Experimental Study on Pedestrian Behavior and Traffic Capacity of Cross Passage in Highway Tunnel
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(2) 西 南 交 通 大 学 学 报 第51 卷 earliest individuals to enter the cross passage,the latest individuals will reduce their walking speeds by 40% - 50% in average. In addition,the width of the cross passage determines the layer numbers of pedestrians across the passage. With the passage width increasing,pedestrians walking speed and passage traffic capacity both increase;specifically,every 0. 1 m increase in the width of cross passage. 616. can bring an increase of 12. 3 - 13. 5 persons per minute in the traffic capacity. Under low illumination. , conditions,and pedestrians thus should pay more attention to enhance their selfprotection. Key words:highway tunnel;cross passage;pedestrian behavior;traffic capacity 疏 散 通 道 的 设 置 ,应 能 够 保 证 人 员 在 火 灾 达 到 视 频 采 集 系 统 由 终 端 电 脑 、摄 像 头 、交 换 机 、数 据 线 危 险 状 态 之 前 全 部 疏 散 到 安 全 区 域 ,这 也 是 国 际 上 及 电 源 线 等 配 件组成 便于观察整个疏散场景 , .为 提倡的建筑物性能化防火设计方法的基本思 利 用 长 钢 管 作 支撑 ,水泥桶做支座 ,分别在横通道 [ ] 想. 横 通 道是公路隧道重要的疏散避难设施之 出 口 、入 口 和 隧 道 一 侧 高 度 为6 m 的3 处 安 装 摄 像 .摄 . 像 系 统 布 置 如 图2 所 示 一 ,我国《公路隧道交通工程设计规范》(JTG / 头 2004 )要 TD71 — 求双洞上下分离的公路隧道之间 应设置避难设施 ,其中行人横洞基本间距为 最 大 不 超 过500 m[],上 述 设置距离没有给 250 m, 出 相 应 的 设 计 依 据 ,疏 散 通 道 通 行 能 力 是 设 计 疏 散 . 通 道 距 离 、开 口 尺 寸 的 基 础 现阶段疏散通道人员疏散行为及通行能力的 研 究 ,主 要 集 中 在一般建筑物的疏散门 、瓶颈通道 1 横 通 道 人 员 疏 散 实 验 平 台 [ ] 等 方 面 ,但 针 对公路隧道横向通道人员通行能 Fig. 1 图 The schematic diagram of the experimental platform for the cross passage evacuation 力 及 行 为的研究相对较少[]. 本文通过建立实验 平 台 ,进 行 公 路 隧 道 横 通 道 人 员 疏 散 行 为 及 通 行 能 力 研 究 ,为 公 路 隧 道 疏 散 通 道 的 合 理 设 置 及 人 员 疏 散 诱 导 提 供 依 据 . conditions the traffic capacity of cross passage is about 15% lower than that in good illumination. 1. 2. 36. 7. 1 . 实验平台及工况. 实验平台 隧 道 现 场 条 件 的 限 制 ,在 实 体 隧 道 开 展 人 员 受 疏 散 比 较 困 难 ,本 文 根 据 公 路 隧 道 横 通 道 结 构 形 式 和 环 境 条 件 ,通 过建立馆外试验平台的方法 ,模拟 人 员 通 过 横 通 道 的 疏 散 行 为 验 平 台 包 括 人 员 疏 .实 散 围 挡 结 构 、视 频 图 像 采 集 系 统 及 相 应 的 人 员 疏 散 轨 迹 分 析 软 件 ,如 图1 所 示 . (1)疏 散 围 挡 结 构 为 便 于 疏 散通道结构拼装 、移动和组合 ,疏散 横 通 道 结 构 采 用 单 个 围 挡 结 构 拼 装 组 合 实 现 个 .每 围 档结构长3 m、高2 m,采用彩钢和钢架拼装而 成 ,结构下面安装滑轮 ,方便移动 围挡结构之 .各 间 ,采 用 铁 丝 固 定和胶带平整 ,形成整体的疏散横 通 道 结 构 . (2)视 频 图 像 采 集 系 统 . 通 过 视 频 录 像 实 现 人 员 疏 散 行 为 的 数 据 采 集. 1. 1 . 图摄 像 系 统 布 置. 2 Fig. 2 Arrangement of the camera system. (3)疏 散 轨 迹 分 析 软 件 为 精 确 分 析 人 员 疏 散 行 为 ,开 发 了 隧 道 人 员 疏 散 轨 迹 分 析 软 件1. 0. 利 用该软件可通过屏幕坐标 捕 获 疏 散 人 员 的实际位置 ,按帧播放视频或暂停 , 划定人员疏散实验区域 ,实现人员位置标定等 功 能 . 视 频 疏 散 轨 迹 分 析 的 关 键 是 ,利 用 人 员 在 视 频 .受 图 像 中 的 位 置 计 算 人 员 在 真 实 场 景 中 的 位 置 拍 摄 角 度 和 距 离 的 影 响 ,视 频 图 像 内 的 实 验 观 察 区 将 变 形 或 拉 伸 ,本 文利用线性变换方法 ,将视频坐标 转 化 为 真 实 空 间 坐 标 ..
