基于IMO高級撤離分析方法的大型郵輪疏散性能研究

楊光照 蔡 薇* 李亞朋

(武漢理工大學綠色智能江海直達船舶與郵輪游艇研究中心1) 武漢 430063) (武漢理工大學船海與能源動力工程學院2) 武漢 430063)

0 引 言

首艘國產(chǎn)大型郵輪工程預計將在2023年9月完工交付，該艘郵輪將搭載乘客約5 000人、船員約1 500人，確保船上人員的生命安全成為郵輪設計工作的首要任務，其中疏散安全是一道堅實的安全屏障，應對其展開全面的分析評估.本文將對與首艘大型郵輪同級的Carnival Vista(“嘉年華維斯塔”號)郵輪進行疏散分析.

鑒于客滾船事故頻發(fā)，國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)下屬的海事安全委員會(Maritime Safety Committee，MSC)在2016年通過最新版本的客船疏散分析指南，用于輔助海上人命安全公約(safety of life at sea，SOLAS)對脫險通道的評估.指南給出了兩種疏散分析方法，簡化方法和高級方法，前者基于水力模型構建水力網(wǎng)絡求解疏散時間和確定擁堵點，后者基于微觀仿真模型模擬每個個體的運動從而計算疏散性能，適用性更強且可視性良好[1-5].

文中對案例船進行疏散分析，對指南中的6種基準場景建模，結合收斂準則進行仿真，計算評估各項疏散時間，分析各場景的疏散曲線及擁堵點，并討論了影響疏散性能的關鍵問題.

1 IMO疏散分析指南

1.1 疏散性能

指南中，疏散性能主要通過疏散各階段所用時間來衡量，應滿足如下兩個要求.

1.25(R+T)+2/3(E+L)≤n

(1)

(E+L)≤30 min

(2)

式中：R為從警報響起到接受當前處境準備前往集合站所需時間；T為從初始位置到集合站所需時間；E為從集合站到救生艇所需時間；L為救生艇下放所需時間；n為最大允許疏散時間.

對于客滾船或主豎區(qū)(main vertical zone，MVZ)不多于3個的客船，n為60 min；對于主豎區(qū)多于3個的客船，n為80 min.疏散性能的計算和衡準示意見圖1.在各時間項中，對集合時間(R+T)的評估最為重要，因此在高級疏散分析方法中，至少應該對反應和行走這兩個階段進行模擬；當無相關數(shù)據(jù)時，登乘和下放階段用時將作為一個整體(E+L)，通常取最大值30 min.通過仿真方法得到E，并設定下放救生艇的時間L為5 min.

圖1 疏散時間的計算

1.2 疏散場景

指南為疏散時間的計算指定了6個理想化的基準場景：①Case1 夜間主要疏散場景.全部乘客初始時分布于各自的艙房，疏散開始后前往各自的集合站;②Case2 日間主要疏散場景.初始時乘客需占據(jù)各公共空間最大容量的3/4，其余分布在艙房中，疏散開始后前往各自的集合站;③Case3 夜間次要疏散場景.僅關注Case1中集合用時最長的主豎區(qū)M，考慮以下任一選項(alternative)：無法使用M中一整條在Case1中通行量最大的樓梯；與M相鄰的主豎區(qū)(若有多個，選人數(shù)最多的)中50%的人通過M前往集合站;④Case4 日間次要疏散場景.基于Case2，場景設置(包括可選項設置)與Case3同理;⑤Case5 露天甲板場景.當供乘客使用的露天甲板總面積大于400 m2或可容納200人時，應考慮該場景.乘客的分布與Case2一致，不過需要將露天甲板當作額外的公共空間，該區(qū)域乘客按初始密度0.5 人/m2分布；⑥Case6 登乘(救生艇)場景.如果集合站和登乘站是分開設置的，應考慮該場景，計算乘客從集合站到登上救生艇所需時間.初始時乘客分布于各自的集合站，疏散開始后前往為各集合站分配的救生艇.

評估疏散性能時，前4個為必須考慮的場景，后2個為附加場景.為了對疏散性能進行全面的分析，本文將考慮全部6個場景，其中前5個場景用于計算集合時間(R+T)，第6個場景用于計算登乘時間E；同時還對Case3和Case4中每個可選項都進行了考慮.需要說明，各基準場景對船員的分布和疏散行為也進行了規(guī)定，但考慮到大多數(shù)船員的疏散與乘客疏散是分開進行、互不影響的，本文將乘客作為主要疏散人員.

1.3 收斂準則

考慮到人的疏散運動具有一定的概率特性，疏散仿真得到的疏散時間具有隨機性，指南規(guī)定對每個場景通常需進行至少500次仿真(每5次需變換人群參數(shù)，如年齡段、初始隨機位置等)，從中選擇值T0.95作為該場景的疏散時間.同時規(guī)定，進行某一場景的仿真時，倘若仿真結果滿足一定的收斂準則，可減少仿真的次數(shù).

