艦船人員疏散模擬訓(xùn)練方法研究

于 洋 韓端鋒 華 佳 肖 蕾 薛彥卓

（哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院 哈爾濱150001）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)水平的提高，船舶尺寸日趨大型化，結(jié)構(gòu)形式也變得更加復(fù)雜。艦船一般都承載大量人員。由于疏散路徑復(fù)雜且疏散空間狹窄，一旦發(fā)生如艙室起火、船舶擱淺破壞、生化污染等緊急情況，將嚴(yán)重危及上百甚至上千人的性命［1］。艦船人員疏散模擬訓(xùn)練系統(tǒng)研究是保證人員及時(shí)、安全撤離船舶，提高實(shí)際疏散成功率，減少生命財(cái)產(chǎn)損失的重要方法。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于建筑人員疏散模擬訓(xùn)練方面的研究較深入，已開發(fā)出消防火災(zāi)情況下的人員疏散模擬訓(xùn)練軟件，如上海海潤(rùn)公司開發(fā)的重點(diǎn)目標(biāo)應(yīng)急事件輔助決策與指揮系統(tǒng)、消防典型案例模擬訓(xùn)練系統(tǒng)等。系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)施救與處置事件相關(guān)信息的快速生成、消防知識(shí)的理論培訓(xùn)與考試、典型案例的模擬訓(xùn)練等功能。而艦船疏散方面的研究主要還集中在艦船疏散能力的評(píng)估與人員疏散模型的研究，而對(duì)于艦船人員疏散模擬訓(xùn)練方面的研究還未展開。因此，借鑒建筑方面的寶貴成果，開發(fā)相關(guān)艦船疏散模擬訓(xùn)練系統(tǒng)是非常有必要的。

模擬訓(xùn)練是基于計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)的互動(dòng)式系統(tǒng)，人員疏散模擬訓(xùn)練系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬不同情境下人員疏散的具體過程，為使用者提供一個(gè)模擬災(zāi)難發(fā)生后進(jìn)行指揮決策及逃生自救的數(shù)字化平臺(tái)。艦船人員疏散是一個(gè)同時(shí)具有確定性和隨機(jī)性的復(fù)雜過程，人員屬性、船舶特點(diǎn)和災(zāi)難的發(fā)展三個(gè)因素相互影響，因此在建立模擬訓(xùn)練系統(tǒng)時(shí)要對(duì)這些因素進(jìn)行充分考慮。

1 人員屬性研究

人員作為疏散的主體，在疏散中起主導(dǎo)作用，每個(gè)人員的內(nèi)在屬性都不相同，這些屬性是導(dǎo)致個(gè)體行為差異的關(guān)鍵。因此進(jìn)行艦船人員疏散模型研究時(shí)，必須先對(duì)個(gè)體人員屬性及行為進(jìn)行研究。系統(tǒng)中人員屬性定義如下：

人員屬性={Gender，Age，Size，Speed，Response，Position，Psychology，Environment}

Gender：代表人員的性別；

Age：代表人員的年齡；

Size：人員體型尺寸，其大小與人員性別及年齡有關(guān)；

Speed：人員在每一時(shí)間步長(zhǎng)上移動(dòng)的距離；

Response：反應(yīng)時(shí)間，從緊急情況發(fā)生起到疏散個(gè)體意識(shí)到危險(xiǎn)并開始采取行動(dòng)疏散止所用時(shí)間；

Position：人員的空間位置坐標(biāo)，即表示人員個(gè)體的圓形所占據(jù)的位置；

Psychology：心理素質(zhì)狀況，心理素質(zhì)較好的人員疏散時(shí)表現(xiàn)為理性的獨(dú)立思考行為，心理素質(zhì)差的人員多表現(xiàn)為從眾行為。

Environment：個(gè)體人員所感知到的環(huán)境信息，包括自己所處的空間、出口位置信息、船舶當(dāng)前傾斜角度、前方是否有障礙物等。

人員移動(dòng)速度是疏散模型中體現(xiàn)個(gè)體行為的最基本因素。在緊急情況發(fā)生時(shí)，若無其他因素影響，人員往往以自身最快速度逃往集合站，行進(jìn)速度快的人員將超越比自己行進(jìn)速度慢的人員。研究表明，人員的行進(jìn)速度與個(gè)體人員的年齡及性別有關(guān)，通常青壯年人的移動(dòng)速度要快于老年人和兒童，同等年齡下男性的移動(dòng)速度要普遍快于女性［2］。