(3) 第4 期 张玉春,等:公路隧道横通道人员疏散行为及通行能力实验研究 617 视 频 图 像 与 实 际 区 域 的 对 应 关 系 如 图3 所示 , 通 疏 散 模 式 下 只 考 虑 环 境 光 线 较 好 的 工 况 . 视 频图像观察区中各点A (x ,y )、B (x ,y )、 验结果及分析 应 实 际 观 察 区 各 点A′(X , 2 实 C (x , y )和 D(x , y )对 中 : 图4 为 横 向 通 道 人 员 疏 散 实 验 示 意 图 Y )、B′(X , Y )、 C′(X 、 Y )和 D′ (X ,Y ). 其 . x、 y为 屏幕坐标 ,X、Y 为实际坐标 ,两者的关系满 [ , ] 足 以 下 映 射 关 系: L X +L Y+L , (1) x= - L X + L Y +1 L X +L Y+L , (2) y= - L X + L Y +1 式 中 :L ~ L 为 转 换 系 数 . 1. 3. 3. 4. 1. 2. 1. 2. 2. 4. 2. 1. 3. 3. 4. 4. 6 8. 1. 2. 7. 8. 4. 5. 7. 1. 3. 6. 8. 8. . . 图横 向 通 道 人 员 疏 散 实 验. . 4 Fig. 4 The cross passage evacuation experiment. . 人员行走速度 因 在 低 照 度 条 件 下 ,摄 像 系 统 很 难 准 确 分 辨 每 个 人 员 的 行 走 速 度 ,本 文 只 关 注 环 境 光 线 较 好 条 件 下 普 通 情况和紧急情况的不同人员行走速度 ,如 图5 所 . 示. 2. 1 . . . . . . . . 图视 频 图 像 与 实 际 区 域 的 对 应 关 系. 3 Fig. 3 Corresponding relations between the video image and the actual area. . 实验工况 受 保 障 人 员 安 全 和 环 境 条 件 的 限 制 ,一 般 很 难 真 实 模 拟 人 员 在 灾 害 情 况 下 的 紧 急 疏 散 过 程 拟 .模 疏 散 往 往 受 到 行 走 方 式 和 环 境 条 件 的 影 响 ,本 文 通 过 设 置 不 同 人 员 行 走 方 式 、照 明 条 件 来 分 析 不 同 工 . 况 条 件 下 的 人 员 疏 散 行 为 和 横 通 道 通 行 能 力 (1)实 验 人 员 ,年龄在17 ~ 实 验 参与者为学生 ,人数60 人 (a)紧 急 情 况 之 间 ,身高在150 ~ 185 cm 之间 ,平均年龄和 24 岁 平 均 身 高 分 别 为22 岁 和169. 6 cm. (2)行 走 模 式 实验人员行走模式分为正常情况下行走和紧 紧急情况下 ,人员以最快的方式 急 情 况 下 行 走 .在 行 走 ,行 走 速 度 较 快 ,甚 至 奔 跑 ,相 关 特 征 参 数 波 动 较 大 ,横通道长度设置为15 m. 在正常情况下 ,人 员 行 走 速 度 较 慢 ,通 道 长 度 设 置 为5 m. (3)照 明 条 件 馆外疏散实验很难精确控制实验环境的照明 (b)普 通 情 况 条 件 ,而 公 路 隧 道 中 间 段 的 基 本 照 明 条 件 一 般 小 于 图5 不 同 情 况 下 人 员 行 走 速 度 Fig. 5 Pedestrian walking speeds 分析不同照明条件对人员疏散的影响 , 40 Lux. 为 in different situations 利 用 照 度 计 实 时 监 控 环 境 照 明 变 化 ,并 在 紧 急 疏 散 图5 可 知 ,人员到达横通道口后逐渐积聚 , 模 式 下 ,考 虑 环 境 光 线 较好(照度大于250 Lux)和 由 员 在 横 通 道 内 的 速 度 依 先 后 到 达 顺 序 降 低 ,但 速 40 Lux)两 .普 人 低 照 度 条 件 下 (照 度 小 于 种 模 拟 工 况 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 2 . . . . . . . . . . . .
