4.2.4 安全疏散设计与计算
1.安全疏散的一般规定
（1）地铁安全疏散一般按一条线路、一座换乘车站及其相邻区间同一时间只发生一处火灾事故考虑。站台至站厅或其他安全区域的疏散楼梯、自动扶梯和疏散通道的通过能力，应保证在远期或客流控制期中超高峰小时最大客流量时，一列进站列车所载乘客及站台上的候车乘客能在4 min内全部撤离站台，并应能在6 min内全部疏散至站厅公共区或其他安全区域。
（2）疏散乘客人数的计算应按不同区域进行区分。站台列车发生火灾时，必需疏散人员为远期或客流控制期超高峰小时一列进站列车所载的乘客及站台上的候车乘客；站台公共区发生火灾时，必需疏散人员为起火站台上的候车乘客；站厅公共区发生火灾时，必需疏散人员为远期或客流控制期超高峰小时站台上的乘客及站厅的乘客，共享站厅换乘车站的必需疏散人员包括所有线路站台上的乘客及站厅的乘客。
（3）消防专用梯、垂直电梯、竖井爬梯、消防专用通道及管理区的楼梯不应计作疏散设施。换乘车站的换乘通道、换乘楼梯（自动扶梯）不应作为安全疏散设施。
2.地铁车站安全疏散理论
在遇到突发事件进行人员安全疏散的过程中，主要会有可用安全疏散时间（available safety egress time，ASET）和必需安全疏散时间（required safety egress time，RSET）这两个时间段。地铁车站发生火灾时，火灾进程与人员疏散过程的关系如图4.4所示。
图4.4 火灾进程与人员疏散过程的关系
可用安全疏散时间包含了建筑物内部人员从相关危险区域成功撤离至外部安全区域的理论允许时间，该时间最大限度地考虑了人员的运动特性及运动速度，涉及从火灾发生到人员撤离结束这一全过程，其与建筑物内部烟气蔓延速率、应急消防设备摆放、内部结构可燃性材料多少及建筑物空间结构复杂程度都有着密切的联系。
必需安全疏散时间可解释为突发状况产生过程中人员从危险区域疏散撤离至安全区域整体上所需要的时间。它是由灾害预警时间（T1）、预动作时间（T2）和疏散运动时间（T3）这三个时间段组成的。其中，危险确认时间和人员思维反应时间共同构成了预动作时间。
危险确认时间是指从地铁车站突发事件、预警系统报警到站内工作人员确认现场发生危险的时间间隔。该时间也包括确认危险发生位置、人员当时相关状况等所用时间。
人员思维反应时间，顾名思义就是人在遇到危险状况时，从搜集周围信息、判断周围环境情况到采取进一步的行动所用的时间。在这段时间内，各种外部因素影响会很大程度上左右人员对于危险情况及疏散逃生的判断，总体来说，这段时间的计算因人而异。
对于人员的疏散运动时间来讲，人员疏散路径、内部人员运动行为特性、周边环境三者都是重要影响因素。人员疏散路径主要取决于地铁车站站内空间结构的划分，不同的空间结构，疏散路径大相径庭。内部人员运动行为特性与周边环境这两方面总是有所结合，整体来说，就是人员的各种基本特性（如性别、年龄、经验等）与周边环境状况（如人员密集程度、烟雾浓度、能见度）共同作用并决定人员的疏散运动时间。
在火灾等危险状况发生时，保障地铁车站内人员安全疏散的基本条件为
即可用安全疏散时间必须大于必需安全疏散时间。图4.5显示了在地铁车站突发应急事件时，事件反应过程与人员疏散过程的时间线。
图4.5 乘客疏散与突发事件反应过程时间线示意图
3.设计规范中的人员安全疏散要求
《地铁设计防火标准》（GB 51298—2018）中对人员的安全疏散要求在第三章第二节中已提及，计算公式见式（3.4）。
4.地铁车站应急状态下人员疏散能力计算
乘客自身特性和车站设计要素均会对地铁车站应急状态下的人员疏散效率产生影响。在地铁车站内，与人员疏散有关的设备主要有照明、消防、应急疏导、电梯等。这些设备如果遇到紧急情况而失去原本的功能，站内乘客就会在疏散过程中遇到阻碍，人员恐慌不安，继而会做出各种不理智的疏散行为。因此，在这里对人员在地铁车站内不同设施之间的疏散特性及地铁车站的相关设施连接方式进行分析，运用车站乘客运输组织的相关专业理论对不同车站设备连接方式下的人员疏散能力计算方法进行研究。
1）不同设施内的人员疏散特性分析
在地铁车站内，人员在不同环境中的心理状况和交通设施的相关状况都会影响人员的反应。也就是人员的运动行为特性与周边环境呼应。通过对与疏散相关的论文的深入探究与分析，总结出可以在复杂状况下了解周边行人运动状态及运动疏散特性的相关方法，并对地铁车站人员在站内的行走速度以及相关人群聚集密度进行了分析，有利于研究遇到应急状况时，地铁车站站内人员进行快速疏散的情况。
