劉紅，羅旋

(上海海事大學(xué) 交通運輸學(xué)院，上海 201306)

0 引言

火災(zāi)事故是導(dǎo)致游船上人員疏散的重要因素，發(fā)生火災(zāi)時游船上人員的疏散路線是指災(zāi)害區(qū)域及可能受到威脅區(qū)域的乘員撤離到安全地點的路線［1］，它直接關(guān)系到旅客及船員的生命安全.

由于游船通道狹窄，通往露天區(qū)域的出口有限，加之船舶本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及火災(zāi)蔓延對逃生通道的影響，使得選擇合理的人員疏散路線成為比較棘手的問題.迄今為止，國外對游船火災(zāi)狀況下人員疏散的研究起步較早［2-8］，我國的研究主要集中于陸上建筑［9-11］，對游船這一特殊建筑的研究較少［12］.

在現(xiàn)有最佳疏散路徑的研究中，國內(nèi)主要集中在對高層建筑物通道人員疏散、礦井井巷逃生和緊急情況(如毒氣泄露等)人員疏散的研究上，國內(nèi)一些專家學(xué)者主要針對火災(zāi)時的高層建筑物、礦井的人員最佳疏散路徑進行研究［9-11］，而國外對游船的人員最佳疏散路徑研究多側(cè)重于人員行為對疏散最終結(jié)果的影響上［2-8］.

本文將當(dāng)量長度的概念引入到游船人員最佳疏散路徑的研究中，采用圖論原理結(jié)合計算機技術(shù)，提出一種計算游船人員最佳疏散路徑的方法，該方法綜合考慮疏散距離、火災(zāi)時的煙流濃度和人員密集情況等因素.

1 火災(zāi)時游船人員最優(yōu)疏散路徑的確定

1.1 通道當(dāng)量長度的確定

求解合理的疏散路徑，實質(zhì)上是求解安全疏散的最短時間，但是最短距離的撤退路線不等于最短的撤退時間，這是因為通道的通行難易程度不一樣.游船人員疏散具有特殊性，除需考慮風(fēng)浪環(huán)境對船舶航行狀態(tài)的影響外，還需考慮甲板層高、樓梯坡度、障礙物影響、有毒有害氣體濃度、高溫?zé)熈髯枞ǖ赖?這些影響因素與陸上建筑人員逃生的影響要素有相似之處，但也有不同.現(xiàn)將陸上高層建筑物人員疏散常用的當(dāng)量長度［1，11］概念引入到游船人員疏散路徑中，描述游船通道各路段的綜合屬性，將這些影響因素用通行難易程度表示，使之與通道的實際長度相乘后得到的長度即為當(dāng)量長度.第i條通道的當(dāng)量長度:

式中:Li為第i條通道的當(dāng)量長度值，m;ω為煙流體積分數(shù)懲罰因數(shù);c為有害氣體體積分數(shù)，一般以CO 的體積分數(shù)表示，%(在火災(zāi)發(fā)展過程中，通道中溫度高低、煙霧體積分數(shù)大小與有害氣體體積分數(shù)大小的發(fā)展趨勢相一致.由于人員傷亡主要由有害氣體造成，所以以有害氣體體積分數(shù)為參考因素，ω·c為c 的當(dāng)量長度因數(shù));ρ為群集密度，人/m2，ρ=P/(B·lij)(P為通道中的人數(shù);B為通道寬度，m;lij為第i條通道的實際長度，m);?p為人群群集通行難易度因數(shù)(由于通道中人員行走速度與人員分布密度有很大關(guān)系，因此，在模型中引入人群群集通行難易度因數(shù));?e為考慮障礙物的因數(shù);kl為通道類型的難易因數(shù);ki為不同區(qū)域的危險因數(shù).