(4) 西 南 交 通 大 学 学 报 第51 卷 度 降 低 的 幅 度 逐渐减少 紧急情况下 ,大约通过 2. 2 人员行走间隔时间 .在 后 ,人 员 速 度 降 低 为2. 25 ~ 2. 75 m / s,速 人 员 行 走 间隔时间指连续两个行人之间进入 30 ~ 45 人 度 平 均降低40% ~ 50% ;在普通情况下 离 开 通 道 的 时 间差值[]. 实验表明 ,约通过 或 ,在横通道疏 后 ,人员行走速度降低为0. 50 ~ 散 实 验 中 ,刚 开 始 进 入 和 最 后 几 个 离 开 疏 散 通 道 的 10 ~ 15 人 .刚 开 始 到 达 横 通 道 口 处 的 人 员 行 走 间 隔 时 间 较 大 0. 65 m / s. 横通道宽度对人员行走速度的影响如 人 员 较 少 ,横 通 道口畅通 ,人员间隔时间主要由人 图6 所 示 紧 急 情况下 ,行人平均行走速度随着 员 自 身 的速度决定 ,随着到达横通道口人数的增 .在 横 通 道 宽 度 的 增 大 而 逐 渐 增 大 ,在 宽 度 由1. 6 m 增 多 ,通 道 通 行 能 力低于到达通道口的人数 ,通道口 生 拥 塞 ,这 时 人员的出口 、入口间隔时间变化不 增 幅明显 ;在普通情况下 ,由于本身 发 大 至1. 8 m 时 ,趋 于 稳 定 的 随机分布 行 走 速 度 较 小 ,随着横通道宽度的增加 ,平均行走 大 .而 最后几个离开横通道 速 度 变 化 不 大 ,但 横 通 道 宽 度从1. 6 m 变为1. 8 m 的 人 员 ,由 于 缺 乏竞争 ,人员行走间隔时间会出现 .分 . 时 ,行 人 行 走 速 度 均 有 一 定 的 增 幅 析 表 明 :通 道 个 示 别 增 大 ,如 图8 所 内 每 层 行 人 层 数 的 宽 度 约为0. 6 m. 当横通道宽度 ,通 道 内 可 允 许 的 人 员 层 数 为2 ~ 3 层 , 为1. 6 m 时 这 时 横 通 道 横 向 方 向 较 为 拥 挤 ,限 制 了 行 走 速 度 ;当 横 通 道 宽 度 变 为1. 8 m 时 ,通 道 内 可 容 纳 的人员层 数 为3 层 ,人 员 在 横 向 宽 度 方 向 的 拥 挤 程 度 减 小 ,行 走 速 度 增 加 ,图7 为 不 同 横 通 道 宽度下行人层数示 . 意 图 618. 9. . . . . . . . . . . . . . .
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(6). 图8 . . . . . . . . . . . . . 图6 不 同 宽 度 横 通 道 人 员 平 均 行 走 速 度 Fig. 6 Average walking speeds for different widths of the cross passage. .
(7) . . . . 宽 横 通 道 的 人 员 行 走 间 隔 时 间. 2m Fig. 8 Pedestrian timeinterval in cross passage of 2. 0 m width. 分 析 出 口 和 入 口 人 员 行 走 间 隔 时 间 ,由 于 人 员 行 走 状 态 的 不 同 ,普 通 情 况 下 的 人 员 行 走 间 隔 时 间 普 遍 高 于 紧 急 情况下的人员行走间隔时间 ,同时 , 由 于 横 通 道 口 入 口 的 拥 塞 特 性 ,入 口 处 的 人 员 密 度 较 大 ,入 口 的 人 员 间 隔 时 间 小 于 出 口 的 的 人 员 间 隔 时 间 ,如 图9 所 示 . .