在地铁车站内，人员在疏散流线上主要遇到的疏散设施有楼梯、通道、闸机、自动扶梯。这四种设施在一定程度上对人员疏散流向都有着自己独特的作用，下面就这四种设施对人员疏散的影响进行详细介绍。
（1）楼梯。
地铁车站大多位于地下，楼梯是地铁车站输送进出站人员的必要设施。当人员在地铁车站楼梯上穿行时，楼梯台阶的单阶高度、单阶宽度及倾角大小这些因素都会影响人员的移动速度。与此同时，由于地铁车站站内空间有限，所以楼梯设计宽度相较于其他建筑物还是有所限制，人员在上下楼梯过程中时有踩空现象的发生，这也就导致人员在站内楼梯上的运行速度低于平地行走速度。尤其是在发生紧急状况时，人员受心理影响而产生慌乱、大客流量的冲突等都使人员在楼梯上停滞，运动速度大为减慢，进而造成人员在楼梯上的安全性降低。
从人员构成及分布密度的角度来看，人员体质、年龄、性别都会影响其运动速度。女性、体质较弱、年龄较大的人群的运动速度会显著小于男性青壮年。而随着站内人员密度的不断增高，人员的运动速度会有一个迅速降低的过程。常规状态下，进站人员属于较为自由的人群，来源也较为广泛，而出站人员均是以出站为目的，且站内空间较外部环境来说更狭小，所以出站时的人流密度大，人流较为集中。
地铁车站客流高峰时段内，会有大量的人员进出站或者换乘地铁其他列车，此时，地铁车站短时间内进出站人员数量会有大幅度的增加，单位面积楼梯的占用人数也会随之而增加，加速了楼梯的拥堵状况，楼梯位置会聚集大量行走人员，继而导致人员阻塞，最终会降低行人的运动速度。如果地铁车站内人员总量达到了车站人员疏散总量峰值，旅客也就会在楼梯上出现大规模的拥堵，此时人员行动速度缓慢甚至几近于停滞。一旦人员运动停滞，地铁车站如有紧急状况发生，那就必将产生不良后果。
（2）通道。
进出地铁车站人员或换乘人员必须经过的位置就是地铁车站的通道部分。人员在通道内行走，其行走速度主要受以下两方面因素的影响。
一方面，车站下部结构光线较为暗淡且内部空间相对来说有些狭窄，空间利用率较低，人员身在其中，有一定的心理压迫感，人们在较为封闭的空间内的常规运动速度高于在室外环境中的常规运动速度。另外一方面，地铁车站站厅层与地面连接处的坡度会对人员行走速度有一定的影响，人员在站厅或者站场平台直行坡道上的行走速度一般会大于人员在斜向通道的行走速度。
通道部位的人员安全疏散设计，严格来说，在设计阶段都是符合国家规范要求并经论证的。根据设计人员的经验，地铁车站站场及通道并不一定全都是直线形式，部分地铁车站内的结构可以存在一定数量的转角区域，这些通道上的转角区域也会在一定程度上影响人员的安全疏散。发生应急状况后，人员疏散首先要经过通道，通道的坡度、转角区域面积就成为影响人员疏散行为、疏散速度的重要因素。大量相关资料显示，人员的运动速度是随着坡度值的增加而逐渐减小的。常规状态下，只要遇到转角区域，过往人员的速度会随之降低，并且转角区域的角度也在很大程度上影响了人员的运动速度。
（3）闸机。
人员进出站时，需要在检票闸机处停留，一人一卡或一人一票通过验证后才可通行。通常情况下需要乘坐地铁的乘客都是以自由的状态从外部环境抵达闸机，其行走速度和常规的室外运动速度几乎相同。而一旦接近闸机或者售票窗口，人员的运动速度多少会因为有秩序性的排队或者让行他人而受到影响，其运动速度明显有所降低。完成检票进入车站内后，乘客又会根据自己的日常运动状态、步幅大小及频率恢复常规运动速度，并会在短时间内迅速离开人员拥挤阻塞区域。
同样的，需要重点关注人员上下班、假期等高峰时段内地铁车站闸机的通过能力。在高峰时段内，地铁车站闸机口处往往会出现超出平时状态几倍甚至数十倍的人员，该时期人员基本上是以小碎步的形式往前挪移，此时的运动速度是人员在外部环境中运动速度的十几分之一。而且在人员靠近检票闸机前，还会出现排队、停滞及等候的状态，这一状态可能一直持续到检票结束才会有所缓解。当人员完成检票时，通常运动速度会立刻提升，人员会在最短的时间内摆脱拥挤阻塞的状态。(https://www.daowen.com)
（4）自动扶梯。
