基于元胞自動機的郵輪碼頭應(yīng)急疏散策略研究

（武漢理工大學物流工程學院 武漢 430063）

0 引 言

郵輪碼頭在建設(shè)和運營中可能發(fā)生的災(zāi)害主要分為自然災(zāi)害與人為災(zāi)害．自然災(zāi)害包括臺風、海嘯等；人為災(zāi)害包括火災(zāi)、爆炸、工程事故等，而突發(fā)災(zāi)害對郵輪碼頭旅客生命財產(chǎn)安全的影響是不可估量的．交通部頒布的《港口安全評價管理辦法》第十五條中明確指出：客運碼頭應(yīng)制定重大生產(chǎn)安全事故的旅客應(yīng)急疏散和救援預(yù)案，保障旅客安全．因此，加強郵輪碼頭安全管理，通過研究郵輪碼頭緊急事故后的旅客疏散行為，提高系統(tǒng)對突發(fā)事件的緊急預(yù)警防護能力已經(jīng)成為各方面廣泛關(guān)注的議題［1］．

國外學者 Helbing［2－3］等人用社會力模型模擬疏散過程中擁擠、堵塞、快即是慢等現(xiàn)象，但連續(xù)性模型運行速度慢．國內(nèi)學者范維澄［4］等人在Helbing工作的基礎(chǔ)上，利用社會力模型描述人員疏散中，門的寬度與墻的厚度等對人員疏散的影響，但局限于走道、人行道等領(lǐng)域．本文通過量化三種力的運算規(guī)則，提出了一種二維元胞自動機擴展模型，將其應(yīng)用于郵輪碼頭進而進行仿真試驗，并提供合理性疏散策略，擴展了元胞自動機離散模型應(yīng)用領(lǐng)域．

1 郵輪碼頭應(yīng)急疏散系統(tǒng)搭建

1.1 郵輪碼頭平面布置

郵輪碼頭中基礎(chǔ)設(shè)施和輔助設(shè)備眾多，將郵輪碼頭分為以下幾個區(qū)域：

1）登錄區(qū) 主要設(shè)備包括郵輪?？康牟次?，以及登陸郵輪或者離開郵輪的舷梯．

2）客運聯(lián)檢區(qū) 主要包括售票處、郵輪辦公區(qū)、游客候船區(qū)、行李托運等．

3）輔助設(shè)施區(qū) 停車場、餐飲場地等．

4）商業(yè)區(qū) 休閑、酒店配套設(shè)施等．

5）門廳 主入口門廳、次入口門廳、辦公室門廳、貴賓門廳、展覽門廳等．

1.2 郵輪碼頭應(yīng)急疏散系統(tǒng)構(gòu)成

郵輪碼頭應(yīng)急疏散系統(tǒng)由應(yīng)急疏散控制中心調(diào)控，主要有應(yīng)急疏散通道、應(yīng)急裝備（包括應(yīng)急燈、滅火器、疏散廣播等）、應(yīng)急警報系統(tǒng)、應(yīng)急疏散輔助人員、應(yīng)急疏散控制中心、應(yīng)急疏散標示符等幾部分組成．其應(yīng)急疏散系統(tǒng)構(gòu)成見圖1．

2 郵輪碼頭應(yīng)急疏散的元胞自動機模型建立

2.1 模型的提出

針對郵輪碼頭面積大，人流擁擠，內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu)復雜且不規(guī)則的特點，因此，采用von Neumann型鄰域確定人員可能的運動方向，并將碼頭進行平面的網(wǎng)格劃分，而每個元胞尺寸對應(yīng)真實人員的占據(jù)面積，即0．5m×0．5m．但由于有疏散口的存在，即人員逃生過程中會出現(xiàn)有偏行走現(xiàn)象，故大部分人會選擇放棄背離門的方向行走而選擇其他3個方向行走，見圖2．

圖1 應(yīng)急疏散模型

圖2 元胞von Neumann型鄰域：模型中人員可能的運動方向

2.2 模型規(guī)則的確定

模型中引入智能性局部規(guī)則，并采用異步更新原則，具體規(guī)則為：郵輪碼頭應(yīng)急疏散模型初始化時，根據(jù)疏散口對每個元胞具有吸引力來初步確定每個元胞的初始逃逸路線；即各個元胞根據(jù)“L”形或“T”形的逃逸規(guī)則，選擇下一目標格點．

郵輪碼頭應(yīng)急疏散模型中，2個或2個以上的元胞競爭同一格點而產(chǎn)生沖突時，通過考慮各元胞之間的摩擦力來修正元胞的逃逸路線，即摩擦力概率大的進入該目標格點，其他的以一定概率原地不動或其他兩個方向有偏行走．

鑒于考慮每個元胞屬性不同（即男、女、老人或小孩及殘疾等），故存在4種不同的逃逸速度，則各個元胞移動到下一目標格點的時間步亦不完全相同，因此，可稱為異步．

考慮到郵輪碼頭模型的隨機性和慢化問題，應(yīng)用隨機流數(shù)據(jù)、一定總數(shù)各元胞隨機概率分布于各個格點，每次各個元胞的位置、屬性都不會完全相同．模型的慢化概率為5%．

2.3 模型的離散化

1）吸引力確定模型目標 考慮到郵輪碼頭旅客堵塞，建筑內(nèi)部疏散口一般較多，而通常元胞需要尋找最佳的疏散口作為目標，主要體現(xiàn)為吸引力，故暫時忽略人與人之間的群體行為導致的相互吸引力．

