火災(zāi)時(shí)客船在傾斜狀態(tài)下最優(yōu)疏散路徑

劉紅，劉佳憶

(上海海事大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院， 上海 201306)

0 引 言

客船發(fā)生火災(zāi)、事故時(shí)的疏散路線是指將災(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(diǎn)的路線[1]，它直接關(guān)系到旅客及船員的生命安全.文獻(xiàn)[2]重點(diǎn)討論火災(zāi)事故發(fā)生時(shí)客船的最優(yōu)疏散路徑.由于船舶發(fā)生事故時(shí)常伴有傾斜，傾斜角度的大小常常會影響人員疏散的速度及最優(yōu)路徑的選擇，本文在文獻(xiàn)[2]的基礎(chǔ)上討論客船發(fā)生火災(zāi)事故且船舶傾斜時(shí)的人員疏散最優(yōu)路徑.

應(yīng)急疏散是目前應(yīng)急管理研究領(lǐng)域的重點(diǎn)內(nèi)容之一.國內(nèi)外現(xiàn)有的研究重點(diǎn)關(guān)注陸上建筑物、客運(yùn)樞紐的人員疏散[3-7]；海上應(yīng)急管理主要關(guān)注危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸應(yīng)急能力評價(jià)[8]、海上交通事故原因分析[9]，國內(nèi)外針對客船這一流動建筑物的疏散研究較少[10-15].現(xiàn)有最佳疏散路徑研究中，國內(nèi)主要集中于對高層建筑物通道疏散、礦井井巷逃生和災(zāi)害擴(kuò)散疏散的研究[3,16-17]，而國外則更側(cè)重于客船尤其是游船人員行為對最終疏散結(jié)果的影響[10-12].客船結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通道狹窄、通往露天區(qū)域的出口有限，且船舶處于運(yùn)動中，船上旅客對客船的疏散通道不熟悉，因此，選擇合理的疏散路線是比較棘手的問題.

1 火災(zāi)時(shí)客船傾斜狀態(tài)下最優(yōu)疏散路徑模型的建立和求解

1.1 模型假設(shè)

本文重點(diǎn)考察客船發(fā)生火災(zāi)時(shí)，船舶縱、橫傾斜對疏散路徑選擇的影響.對模型作如下假設(shè)：

(1)所有待疏散人員聽從指揮，按預(yù)定疏散計(jì)劃完成疏散，人員流動只發(fā)生在疏散路徑上；(2)疏散人員始終朝出口方向移動，疏散過程中不存在逆流和繞圈現(xiàn)象；(3)鑒于影響船上人員疏散速度的因素的復(fù)雜性，模型中不考慮影響疏散人員行為的心理因素及人員個(gè)體之間的相互作用，船舶航行的外部環(huán)境只影響到船舶的傾斜；(4)人員疏散時(shí)，船上應(yīng)急系統(tǒng)正常，船舶所有通道暢通；(5)除火災(zāi)影響外船舶不會發(fā)生其他突發(fā)狀況，如碰撞、破損等.

1.2 最優(yōu)疏散路徑模型

選擇拓?fù)淠Ｐ椭械倪B通圖構(gòu)建疏散路網(wǎng)的空間環(huán)境，即引入圖論概念，將客船的疏散網(wǎng)絡(luò)(由樓梯、走道等連接)用圖論中的賦權(quán)圖D=(V,A)表達(dá).[2]將客船火災(zāi)時(shí)影響人員疏散的各種因素轉(zhuǎn)化為影響通道實(shí)際長度的系數(shù)，定義疏散通道當(dāng)量長度，建立客船傾斜狀態(tài)下火災(zāi)人員疏散路徑優(yōu)化模型.對于給定的賦權(quán)圖D=(V,A)(見圖1)，每條邊a=(Vi,Vj)，相應(yīng)地有權(quán)L(a)=lij，又給定D中的兩個(gè)頂點(diǎn)Vs和Vt.設(shè)P是D中從Vs到Vt的一條路，定義P的權(quán)是P中所有邊的權(quán)l(xiāng)ij之和.疏散路徑模型的目標(biāo)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P0，使

(1)

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)

采用圖論中經(jīng)典的最短路徑算法Dijkstra求解.由于災(zāi)變的發(fā)展存在不可預(yù)測因素，當(dāng)疏散點(diǎn)到出口的最短路徑行不通時(shí)，可選用第2和第3短路徑.Dijkstra算法能一次求出任意兩點(diǎn)的最短路徑，當(dāng)某通道由于火災(zāi)蔓延或擁堵無法通過時(shí)，可從備選路徑迅速逃生.利用MATLAB 7.1 對該算法編程.