出于应用层面的考虑，地铁车站自动扶梯的设置是从车站的乘客运输量和车站大小两方面进行综合考虑的。一般情况下将与自动扶梯相关的区域划分为站立等待区域和快步行走区域两种。人员在站立等待区域的行动速度大致与在自动扶梯上的运动速度相同，如果人员有急事或者需要迅速通过该区域，其可以在原有的自动扶梯运动速度的基础上继续进行个人行走加速，此时运动速度会比平时更快。而通常情况下，在站立等待区域，人员还是主要依靠自动扶梯向上或向下运动。
在地铁车站正常运营时，自动扶梯主要还是一种为站内人员上下行提供方便的运输设施，其也在很大程度上提升了地铁车站的集散能力。与楼梯、通道相比较，在机动运行上自动扶梯的表现较差。这主要是因为自动扶梯单方面固定了行人上下的方向，地铁车站内人员只能根据自动扶梯限定的方向进行运动。从设备运行的角度上来讲，既然其运动的方向固定且无法更改，只能从修改自动扶梯运行速度上着手来调整乘客输送量，以此进一步加快地铁车站客流转运速度。
2）不同设施连接处疏散能力计算
现下社会中，地铁出行成为人们日常出行中的首选，其也因为运输量大、速度快而深受公众喜爱。从建造难度上来说，地铁涉及一百多个专业门类，各种不同的专业联系较为紧密。也正是这种多专业混合造成了地铁车站内设备多样、数量众多，相互之间的关系也较为复杂。而且车站内的各项设备之间的连接关系、布置形式会影响地铁车站内人员的运动轨迹和车站内部的疏散能力。通过地铁车站中整体的设备布局，来分析站内设施的疏散能力，就可以发现地铁车站人员疏散路径上的瓶颈，从而进一步提高地铁车站的疏散能力，更加快速地应对随时发生的应急状况。总体来说，地铁车站设施按照功能划分，可以分为乘客通行设施和乘客集散设施这两种类型，如图4.6所示。
在城市地铁车站内乘客的通行设施主要包含扶梯、出入口、闸机、通道这四类，分开来看，它们有自己独有的作用，而联系在一起，就构成一个大的模块。
图4.6 地铁车站设施分类
出入口在地铁车站设计中是独特的存在，作为连接外部场地环境与车站内部结构的重要区域，它的数量、布局、位置、宽度等一系列的条件都是严格遵照地铁车站高峰小时分向计算设计客流量设计的。同时，它是地铁车站人员疏散最后经过的位置，也是最容易发生人员拥挤、踩踏等事故的区域。
扶梯在车站内主要起到承上启下的作用，在地铁车站中主要分为人行楼梯、自动扶梯、垂直升降电梯这三类。对大客流量运输起重要作用的，主要是人行楼梯和自动扶梯，其运载力相较于垂直升降电梯来说较大。垂直升降电梯是运输站内人员的垂直升降设施，在地铁车站中主要体现为无障碍电梯。根据国家相关设计规范，地铁车站每座站台应至少设一部无障碍电梯来联系站台层与站厅层，并且要在站厅层某处出入口设置一部无障碍电梯直达地面。在地铁车站正常运营状态下，内部无障碍电梯既可以搭载内部人员运动，也可以兼作车站内部货运电梯，但是在应急状态下，是不计入人员紧急疏散通道的。
地铁车站中的通道主要用来连接车站中的各个区域，如站场区域与站厅区域等。总体来说，通道根据其设计坡度大小分成斜向坡道和水平通道，在发生应急状况时，乘客的恐慌、焦躁心理最容易产生的区域就位于斜向坡道部分。人员在坡道上的运动速度相对较慢，在此区域处，人员的疏散效率相对较低。
地铁车站中闸机的位置对于人员疏散起着至关重要的作用，跟水阀有着类似的效果，可及时地限制、阻断、控制疏散人流量，调整通过能力，对于疏散客流的连贯性、疏散效率的提高有不可替代的作用。
站厅、站台是地铁车站承载乘客的主要场所，在此两个区域内人流量较大，线路较为复杂。同时，站厅、站台是地铁车站空间结构较为复杂的位置，更容易在应急状态下发生危险事故。所以，在车站人员疏散组织中，站厅、站台的疏散应急预案与管理、人员疏散的控制和研究，都是我们需要关注的重点。
（1）单一设备疏散能力计算。
《铁路车站及枢纽设计规范》（GB 50091—2006）对人员应急疏散通过能力制定了相关详细的标准，同样，在实际中，存在着人员心理、疏散环境等诸多因素的影响，人员应急疏散过程中的实际通过能力与标准设计状态下的通行能力相比存在一定的差异。《地铁设计规范》（GB 50157—2013）对车站各疏散通道的最大疏散通过能力进行了汇总，见表4.1。
表4.1 地铁车站各疏散通道的最大疏散通过能力
地铁车站运营状态下遇到应急突发状况时，人员必须进行紧急疏散，而地铁车站的各项设施的通过能力就直接决定了其应急疏散能力和疏散效率。这里借鉴《地铁设计规范》（GB50157—2013）中关于疏散通道疏散能力的计算公式，参照美国标准《NFPA 130：2010有轨列车及铁路客运体系标准》，总结出了地铁车站设施的相关通过能力计算方法，下面对其进行详细阐述。
