人員撤離仿真及其在船舶設(shè)計中的應(yīng)用

顏瓅俞赟

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011）

0 引 言

在現(xiàn)代船舶設(shè)計制造領(lǐng)域中，船舶的安全性是一個受到長期關(guān)注的問題，在緊急情況下確保船上人員及時撤離是其中的最后一個環(huán)節(jié)，較好的方法是在船舶總體設(shè)計階段進(jìn)行撤離分析驗(yàn)證。2007年10月海安會通函MSC/Circ.1238《新客船和現(xiàn)有客船撤離分析指南》（下文簡稱規(guī)范）為分析驗(yàn)證提供了指導(dǎo)。規(guī)范提供了兩種不同的分析方法［1］:一種稱為簡化撤離分析，是目前在船舶設(shè)計生產(chǎn)中常用的方法；另一種稱為高級撤離分析，是基于人員撤離仿真的。本文將對人員撤離仿真的概念、原理、特點(diǎn)和在船舶設(shè)計中的應(yīng)用作簡單介紹。

1 人員撤離仿真

仿真又稱模擬，指為了研究現(xiàn)實(shí)中的系統(tǒng)，在計算機(jī)中建立該系統(tǒng)的仿真模型，然后運(yùn)行模型，根據(jù)運(yùn)行結(jié)果獲取現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的相關(guān)知識。

1.1 概況

人員撤離仿真相關(guān)研究起源于建筑行業(yè)，自20世紀(jì)80年代起至今已經(jīng)有了較深入的發(fā)展。有多種數(shù)學(xué)模型可以描述撤離過程，根據(jù)對人員細(xì)節(jié)描述程度不同主要可分為宏觀模型和微觀模型。宏觀模型認(rèn)為行人的運(yùn)動行為類似于氣體或液體的流動，包括博弈理論、決策理論和傳播模型等［2］。宏觀模型的優(yōu)點(diǎn)是理論難度較小、建模簡單、計算量較??；缺點(diǎn)是丟失了一部分環(huán)境幾何信息，并忽略了人與人之間的差異。微觀模型把行人視為相互作用的粒子，包括社會力模型、排隊網(wǎng)絡(luò)模型和元胞自動機(jī)模型等。微觀模型的優(yōu)點(diǎn)是對每個人的特性、位置和運(yùn)動有單獨(dú)的描述，有效提升了仿真的可信度；缺點(diǎn)是計算量比較大、計算耗時比較長［3，4］。 但是，隨著計算機(jī)硬件技術(shù)的高速發(fā)展，微觀模型的缺點(diǎn)正被逐步克服。

根據(jù)不同的數(shù)學(xué)模型，國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)了數(shù)十種不同類型的軟件工具。其中有些軟件工具已經(jīng)比較成熟，例如STEPS等，可作為分析人員撤離過程分析的較好平臺。隨著工具的發(fā)展，人員撤離仿真在建筑行業(yè)的應(yīng)用已較廣泛，可以對商場、劇院、高層建筑、地鐵站、機(jī)場等建筑的安全性能作出評估。但其在船舶行業(yè)應(yīng)用相對較少，我國則剛剛起步［5-7］。

本文使用STEPS（SimulationofTransientEvacuation and Pedestrian Movements）軟件開展人員撤離分析，該軟件由美國Mott MacDonald公司開發(fā)，專門用于模擬建筑物中人員在正常情況或緊急情況下的移動過程。STEPS提供了較為友好的界面，用戶可直觀的建立三維模型，并通過對話框設(shè)置相關(guān)對象的仿真屬性；軟件還提供了豐富的參數(shù)設(shè)置，允許用戶對條件、概率、采樣曲線等做深入的定制。

1.2 元胞自動機(jī)模型

STEPS所使用的數(shù)學(xué)模型為元胞自動機(jī)（Cellular Automata）模型。該模型將艙室或通道劃分為大小一致的網(wǎng)格，每個人可占據(jù)一個單元格。人員移動的主要規(guī)則是:所有元胞的狀態(tài)同時發(fā)生變化；某個元胞在t+1時刻的狀態(tài)由其自身及其相鄰的元胞在t時刻的狀態(tài)共同決定。一個典型的房間模型如圖1所示。

