基于多傳感器耦合的客船應(yīng)急疏散系統(tǒng)研究

馬全黨，劉 森，蘇 昂，譚恒濤，謝 娜

（武漢理工大學(xué) 航運學(xué)院，武漢430063）

客船旅游業(yè)是一個擁有著巨大發(fā)展?jié)摿Φ男屡d產(chǎn)業(yè)，市場占有量逐年遞增，遠高于國際旅游業(yè)的整體發(fā)展水平。但近年來，由于客船事故頻發(fā)[1]，給行業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的阻礙作用。2014年4月16日，韓國“歲月號”客輪沉沒，由于船上工作人員的錯誤引導(dǎo)，船上乘客未能及時逃生，造成了294人死亡、172人受傷的嚴重后果，在國際社會上造成了巨大的消極影響。

經(jīng)過對近幾年多起水上交通事故的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場秩序、人員心理和外界引導(dǎo)是應(yīng)急疏散的關(guān)鍵因素[2]?，F(xiàn)階段能否面對突發(fā)情況給予乘客正確的疏散引導(dǎo)，防止二次事故的發(fā)生，提高應(yīng)急疏散效率，成為提高客船安全性與應(yīng)急能力重要問題。

1 客船應(yīng)急疏散系統(tǒng)研究

近年來，國內(nèi)外學(xué)者均對疏散裝置進行了相關(guān)研究，主要有光閃爍系統(tǒng)、動態(tài)指示系統(tǒng)和消防疏散系統(tǒng)[3]。目前，動態(tài)疏散作為研究熱點被廣泛研究，但現(xiàn)有的疏散裝置無法做到實質(zhì)上的動態(tài)指引，其響應(yīng)速度和適用性尚待提升。幾種疏散裝置的特點及其優(yōu)缺點見表1。

表1 疏散裝置方法及比較Tab.1 Evacuation devices methods and comparison

文中基于客船應(yīng)急疏散的研究現(xiàn)狀，針對客船應(yīng)對突發(fā)情況應(yīng)急能力不足，難以保證船上人員疏散秩序和效率的現(xiàn)狀，設(shè)計了一種基于多傳感器耦合的客船應(yīng)急疏散系統(tǒng)。信息采集模塊通過慣性傳感器、攝像頭實時監(jiān)測船體空間姿態(tài)和通道內(nèi)部通行狀態(tài)，并連接消防系統(tǒng)監(jiān)測通道內(nèi)煙、火態(tài)勢；改進當量長度描述疏散通道通行難度，擬合客船疏散網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點設(shè)計應(yīng)急疏散單元，基于圖論思想對客船疏散網(wǎng)絡(luò)進行模塊化分區(qū)，針對局部節(jié)點進行實時疏散引導(dǎo)。系統(tǒng)的具體工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理Fig.1 System working principle

在此基礎(chǔ)上，選取典型客船作為實驗船舶，構(gòu)建疏散網(wǎng)絡(luò)簡化模型，進行模塊化分區(qū)，設(shè)置船舶姿態(tài)參數(shù)與通道障礙因素，基于Visual Studio開發(fā)平臺進行系統(tǒng)效果仿真試驗，以驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與實際疏散效果。

2 疏散通道通行狀態(tài)監(jiān)測

2.1 多傳感器耦合的疏散通道信息監(jiān)測

文中將船上的消防系統(tǒng)與視頻監(jiān)控模塊、船舶傾斜角度監(jiān)測模塊有機結(jié)合，綜合檢測多種影響因素，實時監(jiān)測疏散通道信息。

2.1.1 消防聯(lián)合火勢監(jiān)測

船舶發(fā)生火災(zāi)事故時，易產(chǎn)生大量的有毒有害氣體，不僅降低疏散通道能見度，還嚴重威脅船上人員的生命安全。因此，船舶火災(zāi)監(jiān)測是保障后續(xù)火災(zāi)處理及疏散人群的關(guān)鍵，實時監(jiān)測火災(zāi)勢態(tài)信息在引導(dǎo)乘客疏散的過程中具有重要意義。事故發(fā)生時，船上消防系統(tǒng)通過感煙火災(zāi)探測器 （型號HIS07）、感溫火災(zāi)探測器（型號SHT10）以及感光火災(zāi)探測器 （型號TSL2561）監(jiān)測不同位置處的光強度、煙霧和溫度等信息，通過A/D轉(zhuǎn)換器將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并傳送到中央控制器進行處理。