①闸机。
闸机作为乘客在通行过程中的通道阻挡装置（通道管理设备），可用于规范人员安全出行并将人流合理地进行分流，其在地铁中的应用以收费检票闸机系统为主。在地铁正常运营时，闸机主要的功能就是实现每次刷卡只通过一人并针对乘客旅途的起始、终止站点进行动态计费。闸机在车站中的应用可减轻工作人员工作量、方便数据采集和实现自动检票。在地铁车站遭遇应急状况时，普遍状况下中控系统会自动控制所有的自动闸机处于开放状态，使得所有人员直接通过，以方便站内人员进行紧急疏散。在我国地铁设计规范中对闸机的类型选择没有明确的限制条件，只是对于人流通过数量进行了说明。地铁车站内发生紧急状况时，闸机会大大影响地铁车站的疏散能力。具体的闸机通过能力计算方法如下。
式中，n为地铁车站内闸机数量，个；F为站内乘客通过站内闸机的运动速率，通常情况下为25人/min；t闸机为每分钟内闸机的开合次数，次。
②楼扶梯。
在地铁车站内如果一旦发生应急状况，电梯就应立刻停止运行，让站内大量人员以步行有组织和有方向性地进行疏散，所以楼扶梯统一按照楼梯来计算通过能力。参考国内外学者对于楼梯运载能力的相关研究，楼梯通过能力具体计算公式如下。
式中，P楼扶梯为地铁车站中楼扶梯人员平均流量，人/（m·s）；B楼扶梯为地铁车站楼扶梯常规宽度，m；b楼扶梯为地铁车站靠墙侧向扶手与墙宽，m；∑（B楼扶梯-b楼扶梯）为可用楼梯宽度总和，m；t疏散为地铁车站人员应急疏散时间，s。
③通道。
地铁车站通道作为承载人员及其流动的重要部位，是一种典型的人行交通设施。它作为一种缓冲空间，导向性较强，可供人、物的大规模移动。它的位置设计直接影响交叠区域的人流运动与输出。通过大量的通道人流量统计，最终的结果分析表明在地铁车站中，人流量高峰时瓶颈会出现在通道处，通道整体的通行能力会略小于与其连接的相关设备的通行能力。这也就显示出了车站进行通道人流量监测的重要性。一旦发生应急突发事件，通道将作为缓冲空间，承载大量人流。总体来看，进行通道人流量的监测与计算尤为重要。具体通道人流量计算公式如下。
式中，P通道为地铁车站通道疏散的人员流量，人/（m·s）；B通道为地铁车站通道宽度（m）；b通道为地铁车站通道内墙宽度或障碍物宽度；t疏散为地铁车站人员应急疏散时间，s。
④站台层、站厅层。
地铁车站的总体布局必须符合城市规划、城市综合交通规划、环境保护和城市景观的相关要求，其设计必须满足客流量要求，并应该保证地铁车站乘客安全、疏导迅速、布置紧凑、便于管理等，同时还要具有完善的通风、照明、卫生和防灾等设施。当地铁车站还在设计阶段时，车站的站台层和站厅层这两个重要部位的通行能力，就应该按照超高峰设计客流量确定，在计算后还必须进行相关方面的校核。对于车站站台层和站厅层，超高峰设计客流量应该为该站预测远期高峰小时客流量或者客流控制期高峰小时客流量乘以1.1～1.4的超高峰系数。总体来说，地铁车站的站台层和站厅层的最大人员容纳能力，主要还是和车站面积、服务等级、车站的容纳系数成正比，具体参照国内外站厅层、站台层最大容纳能力计算方式，如下所示。
式中，C站台为站台层或站厅层的最大容纳能力；S为站台层或站厅层的容纳面积，m2；Plos为站台层或站厅层的服务等级；KS为站台层或站厅层的容纳系数。
⑤进出站口。
对于地铁车站整体结构而言，进出站口是非常重要的位置，同时也是在应急状况下容易发生危险的位置，是人员应急疏散逃生的关键环节。在出入口位置，一旦发生危急状况，容易发生大流量人员拥堵、踩踏事件，此时人员更容易受恐慌心理支配，逃生意念极其强烈，不可控因素更多。参照国内外的相关经验研究公式，给出了综合考虑各方面因素时地铁车站进出站口的通过能力计算公式，具体如下所示。
式中，P进出为地铁车站进出站口人员疏散流量，人/（m·s）；B进出为地铁车站进出站口宽度，m；b进出为疏散计算中要去除的进出站口边界宽度，m；t疏散为地铁车站人员应急疏散时间，s。
（2）不同设施连接处的疏散能力计算。
