金 雁， 王欣宇

(武漢理工大學 交通學院， 湖北 武漢430063)

0 引 言

進入21世紀，人民生活水平提高，旅游業(yè)發(fā)展旺盛，客船作為重要的水上交通工具，乘載大量旅客，其安全性至關重要。自航運誕生之初，客船的重大事故屢見不鮮，相對封閉的艙室、復雜的通道、有限的逃生路線、擁擠的出口、復雜的設備等等，極大地限制了人群疏散效率。在船舶設計中，合理有效的通道布置能夠大幅提升人群疏散效率，保障乘客的人命安全[1]。

目前，關于人群疏散的研究通常集中于陸地建筑內(nèi)，針對船舶人群疏散的研究較少。在船舶設計中，客船通道布置基本是在符合《內(nèi)河船舶法定檢驗技術規(guī)則》[2](后文簡稱《法規(guī)》)要求的基礎上進行設計的，不會專門建立人群疏散模型輔助船舶設計。國內(nèi)學者已經(jīng)逐步開展船舶疏散模型的研究，但是研究相對初步，試驗數(shù)據(jù)不足；國外發(fā)達國家的船舶人群疏散研究起步較早，已研制出幾款仿真軟件，美中不足是對不同場景的適用性、移植性較低。本文基于元細胞自動機原理，建立120客位旅游客船4種通道布置的人群疏散模型，分析模擬結(jié)果，得到優(yōu)化的通道布置方案。

1 人群疏散模型構(gòu)建

1.1 擴展元細胞自動機原理

基于元細胞自動機原理，在MATLAB軟件中建立人群疏散模型。元細胞自動機采用離散的時間、空間、狀態(tài)，元胞個體狀態(tài)的演變僅與其當前狀態(tài)及其某個局部鄰域的狀態(tài)有關，其能夠模擬具有時空特征的復雜動態(tài)模型。該仿真原理提供一種開放式的框架模型，這個框架不必是剛性的，而是依照情況考慮的模擬思路[3]。本文根據(jù)船舶固有特點和人員固有屬性擴展細胞自動機模型。

(1) 隨機規(guī)則。在自然系統(tǒng)中，事物變化有一定的隨機性。在本文建立的人群疏散模型中，每個人的移動總是向更接近出口的方向，這是人移動的核心趨勢。在保證核心移動趨勢不變的情況下，每個人的方向選擇、路徑選擇和判斷順序都是隨機的。每次進行模擬的人群疏散路線都不相同，符合現(xiàn)實人群疏散的特點。

(2) 單位人員的元胞數(shù)。傳統(tǒng)的元細胞自動機模型模擬人群疏散，通常用1個元胞模擬1個疏散人，而元細胞自動機模型中的最小單位就是元胞，這導致有些寬度較小的事物在元細胞自動機模型中的寬度與人的寬度一致，模擬結(jié)果偏離真實情況。本模型采用9個元胞組合模擬1個人，組合方式如圖1所示。

圖1 單個人元胞模擬圖

(3) 人員屬性。在實際船舶人群疏散時，疏散人員具備不同的屬性，年齡、性別和身體狀況等人員屬性直接影響疏散速度[4]。根據(jù)人員屬性將人群分成3個不同的群體，各個群體的最大移動速度互不相同。在該人群疏散模型的1個時間步內(nèi)：代表健康成年人的第一類人員移動速度最大為3格，占總?cè)藬?shù)的70%；代表老人和幼兒的第二類人員移動速度最大為2格，占總?cè)藬?shù)的20%；代表行動不便的第三類人員移動速度最大為1格，占總?cè)藬?shù)的10%。

不同群體的最大移動速度不同，體現(xiàn)在元細胞自動機中則是元胞的鄰域不同，如圖2所示。

圖2 人員元胞鄰域示例

(4) 雙層客船的人群疏散。雙層客船有兩層載客甲板，涉及兩層甲板間的人員流動。在建立雙層客船人群疏散模型時，不但要模擬兩層甲板乘客分別通過外部走道向安全區(qū)域的疏散，還要模擬兩層甲板之間的人群流動。

1.2 旅游客船疏散模型構(gòu)建

該120客位旅游客船作為常見的內(nèi)河客運船舶，具有人員密集、座椅眾多、通道和出口寬度有限等特點。直通兩層甲板的內(nèi)部旋轉(zhuǎn)樓梯增加了人群疏散時的復雜程度，極大限制了人群疏散效率，疏散過程中不確定因素很多，有必要對該客船進行人群疏散模擬。

