的速度为0．5 1．0 m/s，垂直方向速度为3．0 5．0m/s，烟雾向上攀爬的速度比人员向上疏散的速度要快［12］，更重要的是人员疏散方向与烟雾流动方向一致。据统计，地铁火灾事故中，78．9%以上的死亡是烟气所致［13－15］。火灾引起的烟雾不仅能从地铁站出入口流出，而且可以从通风系统和地铁站大厅天窗排向地表。Ｒan Gao等人［16］研究了烟雾在6种火灾情景下的传播，借鉴Qin等人［17］的烟雾垂直方向上的温度值，发现烟雾在水平方向上传播越远，烟雾会遇到越多的天花板通风口，排出烟雾的数量将会增加，而这些通风口可以有效地控制烟雾在水平方向上产生的扩散。Ｒan Gao在另一项研究中进一步分析了天窗的尺寸和混合式通风系统对火灾烟雾的影响，认为在天窗装备3m?3m?3m的混合式通风设备，可有效排除火灾引起的烟雾；天窗能够储存烟雾，随着天窗体积的增大，烟雾容量也会增加，天窗限制了烟雾在水平方向上的传播，在越高的天窗下，烟雾水平传播的距离会越短，所蔓延出的烟雾密度更低。

学者们对地铁火灾烟雾蔓延方向开展了大量的研究，从空气动力学原理出发，对烟雾流向进行了深入的分析，提出使用通风系统和天窗等设备，控制灾时烟雾的流向，以延缓或者减少火灾烟雾对于疏散

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者的侵害作用。

3实验模型研究

预测性的行为仿真，可以通过调查疏散者和灾害环境之间的联系，来评估地铁站疏散能力。类似的研究主要集中在地铁站灾时疏散的人群行为特征上，从广义上可以分为两类：一类是基于现实人员疏散的调查，也称作实验模型法；另一类是利用计算机仿真技术，也称标准模型法。前者主要通过演习手段或调查问卷统计调查疏散者的行为特征（如性别、年龄、步行速度等）和出口偏好等，由于将疏散过程简单化，并且将实验条件设为可控范围内，这种方法的实验结果缺乏通用性和完整性。标准模型法则是建立各种疏散情境下的模型，这种方法旨在表现基于人类感知行为的定位和对不确定因素的动态变化［18］。Jin［19］、Frantzich和Nilsson［20］研究了关于能见度和步行速度的关系，结果显示移动速度会随着能见度降低而减小，这两个研究都认为墙壁在疏散过程中起到了不可忽视的作用。比较典型的是GE Xiao－xia等人［21］研究分析了在北京太阳宫地铁站举行的疏散演习，有197人接受了调查问卷，通过分析演习过程和调查问卷，发现拥堵、堵塞现象经常发生在楼梯口和自动扶梯处；在疏散过程中主要出现的心理反应是轻微恐慌；人群在60s内开始逃生的人员比例高达92．9%，这是由两个原因导致的，一是在演习开始前会被告知信息，二是有37．8%的人具有演习经验。疏散行为的研究显示服从指挥、推挤行为和排队行为所占比例最高，这是因为许多人具备演习经验，疏散是在被引导下进行的。

国内外学者均采用过事故演习和调查问卷的方式对地铁火灾疏散进行研究。主要对地铁疏散人员的性别、年龄、步行速度和心理状态等特性进行统计。分析了不同性别、年龄人员的疏散行为的差异，着重研究了疏散过程中的步行速度以及影响步行速度的因素，分析得出主要是由于地铁空间的烟雾造成能见度降低，导致步行速度降低。为此，学者们建议在疏散路径上设置方向诱导装置，即使在能见度极低的条件下仍然非常有效。另外，具有演习经验和能适当控制灾时心理状态，对于火灾疏散同样很有帮助。

4仿真模型模拟研究

随着计算机技术的飞速发展，虚拟现实技术在地铁火灾中的应用，给深入研究地铁火灾疏散提供了可能。地铁火灾事故发生的不可预测性和不可重复性，加之事故演习的成本较高、危险性较大，所以该领域的学者们主要通过仿真的手段从事地铁灾害研究。仿真模型模拟研究中有两个主要的研究方向，一是疏散瓶颈的仿真研究，二是疏散路径的仿真研究。

4．1地铁站疏散瓶颈研究

多数有效和主流的研究方法，是建立疏散仿真模型来评估地铁疏散能力。国内外多位学者从不同的角度研究地铁站的疏散能力，认为连接站台与大厅的楼梯是疏散的瓶颈。尽管该楼梯处并非是疏散能力最小的空间，但在应急疏散时面临客流量强度最大，产生拥堵最明显，成为了疏散的瓶颈。需要注意的是：一方面，有效的楼梯宽度是疏散的关键，影响整体的人员疏散时间；另一方面，当人员密度超过0．56人/m2时移动速度会受到制约，但是当人员占用平均最小宽度从0．76m下降到0．5m，却能使疏散能力最多提高50%［22－25］。针对疏散能力较低的楼梯进行疏散组织优化，适当地拓宽楼梯和出口宽度，可以有效缓解疏散中的拥堵情况，还能缓解心理的恐慌，避免或减轻人员伤亡事故。