2.1.2 船體姿態(tài)感知與監(jiān)測

針對船舶姿態(tài)檢測，文中采用具有斜角傳感器與陀螺儀的GY9250-MPU9250姿態(tài)傳感器捕捉船體傾斜姿態(tài)，并實時輸入至單片機處理器，為判斷疏散通道的通行難度提供數(shù)據(jù)支持。為了保證判斷的精準性，在艏、舯、艉3個區(qū)域的中線面上分別安裝1個姿態(tài)傳感器，且船體傾角通過2個傳感器綜合分析得出。根據(jù)實際應(yīng)用要求，盡可能采取2種傳感器的優(yōu)點，將載體的運動速度作為判別依據(jù)，以更好地實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合。

當測量系統(tǒng)單獨運行時，為了給預(yù)測模型數(shù)據(jù)提供一定的數(shù)據(jù)支撐，系統(tǒng)將通過采集傳感器的數(shù)據(jù)直接進行誤差補償，以輸出姿態(tài)角度。船體因碰撞擠壓而變形所導(dǎo)致安裝的傳感器位置扭曲、安裝位置松動、被人員或貨物碰觸等情況下，船舶沒有傾斜但個別傳感器卻捕捉到傾角，錯誤判斷船舶姿態(tài)。采用多個傳感器互相配合工作，就可以有效地避免這一誤判。姿態(tài)傳感器工作原理如圖2所示。

圖2 姿態(tài)傳感器工作原理Fig.2 Attitude sensor working principle

2.1.3 通行狀態(tài)監(jiān)控反饋

通過在通道和交通節(jié)點等處布置一定數(shù)量的紅外攝像頭，可實時監(jiān)測通道內(nèi)的通行狀態(tài)。文中采用“背景前景差分法”對監(jiān)控中出現(xiàn)的運動物體進行監(jiān)測，即在監(jiān)控視頻中的相鄰兩幀畫面，通過比較畫面中對應(yīng)區(qū)域，對明顯差異部分進行數(shù)量識別和位置標注，并作為視頻中檢測得到的運動物體。同時，考慮到船上的主要運動監(jiān)控對象是乘客人群，故有必要在識別算法中標注一定的相對輪廓面積，以進一步提高識別的準確性。

文中還采用經(jīng)人工標注的樣本訓(xùn)練過的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，利用監(jiān)控對象的區(qū)域特征和監(jiān)控對象的實際個數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，對監(jiān)控對象種類和數(shù)量進行較為準確的計算機自動識別，從而計算得出該處的人群密度，實時監(jiān)測通道內(nèi)通行狀態(tài)，進行信息反饋修正。

2.2 改進當量長度模型

由于客船工作環(huán)境特殊，影響因素較多，文中典型的通行障礙因素包括船體傾斜、人群擁堵及火災(zāi)。

當客船船體傾斜時，傾斜角度的大小往往會影響人群的移動速度[4]，具體如下：

當通道內(nèi)人群密度到達一定程度時，極易發(fā)生擁堵、停滯，使人群移動速度下降[4]，其函數(shù)表達為

v=-0.052μ3+0.396μ2-1.074μ+1.311 （6）式中：μ為通道內(nèi)人群密度，基于紅外攝像頭捕捉。

減光系數(shù)對人員速度的影響系數(shù)[5]為

式中：Kc為減光系數(shù)，1/m。

CO對人員速度的影響系數(shù)[6]為

式中：ρCO為CO的體積分數(shù)，%；t為人接觸CO的時間。f2（ρCO）=0時表示人員出現(xiàn)生命危險，通道禁行。

文獻[7]認為煙氣溫度對人員速度的影響系數(shù)為

式中：Ts為火場溫度；v0為初始移動速度。

采用改進的當量長度來描述通道通行難度的大小，具體為

式中：Li為任一通道當量長度；Lij為任一通道實際長度。

3 模塊化疏散指示

3.1 模塊化疏散引導(dǎo)

