基于Pathfinder的考慮不同出口位置的艦船艙室疏散問(wèn)題

黃丹妍，盧兆明，黃玉彪，鄭源，楊立中

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥230026;2.香港城市大學(xué) 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(wèn)題

黃丹妍1,2，盧兆明2，黃玉彪1，鄭源1，楊立中1

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥230026;2.香港城市大學(xué) 建筑與土木工程系，香港 999077)

通過(guò)模擬某艦船生活區(qū)艙室人員的疏散過(guò)程，得出其疏散規(guī)律，并對(duì)艙室內(nèi)部房間出口進(jìn)行優(yōu)化，得出最優(yōu)的出口設(shè)置。結(jié)果表明：人員在該艙室內(nèi)進(jìn)行疏散時(shí)，易產(chǎn)生擁堵，人均擁堵時(shí)間占人均疏散時(shí)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(jì)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代船舶的發(fā)展也趨于大型化、復(fù)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(guò)程中變得更為復(fù)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(fù)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(wú)法及時(shí)疏散到集合地點(diǎn)離開(kāi)船舶，船上人員的危險(xiǎn)性也因此大大增加了，同時(shí)也會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此，對(duì)艦船人員疏散進(jìn)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(yùn)業(yè)關(guān)注焦點(diǎn)[1]。

船舶艙室布置是船舶設(shè)計(jì)中非常重要的一部分[2]，陳淼等[3]在對(duì)艦船的通達(dá)性仿真評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行初步研究時(shí)考慮了艙室布局，以及人員分類(lèi)對(duì)人員疏散的影響。謝謀標(biāo)[4]在對(duì)艦船上的人員疏散時(shí)綜合考慮了出口個(gè)數(shù)、門(mén)的通量、人的耐性指數(shù)和執(zhí)行任務(wù)情況對(duì)疏散效率的影響。田萍[5]認(rèn)為艦船人員的疏散過(guò)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(jì)算機(jī)模擬仿真來(lái)研究人員的疏散過(guò)程已經(jīng)成為一種被人們廣為接受的方法。胡耀[6]通過(guò)一種改進(jìn)的遺傳算法對(duì)構(gòu)建出的艦船生活區(qū)艙室數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解和優(yōu)化，用于解決生活區(qū)艙室的布局優(yōu)化問(wèn)題。李云等[7]在遺傳算法基本原理的基礎(chǔ)上，提出了多目標(biāo)優(yōu)化方法對(duì)游艇艙室布局進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。肖海松[8]提出了基于元胞自動(dòng)機(jī)的子空間網(wǎng)絡(luò)流人員疏散模型，將艦船內(nèi)部空間分為不同安全等級(jí)的子空間網(wǎng)絡(luò)，對(duì)不同等級(jí)網(wǎng)格內(nèi)部的人員疏散進(jìn)行研究。在實(shí)際的建筑結(jié)構(gòu)中，通常會(huì)存在疏散瓶頸，瓶頸位置的出現(xiàn)會(huì)造成人員疏散過(guò)程中的擁塞，嚴(yán)重影響人員的疏散效率[9]。當(dāng)人員運(yùn)動(dòng)到瓶頸位置時(shí)，速度減慢，人員密度增大，擁擠的人群之間會(huì)產(chǎn)生相互作用力，當(dāng)人群數(shù)量逐步增大時(shí)，還可能產(chǎn)生由于擁堵所導(dǎo)致的人員傷亡[10]。

考慮針對(duì)現(xiàn)有某艦船生活區(qū)艙室布局[8]進(jìn)行人員疏散模擬，探索人員在疏散過(guò)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(guó)Thunderhead Engineering公司開(kāi)發(fā)的基于連續(xù)性模型(agent-based)的人員應(yīng)急疏散模擬軟件Pathfinder，它為仿真設(shè)計(jì)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(guò)對(duì)每個(gè)人員的運(yùn)動(dòng)模式(最高運(yùn)動(dòng)速度、遇到障礙物時(shí)的速度衰減函數(shù)、運(yùn)動(dòng)模式的選擇、出口選擇等)以及屬性參數(shù)(身高、性別)進(jìn)行設(shè)置，并對(duì)不同人員的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步跟蹤，研究人員也可對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取并做進(jìn)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(guò)程，包括高層建筑以及地下建筑物等，揭示不同的設(shè)計(jì)對(duì)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(shí)情況相符程度更高[12]。并且該軟件適用于各類(lèi)復(fù)雜疏散環(huán)境的建模。

1.2 模型設(shè)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(hào)如圖1標(biāo)注所示)，艙室內(nèi)各個(gè)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(gè)房間，艙室內(nèi)各房間面積為4 m×4 m，每個(gè)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(zhǎng)5 m，寬1 m；走廊A、B長(zhǎng)36 m，寬1.6 m。緊急條件下，位于艙室房間內(nèi)的船員在聽(tīng)到廣播通知后迅速?gòu)姆块g內(nèi)開(kāi)始向外疏散，1、2排房間內(nèi)的人員經(jīng)過(guò)房間之間的走廊后進(jìn)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(guò)房間之間的走廊后進(jìn)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(guò)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(guò)程。

該生活區(qū)艙室內(nèi)的布局呈對(duì)稱分布，走廊A和走廊B人員流動(dòng)情況基本保持一致，故在走廊A設(shè)置01、02、03、04共4個(gè)截面(寬1.6 m)進(jìn)行人員流量的統(tǒng)計(jì)并做進(jìn)一步的分析。

艙室內(nèi)人員的運(yùn)動(dòng)模式選擇為steering模式，人員在該運(yùn)動(dòng)模式下會(huì)根據(jù)人員之間的距離以及與障礙物之間的碰撞改變運(yùn)動(dòng)路徑，用以適應(yīng)新的環(huán)境形勢(shì)，更加符合人員的實(shí)際疏散運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