圖1 元胞自動機(jī)模型中的房間模型示意圖

模型為每個單元格都計算了距離出口的數(shù)值，出口本身數(shù)值為0，距離越遠(yuǎn)數(shù)值越高。左側(cè)有一個L形的障礙物，數(shù)值為-1。仿真開始后，人員可以朝前后左右或四個斜角方向移動，任意單元格中的人員只要不斷朝數(shù)值更低的相鄰的單元格移動，最終都可以到達(dá)出口。

1.3 撤離分析方法比較

簡化撤離分析基本過程為:繪制撤離及水力網(wǎng)絡(luò)原理圖，給各個通道編號并計算其面積，然后獲取各處人員數(shù)量，進(jìn)而計算人員流量、流速和流動時間，最后得到人員到達(dá)集合站所需的總時間。

規(guī)范將高級撤離分析描述為:模擬以計算機(jī)為基礎(chǔ)，把每一個乘員作為一個個體，將船舶布局并顯示乘員與布局之間的相互作用詳細(xì)顯示出來。由此可見，高級撤離分析在本質(zhì)上是基于微觀仿真模型的，其基本過程包括三個環(huán)節(jié):建立仿真模型、運(yùn)行仿真模型和分析仿真結(jié)果。

而簡化撤離分析有些類似于宏觀仿真模型，它簡化了一些幾何信息，并將人群視為流體。但是人群并不符合動量和能量守恒原理，人和人之間也有較明顯的差別［8］，這與流體不同。這些只有在高級撤離分析中才能得以體現(xiàn)。因此，高級撤離分析的結(jié)果更接近真實(shí)情況。

2 應(yīng)用實(shí)例

以某教學(xué)船為例，進(jìn)行人員應(yīng)急疏散分析。下頁圖2為該教學(xué)船居住艙室分布圖。

2.1 概況

某教學(xué)船以散貨船為基礎(chǔ)，另為實(shí)現(xiàn)教學(xué)實(shí)習(xí)的功能，增設(shè)了教室、教師辦公室以及教師和學(xué)生住艙等艙室，需滿足特種船舶相關(guān)規(guī)范要求。除原有散貨船船員外，另增加教師與學(xué)生168人。由于人數(shù)較多、總布置較復(fù)雜，人員撤離過程可能存在不確定因素，有必要對本船的總撤離時間進(jìn)行計算。

為保證船舶的安全性，本船的集合站/救生設(shè)備有三處，分別位于6甲板左舷、6甲板右舷和9甲板尾部，對應(yīng)三種不同的撤離路線。

根據(jù)規(guī)范，總撤離時間=最長撤離用時+安全余量+登乘和下水用時。本船總撤離時間必須小于60 min，規(guī)范指定了安全余量、登乘和下水用時，最長撤離用時則由仿真計算來獲得。具體方法是:在軟件中把人員從艙室出發(fā)、經(jīng)過通道/樓梯、最終到達(dá)集合站的過程模擬出來，并記錄所需的時間。多次重復(fù)上述試驗(yàn)，取耗時最長的一次作為最長撤離用時。

2.2 仿真建模

2.2.1 環(huán)境模型

首先為人員撤離所經(jīng)艙室、通道、樓梯和集合站建立網(wǎng)格模型，將艙壁、阻擋物視為邊界和障礙；然后建立出口的模型，包括門和樓梯-地面連接處，并設(shè)置相關(guān)屬性；最后為了加強(qiáng)可視化效果，為環(huán)境中的實(shí)體建立幾何外形。

表1 年齡組和行走速度

2.2.2 人員模型

根據(jù)規(guī)范和本船的定員情況設(shè)置人數(shù)和年齡組，后者會對人的行走速度產(chǎn)生影響。如表1所示。

特定人口組的速度符合以該組平均速度為均值的正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)差取最大速度與最小速度差的1/6。

2.2.3 工況模型

根據(jù)本船的實(shí)際情況，人員在白天撤離和夜晚撤離的初始位置有所不同:人員主要分布在4～9甲板。在白天，一部分船員在工作崗位，一部分船員在住艙，教師和學(xué)生大多在教室，少量教師在辦公室；在夜晚，船員的情況與白天基本相同，而所有教師和學(xué)生全部在住艙。

用3種撤離路線與規(guī)范要求的4種工況，一共組合出12種工況，根據(jù)規(guī)范需要對每個工況進(jìn)行5次仿真。建模完畢后運(yùn)行仿真，用戶可以看到船上人員從住艙撤離到集合站的全過程，軟件提供的可視化效果如圖3。