在地铁车站发生突发事件时，人员会根据自己的具体情况去选择疏散方向，一般在地铁车站中，人员都会选择经过人员通道，在最短的时间内从进出站口处撤离，这也就导致了通道、出口位置的人流量会大量增长。地铁车站一定是满足设计要求，才可以被建造，但是设备的通行能力、连接关系之间的相互限制，就会导致在应急状况发生时，人员在不同设备连接处出现大规模的拥堵、行动缓慢、滞留，甚至有发生大规模踩踏事件的可能，这些都会影响地铁车站的疏散能力和疏散效率。各种设施在不同连接形式下乘客疏散速度不一致，并决定了地铁车站疏散水平。需要对不同情况下地铁车站内部设施、设备的通行能力计算方法开展深入的研究。
整体来说，地铁车站由于具有复杂的空间结构，就会有各种设施之间连接关系的差异，进而会使各部分之间的连接组合方式多种多样。设施的连接组合方式会因为地铁结构的设计而不同。当人员经过各项设施连接处时，部分设施的空间结构就会随之而发生变化，进而人员的运动速率、运动方向等特性会随之而改变。进行不同设施之间连接关系的研究对于探究地铁车站整体设施的通行能力有着极其重要的意义，有利于深入探索地铁车站人员疏散与车站整体设施通行能力之间的联系。从地铁车站整体设施空间位置分布上，将其连接方式分为平面与立体这两种。平面连接是平面之间的不同设施的连接，立体连接就是地铁车站站内空间层面上的楼梯与站台层、站厅层间的连接。
目前已有学者在参考许多相关文献后对地铁车站人员慌乱情况下的大流量人员运动情况进行了分析，并且提出了对地铁车站大流量人员运动产生的事故风险评估方法。根据地铁车站应急状况下人员滞留及运动的相关分析方法，本书对人员在发生危急状况时进行疏散过程中受地铁车站内设施阻塞的情况进行了阐述，参考佟瑞鹏等人提出的拥堵区域滞留人数计算方法，使用微积分计算方法对地铁车站不同设施连接处的疏散能力进行分析，也从侧面考虑了上述平面连接和立体连接这两方面的因素。以下为三种不同结构设施阻塞模型计算方法。
①地铁车站串行结构设施阻塞模型计算。
地铁车站串行结构中的设施通过能力计算可依据设施、设备连接处站内人员的运动、滞留情况进行相关评估。串行结构下地铁车站设施、设备连接处示意图如图4.7所示，具体的人员数量计算公式如下。
图4.7 地铁车站设施串行示意图
式中，Nc1为开始时刻到T时刻到达车站先行设施出口处的人员数量，人；Nc2为开始时刻到T时刻通过车站后行设施入口处的人员数量，人；Ncs为在地铁车站设施串行连接处留滞的人员数量，人；T为地铁车站内人员总体疏散时间，s；T0为地铁车站内人流发生停滞的时间，s；Bc（t）为地铁车站串行连接下后行设施的客流宽度，m；fc（t）为地铁车站串行连接下后行设施的人员流量，人/（m·s）；
）为地铁车站串行连接下先行设施的客流宽度，m
为地铁车站串行连接下先行设施的人员流量，人/（m·s）；
为站内人员阻塞发生前进入后行设施中的人员数量，人；
为站内人员发生阻塞后进入后行设施的人员数量，人。
通过分析公式可知，当Ncs＞0时，代表发生站内人员拥挤阻塞情况，而此时设施连接处的人员疏散能力由后行设施决定；当Ncs=0时，车站设施通过能力达到极限饱和状态，此刻人员的通过能力也就是站内设施的最大疏散能力；当Ncs＜0时，表示设施通行状况良好，站内人员可以迅速穿过串行设施连接处，此时，车站先行设施状态决定了连接处的人员疏散能力。
②地铁车站设施分流结构阻塞模型计算。
人员在地铁车站设施分流结构中的相关疏散情况与在合流结构中的疏散情况完全相反，主要指地铁车站人员在应急疏散状况下分散通过某一个车站设施后选择不同方向疏散路径的情况。这一现象主要归因于地铁车站内疏散环境对于疏散人员的影响，以及人员自身生理、心理学特性所决定的主观运动状态。总体来说，可以根据地铁车站设施连接处的人员滞留情况对分流连接方式下地铁车站设施的疏散能力进行评估与计算。地铁车站设施分流结构示意图如图4.8所示，相关计算公式如下。
图4.8 地铁车站设施分流结构示意图
式中，Nf1为从疏散开始时刻至T时刻抵达先行设施出口处的人员总量，人；Nf2为从疏散开始时刻至T时刻进入后行设施入口处的人员总量，人；Nfs为车站设施分流连接处滞留的人员数量，人；T为地铁车站内人员总体疏散时间，s；T0为地铁车站内人流发生停滞的时间，s；Bfj（t）为分流连接下后行设施中第j条通道的客流宽度，m；ffj（t）为分流连接下后行设施中第j条通道的人员流量，人/（m·s）；
为地铁车站内分流连接下先行设施的客流宽度，m；
为地铁车站内分流连接下先行设施的人员流量，人/（m·s）；
为人员阻塞前进入地铁车站后行设施的人员数量，人