重點考慮游船通道阻塞及火災(zāi)擴散對人員疏散路徑的影響，假定不同區(qū)域的危險因數(shù)為1，對式(1)進行處理后得到的當(dāng)量長度

式(2)中:參數(shù)lij按游船通道的實際長度取值;對于參數(shù)ρ，根據(jù)人員疏散的相關(guān)研究，當(dāng)0.5 人/m2≤ρ≤1 人/m2時，通道處完全暢通狀態(tài);當(dāng)1 人/m2≤ρ≤2 人/m2，通道處于正常狀態(tài);當(dāng)ρ≥2 人/m2時，通道內(nèi)人群出現(xiàn)微滯留狀態(tài).對于通道中的群集密度，主要考慮通道寬度的影響，所以根據(jù)通道寬度的不同，ρ可取在1～2 人/m2范圍內(nèi).

由于群集步速V，群集密度ρ和群集流動因數(shù)N 之間的關(guān)系為V=N/ρ，群集通行難易程度可以用群集步距的倒數(shù)表示，故ρ ×?p=1/V=ρ/N，可以得到?p=1/N，而一般流動因數(shù)N 取1.5，故可取?p=1/1.5.kl在水平通道中取0.1，樓梯中取0.2.

網(wǎng)絡(luò)化的通道類型不同，有些通道不能作為疏散通道，或由于火災(zāi)影響、障礙物等原因阻塞，可將?e取為無窮大.

1.2 最優(yōu)路徑優(yōu)化算法

將游船的人員疏散網(wǎng)絡(luò)(由樓梯、走道等連接)用圖論中的賦權(quán)圖D(V，A)(見圖1)表達.對于給定的一個賦權(quán)圖D(V，A)，每一條邊a=(vi和vj)，相應(yīng)地有權(quán)L(a)=Lij，又給定D中的兩個頂點vs和vt，設(shè)P是D中從vs到vt的一條路，定義路P 的權(quán)是P中所有邊l 的權(quán)l(xiāng)ij之和.疏散路徑模型的目標(biāo)即為求從著火區(qū)域vs到出口vt的最短路徑，即為圖論中的最短路徑問題.即在所有從vs到vt的路中，求一條權(quán)最小的路，即求一條從vs到vt的路P0，使得

式中:對D中所有從vs到vt的路P 取最小，稱P0是從vs到vt的最短路徑;稱路P0的權(quán)為從vs到vt的距離，記為d(vs，vt).

圖1 賦權(quán)圖D(V，A)

本文采用圖論中經(jīng)典的Dijkstra 算法求解最短路徑.由于災(zāi)變的發(fā)展有某些不可預(yù)測因素，當(dāng)疏散點到出口的最短路徑行不通時，可選用第2和第3最短路徑.Dijkstra 算法能一次求出任意兩點的最短路徑，當(dāng)某一通道由于火災(zāi)蔓延無法通過時，可從備選路徑迅速逃生.利用MATLAB 7.1 對該算法編程.

2 “海洋綠洲”號游船實證研究

2.1 “海洋綠洲”號游船簡介

“海洋綠洲”號為皇家加勒比國際游船(Royal Caribbean International)公司旗下的一艘超級游船，2009 年12 月投入運營.長362 m，寬47 m，航速23 kn，22 萬t，擁有16 層甲板和2 000個客艙，可承載5 400 名旅客，船員2 115 人.

2.2 游船通道當(dāng)量長度的計算

首先繪制游船路網(wǎng)圖，因該游船第3 層和第4層甲板更靠近機艙，其平面布置也比較具有代表性.本文主要對“海洋綠洲”號游船的第3 層和第4 層甲板進行人員疏散路徑設(shè)計，指導(dǎo)人員從火災(zāi)區(qū)域迅速疏散到逃生甲板上以便在船長發(fā)出棄船指令時迅速登艇.