本模型主要由靜態(tài)模型和動態(tài)模型兩個模型組成，兩個模型按照一定規(guī)則組合，共同完成人群疏散模擬。建模流程如圖3所示。

圖3 旅游客船疏散模型構(gòu)建流程

1.2.1 靜態(tài)模型

靜態(tài)模型模擬的是元胞恒定不變的性質(zhì)，搭建靜態(tài)模型就是建立網(wǎng)格空間并給空間內(nèi)每個元胞賦值的過程。根據(jù)表1的《中國成年人人體尺寸(GB 10000-1988)》[5]，本模型設疏散人群平均肩寬360 mm，人員由9個元胞組成，為3×3網(wǎng)格排列，可知單位網(wǎng)格邊長為1/3平均肩寬，網(wǎng)格寬120 mm。

表1 成年人肩寬數(shù)據(jù)

1.2.2 動態(tài)模型

動態(tài)模型以靜態(tài)模型為基礎，在靜態(tài)模型網(wǎng)格矩陣上進行區(qū)域劃分和規(guī)則制訂。動態(tài)模型運行基礎流程如圖4所示。

圖4 動態(tài)模型基礎流程

動態(tài)模型由多個子模塊共同組成，子模塊協(xié)同工作。子模塊如下：

(1) 檢測鄰域完整性。該子模塊可檢測上、下、左、右等4個鄰域的完整性。從其中1個鄰域內(nèi)靠近人員的元胞開始，逐層向外檢測可移動范圍，確定人員中心點所能達到的預移動坐標。

(2) 計算最小的人與門間距。得到4個方向的預移動坐標后，對比分析其與區(qū)域出口的距離，得到與該區(qū)域出口距離最小的預移動坐標。

(3) 排除當前人員坐標。在人群疏散模擬中，人員可能因為障礙物等原因?qū)е履骋环较蝾A移動坐標與當前人員坐標重合，同時該方向預移動坐標與門的距離是各個方向預移動坐標與該區(qū)域出口距離中的最小值，那么人員可能連續(xù)幾個時間步內(nèi)靜止在原地，或是在某2個位置間往復移動，不能進行正常疏散移動。為了避免這種情況，該子模塊可以在統(tǒng)計各方向預移動坐標時，自動排除當前疏散人員的坐標，防止靜止和往復運動。

(4) 隨機選擇。當人員多個方向的預移動坐標與門的距離相同，且這個距離是最小的人與區(qū)域出口距離時，該子模塊會隨機決定其中一個方向，讓疏散人員移動至該方向預移動坐標。

(5) 進出旋轉(zhuǎn)樓梯。該旅游客船具有雙層甲板，在人群疏散過程中，兩層甲板通過旋轉(zhuǎn)樓梯產(chǎn)生人員流動。首先規(guī)劃出旋轉(zhuǎn)樓梯入口處的判定點，當人員處在判定點上，同時旋轉(zhuǎn)樓梯內(nèi)部入口處有足夠的空間時，即可進入旋轉(zhuǎn)樓梯內(nèi)部走道的入口處。同樣地，離開旋轉(zhuǎn)樓梯也是相同的判斷方法。進入內(nèi)部走道后，人員的移動速度自動降低1格/步。第三類疏散人員移動速度只有1格/步，所以移動速度不改變[6]。

(6) 動畫演示。在人群疏散模型運行過程中，每一時間步后該子模塊都會將整個矩陣圖像刷新并顯示出來，可以讓設計人員直觀地觀察到模型運轉(zhuǎn)情況和人員疏散路徑。該子模塊還根據(jù)網(wǎng)格中元胞性質(zhì)，賦予網(wǎng)格相應顏色。每一時間的圖像呈現(xiàn)后，會有0.1 s的延遲，然后再更新到下一個時間步的圖像，多個時間步的圖像連續(xù)呈現(xiàn)形成人群疏散動畫演示。

2 旅游客船通道布置方案

120客位旅游客船人群疏散模型能模擬常規(guī)通道布置方案的人群疏散，但是由于缺乏同類型數(shù)據(jù)的對比分析，無法進行旅游客船通道優(yōu)化研究。為得到優(yōu)化的通道布置方案，有目的地建立多個合理的通道布置方案，對比分析多個通道布置方案的人群疏散模擬結(jié)果來實現(xiàn)優(yōu)化。

2.1 常規(guī)通道布置方案

120客位旅游客船通道布置沒有考慮人群疏散效率，主要是滿足《法規(guī)》最低要求進行設計，這種設計方式在當今船舶設計中較為常見，稱為常規(guī)通道布置方案。為區(qū)分幾種通道布置方案，簡稱“圖們江復航客船常規(guī)通道布置方案”為“A方案”。