为人员阻塞后进入地铁车站后行设施的人员数量，人。
通过分析上述公式可知，当Nfs＞0时，地铁车站内人员在该分流设施处出现阻塞，运动能力下降，人员聚集于一处，此时站内设施的疏散能力将取决于后行设施；当Nfs=0时，地铁车站该设施连接处的人员疏散能力达到峰值，处于饱和状态，无法继续进行人员疏散；当Nfs＜0时，站内人员可以安全且快速地通过当前分流设施的位置，车站先行设施控制着车站设施连接处的疏散能力。
③地铁车站设施合流结构阻塞模型计算。
合流连接方式中设施的疏散能力可以根据设施连接处的人员滞留状态进行综合分析，其示意图如图4.9所示，相关计算公式如下。
图4.9 地铁车站设施合流结构示意图
式中，Nh1为开始时刻到T时刻到达地铁车站设施各分支通道的人员数量，人；Nh2为开始时刻到T时刻通过后行设施入口的人员数量，人；Nhs为地铁车站设备、设施合流连接部位滞留人员数量，人；T为地铁车站内人员总体疏散时间，s；T0为地铁车站内人流发生停滞的时间，s
为合流模式下先行设施中第i条通道的站内人员流量，人/（m·s）
为车站合流模式下先行设施中第i条分支通道的客流宽度，m；fh（t）为车站合流模式下后行设施的站内人员流量，人/（m·s）；Bh（t）为地铁车站合流模式下后行设施的客流宽度，m；
为地铁车站阻塞前在后行设施内的人员总量，人；
为地铁车站发生阻塞后进入后行设施的人员总数，人。
通过分析上述公式可知，当Nhs＞0时，地铁车站合流设施连接处有人员滞留，设施连接处的人员疏散能力由车站后行设施决定；当Nhs=0时，地铁车站设施通过能力达到极限状态，无法增强，车站人员的通过能力就是此时设备、设施连接处的最大人员疏散能力；当Nhs＜0时，地铁车站站内人员能够快速地通过车站设施的连接处，此时，站内先行设施的状态决定了连接处的人员疏散能力。
5.地铁车站智能应急疏散系统设计
地铁车站内部空间狭小、较为封闭、深埋地下、站内结构复杂等一系列特性决定了其一旦发生应急危险状况，人员疏散行动会比在其他地面建筑内的疏散行动迟缓。受突发事件的不确定性和站内人员非理性疏散行为的相关影响，人员在地铁车站内的相关疏散行为必须得到正确的引导。
地铁车站在正常运营状态下，其应急疏散就是指在突发事件时将内部所有容留人员统一安全疏散至应急安全地带以确保站内人员的安全。在地铁车站突发紧急事件情况下，应该对地铁车站内所有的交通基础设施进行应急疏散管理，不仅包含应急疏散监控系统的实时监控、人员流量统计，还包括疏散结束后过往视频的查看、人员应急疏散路径的相关选择及人员在地铁车站内的疏散管理方法研究。其中，常规状态下的应急疏散方法就体现在人员站内疏散路径的规划上。其可为地铁车站疏散照明指示灯的控制提供相应参考，也是构建智能应急疏散系统的依据，还可为地铁运营单位及政府相关管理部门提供理论参考。
这里讲解的地铁车站智能应急疏散系统以提高站内人员安全疏散效率为设计目标，该系统的逻辑结构自下而上分别为数据源、数据层、数据访问层、调度层、计算模型层和接口层。该系统的逻辑结构图如图4.10所示。
（1）数据源：主要是相关检测设备（视频监控器、人员分布计数装置）采集并上报其数据信息，最终存储于综合数据库中。
（2）数据层：地铁车站智能应急疏散系统内部的属性数据库与后台数据库共同构成地铁车站综合数据库。
（3）数据访问层：系统内部模块通过该层执行数据访问操作，对访问数据进行清理、融合、缓存等。
（4）调度层：启动每一项用户对计算机发出的对应指令，从中央控制器部分协调系统的操作运行过程。
图4.10 系统逻辑结构图
（5）计算模型层：用于支持系统决策的相关计算模型、模块，主要涉及人流量通过能力计算和人员疏散路径规划计算这两方面。
（6）接口层：不仅包含面向用户的应用界面，还包含面向外部系统的网络接口。
下面对地铁车站智能应急疏散系统的具体设计过程及内容进行介绍。
（1）系统总体设计。
总体来说，该地铁车站智能应急疏散系统由前兆性分析与监测模块和人员疏散路径规划模块这两部分构成。系统模块内容如图4.11所示。
①前兆性分析与监测模块：在地铁车站站内监控设备的基础上，用来事先监控相关危险性状况及需要重点关注的人员运动行为，重点关注地铁车站大客流情况下的人员拥挤与阻塞状况，同时，实现站内监控视频的实时查看与视频回放查询，并且可对系统的相关属性进行设置。
图4.11 系统模块内容