人員的反應(yīng)時(shí)間隨年齡而變化，根據(jù)張樹平的調(diào)查研究［3］，超過65歲的老人，在5 min以內(nèi)意識(shí)到緊急情況發(fā)生的概率非常低，而年齡在50歲以下的人群，有近75%的人員都能在5 min內(nèi)做出反應(yīng)。加拿大國(guó)家研究委員會(huì)在報(bào)告中指出人員的火災(zāi)反應(yīng)時(shí)間最快在30 s左右，國(guó)際海事組織指出人員夜間的反應(yīng)時(shí)間要長(zhǎng)于白天，規(guī)定夜間的最大反應(yīng)時(shí)間為 10 min［4］。

2 船舶特點(diǎn)及人員分布

2.1 船舶布置特點(diǎn)

現(xiàn)代船舶種類繁多，船舶結(jié)構(gòu)及布置特點(diǎn)也各不相同。遠(yuǎn)洋客船的排水量一般都在萬噸以上，上層建筑豐滿，有七、八層甲板。上層建筑內(nèi)除居住艙室外，還有供旅客用的餐廳、浴室、漱洗室、診療室等。而軍艦的上層建筑相對(duì)較小，大型艙室多分布于主甲板以下。以美國(guó)“小鷹”號(hào)航母［5］為例，飛行甲板以下分為10層，艦體共有1 200個(gè)各種用途的艙室，首層為飛行甲板，主要分為降落區(qū)、起飛區(qū)和待機(jī)區(qū)；第2層為吊艙甲板，艏部主要布置彈射氣缸和附屬設(shè)備，中部為戰(zhàn)斗值班室、飛行員住艙和食堂，艉部布置有阻攔裝置及其附屬設(shè)備；第3、4層甲板兩舷處設(shè)置了維修人員和雷達(dá)人員的住艙，艏部為錨鏈艙，中部是機(jī)庫大開口，艉部為系纜裝置艙；第5甲板主要是機(jī)庫和附屬艙；第6甲板為飛機(jī)修理場(chǎng)；第7甲板為食堂和生活艙室；第8甲板為士兵居住艙和行政辦公室。第8甲板以下3層主要設(shè)置機(jī)艙、發(fā)電機(jī)艙、彈藥艙和航空燃油艙。底部及舷側(cè)設(shè)有動(dòng)力燃油艙。

2.2 船上人員流動(dòng)特點(diǎn)

研究人員流動(dòng)特點(diǎn)可以為開始疏散時(shí)人員的空間分布提供依據(jù)。通過觀察人員流動(dòng)，發(fā)現(xiàn)如下特點(diǎn)：開船前，乘客陸續(xù)上船并到達(dá)自己的艙室；正常運(yùn)營(yíng)時(shí)，主要流動(dòng)為船上乘客零星走向洗手間和返回自己艙室；用餐時(shí)間，很多乘客幾乎同時(shí)進(jìn)入餐廳，用餐后零星返回自己艙室；下船時(shí)，乘客幾乎同時(shí)離開自己的艙室走向船舶的出口；發(fā)生小故障時(shí)，機(jī)械師單獨(dú)或多個(gè)人組成的機(jī)械師組趕往故障發(fā)生地點(diǎn)進(jìn)行搶修，乘客無明顯活動(dòng)；發(fā)生不可修復(fù)故障時(shí)，乘客幾乎同時(shí)涌向甲板集合站，進(jìn)入救生船或等待救援。

2.3 船舶運(yùn)動(dòng)影響

船舶環(huán)境與陸上建筑不同，正常運(yùn)營(yíng)情況下，通常保持正浮或略有尾傾狀態(tài)；在風(fēng)浪流作用下小幅搖擺；當(dāng)發(fā)生火災(zāi)或艙室破壞進(jìn)水等緊急情況時(shí)，船舶往往無法保持正浮狀態(tài)，而是發(fā)生一定傾斜甚至傾覆。