2.1.1 通道方案

復航客船A方案通道布置示例如圖5和圖6所示。

圖5 A方案主甲板通道布置示例

圖6 A方案駕駛甲板通道布置示例

2.1.2 人群疏散模擬

依據(jù)A方案的各設施與人員肩寬的比例關系，分別在模型中構(gòu)建各設施網(wǎng)格，組成疏散區(qū)域模型矩陣，建立靜態(tài)模型，并劃分動態(tài)模型網(wǎng)格區(qū)域，載入各動態(tài)模型子模塊，模擬人群疏散。A方案靜態(tài)模型模擬圖如圖7和圖8所示。在A方案駕駛甲板通道布置模擬圖中，右上方黑色矩形框為旋轉(zhuǎn)樓梯內(nèi)部走道模擬圖。為便于示意，各甲板布置方案的旋轉(zhuǎn)樓梯內(nèi)部走道模擬圖放置在駕駛甲板通道布置模擬圖右側(cè),與旋轉(zhuǎn)樓梯實際布置方位無關。各通道布置方案模擬圖中，橫坐標、縱坐標單位均為元細胞個數(shù)。

圖7 A方案主甲板通道布置模擬圖

圖8 A方案駕駛甲板通道布置模擬圖

運行A方案人群疏散仿真模型1 000次，得到人群疏散情況，模擬結(jié)果如表2所示。

表2 A方案疏散步數(shù) 步

根據(jù)A方案人群疏散模擬結(jié)果可知，最大疏散步數(shù)是259步，較平均疏散步數(shù)218.658步多40.342步，說明在人群疏散模擬過程中，可能會因為某些隨機因素導致人群疏散效率明顯低于該通道布置的平均疏散步數(shù)。同時，最大疏散步數(shù)與最小疏散步數(shù)相差76步，占平均疏散步數(shù)的34.76%，該型通道布置疏散能力不穩(wěn)定，仍有較大的提升空間。

2.2 不同通道布置方案

由于利用常規(guī)的通道布置方法設計的A方案不具備良好的人群疏散效率，本文在A方案的基礎上修改通道布置，得到多個新的通道布置方案，并模擬新增方案人群疏散，對模擬結(jié)果進行對比、分析。

2.2.1 通道方案

本文增設B、C、D等3種通道布置方案。該3種通道布置在不改變旅游客船其他要素的前提下，盡可能提高船舶的人群疏散效率。座椅規(guī)格、座椅間距、座椅與通道間距、通道寬度、出口數(shù)目及寬度等布置均滿足《法規(guī)》相關要求。

(1) B方案。主甲板通道布置與A方案相同。在駕駛甲板通道布置中，將原本位于客艙首部的橫向通道移至客艙尾部，相應的客艙出入口也移至尾部的橫向通道兩端。新的橫向通道布置于旋轉(zhuǎn)樓梯兩側(cè)，直通客艙外部舷側(cè)走道，縮短駕駛甲板的人群在疏散過程中經(jīng)過舷側(cè)走道的路程，對提高復航客船人群疏散效率有利。B方案駕駛甲板布置如圖9所示。

圖9 B方案駕駛甲板通道布置示例

(2) C方案。在人群疏散時，客艙尾部橫向通道是主要的疏散通道，會有大量人群經(jīng)過。位于客艙尾部的旋轉(zhuǎn)樓梯可能會阻礙人群疏散，產(chǎn)生排隊、擁堵等現(xiàn)象，故將旋轉(zhuǎn)樓梯從主甲板客艙尾部移至中部。為保證座椅與旋轉(zhuǎn)樓梯間保持一定距離，主甲板客艙內(nèi)座椅數(shù)目由78個減少至72個。

由于旋轉(zhuǎn)樓梯的位置改變，駕駛甲板客艙內(nèi)旋轉(zhuǎn)樓梯出入口也由客艙尾部移至首部。為了保證座椅與旋轉(zhuǎn)樓梯間保持一定距離，取消客艙尾部橫向通道，客艙出入口改在縱向通道末端，位于客艙尾部。駕駛甲板客艙內(nèi)座椅數(shù)目由42個增加至48個。C方案如圖10和圖11所示。

圖10 C方案主甲板通道布置示例

圖11 C方案駕駛甲板通道布置示例

(3) D方案。與C方案類似，除將旋轉(zhuǎn)樓梯移至主甲板客艙中部外，還將客艙內(nèi)的橫向走道改在客艙中部，寬度為1.4 m；客艙出入口布置在客艙中部的橫向走道兩端，寬度為1.2 m。該通道布置不僅縮短了舷側(cè)走道的疏散路線，還充分利用旋轉(zhuǎn)樓梯周圍的空位，增加通道寬度，對提高人群疏散效率有利。駕駛甲板通道布置與C方案相同。D方案主甲板通道布置如圖12所示。