②人员疏散路径规划模块：对地铁车站站内人员应急疏散路径进行规划，保证站内人员从所在位置疏散至安全区域的疏散路径最短。在危险发生时，及时控制疏散指示灯等疏散设施，改变人员疏散方向，辅助站内人员安全疏散。
在前兆性分析与监测模块中，其主要功能的实现基于地铁车站站内监控设备。地铁车站站内监控设备的最终反馈结果整体上是对采集的信息进行处理并存入与之对应的系统数据库。系统数据库具有多种多样的构成模式，它们分别有不同的服务模式和结构。现下流行的数据架构有分布式和集中式两种。因为视频数据存储量较大并且实时传输视频的流量较大，这就对系统服务器和相关数据存储设备有较高的要求。与地铁车站监控设备有关的海量数据源主要是由地铁车站监控系统通过线路集中输入中央计算机系统，然后由中央计算机系统关联各项设备与进行决策。在两种主流数据架构中，分布式监控架构是以无线网络为支撑，从而建立的线上数据服务架构。该架构以每一个车站相互独立的控制室为结构核心，其主要载体就是站内的无线网络。
而集中式监控架构对于数据的处理较为方便，使得共享上传的相关视频文件可以很高效地实现一致性。该架构的最大缺陷就是数据会在中央服务器之间来回流动，其造价高昂，同时维护费用也比较高。对比之下，这两种架构在设计与使用方面各有利弊。从控制整体项目成本来说，依照地铁车站的实际情况，可采用分布式监控架构，用以满足各个站点的个性化需求。分布式监控架构在本系统中的应用集中于前兆性分析与监测模块。该模块主要有过往事故数据查询、实时监控查询和监控视频回放这三个功能。在实时监控查询过程中，系统带有人流量超额预警功能。该功能是在对地铁车站固定设施或者其他容易发生拥堵的位置进行监控的过程中，一旦发生人员拥堵或阻塞，系统就会自动报警，提醒站内工作人员注意控制站内人员流量，合理疏散拥堵人群。
本系统在前期用户调研和相关需求分析的基础上开展设计，通过对关键技术的深入研究，对使用到的技术规范进行深入探讨，对系统整体进行设计。该系统的技术路线图如图4.12所示。
图4.12 智能应急疏散系统技术路线图
（2）智能应急疏散系统设计流程。
从地铁车站常规人员疏散需求分析的角度来看，该系统有一定的实施基础，在现实生活中也有应用。但是为了更高效地完成人员疏散，在原本疏散功能的基础上，对地铁车站智能应急疏散系统进行功能的添加，以期获得更加理想的效果，最大限度地缩短人员安全疏散时间。下面从系统网络模式选择、系统界面设计、系统数据库设计和系统功能特点这四个方面进行介绍。
①系统网络模式选择。
现阶段，相关系统的架构有B/S和C/S两种，两者各有利弊。B/S架构基本采用三层模式结构进行构建，大部分功能均在主体客户端实现，较少事务由前端浏览器承接，它的流程就是从服务器访问相关数据库。该架构的缺点在于响应速度及效率有一定限制，对系统服务器的安全稳定性要求极高。C/S架构主要拥有界面优美、逻辑处理功能强大、服务器整体负荷轻这几方面优点，但是其在兼容性和后期维护上存在一定的困难。总体来说，C/S和B/S这两种架构主要视系统相关需求进行选择。其优缺点如表4.2所示。
表4.2 C/S和B/S架构优缺点
因为这里构建的地铁车站智能应急疏散系统需要接驳地铁车站视频监控网络，有一定的保密性要求，还需要使用内部局域网，同时为了提高站内工作人员工作效率，需直接打开用户客户端进行管理操作，而且需要构建的地铁车站智能应急疏散系统作为一款面向对象的操作系统，设计中每个模块之间的继承关系联系紧密，不仅仅只局限于自身模块的固有功能。综合各方面的因素，选择采用C/S架构构建系统，以满足相关的设计需求，在提高使用效果的基础上，确保系统的安全稳定性。
②系统界面设计。
用户操作界面用来实现客户与程序之间的交互，用户通过开发的程序，使用相对应的命令来得到反馈的数据或结果。而与此同时，应用程序通过用户执行的相关命令，获取相应的数据然后进行反馈，从而完成人机交互过程。构建的地铁车站智能应急疏散系统采用C#编程语言基于.NET Framework 4.5.1框架进行开发，应用的Windows窗体是智能客户端技术较为成熟的窗体结构，能给用户更好的使用体验。而且，基于该框架构建的系统，在很大程度上节省了时间及后期的运营成本，同时也便于后期对系统的维护。
用户操作界面应该满足可用性、灵活性、一致性和明确性这四方面的要求。可用性要求系统相关界面设计简单可读，能在第一时间让用户理解其功能及用途。与此同时，可用性要求相关界面不会出现卡死或无法弹出的情况，保障每一个用户执行命令后迅速收到回应。
