黃丹妍，盧兆明，黃玉彪，鄭源，楊立中

(1.中國科學技術(shù)大學 火災科學國家重點實驗室，合肥230026;2.香港城市大學 建筑與土木工程系，香港 999077)

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基于Pathfinder的考慮不同出口位置的艦船艙室疏散問題

黃丹妍1,2，盧兆明2，黃玉彪1，鄭源1，楊立中1

(1.中國科學技術(shù)大學 火災科學國家重點實驗室，合肥230026;2.香港城市大學 建筑與土木工程系，香港 999077)

通過模擬某艦船生活區(qū)艙室人員的疏散過程，得出其疏散規(guī)律，并對艙室內(nèi)部房間出口進行優(yōu)化，得出最優(yōu)的出口設置。結(jié)果表明：人員在該艙室內(nèi)進行疏散時，易產(chǎn)生擁堵，人均擁堵時間占人均疏散時間的29.41%，擁堵的位置位于走廊的中部與各匯流區(qū)域；優(yōu)化后，疏散效率最高能提高6.82%，且出口靠左布置的效果明顯優(yōu)于其他2種布置條件，建議采用出口的靠左布置。

Pathfinder；疏散；出口位置；艦船

隨著世界經(jīng)濟的迅速發(fā)展，現(xiàn)代船舶的發(fā)展也趨于大型化、復雜化以及智能化。

現(xiàn)代大型艦船的結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)在逐步的發(fā)展過程中變得更為復雜了，艦船上人員的疏散環(huán)境與陸地建筑物內(nèi)人員的疏散環(huán)境相差很大，艦船體積龐大、結(jié)構(gòu)復雜、乘員眾多，疏散空間狹小，在緊急條件下(艙室起火、船舶擱淺破壞、艙室破壞、生化污染等)如若船上人員無法及時疏散到集合地點離開船舶，船上人員的危險性也因此大大增加了，同時也會造成巨大的經(jīng)濟損失，因此，對艦船人員疏散進行研究是保證艦船上人員生命安全的重要方法之一，也逐步成為世界航運業(yè)關(guān)注焦點[1]。

船舶艙室布置是船舶設計中非常重要的一部分[2]，陳淼等[3]在對艦船的通達性仿真評估系統(tǒng)進行初步研究時考慮了艙室布局，以及人員分類對人員疏散的影響。謝謀標[4]在對艦船上的人員疏散時綜合考慮了出口個數(shù)、門的通量、人的耐性指數(shù)和執(zhí)行任務情況對疏散效率的影響。田萍[5]認為艦船人員的疏散過程與艦船自身的結(jié)構(gòu)，以及人員屬性之間都有很大的關(guān)聯(lián)。目前，利用計算機模擬仿真來研究人員的疏散過程已經(jīng)成為一種被人們廣為接受的方法。胡耀[6]通過一種改進的遺傳算法對構(gòu)建出的艦船生活區(qū)艙室數(shù)學模型進行求解和優(yōu)化，用于解決生活區(qū)艙室的布局優(yōu)化問題。李云等[7]在遺傳算法基本原理的基礎上，提出了多目標優(yōu)化方法對游艇艙室布局進行優(yōu)化計算。肖海松[8]提出了基于元胞自動機的子空間網(wǎng)絡流人員疏散模型，將艦船內(nèi)部空間分為不同安全等級的子空間網(wǎng)絡，對不同等級網(wǎng)格內(nèi)部的人員疏散進行研究。在實際的建筑結(jié)構(gòu)中，通常會存在疏散瓶頸，瓶頸位置的出現(xiàn)會造成人員疏散過程中的擁塞，嚴重影響人員的疏散效率[9]。當人員運動到瓶頸位置時，速度減慢，人員密度增大，擁擠的人群之間會產(chǎn)生相互作用力，當人群數(shù)量逐步增大時，還可能產(chǎn)生由于擁堵所導致的人員傷亡[10]。

