考虑火灾动态影响的地铁车站疏散设施系统优化配置理论与方法

The Optimal configuration of emergency evacuation facilities is not only the key and foundation to guarantee the safe operation of metro station under disaster conditions, but also the golden opportunity that can’t be missed when large-scale metro station is being planned and designed in China currently. Research and practice shows the dynamic effect of fire is the main factor that should be considered to optimal configuration, but because the research work on the mechanism of interaction among the various elements of the evacuation system under fire condition, measurement of the evacuation performance and optimal configuration of facility systems are all inadequate, the theory and method of optimal configuration remain to be explored. Therefore, this proposal focus on: 1. Establish regression equations of the state of evacuation passenger flow and fire parameters to quantify the dynamic impact that fire on passenger flow when evacuating based on the fire test, field fire drill, simulation experiment and fuzzy rule etc. 2. Establish an equivalent Phase-type queuing network model that can accurately reflect the characteristics of randomness and state dependence to reveal the mechanism of evacuation facilities and the passenger flow based on the PH distribution fitting techniques, QBD theory, EMC technology, simulation technology and so on. 3. Improve measurement method of the emergency evacuation to reflect the vulnerability of the system that dynamic affected by fire based on index of quantity, the perturbation analysis and so on. 4. Build optimal configuration model and algorithm to implement the response to the dynamic influence of fire based on robust optimization, SS-IAGA hybrid algorithm and so on. The expected results will provide theoretical support for optimization of planning and configuration of emergency evacuation facilities in metro station.

疏散设施优化配置是保障地铁车站在灾害条件下运营安全的基础，也是当前地铁大规模规划与设计黄金期不可错过的机遇。研究和实践表明火灾应是主要考虑外因，但火灾动态影响下疏散系统内外各要素作用机理、疏散性能衡量、优化配置方法等关键问题仍需探索。因此，课题研究：1、基于火灾实验、疏散演习、仿真模拟、前景理论和模糊规则等，量化揭示火灾对疏散客流状态的动态影响；2、基于位相分布拟合、拟生灭过程理论、嵌入式马尔科夫技术等，建立能反映随机性、状态相关性的等效位相型排队网络模型，以揭示疏散客流与疏散设施间作用机理；3、基于排队网络数量指标及其性能势和摄动分析技术等，完善和量化包含系统脆弱性指标在内的疏散性能指标体系，以体现火灾对疏散性能的影响；4、基于多目标鲁棒优化方法和分散搜索&自适应改进遗传混合算法，构建和求解优化配置模型，以实现配置对火灾动态影响的响应。预期成果可为地铁车站疏散设施配置提供理论支撑。

疏散设施优化配置是保障地铁车站在灾害条件下实现迅速疏散、降低生命财产损失的基础和关键,也是当前地铁大规模规划与设计黄金期不可错过的机遇。研究和实践表明，火灾发生可能性远高于其他灾害。同时，火灾影响的持续性和动态性使其在地铁车站内造成的后果尤其严重。然而，火灾动态影响下疏散系统内外各要素作用机理、疏散性能衡量、优化配置方法等关键问题仍需探索。因此，本项目从排队网络的视角出发，以疏散乘客和地铁车站疏散设施组成的系统为研究对象，以火灾动态影响为外因，完成了以下研究：1、根据设计原则确定设计火灾场景，进而利用火灾模拟软件 FDS 模拟一般深埋岛式地铁车站在设计火灾场景下的火灾发展与疏散过程，由仿真结果揭示火灾影响下的地铁车站疏散乘客到达和服务的动态特性；2、将火灾动态影响下的地铁车站主要疏散设施与疏散乘客抽象为具有一般随机性、状态相关性和动态性的混联排队网络，以马尔科夫环境刻画动态随机的火灾环境，搭建随机环境下的PH/PH(n)/C/C状态相关动态节点排队模型。在节点疏散模型的基础上，利用PH排队网络理论，并考虑网络堵塞的动态反馈效应，搭建刻画车站完整疏散过程的随机环境下的PH/PH(n)/C/C 状态相关排队网络模型，并验证了模型的准确性和通用性；3、基于三类基本拓扑网络结构(串联、合并和分离)分析随机环境下疏散网络的动态性能以及网络主要参数对网络动态性能的影响。然后，基于实际车站疏散设施网络，进行火灾影响下的车站疏散网络性能分析。利用建立的随机环境下的PH/PH(n)/C/C状态相关排队网络模型进行疏散网络性能分析，体现火灾对疏散性能的影响；4、以疏散设施网络建设成本最小为目标，以车站疏散网络在时间和空间上的安全性和疏散效率为约束，搭建疏散设施网络优化模型，弥补现有疏散设施设计方法对客流到达和服务的随机性、状态相关性、动态性、设施系统性和动态堵塞反馈效应考虑不足的缺陷，考虑火灾动态影响的地铁车站疏散设施系统优化配置。以上研究开辟和拓展了在火灾影响下PH分布及排队网络分析等技术在城市轨道交通领域的崭新应用，为城市轨道交通车站疏散设施系统优化配置提供了理论支撑，也为疏散管理提供了指导。相关研究成果也适用于其他多种公共建筑内(如综合交通枢纽、医院等)的疏散设施网络的评价与规划设计。