2.3 仿真結(jié)果

在仿真運(yùn)行時記錄各個時刻到達(dá)集合站的人數(shù)，就可以得到撤離時間。以夜晚、全部樓梯可用、9甲板撤離的工況為例，撤離時間如表2。

表2 某工況撤離時間

其中最長的時間出現(xiàn)在第5次試驗(yàn)，為14′48″秒，撤離情況的曲線如圖4。

圖中的4條曲線代表到達(dá)4個集合站的人數(shù)隨時間的變化。當(dāng)曲線升到頂部時，表示該集合站滿員了。

通過觀察仿真場景可知，本工況的擁擠點(diǎn)出現(xiàn)在8甲板外走道到9甲板外走道的樓梯前，人員由從6、7、8甲板撤離的學(xué)生構(gòu)成。擁擠人數(shù)較少，持續(xù)時間較短，左右舷側(cè)皆有。如圖5所示。

通過60次仿真試驗(yàn)得到的結(jié)果表明，所有工況下人員撤離都可以在規(guī)范要求的時間內(nèi)完成，并有一定余量。表明本船符合規(guī)范中的人員撤離要求。

2.4 現(xiàn)象分析

下面對在仿真過程中出現(xiàn)了一些特殊現(xiàn)象進(jìn)行分析:

（1）從9甲板撤離時，1號和4號救生艇（集合站）總是較快裝滿。

分析原因后認(rèn)為:4艘救生艇依次排列在船尾部，1號和4號救生艇更靠近舷側(cè)外走道，這使得從外走道撤離的人員總是首先登上這兩艘救生艇，導(dǎo)致它們更快地裝滿。

建議在撤離時，可以將1號和4號救生艇編為一組，2號和3號救生艇編為一組。

（2）從9甲板撤離時，在甲板中央的樓梯間不可用的情況下，總撤離時間反而較短。

已有的研究表明，在緊急情況下的人員常常會選擇離自己最近出口撤離［9，10］。這可使局部撤離時間最短，但未必會使全局撤離時間最短。

一些艙室的出口靠近中央的樓梯間，從這些房間撤離的人員有時會首先進(jìn)入樓梯間，到達(dá)9甲板后，再從樓梯間出來，經(jīng)外走道到達(dá)救生艇。這樣造成了繞路，撤離時間稍有延長。當(dāng)中央的樓梯不可用時，這部分繞路的現(xiàn)象就消失了。雖然外走道的樓梯人流有所加大，但總的撤離時間反而較短，見圖6。因此，建議事先約定，從尾部緊急撤離時盡量不走中央的樓梯。

為本船建立基本仿真模型約需兩周，為某一工況修改模型、運(yùn)行仿真并分析結(jié)果約需一天。未來隨著建模流程的優(yōu)化，所需時間將有所減少。

3 結(jié) 論

人員疏散仿真在船舶領(lǐng)域是一種新興的方法，利用其開展的人員撤離分析，可獲得更接近真實(shí)的結(jié)果，并發(fā)掘出深層的現(xiàn)象，為輔助船舶設(shè)計、提升船舶安全性能提供支持。

［1］海安會通函規(guī)范.新客船和現(xiàn)有客船撤離分析指南［S］.海上人命安全公約，2007.

［2］劉茂，王振.行人和疏散動力學(xué)研究現(xiàn)狀及進(jìn)展［J］.安全與環(huán)境學(xué)報.2006，6 （7）:121-125.

［3］黃希發(fā)，王科俊，郭蓮英，等.一種運(yùn)動學(xué)形式的人員疏散仿真微觀模型研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報.2008，20（21）:5791-5794.

［4］湛永松，盧兆明.計算機(jī)輔助大規(guī)模人群疏散平臺［J］.計算機(jī)工程.2008，34:77-79.

［5］張冬東，崔曉星.客輪火災(zāi)人群疏散的現(xiàn)狀研究及進(jìn)展［J］.科技信息.2007，12:232-235.

［6］陳淼.艦船通達(dá)性仿真評估系統(tǒng)初步研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2009.

［7］肖海松.艦船人員疏散仿真初步研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2010.

［8］孟俊仙，周淑秋，饒敏.大型建筑內(nèi)人員疏散計算機(jī)仿真研究評述［J］.計算機(jī)應(yīng)用與軟件.2008，25（3）:159-161.

［9］何大治.建筑火災(zāi)疏散三維仿真研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2007.

［10］于彥飛.人員疏散的多作用力元胞自動機(jī)模型研究［D］.鎮(zhèn)江:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008.