考慮針對現(xiàn)有某艦船生活區(qū)艙室布局[8]進行人員疏散模擬，探索人員在疏散過程中產(chǎn)生擁堵的位置以及原因。

1 數(shù)值建模

1.1 數(shù)值模擬軟件Pathfinder介紹

采用由美國Thunderhead Engineering公司開發(fā)的基于連續(xù)性模型(agent-based)的人員應急疏散模擬軟件Pathfinder，它為仿真設計以及結(jié)果呈現(xiàn)提供了圖形用戶界面以及二維、三維可視化工具。通過對每個人員的運動模式(最高運動速度、遇到障礙物時的速度衰減函數(shù)、運動模式的選擇、出口選擇等)以及屬性參數(shù)(身高、性別)進行設置，并對不同人員的相關(guān)數(shù)據(jù)進行同步跟蹤，研究人員也可對相關(guān)數(shù)據(jù)進行提取并做進一步的分析。值得一提的是，有許多重要的研究結(jié)果都是基于Pathfinder軟件所得到的，例如，模擬一些大型公共建筑物內(nèi)人員疏散過程，包括高層建筑以及地下建筑物等，揭示不同的設計對疏散的影響[11]。相比于STEPS等離散模型軟件，Pathfinder軟件的模擬結(jié)果與真實情況相符程度更高[12]。并且該軟件適用于各類復雜疏散環(huán)境的建模。

1.2 模型設置

構(gòu)建人員疏散環(huán)境如圖1，該生活區(qū)艙室內(nèi)共有6排房間(序號如圖1標注所示)，艙室內(nèi)各個房間的出口(寬1.0 m)，該生活區(qū)艙室的總出口(寬1.2 m)。該艙室共有58個房間，艙室內(nèi)各房間面積為4 m×4 m，每個房間內(nèi)容納6名船員，則該生活區(qū)艙室內(nèi)容納的總?cè)藬?shù)為348人。1、2排房間之間和5、6排房間之間的走廊長5 m，寬1 m；走廊A、B長36 m，寬1.6 m。緊急條件下，位于艙室房間內(nèi)的船員在聽到廣播通知后迅速從房間內(nèi)開始向外疏散，1、2排房間內(nèi)的人員經(jīng)過房間之間的走廊后進入走廊A與第3排房間內(nèi)的人員匯合，5、6排房間內(nèi)的人員經(jīng)過房間之間的走廊后進入走廊B與第4排房間內(nèi)的人員匯合，所有人員依次經(jīng)過走廊A或走廊B，最終走向生活區(qū)艙室的總出口完成疏散的全過程。

該生活區(qū)艙室內(nèi)的布局呈對稱分布，走廊A和走廊B人員流動情況基本保持一致，故在走廊A設置01、02、03、04共4個截面(寬1.6 m)進行人員流量的統(tǒng)計并做進一步的分析。

艙室內(nèi)人員的運動模式選擇為steering模式，人員在該運動模式下會根據(jù)人員之間的距離以及與障礙物之間的碰撞改變運動路徑，用以適應新的環(huán)境形勢，更加符合人員的實際疏散運動過程。

2 結(jié)果與討論

除了選用疏散總時間t之外還采用以下2個時間參量：

(1)

式中:n為總?cè)藬?shù)。

(2)

現(xiàn)有的生活區(qū)艙室布局條件下， 3、4排房間內(nèi)的船員在疏散過程中僅經(jīng)過一次匯流過程，匯流區(qū)域為走廊A、B；而1、2排與5、6排房間內(nèi)的船員在疏散過程中需要經(jīng)過2次匯流過程，匯流區(qū)域分別為房間之間的走廊以及走廊A、B，而這2處匯流區(qū)域也是艙室內(nèi)人員在疏散過程中產(chǎn)生擁堵的主要區(qū)域。從圖3所示的走廊A人流量隨時間的變化圖來看，經(jīng)過03和04截面的人流量變化趨勢類似，均是先增大后逐步減小。觀察經(jīng)過01和02截面的人流量的變化，人流量先增大，然后在1.5～2.0 人/s的范圍內(nèi)波動一段時間后呈現(xiàn)下降的趨勢，到達最低點之后再逐步回升，回升之后依舊在1.5～2.0 人/s的范圍內(nèi)波動，然后隨著船員逐步疏散完畢，人流量逐步減小至0。

圖3中出現(xiàn)了2個極小值點，表明在該處，人流量的數(shù)值降到了疏散穩(wěn)定階段中的最低值。在極小值所對應得時刻，疏散的模擬結(jié)果顯示在對應截面右側(cè)的匯流處人員的密度達到了疏散過程中的最大值，人員在匯流區(qū)域出現(xiàn)擁堵和滯留，速度減慢，因此在該時刻只有少量離開匯流區(qū)域內(nèi)的人員通過01和02截面，即出現(xiàn)了人流量變化圖中的極小值。

