基于steering技術(shù)的客船人員疏散仿真及驗(yàn)證

趙靖普 馬會(huì) 肖云凡

摘 要：以steering技術(shù)為基礎(chǔ)，使用Pathfinder建立客船人員疏散仿真模型，利用“SAFEGUARD”項(xiàng)目中驗(yàn)證數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證。由于“SAFEGUARD”項(xiàng)目中人員年齡、速度、路徑等參數(shù)未知，基于合理假設(shè)條件和參數(shù)設(shè)置，對(duì)模型中人員疏散路徑以及疏散時(shí)間進(jìn)行仿真測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行適用性驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文建立的疏散模型符合IMO相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可為客船艙室設(shè)計(jì)以及疏散方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供支持。

關(guān)鍵詞：客船人員疏散;steering;仿真建模;適用性驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：U695.1? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）04-0082-03

1引言

如今，航運(yùn)業(yè)的發(fā)展導(dǎo)致新建的船舶走向大型化，載客量也隨之變大?，F(xiàn)代客船往往可以承載數(shù)千人，雖然涉及大型客船的事故很少發(fā)生，但一旦發(fā)生事故，其后果也是災(zāi)難性的。由于客船結(jié)構(gòu)特殊，考慮到人員安全及隱私等方面因素，對(duì)客船進(jìn)行疏散演習(xí)以獲得乘客及船員的行為數(shù)據(jù)較為困難。因此，計(jì)算機(jī)仿真成為研究客船人員疏散的較好選擇。

對(duì)于疏散模型研究，通常將模型分為宏觀和微觀模型2種，宏觀模型利用流體力學(xué)模型將人員看作水流，忽略個(gè)人之間的相互影響，無(wú)法模擬個(gè)體之間的特殊性以及復(fù)雜疏散行為。微觀模型注重人群中個(gè)人之間的相互作用及影響，主要以元胞自動(dòng)機(jī)模型[1]和社會(huì)力模型[2]為代表。

在現(xiàn)有的客船人員疏散模型中，英國(guó)格林威治大學(xué)消防安全工程組[3]對(duì)泰晤士河上一艘游輪進(jìn)行疏散實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)而建立了基于元胞自動(dòng)機(jī)的復(fù)雜疏散模型，該模型下人員運(yùn)動(dòng)由數(shù)十個(gè)指標(biāo)綜合決定，但為了簡(jiǎn)化仿真計(jì)算過(guò)程，其疏散模型只是將各個(gè)客艙劃分為面積較大的正方形網(wǎng)格，使得仿真結(jié)果與真實(shí)結(jié)果相差相對(duì)較大;Balakhontceva[4]將風(fēng)向、波高等因素引入疏散模型，以社會(huì)力模型為基礎(chǔ)，建立了基于Multi-Agent技術(shù)的人員疏散模型，并對(duì)其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，其疏散模型準(zhǔn)確度高，但計(jì)算復(fù)雜，所需硬件要求高且計(jì)算速度慢。

基于此，本文基于pathfinder平臺(tái)，建立了基于steering技術(shù)的疏散模型，并運(yùn)用“SAFEGUARD”項(xiàng)目中驗(yàn)證數(shù)據(jù)，依據(jù)IMO客船人員疏散指南MSC.1/Circ 1533[8]，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證

2基于steering技術(shù)的客船人員疏散模型

Steering技術(shù)是由Craig[5]于1999年提出的關(guān)于游戲中人員行為的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)模型。該模型盡最大可能的模擬真實(shí)情況下的人類行動(dòng)。該模型將人員分為兩種狀態(tài)，閑置狀態(tài)和尋路狀態(tài)，閑置狀態(tài)即人員由于某些原因靜止不動(dòng)，尋路狀態(tài)指人員試圖遵循某條路徑到達(dá)目的地。

當(dāng)人員沿著他們的路徑移動(dòng)時(shí)，他們計(jì)算出修正的最大速度，其取決于乘員的當(dāng)前地形、用戶指定的最大速度以及周圍人員的間距。具體公式如下：

是用戶輸入的最大速度，是用戶中定義的最小速度因子（默認(rèn)值= 0.15），D是當(dāng)前房間中的人員密度。

對(duì)于人員速度的方向，在閑置狀態(tài)和人員速度的情況下，以人員正前方為起始方向，間隔45°，共8個(gè)方向， 使得人員得以在各個(gè)方向上移動(dòng);若人員速度，以人員規(guī)劃路徑的切線方向?yàn)槠鹗挤较颍?5°為間隔，左右任一側(cè)各75°，選取人員9個(gè)方向。通過(guò)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)近似計(jì)算，得出最終速度方向。

在閑置狀態(tài)下，權(quán)重計(jì)算公式如下：

在尋路狀態(tài)下，權(quán)重計(jì)算公式如下：

在Pathfinder中，路徑規(guī)劃由A*算法確定，人員行動(dòng)由Steering技術(shù)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)Multi-Agent技術(shù)進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)。