1.3 當(dāng)量長度路權(quán)

客船火災(zāi)時(shí)影響人員通行速度和路徑選擇的主要因素：船舶縱、橫傾的影響，有毒有害氣體濃度，人員行為，障礙物，高溫?zé)熈髯枞ǖ赖?總結(jié)國內(nèi)外對船舶及陸上建筑人員疏散的研究，在文獻(xiàn)[2]的基礎(chǔ)上考慮船舶傾斜影響，采用改進(jìn)的當(dāng)量長度描述客船通道各路段的綜合屬性，即將通道的實(shí)際長度與各影響因素的當(dāng)量系數(shù)相乘后得到的長度作為當(dāng)量長度

(2)

1.3.1 煙流體積分?jǐn)?shù)當(dāng)量長度因數(shù)

以往陸上實(shí)驗(yàn)及實(shí)例調(diào)查研究表明：在建筑物火災(zāi)蔓延過程中，有害氣體中CO對人員疏散行為的影響最嚴(yán)重.通道中的煙流體積分?jǐn)?shù)一般由有害氣體體積分?jǐn)?shù)決定，有害氣體體積分?jǐn)?shù)越大，煙流體積分?jǐn)?shù)越大.因此，本文引入懲罰因數(shù)ω(表征火災(zāi)煙流中有害氣體對人體的傷害和煙霧所造成的能見度降低對人員行走速度的影響)，將該因數(shù)乘以有害氣體體積分?jǐn)?shù)得到煙流體積分?jǐn)?shù)當(dāng)量長度因數(shù)，從而量化火災(zāi)疏散中煙流對路徑長度的影響.根據(jù)以往陸上研究[18-19]，給出CO體積分?jǐn)?shù)c，懲罰因數(shù)ω及人體在不同濃度CO中的生理反應(yīng)，見表1.

表1 CO體積分?jǐn)?shù)c，懲罰因數(shù)ω及人體在不同濃度CO中的生理反應(yīng)

1.3.2 人群群集通行難易度因數(shù)

在應(yīng)急狀態(tài)下的安全疏散通道中，為防止發(fā)生人員相互阻塞、踐踏、堆疊、傷亡事故等，必須保證人均占有最小面積S=0.28 m2，即最大群集密度ρ=3.57人/m2.根據(jù)國外實(shí)測統(tǒng)計(jì)資料，安全疏散中群集流動的特點(diǎn)和取值[20]見表2.

表2 安全疏散中群集流動的特點(diǎn)和取值

另根據(jù)IMO的規(guī)定[21]，沿疏散路徑逃生的群集步速的取值只受人員密度和疏散設(shè)施類型的影響，建筑設(shè)施類型、人員疏散狀態(tài)、群集密度及群集步速對應(yīng)關(guān)系見表3.

在緊急疏散狀態(tài)下人員的自由流動是安全疏散設(shè)計(jì)的宗旨,但在發(fā)生火災(zāi)時(shí)各種影響因素會導(dǎo)致無法達(dá)到人員自由流動狀態(tài).因此，根據(jù)國內(nèi)外疏散過程中人員疏散狀態(tài)、群集密度、群集步速的相互關(guān)系，假設(shè)：在平直通道內(nèi)為微滯留或自由流動狀態(tài)；在樓梯附近為滯留狀態(tài)；在多條交叉路口處為微滯留狀態(tài).因此，安全疏散通道中的群集密度取自由流動和滯留狀態(tài)下的平均值ρ=1.0人/m2，即走廊通道的群集密度ρ=1.0人/m2，樓梯道的群集密度ρ=2.0人/m2.

表3 建筑設(shè)施類型、人員疏散狀態(tài)、群集密度及群集步速對應(yīng)關(guān)系

1.3.3 疏散通道類型通行難易度因數(shù)

在緊急狀態(tài)下，疏散通道的有效寬度、坡度、彎度和群集密度等對群集步速均有一定的影響.借鑒國內(nèi)外建筑物中應(yīng)急疏散研究，定義疏散通道類型通行難易度因數(shù)[3]

(3)

表4 不同疏散通道類型的通行難易度因數(shù)

式中：v0為人員在正常狀態(tài)下的通行速度，m/s；vt為只考慮疏散通道類型影響的人員在特定路徑上的通行速度，m/s.綜合國內(nèi)外學(xué)者對人員通行速度的觀測分析[22]，不同疏散通道類型通行難易度因數(shù)的取值見表4.