2 結(jié)果與討論

除了選用疏散總時(shí)間t之外還采用以下2個(gè)時(shí)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(guò)程中僅經(jīng)過(guò)一次匯流過(guò)程，匯流區(qū)域?yàn)樽呃華、B；而1、2排與5、6排房間內(nèi)的船員在疏散過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)2次匯流過(guò)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(guò)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(shí)間的變化圖來(lái)看，經(jīng)過(guò)03和04截面的人流量變化趨勢(shì)類(lèi)似，均是先增大后逐步減小。觀察經(jīng)過(guò)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(dòng)一段時(shí)間后呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，到達(dá)最低點(diǎn)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(dòng)，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(gè)極小值點(diǎn)，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(duì)應(yīng)得時(shí)刻，疏散的模擬結(jié)果顯示在對(duì)應(yīng)截面右側(cè)的匯流處人員的密度達(dá)到了疏散過(guò)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(shí)刻只有少量離開(kāi)匯流區(qū)域內(nèi)的人員通過(guò)01和02截面，即出現(xiàn)了人流量變化圖中的極小值。

針對(duì)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(lái)的擁堵，使得疏散過(guò)程中走廊處的人流量更加平穩(wěn)，對(duì)第2排和第5排的房間出口做出3種優(yōu)化改進(jìn)的方式，見(jiàn)圖4。

與出口在初始布置條件下的人流量統(tǒng)計(jì)方式相同，在優(yōu)化調(diào)整后的模型走廊A處設(shè)置01、02、03、04共4個(gè)截面(寬1.6 m)用以統(tǒng)計(jì)不同優(yōu)化條件下的人流量變化并做進(jìn)一步的分析，見(jiàn)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(guò)計(jì)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(shí)優(yōu)化效率最高。

由表1可見(jiàn)：優(yōu)化后的人均疏散時(shí)間、人均擁堵時(shí)間均小于初始布置條件下的人均疏散時(shí)間和人均擁堵時(shí)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(shí)間也依次增大，人均擁堵時(shí)間先增大后減小。

對(duì)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(shí)間和人均擁堵時(shí)間明顯小于初始布置條件下的時(shí)間，其中人均疏散時(shí)間縮短了3.87%，人均擁堵時(shí)間縮短了21.88%，將出口進(jìn)行居中布置優(yōu)化后能夠有效地緩解人員在疏散過(guò)程中所產(chǎn)生的擁堵。

對(duì)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(shí)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(shí)間和居中布置條件下的人均擁堵時(shí)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(jìn)入走廊A(走廊B)時(shí)的時(shí)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(guò)程中的擁堵時(shí)間。

接下來(lái)對(duì)走廊A所設(shè)置各截面處的人員流量分布變化做進(jìn)一步的分析，見(jiàn)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(guò)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(jì)的疏散時(shí)間呈現(xiàn)依次遞減的趨勢(shì)。

根據(jù)圖5a)，0～10 s的時(shí)間范圍內(nèi)，人流量的增長(zhǎng)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(jìn)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(dòng)，而初始布置時(shí)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(dòng)幅度大于優(yōu)化調(diào)整后的波動(dòng)幅度，并且在圖上呈現(xiàn)一大一小波峰間隔分布，說(shuō)明在出口初始布置的條件下，在疏散過(guò)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(duì)出口進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整后，人流量的波動(dòng)幅度較初始布置下的人流量波動(dòng)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(huì)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(shí)刻附近，且人員流量在40～50 s時(shí)刻之間均維持在較低水平，且維持的時(shí)間間隔大于優(yōu)化調(diào)整后的時(shí)間間隔，表明在該時(shí)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(shí)產(chǎn)生了擁堵從而導(dǎo)致人流量的降低，將出口進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整能夠有效的減少擁堵的累計(jì)時(shí)間。對(duì)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(jì)時(shí)間最長(zhǎng)。

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(shí)，人員通過(guò)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(guò)03截面的人流量的變化趨勢(shì)與出口在初始布置下的人流量變化趨勢(shì)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(guò)走廊04截面的人流量的變化趨勢(shì)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(shí)，由于人員達(dá)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(zhǎng)速率最快，所有人員通過(guò)04截面花費(fèi)的時(shí)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(guò)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(dá)04截面，匯流所需時(shí)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(shí)間最長(zhǎng)。

走廊上不同截面處的人流量統(tǒng)計(jì)能夠有效地統(tǒng)計(jì)走廊各個(gè)部分處的人員情況，通過(guò)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(jìn)行人員緊急疏散時(shí)，產(chǎn)生擁堵的連續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，人均擁堵時(shí)間占據(jù)了人均疏散時(shí)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(guò)程中的匯流區(qū)域，將出口的位置進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整能夠明顯地減少人員在該處的擁堵累計(jì)時(shí)間，疏散效率最高可以提高6.82%。

2)將出口進(jìn)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(shí)間較少且累計(jì)的時(shí)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(méi)有充分考慮到人員的行為特性對(duì)整個(gè)疏散過(guò)程的影響，同時(shí)，船艙發(fā)生災(zāi)害時(shí)的特殊場(chǎng)景(火災(zāi)條件下人員視野受限，船艙進(jìn)水后船體傾斜等)沒(méi)有涉及，這些將在未來(lái)的研究工作中進(jìn)行進(jìn)一步的完善。

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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(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51323010);中央高?；緲I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)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(yùn)動(dòng)特征

U662

A

1671-7953(2017)03-0113-05

修回日期：2017-03-20