在郵輪碼頭的緊急疏散過程中，人員的最終目標就是多個疏散口中最近的疏散口，但人員的下一目標就是選擇自認為趨向于最優(yōu)的格點，并不斷通過連接最優(yōu)格點，確定出每個人員的最佳逃逸路徑．以最近的疏散口為最終目標格點，計算每個人員到各個疏散口的距離，并通過比較取距離的最小值，其最小距離為

式 中：（Xi，Yi）為 第i 個 元 胞 的 坐 標 值；min（Dn（Xi，Yi））為第i個元胞距n 個疏散口中最短的距離值；（Xj（out），Yj（out））為第j個疏散口的坐標值．

郵輪碼頭模型內(nèi)部引入動力場包括摩擦力和排斥力，主要是為了修正和優(yōu)化人員逃逸路線，分別對其進行離散量化．

2）摩擦力量化 在郵輪碼頭聯(lián)檢大樓中，聚集著大量擁擠的行人，摩擦力通常表現(xiàn)為人與墻壁或障礙物、人與人直接接觸時的減速行為．同時，為了定量描述摩擦力，引入摩擦力概率．

式中：vi為4種不同類型的人具有的不同速度；θi為速度比例因子即摩擦力對速度的影響因子．（此處摩擦力為單位向量，故θi∈（0，1／vi））

3）排斥力量化 郵輪碼頭聯(lián)檢大樓中，突發(fā)緊急情況，如火災(zāi)、暴力、恐怖襲擊等．排斥力主要表現(xiàn)為人員逃離危險源，為了定量描述排斥力，引入排斥力概率，考慮人的躲避行為是神經(jīng)系統(tǒng)的一種反應(yīng)，故引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中普遍采用的Sigmoid函數(shù)［5－6］來描述排斥概率，為

式中：α∈（0，∞）為危險源的危險度系數(shù)，依賴于逃逸人員對危險源的感知、承受極限；λi為不同類型的人以一定的概率保持原地不動．

3 仿真試驗

在一、二2種工況（見表1）下，進行多次仿真實驗，其疏散口寬度與疏散時間關(guān)系見圖3．

圖3 疏散口寬度對應(yīng)疏散時間關(guān)系

表1 仿真試驗3種不同工況

在工況三下，通過多次仿真實驗，統(tǒng)計郵輪碼頭內(nèi)部行人4種速度對應(yīng)疏散時間的關(guān)系見圖4．

圖4 疏散速度對應(yīng)疏散時間關(guān)系

郵輪碼頭總面積不變情況下，由圖3可見，隨著聯(lián)檢區(qū)域的疏散口寬度逐步增加，疏散時間呈現(xiàn)遞減趨勢，但疏散口寬度大于3m，則其對疏散時間的影響不明顯，因此，存在最佳疏散寬度，且其值d ∈（2．2，3．0）m．同時，可見當人口密度小于或等于0．5時，疏散口的個數(shù)及寬度對疏散時間影響不顯著．由圖4可見，在疏散口寬度為2．5 m情況下，人員的速度越大則疏散時間越短，但速度達到一定值時（稱此值為期望值），反而制約著疏散效率．并很難實現(xiàn)一一進行定量的描述和計算．根據(jù)不同工況下仿真模型試驗，其結(jié)果表明：

1）郵輪碼頭建筑面積在20 000m2大范圍內(nèi)，人口分布密度ρ≥0．5，考慮建筑設(shè)計成本，建議疏散口個數(shù)n∈（4，6）．

2）郵輪碼頭建筑面積在20 000大范圍內(nèi)，人口分布密度ρ≥0．5，建議疏散口的寬度d ∈（2．2，3．0）m．

3）郵輪碼頭在既定疏散口和疏散口寬度一定條件下，疏散速度達到期望值時，需要有效的緊急疏散標識及疏散廣播來顯著提高疏散的效率和力度，能夠有效改善快即是慢的現(xiàn)象．

由于郵輪碼頭面積龐大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)及疏散過程復雜，各影響因素之間不是簡單的線性關(guān)系，為了更真實、更有效的模擬郵輪碼頭內(nèi)部人員實際疏散過程并提供合理性應(yīng)急策略，還需開展大量的實驗研究．

4 結(jié)束語

郵輪碼頭人員緊急疏散過程中人與人、人與建筑物（包括墻、障礙物等）、人與疏散口之間的相互作用力異常復雜，涉及到人的行為特征、人群群體行為、環(huán)境特征、建筑物布局方式等諸多因素，

［1］趙道亮．緊急條件下人員疏散特殊行為的元胞自動機模擬［D］．合肥：中國科學技術(shù)大學火災(zāi)科學國家重點實驗室，2007．

［2］Helbing D，F(xiàn)arkas I，Vicsek T．Simulating dynamical features of escape panic［J］．Nature，2000，407：487－489．

［3］Helbing D，Keltsch J，Molnar P．Moddlling the evolution of human trail systems［J］．Nature，1997，388：47－49．

［4］宋衛(wèi)國，于彥飛，范維澄，等．一種考慮摩擦與排斥的人員疏散元胞自動機模型［J］．中國科學E，2005，35（7）：725－736．

［5］于彥飛．人員疏散的多作用力元胞自動機模型研究［D］．合肥：中國科學技術(shù)大學火災(zāi)科學國家重點實驗室，2008．

［6］馬道遠，沈成武．開放邊界的交通流元胞自動機模型與交通量分析［J］．武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2002，26（2）：165－168．