1.3.4 障礙物因數(shù)

1.3.5 船舶傾斜通行難易度因數(shù)

定義船舶傾斜通行難易度因數(shù)為

(4)

式中：vv為人員在船舶橫、縱傾狀態(tài)下的通行速度，m/s.

德國提交給IMO的研究報(bào)告[22]指出：船舶的靜態(tài)傾斜一般會產(chǎn)生斜坡，其被模型化為人員步速衰減的因素.在絕大多數(shù)船舶運(yùn)動仿真中，當(dāng)傾斜角度超過30°時(shí)，船舶會被假定為傾覆.文獻(xiàn)[23]給出船舶在不同傾斜狀態(tài)下人員步速降低率公式，如式(5)～(9)所示.

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式(5)～(9)中：r1和r2分別為人員在橫向、縱向傾斜的走廊里的步速降低率；r3為人員在橫向傾斜的樓梯里的步速降低率；r4和r5分別為人員在縱向傾斜的樓梯里向上和向下行走的步速降低率；φ為船舶傾斜角度(橫傾時(shí)右傾為正、左傾為負(fù)；縱傾時(shí)艏傾為正、艉傾為負(fù)).

2 客船實(shí)證研究

2.1 “海洋綠洲”號客船人員疏散路網(wǎng)

選取“海洋綠洲”號進(jìn)行客船火災(zāi)時(shí)人員疏散的實(shí)證研究.“海洋綠洲”號為皇家加勒比國際游船公司旗下的一艘超級游船，2009年12月投入運(yùn)營.該船長362 m，寬47 m，航速23 kn，擁有16層甲板和2 000個(gè)客艙，可承載5 400名旅客和2 115名船員.

圖2 “海洋綠洲”號客船人員疏散路網(wǎng)

2.2 基于改進(jìn)的當(dāng)量長度的客船疏散通道路權(quán)

將火災(zāi)時(shí)客船在傾斜狀態(tài)下影響人員疏散的各因素量化，由式(2)計(jì)算路權(quán).各影響參數(shù)取值如下：

(1)煙流體積分?jǐn)?shù)當(dāng)量長度因數(shù).為保證人員疏散的安全，取CO的體積分?jǐn)?shù)c=0.04%，懲罰系數(shù)ω=50，則煙流體積分?jǐn)?shù)當(dāng)量長度因數(shù)ωc=0.02.

(4)疏散通道類型難易度因數(shù).通道類型難易度因數(shù)根據(jù)表4取值.

(5)船舶傾斜通行難易度因數(shù).選擇客船在縱、橫傾5°和15°的情況下進(jìn)行疏散分析，根據(jù)式(5)～(9)可得船舶傾斜通行難易度因數(shù)，見表5.

表5 船舶傾斜通行難易度因數(shù)

2.3 火災(zāi)時(shí)客船在傾斜狀態(tài)下最優(yōu)疏散路徑求解與分析

2.3.1 船舶傾斜對疏散路徑的影響

假設(shè)客船在海上航行中遇險(xiǎn)，致使第4層甲板上機(jī)艙附近的節(jié)點(diǎn)1，6發(fā)生火災(zāi)，在節(jié)點(diǎn)1，6附近的節(jié)點(diǎn)2，4，7，11均會受到火災(zāi)的影響，需將第4層甲板上節(jié)點(diǎn)1，2，4，6，7，11附近的乘客疏散至位于第3層甲板上的出口41，42，43，44.考慮火災(zāi)時(shí)客船傾斜，上述各疏散節(jié)點(diǎn)處人員的最優(yōu)疏散路徑見表6.由表6可知：在疏散節(jié)點(diǎn)1，2，4，6，7的最短路徑上，路徑3→24→23→41存在擁擠，從而延長人員疏散時(shí)間；在船舶有5°或15°傾斜時(shí)，傾斜角度越大，疏散路徑越長，但縱傾對疏散路徑的影響大于橫傾的影響.將其與文獻(xiàn)[2]中未考慮傾斜狀況、單一災(zāi)源的相同疏散路徑對比發(fā)現(xiàn)：多災(zāi)源、傾斜狀況不僅使疏散路徑變長，且加劇擁堵狀況，因此，需對最優(yōu)疏散路徑進(jìn)行進(jìn)一步分析.

