随着我国城市化进程的推进和城市轨道交通的快速发展,地铁成为我国各大城市居民出行的重要方式之一。在城市安全形势日趋严峻、灾害事故频发的情况下,地铁系统极易受到多种突发灾害事件的影响。在这一综合背景下,疏散设施的合理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。研究和实践表明,在众多灾害事故中,火灾源头众多,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,使得其在空间封闭、结构狭长、通风照明欠佳且乘客高度聚集的地铁车站内造成的后果尤其严重。国内外地铁设计规范均表明,火灾应是地铁车站设计主要考虑的灾害事故。然而,火灾动态影响下的车站疏散设施系统特征、系统各要素作用机理、优化配置方法等关键问题仍需探索。火灾模拟技术、PH(Phase-type)分布、马尔科夫环境下的排队建模、QBD过程(Quasi-birth-death process)理论和矩阵分析分配算法等技术的支撑,为实现考虑火灾动态影响的地铁车站疏散设施系统优化配置提供了可能。本文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,以客流和设施及其相互之间的作用机理为内因,进行火灾动态环境刻画、随机环境下的PH排队网络建模、动态网络性能分析、设施系统优化配置模型搭建与求解算法设计。具体研究工作包括:(1)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。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,仿真结果显示疏散乘客到达和疏散速度均存在明显的动态性,且离火源越近的区域,疏散速度先增后降的趋势越明显。(2)地铁车站动态疏散排队网络描述。分析火灾影响下的地铁车站疏散设施网络与常规服务设施网络的主要区别,明确疏散设施网络的主要特征。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,并确定动态到达时间间隔和动态服务时间PH分布参数。(3)考虑火灾动态影响下的疏散设施排队网络模型搭建与求解。以马尔科夫环境刻画动态随机的火灾环境,并根据到达和服务的动态变化规律确定随机环境参数。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,弥补现有模型对疏散过程动态性考虑不足的缺陷。改进现有的矩阵分析分配算法,用于求解动态排队模型的条件性能指标。利用理论证明和仿真验证两种方法验证了模型的准确性和通用性。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。改进现有的定点迭代算法求解动态排队网络模型,并利用离散事件仿真对网络模型的准确性进行验证。(4)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。首先,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(设施宽度、设施长度、动态到达率、到达时间间隔变异系数平方和服务时间变异系数平方)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。性能分析表明,本文建立的考虑堵塞反馈的随机环境下的PH/PH(n)/C/C状态相关排队网络模型能够捕捉疏散网络中的“多即是少”(超过一定程度后,到达率增加反而会引起输出率的降低)、堵塞在时间上的传播、堵塞在空间上的传播等重要现象。同时,模型能够捕捉高峰期的后效性,量化高峰期影响大小及其持续时间。(5)考虑火灾动态影响的地铁车站疏散设施系统优化配置。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。为适应堵塞反馈带来的迭代依赖性,改进现有的网络节点优化算法进行优化模型求解。将提出的设计方法与现有规范中的疏散设施设计方法在多种设计场景下进行对比,验证了疏散设施系统配置方法的合理性和必要性。本文成果旨在为地铁车站疏散设施系统优化配置提供理论支撑,同时为疏散管理提供指导。相关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。