4．2疏散路径研究

对于大型复杂建筑，其进出口相比小型建筑更加分散。在这种大型复杂的建筑条件下，人员几乎不使用最近的应急出口［26］，极大地延长了疏散时间。疏散路径主要是在规避烟雾影响或者在烟雾影响较小的情况下，及时通过疏散通道到达安全区域。通常可将地铁疏散路径简化为依次穿越车厢、站台、站厅、安全出口4个步骤［27］。而疏散距离的差异，主要取决于所处楼层的位置。Gyu－Yeob等人［28］研究了4种不同能见度对地铁站人员疏散路径的影响，发现不同能见度条件引起移动速度和疏散路径改变，通常处于较深层的人员需要更长的疏散距离。何健飞等人［29］改进了拍卖算法在最短路径中的应用，设计地铁疏散路径优化的方法，提高疏散通道利用率，在验证了不完全服从最优路径的情况下，拍卖算法仍能降低疏散拥堵状况，提高疏散效率。LI Yanfeng等人［30］利用FDS+Evac研究了火灾对换乘地铁站的影响，认为火灾迫使人员改变疏散路径，乘客选择相对安全的逃生出口，而不是选择最短的逃生路径；火灾不仅使疏散距离变得更远，而且减少了可用出口的数量。

有效的疏散路径对于整个疏散过程至关重要，而地铁火灾烟雾的流向与人员疏散路径一致，流向地表。因此，非常有必要设计一种不受烟雾影响的逃生路径。日本学者Manabu Tsukahara等人［12］基于2003年的韩国大邱地铁站火灾案例，运用FDS 软件对火灾现场进行了仿真，研究了火源点发生在

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地下第三层B3烟雾温度和毒气（CO和CO2）浓度在楼梯口处对于疏散的影响，发现在火灾发生后3．5min疏散楼梯口处就有极高的毒烟浓度和温度。Manabu Tsukahara提出一种新型地铁站，假设大邱地铁站有地下4层，这样可以选择向下疏散（恰好是与烟雾流向相反），然后疏散至地表。结果显示这样的疏散路径，不仅对于疏散者相当有效，而且可以给消防人员提供足够的空间进入地铁站，因为这种方法的疏散者几乎不受烟雾、高温、毒气的影响。如图1所示，其中1e，2d，3g，4d分别为大邱地铁站的地下1层、2层、3层、4层。

图1烟雾浓度和温度在地铁站各层情况［31］

5讨论

地铁火灾疏散问题引起了国际上越来越多学者的关注和重视，众多的研究成果服务于地铁灾时疏散。为保证地铁人员生命财产安全，地铁设计管理应该考虑到突发事件，提高地铁人员疏散能力，可提高地铁火灾人员安全疏散效率，最大程度地减少地铁火灾产生的负面影响。

地铁设计管理方面：

（1）在地铁站的规划和设计阶段，要从本身的结构、材料和内部设施着手，考虑如何增强其抵御和承受各种突发事件的能力。

（2）在日常运营管理中，需建全报警设备、消防器材等安全设施，防范突发事件的发生，避免高温烟雾对地铁结构的侵蚀，从而延长可利用疏散时间［31］。

（3）重点解决楼梯设计，适当地拓宽楼梯和出口。

（4）当人群密度达到0．56人/m2时移动速度会受到制约，地铁站应该结合实际可利用面积确定地铁人员的承载量。

人员疏散能力方面：

（1）具备地铁火灾疏散知识和演习经验，能有效地提高疏散效率，减少疏散中不适当行为。

（2）地铁工作人员正确科学的疏导，可以避免人员因混乱、惊恐而采取不适当行为导致的二次人为事件，最大程度地减轻伤亡损失。6结语

地铁人员的构成是多种类型的，不同年龄、性别、生理和心理特点都会对疏散过程造成影响。目前的人员疏散模型对于个体属性的设定过于理想化，对个体之间相互作用的影响有所忽略，均是假设单个人员在突发事件中都能够按照最短路径进行疏散，同时个体行为不受其他个体的影响，这与现实状况是有较大偏差的。因此，基于简单个体属性设定的人员疏散模型可能导致疏散模拟结果的可信度降低［32］。

研究人员对地铁火灾引起的烟雾特性，如热释放率、流向、流速、毒气密度等，做了全面的研究，但是大部分的烟雾仿真研究，都是以假设地铁空间没有障碍且人员移动不会对烟雾特性产生影响为前提开展的，这样的仿真显然是不符合实际情况的。烟雾的流动必然会受到地铁内部设施的影响（如立柱、检票机、通风系统），疏散者以不同的速度沿着不同的路径移动，所产生的空气动力必然会对烟雾的流向、速度产生影响，而这些因素却没有得到学者们的重视，仿真的真实性尚待验证。

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作者简介许伟伟，男，1988年生，安徽阜阳人，硕士，主要研究方向：导航与位置服务，交通地理信息系统。

（收稿日期：2013－12－18）

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