2.3.2 客艙著火點(diǎn)位置在傾斜狀態(tài)下疏散路徑分析

根據(jù)表6的計(jì)算結(jié)果：節(jié)點(diǎn)1和11處的人員到出口41和42的當(dāng)量長度比到出口43和44的短，可引導(dǎo)這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)處的人員至出口41和42逃生.同理，節(jié)點(diǎn)2，4，6處的人員應(yīng)優(yōu)先選擇出口41和43逃生.各節(jié)點(diǎn)在傾斜狀態(tài)下最優(yōu)疏散方案(方案1)見表7.由表7可以看出：疏散通道出口41壓力較大，節(jié)點(diǎn)1，2，4，6和7處的人員均通過此通道疏散，明顯在3→24→23→41通道上存在擁擠，因此方案1需進(jìn)一步改進(jìn).

2.3.3 考慮通道阻塞現(xiàn)象的疏散路徑分析

從上文對節(jié)點(diǎn)1和6處發(fā)生火災(zāi)的疏散方案可知：對于節(jié)點(diǎn)2，4，6，7處的人員，都會經(jīng)過3→24→23→41這一路徑，從而容易導(dǎo)致3→24樓梯中人員擁堵，因此需對方案1進(jìn)行改進(jìn).

在節(jié)點(diǎn)2和4中，保留節(jié)點(diǎn)2疏散路徑，將節(jié)點(diǎn)4，6和7的次優(yōu)疏散路徑進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)4和6的次優(yōu)疏散路徑仍在3→24→34→35→43段存在擁擠，故尋求節(jié)點(diǎn)4的下一相鄰最短疏散路徑，即4→3→24→34→33→38→42；節(jié)點(diǎn)6和7選擇次優(yōu)路徑.于是得到考慮船舶傾斜及擁堵后的疏散方案2，見表8.

船舶傾斜后人員疏散路徑變長，導(dǎo)致疏散時(shí)間延長，有可能不滿足IMO對客船人員安全疏散的要求.[21]因此，對客船在縱傾15°狀態(tài)下(此狀態(tài)下最優(yōu)疏散路徑最長)的最優(yōu)疏散時(shí)間進(jìn)行驗(yàn)證(具體計(jì)算略)，結(jié)果顯示各最優(yōu)疏散路徑上總疏散時(shí)間均小于80 min，符合IMO對客船人員安全疏散的要求，故疏散方案2可作為船舶在傾斜狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)1和6處發(fā)生火災(zāi)時(shí)的人員疏散預(yù)案.

根據(jù)上述研究，為確保疏散方案2順利實(shí)施，需在通道、樓梯以及集合點(diǎn)等顯著位置設(shè)立疏散引導(dǎo)和指示標(biāo)志；為避免疏散中的恐慌和擁擠，在樓梯口需安排船員進(jìn)行引導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)人員的合理分流.

表6 客船在橫、縱傾5°和15°狀態(tài)下的疏散路徑及當(dāng)量長度

(續(xù)表6)

表7 客船在橫、縱傾5°和15°狀態(tài)下的疏散方案1

表8 客船在橫、縱傾5°和15°狀態(tài)下的疏散方案2

3 結(jié) 論

在總結(jié)國內(nèi)外各類建筑物人員疏散研究及客船火災(zāi)前期人員靜態(tài)疏散路徑優(yōu)化研究[2]的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究客船在發(fā)生火災(zāi)并傾斜時(shí)的疏散路徑優(yōu)化問題，建立客船在傾斜狀態(tài)下以當(dāng)量長度為基礎(chǔ)的疏散路徑模型.在此基礎(chǔ)上進(jìn)行船舶傾斜、人員阻塞對疏散路徑影響的實(shí)證分析，結(jié)合IMO的規(guī)定驗(yàn)證疏散路徑模型的合理性.主要有以下結(jié)論：

(1)本文建立的基于改進(jìn)當(dāng)量長度的客船火災(zāi)狀態(tài)下人員疏散路徑優(yōu)化模型是合理的，可以用于分析多災(zāi)源、多出口、船舶傾斜等因素對疏散路徑的影響，對制訂火災(zāi)狀況下疏散路徑方案有借鑒價(jià)值.

(2)船舶傾斜對在火災(zāi)狀況下人員疏散路徑的影響隨傾斜角度的增大而增大，且縱傾影響比橫傾大；船舶傾斜導(dǎo)致疏散路徑變長，疏散時(shí)間延長.