船舶傾斜會(huì)對(duì)人員行進(jìn)速度產(chǎn)生直接影響。由于傾斜時(shí)地面產(chǎn)生一定的傾角，使得鞋底與地板間摩擦力減小，特別當(dāng)傾角超過20°時(shí)，人員為了保持自身的安全不得不改變行走姿勢(shì)；當(dāng)傾角繼續(xù)加大時(shí)，人員更有滑倒的可能。船舶的傾斜可分為橫向傾斜和縱向傾斜兩種［2］，橫向傾斜狀態(tài)為人員行進(jìn)方向保持水平，但左右有一個(gè)橫向坡度情況；縱向傾斜為人員行進(jìn)方向有一定坡度，但左右方向保持水平。韓國(guó)船舶與海洋工程研究所等權(quán)威機(jī)構(gòu)分別對(duì)這兩種情況進(jìn)行了研究［6］。

3 疏散模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能

根據(jù)現(xiàn)有人員疏散理論模型，結(jié)合船舶具體特點(diǎn)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)編程工具，可以開發(fā)出相應(yīng)狀態(tài)下的艦船人員疏散模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

按照系統(tǒng)的功能，系統(tǒng)應(yīng)該包含數(shù)據(jù)庫、模型庫和知識(shí)庫三個(gè)子系統(tǒng)，如圖1所示。其中數(shù)據(jù)庫用來存儲(chǔ)人員屬性信息、人員位置信息、艙室破壞信息、火災(zāi)發(fā)生位置信息、環(huán)境參數(shù)、集合站的大小及位置信息等，為系統(tǒng)運(yùn)行提供所需要的信息和數(shù)據(jù)。模型庫中包含船舶模型、人員模型、障礙物模型、火災(zāi)發(fā)展模型、艙室進(jìn)水模型、船舶搖擺模型等，是對(duì)模擬情況進(jìn)行建模所使用的數(shù)學(xué)及幾何模型。而知識(shí)庫中則包含人員疏散路徑規(guī)劃、避碰分析、指揮決策、知識(shí)點(diǎn)測(cè)試等，是實(shí)施疏散的決策系統(tǒng)及疏散知識(shí)測(cè)試與能力評(píng)估的支持材料。系統(tǒng)中的三個(gè)子系統(tǒng)都是對(duì)使用者開放的，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要，編輯或更新系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)及信息。

圖1 艦船人員疏散模擬訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 系統(tǒng)功能

艦船人員疏散模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的主要功能有：

（1）預(yù)測(cè)事故影響。對(duì)于特定的事故情景，即給定船舶、事故類型、事故發(fā)生位置、當(dāng)時(shí)的海況，能夠確定事故的發(fā)展趨勢(shì)及影響區(qū)域。

（2）動(dòng)態(tài)顯示事故的進(jìn)展。實(shí)時(shí)顯示每個(gè)逃生人員位置、疏散情況、船舶搖動(dòng)情況、事故發(fā)展情況、通道的暢通度，使用者可以根據(jù)人員的逃生情況，結(jié)合周圍環(huán)境及事故的發(fā)展，確定合理疏散方案及保護(hù)措施。

（3）艦船疏散知識(shí)培訓(xùn)與測(cè)試。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)使用者模擬的角色，完成事故偵查，任務(wù)布置，考核受訓(xùn)人員的典型案例處置流程、戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用情況。

（4）模擬訓(xùn)練。輸入不同參數(shù)，改變船舶疏散情景，可以觀察到事故影響范圍變化情況，制定不同的疏散方案。

（5）訓(xùn)練成績(jī)統(tǒng)計(jì)。根據(jù)疏散知識(shí)測(cè)試結(jié)果、疏散成功率、耗費(fèi)時(shí)間等，對(duì)受訓(xùn)人員完成具體單元訓(xùn)練情況的成績(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

4 模擬與訓(xùn)練方法

艦船人員疏散模擬訓(xùn)練流程如圖2所示。

圖2 艦船人員疏散模擬訓(xùn)練流程圖

4.1 輸入?yún)?shù)

疏散模擬訓(xùn)練系統(tǒng)是針對(duì)特定的事故情景的發(fā)生與發(fā)展，制定合理疏散及應(yīng)對(duì)措施，因此在模擬過程中必須提供給系統(tǒng)一些特定的參數(shù)［7］，這些參數(shù)將直接影響疏散方案的制定。在本系統(tǒng)中需要輸入的參數(shù)有：