針對艦船生活區(qū)艙室房間的現(xiàn)有布局，為了有效緩解人員匯流所帶來的擁堵，使得疏散過程中走廊處的人流量更加平穩(wěn)，對第2排和第5排的房間出口做出3種優(yōu)化改進的方式，見圖4。

與出口在初始布置條件下的人流量統(tǒng)計方式相同，在優(yōu)化調(diào)整后的模型走廊A處設置01、02、03、04共4個截面(寬1.6 m)用以統(tǒng)計不同優(yōu)化條件下的人流量變化并做進一步的分析，見圖1。

表1 艙室不同出口布置條件下的疏散特征參數(shù)

通過計算，出口在靠左布置、居中布置和靠右布置條件下的優(yōu)化效率分別為：6.82%、3.88%和3.57%，很顯然，出口在靠左布置條件下時優(yōu)化效率最高。

由表1可見：優(yōu)化后的人均疏散時間、人均擁堵時間均小于初始布置條件下的人均疏散時間和人均擁堵時間。優(yōu)化后的出口布置從左到右，人均疏散距離依次增大，人均疏散時間也依次增大，人均擁堵時間先增大后減小。

對比出口的初始布置和居中布置，2種布置條件下的人均疏散距離相近，但居中布置條件下的人均疏散時間和人均擁堵時間明顯小于初始布置條件下的時間，其中人均疏散時間縮短了3.87%，人均擁堵時間縮短了21.88%，將出口進行居中布置優(yōu)化后能夠有效地緩解人員在疏散過程中所產(chǎn)生的擁堵。

對比出口的居中布置和靠右布置，2種布置條件下的人均疏散時間相近，但靠右布置條件下的人均疏散距離較居中布置條件下的人均疏散距離增大了2.05%，而靠右布置條件下的人均擁堵時間和居中布置條件下的人均擁堵時間相比卻縮短了3.58%，這表明：將出口靠右布置盡管增加了人員的疏散距離，但是距離的增加使得第1、2排和第3排人員(第5、6排和第4排人員)在進入走廊A(走廊B)時的時間間隔增大了，在同一位置匯流的人員數(shù)量減少了，因此降低了疏散過程中的擁堵時間。

接下來對走廊A所設置各截面處的人員流量分布變化做進一步的分析，見圖5。

該艦船生活區(qū)艙室在不同出口布置條件下的人員初始分布以及總?cè)藬?shù)均保持一致，通過01、02、03和04截面的人數(shù)分別為144、108、72和36人，各截面統(tǒng)計的疏散時間呈現(xiàn)依次遞減的趨勢。

根據(jù)圖5a)，0～10 s的時間范圍內(nèi)，人流量的增長速率從大到小依次為艙室內(nèi)房間出口為靠左布置、居中布置、靠右布置和初始布置，并且依次出現(xiàn)人流量的峰值。人員疏散進行到40 s之后，4種出口布置條件下的人流量變化趨于穩(wěn)定，調(diào)整出口布置后人流量變化在1.5～2.0 人/s間波動，而初始布置時人流量變化范圍為1.5～2.25 人/s，初始布置下的人流量波動幅度大于優(yōu)化調(diào)整后的波動幅度，并且在圖上呈現(xiàn)一大一小波峰間隔分布，說明在出口初始布置的條件下，在疏散過程的后半段，人員在走廊的分布是疏密間隔分布的。

圖5b)表明，在對出口進行優(yōu)化調(diào)整后，人流量的波動幅度較初始布置下的人流量波動幅度更小，流量更為平穩(wěn)。房間出口在不同布置條件下的人流量均會出現(xiàn)最低值，但優(yōu)化調(diào)整后的人員流量最低值均出現(xiàn)在初始布置條件下的人流量最低值之前，初始布置條件下人員流量最低值出現(xiàn)在40 s時刻附近，且人員流量在40～50 s時刻之間均維持在較低水平，且維持的時間間隔大于優(yōu)化調(diào)整后的時間間隔，表明在該時間間隔內(nèi)初始布置條件下02截面右側(cè)的人員可能是由于匯流時產(chǎn)生了擁堵從而導致人流量的降低，將出口進行優(yōu)化調(diào)整能夠有效的減少擁堵的累計時間。對比02截面與其他截面的人流量變化圖，可以得出，人員在走廊的中部產(chǎn)生的擁堵累計時間最長。