結(jié)合圖論思想，將客船的疏散網(wǎng)絡(luò)簡化成通道結(jié)構(gòu)圖，同時以通道節(jié)點為基本單元將客船通道結(jié)構(gòu)圖進行模塊化分區(qū)，將整個船舶的疏散網(wǎng)絡(luò)分割為相接的模塊，引入當量長度描述通道通行難度大小，實時監(jiān)測節(jié)點處通道狀態(tài)進行分級顯示并指示當前推薦路線，對船上各區(qū)域人員實行分區(qū)逐步疏散引導(dǎo)。

在人員應(yīng)急疏過程中，當人員到達任一節(jié)點時，系統(tǒng)由信息采集模塊評估節(jié)點附近的火災(zāi)態(tài)勢、擁擠程度和船舶姿態(tài)等因素對通道安全的影響，分別計算整合該節(jié)點處各通道當量長度，并指示推薦方向；當人員到達下一節(jié)點時，重復(fù)此程序；以此類推，人員每到一節(jié)點，系統(tǒng)將基于實際情況進行指示，直至疏散人員到達安全區(qū)域。具體疏散流程如圖3所示。

圖3 疏散流程Fig.3 Evacuation flow chart

為避免各模塊獨立工作、缺乏溝通從而導(dǎo)致提供的最優(yōu)路徑局部安全而整體危險，系統(tǒng)設(shè)計了中央控制器，以進行整體調(diào)控，且系統(tǒng)在節(jié)點處的通道選擇過程中必須遵循以下2個原則：

避險原則避開前方有危險因素無法通行的通道；

最優(yōu)原則選擇當前滿足避險原則的當量長度最小的通道。

以典型客船為例，將客船通道結(jié)構(gòu)簡化為圖4模型（可以拓展到任意數(shù)量的房間和通道），模擬船上人員緊急疏散流程。當客船遭遇突發(fā)情況需要進行應(yīng)急疏散時，船上人員陸續(xù)從房間內(nèi)進入通道，到達推薦最近節(jié)點。以（3.1）為例，可在疏散裝置的引導(dǎo)下到達下一節(jié)點 （3.3），該點有3條通道可選擇，分別通往節(jié)點（3.2），（3.4），（3.5）。 其中，至（3.2）存在危險因素，至（3.4）及（3.5）通道安全，但（3.5）通往下一個唯一節(jié)點（3.7）存在危險因素，則當前推薦路線指向（3.4）；以此類推，直到人員到達救生艇所在點。

圖4 客船結(jié)構(gòu)簡化模型Fig.4 Simplified model of passenger ship structure

3.2 多元分級指示

基于以上研究，文中提出了一種智能疏散單元，該單元由疏散誘導(dǎo)屏、語音播報器和變向指示燈聯(lián)動構(gòu)建而成（如圖5所示），布設(shè)于船內(nèi)交通節(jié)點并輻射周圍幾個通道，與逃生路徑中的節(jié)點對應(yīng)，顯示各通道內(nèi)的通行狀態(tài)并在各節(jié)點指示出推薦路線。

圖5 疏散單元工作原理Fig.5 Working principle of evacuation unit

疏散誘導(dǎo)屏為LED顯示屏，用于顯示疏散通道的實時路況，布設(shè)在各節(jié)點通道路口，面向不同方向的4個顯示屏可全方位地向乘客指示逃生路徑。LED點陣指示燈可排列成綠、黃、紅等3種圖標：綠色圖標指示安全通暢的通道；黃色圖標指示有阻礙因素或擁堵的通道；紅色圖標指示無法通行的通道。該疏散誘導(dǎo)屏可實時顯示該節(jié)點區(qū)域內(nèi)通道的通行情況，有效安撫人員的恐慌心理，保證人群的疏散秩序和效率。

變向指示燈由處理器、路由器、指示燈、應(yīng)急電源組成。路由器接收各通道實時信息，處理器控制指示燈的箭頭指向及分級指示屏的顯示。當危險情況發(fā)生時，變向指示燈根據(jù)實時接收到的信息變換箭頭，指向安全通道，與疏散誘導(dǎo)屏有機聯(lián)動。

語音播報器安裝在疏散誘導(dǎo)屏、變向指示燈和通道高處，可在危急時刻提示乘客最優(yōu)路徑，在安撫人群恐慌心理的同時為無法獲取視覺指示信息的乘客提供引導(dǎo)。