1) 每進行50次仿真，才能進行1次收斂測試(這意味著，每個場景最少需進行50次仿真).

2) 每5次仿真需變換人群參數(shù)，但如果人群參數(shù)相同時得到的5次仿真結果無明顯差異，則需每次仿真都變換人群參數(shù).

假設進行收斂測試時已進行了N(50，100，150，…)次仿真，指南中給出的收斂準則如下：

(3)

2 Carnival Vista疏散場景設置

Carnival Vista郵輪總噸位133 500，總長323.6 m，最大寬度49.5 m，載客4 977人，船員1 471人，公共區(qū)域總共有14層甲板(標號從第1到第15，沒有第13).除了套房、陽臺房、海景房、內(nèi)艙房等各式各樣的居住艙室，船上還有各類餐廳、酒吧、劇院、日光浴場、游樂園等多種休閑娛樂設施.根據(jù)該郵輪的總布置圖資料，對郵輪的各層甲板和梯道進行幾何建模.

在該郵輪的疏散規(guī)劃資料中，乘客的集合站一共有9個，主要位于第3～5層甲板中面積較大的公共區(qū)域，各集合站所在區(qū)域見圖2總布置側視圖.按照前文對疏散場景的描述，對各場景進行乘客的布置，并將其分配到各集合站，可以看到：

圖2 Carnival Vista總布置側視圖及各場景側視圖

1) Case1中，乘客分布于所有的艙房中，大多數(shù)在第1～2層甲板、第6～9層甲板.

2) Case2中，乘客主要分布在公共艙室，這里未顯示位于集合站中的乘客，因為他們不需要移動.

3) Case3 A1是基于Case1的仿真結果設置的，Case1中主豎區(qū)MVZ 5用時最長，應僅考慮該主豎區(qū)，但在該場景中由于MVZ 5與MVZ 6公用了它們之間的樓梯間(一共有4條貫穿各層甲板的樓梯)，因此需同時考慮這兩個主豎區(qū)，然后使4條樓梯中的1條無法通行.

4) Case3 A2基于Case1，僅考慮MVZ 5和MVZ 6，同時保留MVZ 4中50%的乘客，使他們經(jīng)過MVZ 5到達集合站.

5) Case4 A1是基于Case2的仿真結果設置的，Case2中用時最長的主豎區(qū)為MVZ 3，在該場景中由于MVZ 3與MVZ 4公用了它們之間的樓梯間(一共有2條貫穿各層甲板的樓梯)，因此需同時考慮這兩個主豎區(qū)，然后使2條樓梯中的1條無法通行.

6) Case4 A2基于Case2，僅考慮MVZ 3和MVZ 4，同時保留MVZ 2(比MVZ 5中的乘客多)中50%的乘客，使他們經(jīng)過MVZ 3到達集合站.

7) Case5與日間場景Case2類似，但需要將各露天甲板區(qū)域當作公共空間，在甲板上布置乘客.

8) Case6中所有乘客分布于9個集合站中，向第4層甲板兩舷的20個救生艇移動.

3 結果和分析

3.1 疏散性能

分別對Case1～Case6進行多次疏散仿真，并以50次為間隔進行收斂測試，發(fā)現(xiàn)各場景的仿真結果均在50次后即收斂(對Case1～Case5計算Tlim時，設定(E+L)為最大值30 min；對Case6計算Tlim時，設定L為5 min)，各場景疏散時間見表1.

表1 各場景疏散時間及性能衡準 單位：min

由表1可知：

1) Case3 A1場景產(chǎn)生了最長的集合時間24.54 min，由此計算得到的總疏散時間為50.06 min，小于可用疏散時間80 min，即滿足式(1)；

2) 登乘和下放時間(E+L)為29.08 min，小于30 min，即滿足式(2).

由此可以判斷，在本文設置的疏散場景中，Carnival Vista郵輪滿足指南中的疏散性能要求.

3.2 疏散曲線

圖3 各場景疏散曲線

1) 對于夜間場景Case1和Case3，由于乘客的反應時間較長(在 [400 s，700 s] 的對數(shù)正態(tài)分布)，這些曲線較其他曲線的起始位置存在差異.

2) 參與仿真的總人數(shù)及所有人完成集合的時間在各場景之間存在較大差異，但總體來說夜間場景相較日間場景參與人數(shù)更多、集合時間更長.

3) 疏散曲線曲率越大，說明疏散相同數(shù)量的人員需要花費更長的疏散時間，疏散越慢，圖中大多數(shù)曲線都經(jīng)歷了“慢-快-慢”3個階段，中間階段疏散了大多數(shù)乘客.