3客船人員疏散仿真實(shí)驗(yàn)

本文使用SAFEGUARD項(xiàng)目[6][7]中SGVDS1[10]作為模型仿真及驗(yàn)證對(duì)象。SGVDS2是美國(guó)皇家加勒比郵輪公司的一艘名為“海洋珠寶”號(hào)的大型郵輪，該船船長(zhǎng)293.25m，船寬32.2m，乘客定員3360人，共12層甲板，包括客艙、餐廳、酒吧、劇院、賭場(chǎng)、健身房等各種設(shè)施，船艙設(shè)計(jì)復(fù)雜，該郵輪共有4個(gè)集合站，40架樓梯。如圖1所示，集合站A、B、C分別位于該船四層甲板的尾部、右舷、左舷;集合站D位于郵輪五層甲板的中部。

該疏散實(shí)驗(yàn)共有2292人參與，人群由主要人群和次要人群兩個(gè)群體組成。主要人群人數(shù)為1950人。這些人員為佩戴IR標(biāo)簽的乘客，因此他們?cè)诖案鲗蛹装宓钠鹗嘉恢谩⒔K止位置和到達(dá)時(shí)間是已知的;次要人群人數(shù)為342人，這些人員由于個(gè)人隱私或其他原因沒(méi)有佩戴IR標(biāo)簽，在實(shí)驗(yàn)中，疏散中次要人群的存在也對(duì)整個(gè)撤離有較大影響，特別是在高度擁擠的地區(qū)，但他們的起始位置、終止位置和到達(dá)時(shí)間是未知的。在疏散模型建立時(shí)也應(yīng)考慮次要人群的存在。在疏散行動(dòng)進(jìn)行中，共有282人丟失其IR標(biāo)簽，因此該次實(shí)驗(yàn)共有1779個(gè)有效數(shù)據(jù)。

對(duì)于人員行走速度，本文采用IMO發(fā)布的客船人員疏散指南MSC.1/Circ 1533[8]中的規(guī)定。由于指南和SAFEGUARD項(xiàng)目的實(shí)船數(shù)據(jù)中并未給出人員的身體尺寸數(shù)據(jù)，根據(jù)Fruin[9]的定義，本文建模時(shí)男性肩寬設(shè)置為均值為43.2cm，方差為0.84，最小值為42.7cm，最大值為47.3cm的正態(tài)分布，女性肩寬設(shè)置為均值為39.6cm，方差為0.94，最小值為39.1cm，最大值為44.4cm的正態(tài)分布。

實(shí)驗(yàn)主要研究疏散總時(shí)間以及各個(gè)集合站的疏散時(shí)間。對(duì)該船的12層甲板逐一建模，并按照真實(shí)情況布置主要人員，次要人員的513人按照蒙特卡洛方法隨機(jī)分布于各層甲板中。將模型進(jìn)行50次的仿真實(shí)驗(yàn)，求其均值以消除隨機(jī)影響，最終結(jié)果如圖2-圖6所示。

4仿真數(shù)據(jù)擬合度分析

本文按項(xiàng)目文件[10]中所采用EPC、SC、%TAT三個(gè)指標(biāo)[10]來(lái)確定仿真數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)的相似程度。具體公式如下：

EPC表示仿真（m）與實(shí)測(cè)（E）曲線之間的最佳可能評(píng)價(jià)等級(jí)。SC表示仿真（m）與實(shí)測(cè)（E）曲線之間的相似程度。%TAT是仿真的疏散總時(shí)間與實(shí)測(cè)的疏散總時(shí)間之間的百分比差異。3個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)范圍，具體為： 0.8EPC1.2;當(dāng)s/n=0.05時(shí)，SC0.6;%TAT45%。

仿真數(shù)據(jù)以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示

由表1數(shù)據(jù)可知，兩套方案都符合IMO認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)使用最短路徑進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，疏散總時(shí)間為1289s;當(dāng)使用隨機(jī)路徑時(shí)，疏散總時(shí)間為1587s，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)接近，可見(jiàn)該模型各項(xiàng)指標(biāo)均符合IMO的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，可以用于客船人員疏散及其他相關(guān)研究。

5結(jié)論

本文以steering技術(shù)為基礎(chǔ)，Pathfinder為平臺(tái)，建立了基于Multi-Agent模型的客船人員疏散模型，并對(duì)真實(shí)的三層客滾船進(jìn)行建模仿真，通過(guò)設(shè)置不同參數(shù)得出不同路徑下人員疏散模擬數(shù)據(jù)，與“SAFEGUARD”項(xiàng)目發(fā)布的驗(yàn)證數(shù)據(jù)進(jìn)行適用性分析驗(yàn)證，仿真數(shù)據(jù)基本與驗(yàn)證數(shù)據(jù)曲線吻合，證明基于Pathfinder建立的以steering技術(shù)為基礎(chǔ)的疏散模型可用于客船的疏散建模仿真及其他相關(guān)研究。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“水上應(yīng)急救援關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用示范”（2018YFC0810402）