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(15). . . . . . . . . . . . 图9 不 同 疏 散 情 况 下 的 出 口 和 入 口 间 隔 时 间 . Fig. 9 Time interval between entrance and exit in different evacuation scenarios. . 图不 同 横 通 道 宽 度 下 行 人 层 数 示 意. 7 Fig. 7 Histograms of pedestrian arrays under different widths of the cross passage. 2. 3 . 疏散横通道通过能力 横 向 疏 散 通道的通过能力是指单位时间内通.
(16) 第4 期 张玉春,等:公路隧道横通道人员疏散行为及通行能力实验研究 619 化 ,并 且 指 出 必 须 有 新 的 人 员 层 数 增 加 才 能 使 通 过 横 通 道 的 人 数 不同横通道宽度紧急情 变 .图 10 为 通 过 能 力 有 较 大 的 增 加 图10 可 知 ,横 道 献[5 ]进行了瓶颈处 况 和 普 通 情 况 下 的 人 员 通 过 能 力 .由 .文 通 道 人 员 疏 散 通行能力随着横通道宽度的增加而 人 员 疏 散 实 验 ,对 人 群 流 量 和 瓶 颈 宽 度 之 间 的 线 性 增 加 ,横通道宽度每增加0. 1 m,通行通力增加约 增 长 模 式 进 行 了 验 证 ,但 实 验 中 的 瓶 颈 宽 度 范 围 仅 12. 3 ~ 13. 5 人 / min;相 . 对于普通情况 ,由于行走速 在0. 8 ~ 1. 2 m 之 间 度 更 快 ,紧 急 情 况 下 的 人 员 通 行 能 力 增 加 更 多 本 次 实 验 通 道 宽 度 更 宽 ,同 时 考 虑 了 照 明 条 件 . 分析紧急情况不同照明条件下的人员通行能 的 影 响 ,研 究 表 明 ,本次实验与国内外相关实验结 力 ,在 低 照 度 条 件下 ,人员需集中注意力辨识疏散 果 具 有 一 定 的 线 性 一 致 性 ,人 员 通 行 能 力 都 随 着 通 通 道 结 构 以 及 进 行 黑 暗 中 的 自 我 保 护 ,光 线 较 差 条 道 宽 度 的 增 加 而增加 ,但在普通情况下 ,由于本次 件 下 的 行 走 速 度明显低于光线较好条件下的行走 人 员 行 走 状 况 较 自 由 ,造 成 人 员 通 行 能 力 较 低 . 速 度 ,导 致 横 通 道 比 光 线 好 时 的 人 员 通 行 能 力 平 均 降 低15% ,但总体上高于普通情况下光线好时的 通 行 能 力 . . .
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(24) . . . . . . 图 不 同 横 通 道 宽 度 下 的 通 过 能 力. 10 Fig. 10 Traffic capacity of cross passage of different widths. 对比国内外不同狭窄通道通行能力实验及实 验 数据[, ],如图11 []和图12 所示 献 [13] . 文 的 观 测 结 果 表明 ,当人员密度约为1. 8 人/ m 时通 道 的 通 过 能 力 最 大 ;文献[14 ]的实验研究得出通 道 通 过 能 力 在1. 2 ~ 1. 6 m / s 之间 ,当人员密度约 为7. 0 人/ m 时 最 大 献[34 ]研究认为通道处 . 文 通 过 能 力 受 拉 链 效 应 的 影 响 ,随 通 道 宽 度 呈 阶 梯 型 5 1016. . 5. . 2. 图11 国 内 外 不 同 狭 窄 通 道 通 行 能 力 实 验 场 景 示 意 Fig. 11 Schematics of experimental scenarios in different experiments about the traffic capacity of narrow passage at home and abroad. 2. . . . .
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(32) . . . . . . . . . . . . . !. 图 不 同 横 通 道 通 行 能 力 实 验 分 析. 12 Fig. 12 Comparison of the traffic capacity in different experiments.