根據(jù)甲板平面布置圖，利用Adobe Illustrator 繪制游船的路網(wǎng)圖，見圖2.在繪制游船路網(wǎng)時，規(guī)定用“—”表示一般通道，“‖”表示樓梯，“○”表示通往逃生甲板的出口，圖中共有44個路網(wǎng)節(jié)點，以編號1，2，…，44表示.圖3中，可以看到第4 層甲板共有7個樓梯可通往第3 層甲板，1，11，9，17 號樓梯是日常使用的，另有3，13，20 號樓梯僅在緊急情況下可用.第3 層甲板共有4個出口可通往逃生甲板登艇，為圖中41，42，43，44 號.在火災(zāi)狀況下人員將疏散到以上4個出口.

圖2 “海洋綠洲”號第3 層和第4 層甲板路網(wǎng)

根據(jù)第1 節(jié)建立的疏散路徑模型，利用當(dāng)量長度作為路權(quán)，由式(2)計算當(dāng)量長度.

2.3 火災(zāi)狀況下游船人員最優(yōu)疏散路徑研究

2.3.1 考慮客艙著火點位置的疏散分析

根據(jù)對著火點位置的分析，由于旅客不慎導(dǎo)致的客艙起火具有突發(fā)性和不可預(yù)測性，現(xiàn)假設(shè)在節(jié)點7 處的客艙突發(fā)火災(zāi)，需對該節(jié)點及其周圍的人員(節(jié)點5，6，8 處)進行疏散.通過計算機處理至不同出口的人員疏散路徑見表1.

表1 節(jié)點5，6，7，8 人員疏散路徑

根據(jù)計算結(jié)果，可得出以下結(jié)論:節(jié)點7 到出口41和44 的當(dāng)量長度明顯比到出口42和43 的短，即可以引導(dǎo)途經(jīng)節(jié)點7 的人員優(yōu)先選擇這兩個出口逃生;同理，節(jié)點5和6 的人員應(yīng)優(yōu)先選擇出口41和43 逃生;節(jié)點8 的人員應(yīng)優(yōu)先選擇出口43和44逃生.

綜合以上分析，可以對節(jié)點7 處客艙發(fā)生火災(zāi)時的人員疏散進行設(shè)計:

(1)引導(dǎo)節(jié)點5，6，7 的人員疏散至船首的出口41，路徑分別為 5 →3→24→23→41，6→4→3→24→23→41，7→6→4→3→24→23→41.

(2)引導(dǎo)節(jié)點8 的人員疏散至船尾出口44，路徑為8→9→29→28→31→44.

上述人員疏散方案見表2.方案(1)人員疏散路線圖見圖3.

表2 節(jié)點7 火災(zāi)的人員疏散方案(1)

圖3 節(jié)點7 處火災(zāi)人員疏散方案(1)

2.3.2 考慮游船通道阻塞現(xiàn)象的人員疏散分析

與陸上建筑物疏散不同的是，游船一旦發(fā)生火災(zāi)，由于船體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分艙多、通道狹窄，在通道中更易發(fā)生人員阻塞現(xiàn)象.

考慮游船通道的阻塞現(xiàn)象，對方案(1)作進一步的優(yōu)化.

從方案(1)的設(shè)計中可以看到節(jié)點5，6，7 的人員都會經(jīng)過3→24→23→41這一共同路徑，從而很容易導(dǎo)致3→24樓梯中發(fā)生人員擁堵現(xiàn)象，因此有必要對方案(1)進行改良.

因節(jié)點5 更靠近樓梯口3，可維持原來的疏散路徑.對于節(jié)點6，7，可通過除3—24和9—29 以外的其他樓梯將人員疏散至出口，令通道3—24，9—29，6—4，8—9 的當(dāng)量長度為∞(表示該通道不可行)重新計算節(jié)點6，7 的人員疏散路徑，見表3.

表3 節(jié)點6，7 人員疏散路徑

根據(jù)表3 結(jié)果可引導(dǎo)節(jié)點7 的人員疏散至游船中部的出口43，路徑為7→8→16→15→20→39→36→35→43;引導(dǎo)節(jié)點6 的人員疏散至船尾的出口44，路徑為6→7→8→16→17→37→31→44.