灵活性体现在界面自适应和交互多样性这两方面。界面自适应为界面可以自动地适应显示端窗口，根据显示器大小主动调节窗口尺寸，用来满足不同用户的需求。对于交互的灵活性而言，必须保证在人机交互过程中，屏幕显示、键盘控制、指令发送等方面操作灵活顺畅。
界面的一致性要求体现在界面的标签、符号、颜色、图标等元素及相关风格上，同时还要求兼顾用户操作习惯，防止与用户常规操作、常规认识相背离的情况发生。
界面设计的明确性要求在整体系统交互过程中，意思表达明确、清晰，没有任何疑义，确保用户可以快速地找到实现其操作的功能位置。与此同时，页面设计还必须保证图形美观、布局正确、功能提示文字表述正确。
③系统数据库设计。
系统数据库是整体设计的基石，必须依据系统相关需求进行构建。在构建过程中，必须满足安全、高效、可拓展这三方面要求。近年来，数据泄露事件时有发生，因此，在设计数据库时，必须考虑建立必要的安全防护，以此来维护数据库的安全。只有设计的数据库对相关访问者的权限做出严格的限制，才能最大限度地防止数据泄露。而数据库的高效性和可拓展性要求，是综合考虑了数据库的高效快速响应和未来维护与更新，以此来保障数据库对于系统的支撑。
地铁车站综合数据库主要包含后台数据库和属性数据库。后台数据库用来存储网络数据集和监控点的监控数据信息，由于视频的存储时间较长，存储的画面尺寸和帧率较大，因此后台数据一般采用云平台存储。属性数据库主要是用SQL Sever数据库管理和存储相关设备信息、用户信息及车站综合信息等。
对于属性数据库，通过其涉及的相关实体之间的联系得出实体-联系图（entity relationship diagram，简称E-R图）。将得出的E-R图经过相关转换，就可以构建地铁车站视频监控数据库。
④系统功能特点。
智能应急疏散系统主要有以下两方面特点。
a.通过监控视频的实时查看，重点监控对地铁车站站内人员安全构成威胁的相关危险性行为，同时可对人员阻塞情况实时进行判断并报警，具备预先判断人员阻塞拥挤的大客流量预警功能。同时还可以对过往视频监控录像进行调取查看，方便地铁车站的管理。
使用相关前端信息采集方式对信息进行采集，是信息采集技术与危险灾害智能判断技术两者结合而成的智能综合信息搜集方式。其中一部分的信息也为地铁车站智能应急疏散系统提供了对应的数据支持，同时最终也会形成与实时数据相关联的基础数据报告。具体来说，前端信息获取框架如图4.13所示。
图4.13 前端信息获取框架
地铁车站内监控视频信息的实时查询、调取与回放主要针对的是人员动态分布状况。智能监控设备信息主要为站内摄像头所采集到的相关信息。其运用动态监控的手段，对车站内部进行全方位监控，同时对站内人员的流向及运动状态进行可视化监测，人员移动至站内任何位置，监控设备都能确定其所在位置。这样视频监控摄像头就可以对站内人员的聚集和阻塞状况进行监控。系统监测到相关位置人员数量超过了人员流量设置阈值时，警告信息会瞬间生成并迅速反馈至智能中控系统，此时站内工作人员就能够根据实时报警状况，引导人员及时疏散。
b.人员疏散路径规划与疏散指示灯结合，实时对人员疏散路径进行变更。实时视频监控系统和多向疏散指引装置相结合，为前端信息系统提供辅助。使用系统封装算法对地铁车站的人员疏散路径进行静态规划，对站内疏散指示灯的闪烁位置进行控制，遇到危险状况时，如果规划的部分路径无法使用，系统会根据实时状况对疏散路径重新进行规划，将现场突发情况实时地通过应急疏散装置传送给疏散人群，引导他们迅速、安全地撤离危险区域。
地铁车站相关管理部门等必须在第一时间迅速了解人员阻塞现场的实时状况、可能发生的危险、人员拥堵位置等。在检测到实时监控视频中有人员阻塞或者拥堵的可能性时，系统会自动发出人流量超额预警，应急指挥人员应快速到达现场，对现场滞留聚集的人员进行疏散分流。
总之，在整个系统的运行过程中，特别关注的是人群流量的动态变化。此处构建的地铁车站智能应急疏散系统的核心在于让站内人员迅速疏散至安全区域。而在疏散过程中人员的小群体性聚集现象基本是必然发生的，因此，在系统规划出人员安全疏散路径后，在动态监控视频中，必须重点关注人流量超额、阻塞及聚集部位的情况，一旦有意外情况发生，要及时引导站内人员进行疏散分流。