3.3 擁堵點

指南中對擁堵點的定義是該處人群密度超過4 人/m2，倘若該處發(fā)生擁堵的持續(xù)時間超過集合時間的10%，則該處為顯著擁堵點.集合時間最長場景Case3 A1中識別的一個顯著擁堵點見圖4，該處位于第9層甲板樓梯間，可以看到在樓梯與甲板連接處以及樓梯局部位置均出現(xiàn)擁堵，這是由于上層各甲板有較多乘客需要下行，同時該層甲板乘客也需要下行所致.由于該處樓梯是兩個主豎區(qū)的主要疏散通道且總疏散時間符合要求，可以認為該處擁堵是合理和正常的，雖然可以通過加寬該梯道或增加梯道數(shù)量改善，但沒有必要.

圖4 Carnival Vista場景Case3 A1中的擁堵點

4 討 論

1) 用于性能評估的疏散場景 本文所模擬的指南中的6個疏散場景，均是假定的理想化的場景：人群沿著主要逃生路線向各自所分配的集合站移動；人群的初始分布是固定的；所有的逃生通道都能使用；不考慮火災產(chǎn)生的煙霧、高溫和有毒氣體等；不考慮家庭小團體行為；不考慮船體運動和傾斜.這些假設能夠簡化和規(guī)范化評估過程，但也會減少評估結果的準確性和可信度，因此一些學者提出應增加火災、浸水等場景，一些學者則著手建立更復雜的模型對這些場景進行仿真[6].

在結合具體船只按照指南要求設置各疏散場景時，可能會遇到了一些問題：Case3和Case4中用時最長的主豎區(qū)與另一個主豎區(qū)公用一個樓梯間，無法只考慮一個主豎區(qū)；Case3和Case4的選項1中通行量最大的樓梯間存在多條梯道，使整個樓梯間失效將造成所選擇的主豎區(qū)無樓梯可用；Case5中供乘客使用的露天甲板面積較大，按照0.5 人/m2的初始密度設置將造成乘客大量聚集在露天甲板；各年齡段乘客的比例可能與實際不符，指南中設定的超過50歲以上的乘客比例為72%.當遇到這些問題時，應盡量按照指南要求設置，如無法實現(xiàn)，需采取盡可能相近的設置.

乘客的疏散規(guī)劃(疏散路線和集合站分配方案)能夠?qū)Ψ抡娼Y果產(chǎn)生非常大的影響.因此，需仔細觀察仿真過程，檢查乘客是否按照指定的疏散路線移動、是否抵達指定的集合站.當對某場景的仿真能夠再現(xiàn)所設置的疏散規(guī)劃時，才能對該場景進行多次仿真.

2) 仿真次數(shù)與收斂準則 指南考慮到疏散過程的復雜性和隨機性，要求在評估某一場景的疏散時間時需仿真足夠多的次數(shù).指南給出了兩種 “足夠多”的定義，一個是最少500次，另一個是滿足一定的收斂準則.在指南給出的示例收斂準則中，當符合收斂準則或仿真達到500次時可終止仿真.

對于目前實際的郵輪大小和疏散人數(shù)(最大噸位約23萬t，最大乘客和船員總人數(shù)約9 000人)，同時考慮到基準場景對實際疏散場景所作的簡化，以上對仿真次數(shù)的要求能夠保證仿真結果達到某種收斂，如本文案例船Carnival Vista各場景均在50次仿真后收斂.但當船舶環(huán)境更加復雜、仿真人數(shù)增多或考慮火災等災害時，為了使結果更加準確可靠，仿真次數(shù)與收斂準則可能需要進行適當調(diào)整.

3) 對疏散結果能夠造成較大影響的其他因素 對郵輪布局的建模.郵輪布局中的住艙、走廊、門、樓梯等空間及通道構成了人員疏散運動的邊界，布局的細微變化可能會對疏散結果造成非常大的影響.

對船員疏散的仿真.應同時考慮乘客和船員的疏散，確保各主要疏散路線不會出現(xiàn)交叉或逆流的情況.

對疏散程序的考慮.在郵輪人員緊急疏散時，船長通常需要負責發(fā)出通用警報、棄船信號等控制疏散過程，船員需要負責搜尋、引導和組織乘客的任務，使乘客在反應、行走、登乘、下放等階段有序疏散，在疏散仿真中考慮這些程序也將對結果造成較大影響.

5 結 論

1) 在Carnival Vista的各疏散場景中，日間主要場景Case2產(chǎn)生最短的疏散時間，夜間次要場景Case3 A1產(chǎn)生最長的疏散時間，但都達到了IMO疏散指南設定的標準.

2) 由于疏散場景設置不同，各場景對應的疏散曲線存在較大的差異，但各曲線都會經(jīng)歷“慢-快-慢”3個階段，中間階段疏散了大多數(shù)乘客.

3) 從仿真結果可以看出，Carnival Vista在某些場景中存在顯著擁堵點，但考慮到其處于人流量較大的區(qū)域而且疏散性能已達標，建議不必調(diào)整布局或疏散規(guī)劃.

4) 文中主要工作是分析和評估Carnival Vista的疏散性能，也探討了許多會對疏散結果造成影響的因素，包括疏散場景的設置、收斂準則、對布局的建模等，后續(xù)研究將定量分析這些因素產(chǎn)生的影響.