綜上所述，在考慮到通道阻塞的現(xiàn)象之后，設(shè)計出的方案(2)更為合理，見表4.方案(2)人員疏散路線見圖4.

表4 節(jié)點7 火災(zāi)的人員疏散方案(2)

圖4 游船通道阻塞后節(jié)點7 處火災(zāi)人員疏散方案(2)

由此可見，在方案(2)中考慮到游船通道的阻塞現(xiàn)象，火災(zāi)區(qū)域的人員分別從不同的最優(yōu)路徑到達出口處，可避免樓梯口的人員阻塞現(xiàn)象，從而實現(xiàn)對方案(1)的進一步優(yōu)化.

2.3.3 考慮火災(zāi)擴散影響的人員疏散分析

考慮到火災(zāi)擴散的影響，對方案(2)作進一步的優(yōu)化.

游船一旦發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)擴散產(chǎn)生的煙流等會造成部分通道不可行.因此，如果節(jié)點7 處的火災(zāi)沒有立即得到控制，火災(zāi)的蔓延將會導(dǎo)致一條或幾條通道阻塞，或者由于環(huán)境惡劣人員無法通過，必須考慮火災(zāi)擴散對人員疏散的影響.這時只需將該條路段的權(quán)值設(shè)為∞，計算機在搜尋路徑時會自動改變可通行性條件，避開該條路徑.

游船發(fā)生火災(zāi)時，駕駛?cè)藛T會立即減速或停車，并使著火部位處于下風(fēng)側(cè).由于風(fēng)力的影響，火災(zāi)向船舷外擴散，波及節(jié)點9和節(jié)點17 的區(qū)域，從而使得船尾的樓梯9—29和17—37，通道8—9和9—17均不能通行.此時需調(diào)整方案(2).

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)可知，因為不能通行的幾個通道對節(jié)點6 的人員疏散不會產(chǎn)生影響，故其疏散路徑不變，仍為6→4→3→24→23→41;由于樓梯9—29不可通行，節(jié)點8 人員此時可選取第2 最短路徑，將人員疏散至船尾出口43，路徑為8→16→15→20→39→36→35→43;為避免通道阻塞，對節(jié)點5 人員疏散需要進行分流，一部分到節(jié)點3 下樓至出口41，一部分沿5→14→13→34→33→38→42 疏散.中間節(jié)點7 人員可分流疏散至節(jié)點5，6，8.

由此得出方案(3)，見表5.方案(3)人員疏散路線見圖5.

表5 人員最優(yōu)疏散方案(3)

圖5 火災(zāi)蔓延情況下節(jié)點7 處火災(zāi)人員疏散方案(3)

2.3.4 最優(yōu)疏散方案的實現(xiàn)

為了實現(xiàn)方案(3)，引導(dǎo)旅客快速疏散，可根據(jù)該方案的疏散路線圖(圖5)在游船通道、梯道以及集合地點等處設(shè)立疏散引導(dǎo)和指示符號，包括集合地點、登乘站、方向指示、應(yīng)急出口方向指示、應(yīng)急出口和出口標(biāo)志等.

但在火災(zāi)狀況下，由于緊張和恐懼等心理因素，旅客往往會產(chǎn)生慌亂，不一定完全按照標(biāo)志所指定的路線疏散，特別是在一些關(guān)鍵節(jié)點處，需要安排船員引導(dǎo)和維持秩序.

根據(jù)方案(3)中路徑占用情況，在3→24，13→34和20→39 等3個樓梯口必須安排船員維持通道和梯道上的秩序，引導(dǎo)旅客從第4 層甲板逃生至第3 層甲板;同時在節(jié)點23，33，35 處安排船員引導(dǎo)旅客通往集合地點;在逃生甲板的出口41，42，43 處安排船員集合旅客，還應(yīng)向旅客說明情況并安定其情緒.