(33) 西 南 交 通 大 学 学 报. 620. 第51 卷. bottlenecks[C]∥Pedestrian and Evacuation Dynamics. 实验限制 London:CMS Press,2003 :89100. 本 次 人 员 疏 散 实 验 中 ,疏 散 的 实 验 人 员 主 要 在 SEYFRIED A,PASSON O,STEFFEN B,et al. New 为 成 年 大 学 生 ,相对于老年 、中年以及小孩等人群 [5] insights into pedestrian flow through bottlenecks[J]. 其 逃 生 能 力 较 强 ,奔跑速度较快 ,不存在强烈的推 Transportation Science,2009 ,43 (3 ):395406. 挤 行 为 .因 此 ,疏 散 通 道 内 的 人 员 疏 散 速 度 更 快 ,横 [6] 宋卫国,于彦飞,陈涛. 出口条件对人员疏散的影响 通 道 通 过 能 力 更 大 . 及 其 分 析 [J]. 火 灾 科 学 ,2003,12(2):100104.. 2. 4 . 3 . 结 论. 论 文 通 过 搭建公路隧道横通道人员疏散实验 平 台 ,自 主研发视频图像的人员疏散轨迹分析软 件 ,进 行 了 公 路 隧 道 人 员 疏 散 行 为 及 通 行 能 力 实 验 研 究 ,得 出 以 下 结 论 : (1)分 析 隧 道两侧大量人员向横通道口疏散 时 的 通 道 内 行 走 速 度 ,按 照 人 员 到 达 横 通 道 口 的 先 后 顺 序 ,人 员 在 通道内的行走速度依次降低 ,降低 的 幅 度 逐 渐 减 少 . (2)受 通 道 口 拥 塞 特 性 的 影 响 ,横 通 道 入 口 处 的 人 员 密 度 较 高 ,出口处人员密度较低 ,对应的横 通 道 入口的人员间隔时间小于出口的人员间隔 时 间 . (3)横 通 道 人员疏散通行能力随着横通道宽 度 的 增 加 而 增 加 ,在 低 照 度 条 件 下 ,由 于 光 线 较 差 , 人 员 需 更 加 集 中注意力辨识通道结构和进行自我 保 护 ,横 通 道 人 员 通 行 能 力 明 显 低 于 光 线 好 条 件 下 的 通 行 能 力 . 参考文献: . [1] HARADA K,. TAKEICHI. N. ,. SEKIZAWA. A.. Performance evaluation methods for evacuation safety. [] Tokyo:Nihon,2000 :212. and for structual fire resistance C ∥ Proc. 3rd. Int. Conf. on PBC and FSD. 223.. [7] NILSSON D, JOHANSSON M, FRANTZICH H. Evacuation experiment in a road tunnel: a study of human behavior and technical installations [J ]. Fire Safety Journal. 44 (4 ),2009 ,458468. [8] 冯文灏 景摄影测量[M ]. 武汉 :武汉大学出版 . 近 社 ,2002:141157. . 建 [9] 田 伟 筑 瓶 颈处人员运动行为特性参数的提取与 肥 :中 国 科 学 技 术 大 学 ,2011. 研 究 [D]. 合 [10] KRETZ T,GRUNEBOHM A,SCHRECKENBERG M. Experimental study of pedestrian flow through a. []. bottleneck J .. Journal of. Statistical. Mechanics. :. E. ,. , ( ):220. V, KULIGOWSKI. Theory and Experiment 2006 6. [11] GWYNNE. S. KRATCHMAN J. M. , et. al.. D. Questioning the linear. relationship between doorway width and achievable flow. []. , ,:. rate J . Fire Safety Journal 2009 44 8087.. [12] NELSON H E,MOWRER F W. SFPE handbook of fire protection engineering:emergency movement[M]. [S. l. ]:National Fire Protection Association,2002: 367.. [13] WEIDMANN U. Transporttechnik der Fubganger[R]. ETH Zurich:Schriftenreihe des IVT 90 ,1993. [14] PREDTECHENSKII V M,MILINSKII A I. Planing for foot traffic flow in buildings[M]. New Dehli:Amerind Publishing,1978 :7985. [15] MLLER K. Zur Gestaltung und Bemessung von Fluchtwegen für die Evakuierung von Personen aus Bauwerken aufder Grundlage von Modellversuchen. . JTGD70 公 [2] 重庆交通科研设计院 路隧道设计规范 [D]. Magdeburg:TechnischeHochschule,1981. [S]. 重 庆 :[s. n. ],2004. [16] NAGAI R, FUKAMACHI M, NAGATANI T. [3] HOOGENDOORN S P, DAAMEN W. Pedestrian Evacuation of crawlers and walkers from corridor behavior at bottlenecks[J]. Transportation Science, through an exit[J]. Physica A:Statistical Mechanics 2005 ,39 (2 ):147 159. and its Applications,2006 ,367 (15 ):449460. [4] HOOGENDOORN S P,DAAMEN W,BOVY P H L. Microscopic pedestrian traffic data collection and (中文编辑:秦萍玲 英文编辑:兰俊思) analysis by walking experiments: behaviour at.
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