圖12 D方案主甲板通道布置示例

2.2.2 人群疏散模擬

同建立A方案人群疏散模型一樣，建立B、C、D方案模型。以B方案為例，其模擬圖像如圖13和圖14所示。

圖13 B方案主甲板通道布置模擬圖

圖14 B方案駕駛甲板通道布置模擬圖

2.3 優(yōu)化的通道布置

建立旅游客船4型通道布置仿真模型，模擬人群疏散。從疏散步數(shù)和疏散穩(wěn)定性兩方面對比分析模擬結(jié)果，得到優(yōu)化的通道布置。

2.3.1 模擬仿真結(jié)果

4型通道布置模擬結(jié)果整理如表3所示。

2.3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

船舶人群疏散效率的衡量標準具有復雜多面性。在判斷某一通道布置人群疏散效率的好壞時，如果僅對其所耗疏散步數(shù)進行分析，那么這種評價方式則是片面的。由于船舶疏散往往是在船舶處于險情等特殊情況下進行的，這時常規(guī)人群疏散步數(shù)可能無法反映該通道布置的人群疏散能力。如果某一通道布置的疏散步數(shù)在常規(guī)情況下圍繞平均疏散步數(shù)波動不大，則說明該通道布置方案具有良好的穩(wěn)定性，能大大降低險情發(fā)生時乘船人員承擔的風險。判斷通道布置方案疏散效率優(yōu)劣，需從疏散步數(shù)和穩(wěn)定性兩方面考慮。

表3 4型通道布置疏散步數(shù)與標準差數(shù)據(jù) 步

(1) 疏散步數(shù)。如圖15所示，上方線條代表A方案疏散步數(shù)，明顯位于B、C、D方案疏散步數(shù)柱形圖上，證明A方案疏散所需時間最長。B方案的最小疏散步數(shù)柱形圖與C方案的高度接近，但是其他兩種疏散步數(shù)的柱狀圖都明顯低于C、D方案。僅對比疏散步數(shù)，A方案是最差的通道布置方案，B方案則是最優(yōu)的通道布置方案。

圖15 B、C、D方案人群疏散步數(shù)柱形圖

(2) 穩(wěn)定性。標準差能反映一組數(shù)據(jù)中個體間的離散程度，船舶人群疏散步數(shù)的標準差能夠反映船舶布置的疏散穩(wěn)定性[7]。如圖16所示，代表A方案標準差的線條遠遠高于新增的B、C、D方案標準差柱形圖，A方案標準差過大，疏散效率穩(wěn)定性差。D方案標準差最小，疏散數(shù)據(jù)的離散程度最低，因此D方案人群疏散效率穩(wěn)定。B方案標準差與D方案標準差十分接近，僅相差0.087，僅考慮疏散效率的穩(wěn)定性，這兩種方案相差無幾。選用B方案或D方案，對提升通道布置的人群疏散效率穩(wěn)定性都有突出的改善效果。

圖16 B、C、D方案標準差柱形圖

2.3.3 優(yōu)化的通道布置方案選擇

經(jīng)過以上分析，在B、D兩種方案的疏散穩(wěn)定性相近的情況下，由于B方案具有4種通道布置方案中最佳的疏散步數(shù)，故B方案是相對最優(yōu)的通道布置方案。

3 結(jié)束語

船舶人群疏散不但受到外在環(huán)境布置和內(nèi)在人員屬性、心理等因素的影響，還受到隨機、突發(fā)偶然事件的威脅。雖然在滿足《法規(guī)》各項要求下進行客船總布置設計得到的通道布置方案能夠具備一定的疏散能力，但是這種常規(guī)布置方案不能保證良好的疏散效果。特別是對于設備眾多、布置復雜、載客量大的大型客船，僅按《法規(guī)》最低要求進行設計與布置，人群疏散情況更難把握，當險情來臨時，容易危害乘客人命安全。

本文針對某120客位旅游客船的通道布置，運用元細胞自動機原理建立疏散模型，通過對4型客艙通道布置的模擬結(jié)果進行分析，得到了優(yōu)化的通道布置方案，該方法為大型客船通道優(yōu)化布置提供了借鑒。模擬仿真結(jié)果表明：采用人群疏散仿真模型分析人群疏散，優(yōu)化通道布置，有利于提高客船人群疏散效率，保障乘客人命安全。