另外，房間出口在初始布置、靠左布置、居中布置與靠右布置條件下的平均人員流量分別為1.38、1.42、1.38與1.38 人/s，出口在靠左布置條件下時，人員通過02截面的疏散效率最高。

出口在經(jīng)歷優(yōu)化調(diào)整之后通過03截面的人流量的變化趨勢與出口在初始布置下的人流量變化趨勢如圖5c)所示，出口在初始布置條件下的人流量先增大到峰值后逐步衰減至0，優(yōu)化之后的人流量先增大到峰值后逐步衰減，隨后繼續(xù)回升到接近峰值的位置，最后減小至0。

從圖5d)看，盡管艙室的出口處于不同的布置，但通過走廊04截面的人流量的變化趨勢基本一致，均為先增大到最大值，再逐步減小至0。出口靠左布置時，由于人員達到04截面的距離最近，因此出口靠左布置條件下的人流量在疏散伊始增長速率最快，所有人員通過04截面花費的時間最少，且流量的峰值為出口在4種布置條件下的最大值。而初始布置條件下的人員需要經(jīng)過第1、2排房間之間的走廊以及走廊A兩次匯流之后才能到達04截面，匯流所需時間和疏散距離的增加使得初始布置條件下的人員疏散到04截面所花的時間最長。

走廊上不同截面處的人流量統(tǒng)計能夠有效地統(tǒng)計走廊各個部分處的人員情況，通過人流量的變化反映出人員在走廊的分布情況，得到擁堵集中的區(qū)域等信息。

3 結(jié)論

1)在現(xiàn)有的艙室布局條件下進行人員緊急疏散時，產(chǎn)生擁堵的連續(xù)時間較長，人均擁堵時間占據(jù)了人均疏散時間的29.41%，且擁堵產(chǎn)生的位置位于走廊的中部以及人員疏散過程中的匯流區(qū)域，將出口的位置進行優(yōu)化調(diào)整能夠明顯地減少人員在該處的擁堵累計時間，疏散效率最高可以提高6.82%。

2)將出口進行優(yōu)化調(diào)整后，靠左布置條件下人員的疏散效率最高(6.82%)，產(chǎn)生擁堵的時間較少且累計的時間間隔較短，疏散的距離最短，優(yōu)化效果明顯優(yōu)于其他2種布置條件下的優(yōu)化效果，建議該生活區(qū)艙室采用出口的靠左布置。

另外，在分析中沒有充分考慮到人員的行為特性對整個疏散過程的影響，同時，船艙發(fā)生災害時的特殊場景(火災條件下人員視野受限，船艙進水后船體傾斜等)沒有涉及，這些將在未來的研究工作中進行進一步的完善。

[1] 田偉,呂偉.船舶安全疏散研究述評[J].中國安全生產(chǎn)科學技術(shù),2014(4):133-138.

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On Ship Pedestrian Evacuation Involving Different Exit Position Based on Pathfinder

HUANG Dan-yan1,2, LU Zhao-ming2, HUANG Yu-biao1, ZHENG Yuan1, YANG Li-zhong1

(1.State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China; 2.Dept. of Architectural and Civil Engineering, City University of Hong Kong, Hong Kong 999077, China)

The process of evacuation in a living area of the ship was studied to reveal the characteristics of pedestrian evacuation, optimize exit position in the interior cabin and find out the optimal setting of exit under the existing cabin layout condition. Results showed that it is easily to form congestions when people in evacuations, and per capita congestion time occupied 29.41% of the per capita evacuation time, the congestion locations are in the middle of the corridor and the confluence area. After optimization, the evacuation efficiency could be improved by 6.82%, and the optimization efficiency of the leftward arrangement was better than the other two conditions. So it is suggested that the exits of the living area in the ship should be arranged leftward.

Pathfinder; evacuationl; exit positionl; ship

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.026

2017-01-18

國家自然科學基金重點項目(51323010);中央高校基本業(yè)務費專項資金(WK2320000033)

黃丹妍(1994—)，女，博士生

研究方向：建筑內(nèi)人員疏散規(guī)律及運動特征

U662

A

1671-7953(2017)03-0113-05

修回日期：2017-03-20