某型科考船人員撤離仿真試驗(yàn)

竇曉亮，劉英良

(中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

海洋科考船屬于船舶規(guī)范中的“特殊用途船”[1]，為了確保設(shè)計(jì)規(guī)范并兼顧各系統(tǒng)的特殊要求，必須充分利用船上的空間。而布置空間緊張所帶來的問題是，一旦在海上發(fā)生事故，人員逃生受阻，后果將不堪設(shè)想。緊急疏散作為一項(xiàng)在事故發(fā)生后保障人員生命安全的重要措施，受到國際海事組織IMO的持續(xù)關(guān)注[2]?！禡SC.1/1238號通函》(以下簡稱《通函》)明確規(guī)定，對于新造客船，在設(shè)計(jì)階段初期就應(yīng)進(jìn)行撤離分析計(jì)算以確定并消除人員逃生路線上的擁堵點(diǎn)，從而降低風(fēng)險(xiǎn)隱患。

關(guān)于人員疏散評估，大多采用簡化撤離方法，即通過交通流、路段速度、路段容量、排隊(duì)長度，以及其他交通變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系來模擬疏散過程[3]，但簡化法忽略了個(gè)體差異與人物特性對于逃生過程的不同反應(yīng)，當(dāng)計(jì)算參數(shù)包括路線、人員組成、甲板房間等一系列因素的復(fù)雜度上升時(shí)，簡易法的偏差度較大[4]。相比簡易法，基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的模擬方法明確定義了個(gè)體的性別、年齡、反映速度、移動(dòng)速度等參考值，更符合實(shí)際情況下的人員撤離需求。針對某型海洋科考船脫險(xiǎn)通道，考慮采用高級撤離法進(jìn)行人員撤離仿真試驗(yàn)以驗(yàn)證脫險(xiǎn)通道的合理性，提出改進(jìn)建議。

1 脫險(xiǎn)通道及人員組成

本船在總布置設(shè)計(jì)之初充分考慮到船上人員眾多且多為科考人員，前后設(shè)置多個(gè)通道且路線安全簡潔；考慮科考船特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)室主要集中布置在主甲板一整層，既有利于區(qū)域化管理，又有利于脫險(xiǎn)逃生；船上常駐船員和換班制科學(xué)家分層布置，極大程度上保證緊急情況下的有序撤離，見圖1。

圖1 側(cè)視圖

全船共有3個(gè)主豎區(qū)，其中前后主豎區(qū)內(nèi)住艙較少，人員分布主要集中在中間的主豎區(qū)，該區(qū)域內(nèi)布置有主梯道環(huán)圍，局部換乘斜梯、逃口，室外逃生通道，每層中間為環(huán)島布置，設(shè)置左右雙走廊，使得人員的換乘和疏散非常靈活和便捷，見圖2。

圖2 主甲板布置

本船人員類別分為高級船員、普通船員、科考人員、科考實(shí)習(xí)生4類。仿真試驗(yàn)在定員100人，船員26人，科考人員74人的基礎(chǔ)上，假定男性77人，女性為23人；年齡分布30～50歲乘員45人，18～30歲乘員55人，見表1。

表1 人員組成假定

2 仿真軟件

采用Pathfinder人員疏散評估系統(tǒng)[5]，其核心算法是基于多主體的仿真模型。多主體模型仿真模型中的每一個(gè)體被稱為代理，每一代理都具有自身特定的屬性和特征。代理可從其他代理或環(huán)境中得到信息，根據(jù)得到的信息和自身的特征，修改自身狀態(tài)并且向其他代理發(fā)出信息，進(jìn)而產(chǎn)生交互[6]。由于代理和環(huán)境、代理和代理間具有更加靈活的關(guān)系，多主體仿真模型相比常用于撤離仿真的元胞自動(dòng)機(jī)模型更符合實(shí)際場景的要求。試驗(yàn)采用Pathfinder進(jìn)行全流程仿真模擬。

3 人員個(gè)體模型定義

仿真模擬法給出了人員個(gè)體屬性的建議值，包括性別和年齡區(qū)間，平地和上下樓梯的移動(dòng)速度，夜晚和白天對緊急事件的響應(yīng)速度。根據(jù)這些給定數(shù)據(jù)，可以初步建立人員個(gè)體數(shù)據(jù)庫。通函特別指出，當(dāng)有更多適合的新數(shù)據(jù)時(shí)，可以對初步人員個(gè)體模型進(jìn)行修正。