(3)由于游船通道狹窄，疏散方案中需考慮人員阻塞現(xiàn)象.為確保疏散方案的正確實(shí)施，需在疏散通道處標(biāo)注顯著的疏散引導(dǎo)標(biāo)志，并在重點(diǎn)疏散路徑安排人員引導(dǎo)；在船舶航行中應(yīng)進(jìn)行船舶疏散安全教育，使乘客熟悉疏散通道標(biāo)志及疏散方案.

由于海上客船實(shí)際疏散數(shù)據(jù)的缺乏，本文所建立的火災(zāi)時(shí)客船在傾斜狀態(tài)下人員疏散路徑優(yōu)化模型還比較粗糙，其中很多參數(shù)如煙流體積分?jǐn)?shù)當(dāng)量長度因數(shù)、人群群集通行難易度因數(shù)等多引自陸上，其合理性有待進(jìn)一步探討；影響客船在火災(zāi)狀態(tài)下人員疏散的因素眾多，且存在相互影響，如人員生理、心理變化，個(gè)體間的相互影響等未在模型中予以體現(xiàn)，此為今后進(jìn)一步研究的方向.

參考文獻(xiàn)：

[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] 劉紅, 羅旋. 基于當(dāng)量長度的游船火災(zāi)人員最優(yōu)疏散路徑[J]. 上海海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 33(1): 32-36.

[3] 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(bào): 自然科學(xué)版, 2008, 24(4): 671-674.

[4] 張敏. 大型鐵路客運(yùn)樞紐人員安全疏散研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2011.

[5] HELBING D, FARKAS I, VICSEK T. Simulating dynamical features of escape panic[J]. Nature, 2000(407): 487-490.

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

[7] KOO Jeongin, KIM Yong Seog, KIM Byung-In. Estimating the impact of residents with disabilities on the evacuation in a high-rise building: a simulation study[J]. Simulation Modelling Practice & Theory, 2012(24): 71-83.

[8] 尚鴻雁, 基于AHP-F的危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸應(yīng)急能力評價(jià)模型[J]. 上海海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 29(4): 21-24.

[9] 張欣欣, 軒少永, 席永濤, 等. 基于HFACS的海上交通事故原因系統(tǒng)分析[J]. 上海海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 33(4): 15-19.

[10] GINNIS A I, KOSTAS K V, POLITIS C G,etal. VELOS: a VR platform for ship-evacuation analysis[J]. Comput-Aided Design. 2010(42): 1045-1058.

[11] HA Sol, KU Nam-Kug, ROH Myung-Il,etal. Cell-based evacuation simulation considering human behavior in a passenger ship[J]. Ocean Eng, 2012, 53: 138-152.

[12] ROH Myung-Il, HA Sol. Advanced ship evacuation analysis using a cell-based simulation model[J]. Computers Industry, 2013, 64: 80-89.

[13] 盧春霞, 梁瑋. 受損客船中人員緊急疏散研究進(jìn)展[J]. 電子科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 14(3): 39-43.

[14] 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(bào), 2010, 36(S1): 33-35.

[15] 肖海松. 艦船人員疏散仿真初步研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2010.

[16] 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.

[17] 袁媛, 汪定偉. 災(zāi)害擴(kuò)散實(shí)時(shí)影響下的應(yīng)急疏散路徑選擇模型[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2008, 20(6): 1563-1566.

[18] 謝旭陽, 任愛珠, 周心權(quán). 高層建筑火災(zāi)最佳疏散路線的確定[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào), 2003, 12(3): 75-80

[19] 安永林, 楊高尚, 彭立敏. 隧道火災(zāi)中CO對人員危害機(jī)理的調(diào)研[J]. 采礦技術(shù), 2006, 6(3): 412-414.

[20] 黃恒棟. 高層建筑火災(zāi)安全疏散中的人流集結(jié)、出口流出時(shí)間特性曲線[J]. 重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào), 1997, 19(1): 26-34.

[21] IMO MSC. 1 /Circ. 1238. Guidelines for evacuation analysis for new and existing passenger ships[EB/OL]. ( 2007-10-30)[2013-07-10] http://www.imo.org/blast/blastDataHelper.asp?data_id=20573&filename=1238.pdf.

[22] BRYAN J L. Human behavior in fire: the development and maturity of a scholarly study area[J]. Fire & Mat, 1999, 23(6): 249-253.

[23] IMO SLF 49/INF.5. Time dependent survival probability of a damaged passenger ship[R]. 2006: 42-49.