在人群緊急逃生的情況下，疏散誘導(dǎo)屏實時顯示通道內(nèi)的通行情況，變向指示燈以箭頭的形式指向系統(tǒng)判定的最佳逃生方向，兩者相互配合，合理分配疏散通道，再結(jié)合語音播報器的協(xié)同工作，為船上人員實時提供安全可靠的逃生途徑，最大化提高逃生效率。各部分裝置布設(shè)如圖6所示。

圖6 疏散單元裝置的布設(shè)Fig.6 Evacuation unit device layout

4 系統(tǒng)效果仿真驗證

選取一艘典型中型客船作為實驗船型?；谠摯唧w參數(shù)，簡化船上疏散網(wǎng)絡(luò)，建立點—線路徑模型，模擬設(shè)置一小傾角，并在通道上布設(shè)若干障礙因素，進行仿真試驗分析。

采用Visual Studio對系統(tǒng)的疏散逃生效果進行分析，選擇實驗船舶第3層為典型案例對該層人員分布和移動進行網(wǎng)格化建模分析。所選用實驗船舶的具體參數(shù)如下：

上層建筑長79 m，寬15.5 m；橫向走廊寬1.5 m，縱向走廊寬1.5 m，中廳為12 m×16 m，在通道中設(shè)置若干危險因素與障礙因素；設(shè)置各房間為4 m×7 m，三等艙每個房間4人，二等艙每個房間3人，人員所占網(wǎng)格面積為0.5 m×0.5 m。人員的移動均視為橫向—縱向移動，移動過程中所占網(wǎng)格不重疊。初始狀態(tài)如圖7所示。

基于仿真結(jié)果及過程的分析，優(yōu)化算法結(jié)構(gòu)并調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，最終仿真疏散過程如圖8所示。

圖7 仿真初始狀態(tài)Fig.7 Simulation initial state

圖8 各區(qū)域人數(shù)變化趨勢Fig.8 Trends in the number of people in each region

疏散開始8.8～32.2 s，房間內(nèi)人員分批依次跑出，進入橫向—縱向通道；在約37.6 s，橫向通道出現(xiàn)明顯人群擁堵滯留，進入縱向通道的人明顯減小，系統(tǒng)自動進行局部引導(dǎo)和資源調(diào)控，約77.2 s人群擁堵得到了較好的疏通引導(dǎo)，后續(xù)人員疏散逐漸趨于平緩，人群整體的疏散過程穩(wěn)定有序的進行；452.7 s時，左側(cè)人員全部疏散完畢，約461.6 s時右側(cè)人員全部疏散，隨即排隊準備登艇。最終疏散效果如圖9所示。

圖9 逃生人數(shù)變化趨勢Fig.9 Trends in the number of escape students

從仿真試驗開始到人員全部疏散完畢，共用時461.6 s，考慮到船上人員的個體差異及相互之間的影響，取25%的時間富余量，即船上人員疏散過程所需時間為576.25 s。此外，再加上系統(tǒng)的反應(yīng)以及啟動的時間2 min和救生艇釋放所需時間8 min，從檢測到事故發(fā)生，到該層人員全部疏散撤離至安全范圍共需20 min，與現(xiàn)階段的研究成果及演習疏散的效率相比（見表2），明顯提高了客船人員應(yīng)急疏散的效率。

表2 系統(tǒng)仿真疏散效果對比Tab.2 Comparison of system simulation evacuation effect

5 結(jié)語

利用多傳感器信息耦合和視頻監(jiān)控反饋技術(shù)實時監(jiān)測疏散通道的通行狀態(tài)，基于圖論思想簡化客船疏散網(wǎng)絡(luò)并進行模塊化處理，改進當量長度模型優(yōu)化節(jié)點路徑評估選擇，對船上人員進行實時動態(tài)疏散引導(dǎo)。在Visual Studio開發(fā)平臺上搭建仿真模型進行疏散模擬試驗，試驗結(jié)果證明該系統(tǒng)可有效保證船上人員疏散秩序并進行局部疏散資源調(diào)控，可以顯著提高客船人員應(yīng)急疏散效率并防止二次事故的發(fā)生，有力地保障船上人員的生命安全。針對客船應(yīng)急疏散所提出的全新模塊化疏散理念，對于提高客船應(yīng)急能力和安全性具有重要的參考意義。所設(shè)計的系統(tǒng)可有效消除客船事故帶給民眾的心理陰影，提高業(yè)界與相關(guān)人員的安全意識，促進客船旅游業(yè)的健康發(fā)展。