（1）船舶參數(shù)。要求選定船舶模型，以確定船舶主尺度、甲板層數(shù)、艙室布置等信息。

（2）地理位置及海況。給定緊急情況發(fā)生時(shí)船舶所在的海域及當(dāng)時(shí)海況。

（3）事故類型。選擇是何種類型事故，包括火災(zāi)、艙室破壞進(jìn)水、化學(xué)品污染。

（4）事故發(fā)生區(qū)域。指定事故發(fā)生在船舶的哪個(gè)位置，初步完成事故偵查。

（5）船舶傾角。指定船舶搖擺規(guī)律或是傾斜角度變化規(guī)律。

（6）封閉通道。由于事故影響，部分通道為封閉狀態(tài)。

（7）時(shí)間參數(shù)。輸入事故發(fā)生日期和時(shí)間。

（8）人員屬性及分布。輸入人員屬性信息，根據(jù)船舶類型及時(shí)間分配人員位置。

以上這些參數(shù)定義了特定的事故情景。

4.2 模擬訓(xùn)練

模擬訓(xùn)練分為五個(gè)單元：

第一單元為正確選擇處置流程的訓(xùn)練。在開展疏散救援行動(dòng)前，根據(jù)事故處置流程，制定疏散救援處置流程方案。圖3表示發(fā)生火災(zāi)時(shí)所選擇的正確處置流程，若順序選擇正確則繼續(xù)，直至完成所有問題的選擇；若選擇錯(cuò)誤則扣除分?jǐn)?shù)并告知正確的處置流程。

圖3 火災(zāi)處置流程

第二單元為事故信息與任務(wù)目標(biāo)。系統(tǒng)顯示事故情況，受訓(xùn)人員可迅速了解事故情況、影響范圍、人員被困等情況，同時(shí)告知受訓(xùn)人員需完成的任務(wù)。

第三單元為疏散仿真模擬。根據(jù)任務(wù)情況，選擇合理的疏散策略，包括疏散路線的選擇、人員避讓、團(tuán)隊(duì)協(xié)作疏散、選擇個(gè)人防護(hù)裝備等。模擬時(shí)要綜合考慮人員屬性、船舶特點(diǎn)和事故發(fā)展三個(gè)因素的相互影響。

第四單元為綜合考評(píng)。考評(píng)分為兩個(gè)部分，即處置流程考核和疏散策略考核，考核將給予分?jǐn)?shù)評(píng)定，同時(shí)給出訓(xùn)練情況的詳細(xì)評(píng)述。

5 結(jié) 論

系統(tǒng)以游戲的方式對(duì)艦船人員疏散情景進(jìn)行模擬，既考慮了人員因素、船舶特點(diǎn)，又考慮到了事故的發(fā)生與發(fā)展。在不同的事故情景下選擇事故處置流程、制定疏散策略、模擬事故的影響范圍，其實(shí)就是一種模擬訓(xùn)練。通過改變輸入?yún)?shù)，便可以模擬不同的疏散情景。

通過艦船人員疏散模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，用戶可以熟悉不同事故情景下的疏散應(yīng)對(duì)策略，進(jìn)而為真實(shí)事故中行為決策提供背景知識(shí)。

［1］廖守衡.客船傾斜狀態(tài)下人員疏散模型的研究［D］.大連：大連海事大學(xué).2010.

［2］MSC.1/Circ.1238，Guidelines for evacuation analysis for new and existing passenger ships［S］.London：IMO，2007.

［3］張樹平.建筑火災(zāi)中人的行為反應(yīng)研究［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2004.

［4］PROULX G，NEIL R.TONIKIAN R，et al.Egress times from single family houses［J］.National Research Council Canada，2006.

［5］張廣磊.大型艦船艙室劃分與布置研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué).2010.

［6］IMO.Passengershipsafetytimedependentsurvivalprobability of a damaged passenger ship［C］//Sub-committee on Stability and Load Lines and on Fishing Vessels Safety，London：［s.n.］，2006.

［7］楊玉勝.基于大氣擴(kuò)散模型的危險(xiǎn)化學(xué)品事故疏散模擬訓(xùn)練方法［J］.武警學(xué)院學(xué)報(bào).2009，25（2）：51-53.