3 結(jié)論與展望

探討當(dāng)量長度及最短路徑算法在游船人員疏散路徑研究上的應(yīng)用.在假定火災(zāi)發(fā)生的前提條件下，研究游船通道阻塞和火災(zāi)擴散對游船人員疏散路徑的影響，下述結(jié)論對建立游船火災(zāi)狀況下的人員疏散預(yù)案有參考價值.

(1)由于游船通道狹窄，疏散方案中需考慮人員阻塞現(xiàn)象;

(2)在樓梯口必須有船員進行引導(dǎo)，從而實現(xiàn)人員的合理分流，以保證疏散方案能正確實施;

(3)游船中的火災(zāi)蔓延往往比普通建筑要快，因此在人員疏散方案設(shè)計中必須考慮到火災(zāi)蔓延產(chǎn)生的煙流等可能造成通道不可行的狀況;

(4)必須綜合考慮各種突發(fā)因素，合理設(shè)置人員疏散中的集合地點;

(5)火災(zāi)狀況下的游船人員疏散路徑方案必須準備兩套以上;

(6)在游船航行途中，必須對全體船員和旅客進行消防和逃生演習(xí).

到目前為止，國內(nèi)火災(zāi)狀況下人員疏散路徑的模型和計算方法僅局限于陸上各類型建筑物，對游船的人員安全疏散撤離研究較少.本文對游船人員安全疏散路徑影響因素的初步分析比較粗糙，所建立的模型偏于靜態(tài)，許多影響因素如船舶航行狀態(tài)、人員行為因素等都未考慮，未來可在模型的動態(tài)化、多災(zāi)源、多出口及引入人員行為因素方面作進一步的研究.

［1］余為波，吳曉光，王濤，等.基于最短路徑算法的艦船通道逃逸路線研究［J］.中國艦船研究，2008，3(2):16-20.

［2］VASSALOS D，KIM H，CHRISTIANSEN G，et al.A mesoscopic model for passenger evacuation in a virtual ship-sea environment and performance-based evaluation［C］// SCHRECKENBERG M，SHARMA S D.Pedestrian and Evacuation Dynamics.Duisburg，Germany，2001:369-391.

［3］KIRCHNER A，SCHADSCHNEIDER A.Simulation of evacuation processes using a bionics-inspired cellular automaton model for pedestrian dynamics［J］.Physica A，2002，312 (1/2):260-276.

［4］GWYNNE S，GALEA E R.Analyzing the evacuation procedures employed on a Thames passenger boat using the maritime EXODUS evacuation model［J］.Fire Technol，2003，39 (3):225-246.

［5］NOBUYOSHI Fukuchi，TERUYUKI Imamura.Risk assessment for fire safety considering characteristic evacuees and smoke movement in marine fires［J］.Mar Sci ＆ Technol，2005，10 (2):147-157.

［6］VARASA A，CORNEJOAK M D，MAINEMERA D，et al.Cellular automaton model for evacuation process with obstacles［J］.Physica A，2007，382 (2):631-642.

［7］KEISUKE Uno，KAZUO Kashiyama.Development of simulation system for the disaster evacuation based on multi-agent model using GIS［J］.Tsinghua Sci ＆ Technol，2008，13(S1):348-353.

［8］GINNIS A I，KOSTAS K V，POLITIS C G，et al.VELOS:A VR platform for ship-evacuation analysis［J］.Comput-Aided Des，2010，42(11):1045-1058.

［9］陳寧，孔維臻.礦井火災(zāi)避災(zāi)與救災(zāi)最優(yōu)路徑研究［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2010，36(11):40-42.

［10］梅志斌，董文輝，潘剛，等.建筑物火災(zāi)中人員疏散路徑優(yōu)化自適應(yīng)蟻群算法［J］.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2008，24(4):671-674.

［11］伍穎，李卓球.高層建筑火災(zāi)人群疏散模型研究［J］.安全與環(huán)境工程，2008，15(3):87-89.

［12］廖守衡，付玉慧，徐德江.客船疏散模型研究綜述［J］.大連海事大學(xué)學(xué)報，2010，36(6):33-35.