在撤離事件中，不但要對人員個(gè)體行為進(jìn)行分析，還要考慮人員體型的差異，不同身材的人，對逃生通道占用的面積不同。假定以圓柱體作為人員個(gè)體，圓柱直徑作為人體最大肩寬。分別對兩組人員進(jìn)行對比。

第一組人員采用相同身材，所有人員最大肩寬均為50 cm，從房間進(jìn)入走廊并到達(dá)出口的總用時(shí)為43.78 s。第二組人員采用2種不同身材，28人最大肩寬為50 cm，20人最大肩寬為43 cm，從房間進(jìn)入走廊并到達(dá)出口的總用時(shí)為36.53 s，模擬結(jié)果見圖3。

圖3 不同肩寬對人員移動(dòng)時(shí)間的影響

結(jié)果表明，體型數(shù)據(jù)會(huì)直接影響逃生通道的擁擠度，進(jìn)而影響總的撤離時(shí)間。

因此，本次仿真實(shí)驗(yàn)在通函已經(jīng)明確的人口數(shù)據(jù)中，加入了基于乘員個(gè)體的身高和肩寬數(shù)據(jù)，以便于更加精確的計(jì)算人員疏散的過程。身高和肩寬數(shù)據(jù)由GB/T10000—1988《中國成年人人體尺寸》獲得。

4 流程仿真分析

4.1 流程仿真

仿真選取2種典型工況進(jìn)行：主撤離夜間工況和次級撤離白天工況。主撤離工況下全船逃生通道全部可用，該工況認(rèn)為緊急事件發(fā)生后未造成疏散通道的堵塞。次級撤離工況下只有部分逃生通道可用，該工況認(rèn)為緊急事件發(fā)生后，主逃生通道不能滿足正常疏散需要。

2種工況的人員移動(dòng)時(shí)間包括全船乘員和50%船員到達(dá)集合站的時(shí)間，25%船員初始于集合站等候的時(shí)間和25%船員為幫助乘客需逆流而行的時(shí)間。

撤離仿真過程具有概率特性，模型預(yù)計(jì)和現(xiàn)實(shí)中測量的時(shí)間是一個(gè)隨機(jī)的數(shù)量，根據(jù)通函要求至少對每種工況進(jìn)行50次的不同模擬。由于人員分布復(fù)雜且模擬時(shí)間較長，仿真試驗(yàn)對上述每一工況進(jìn)行5次模擬，最終獲得人員到達(dá)集合站的時(shí)間的平均值見表2。

表2 人員到達(dá)集合站的時(shí)間

根據(jù)規(guī)范給定的計(jì)算公式和模擬出的人員到達(dá)集合站的時(shí)間，可計(jì)算出人員撤離的總時(shí)間。本船總撤離時(shí)間的計(jì)算如下。

Tz=1.25(A+T)+2/3(E+L)

(1)

式中：A為人員初始響應(yīng)時(shí)間，取規(guī)范規(guī)定的最大值，即白天響應(yīng)時(shí)間為6.5 min，夜晚響應(yīng)時(shí)間為13 min；T為人員到達(dá)集合站的時(shí)間；E為登乘時(shí)間；L為下水時(shí)間。規(guī)范規(guī)定當(dāng)E和L沒有足夠的數(shù)據(jù)支持時(shí)，假定E+L=30 min。

計(jì)算得Tz=60 min。

4.2 仿真分析

由式(1)計(jì)算可得夜間主撤離工況總用時(shí)44.581 min。白天次撤離工況總用時(shí)39.945 min。2種工況均少于通函要求的時(shí)間60 min，并留有一定余量，表明本船符合MSC/circ.1238中的人員疏散性能檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[7]。

除此之外，利用Pathfinder的圖形可視化工具，分別對疏散過程進(jìn)行分析。

4.2.1 逃生通道全部可用且大部分人員在休息

1)位于登艇甲板中部的4人間距集合區(qū)最近，所以這個(gè)房間的人員最先到達(dá)集合區(qū)。

2)位于下甲板集控室的工作人員離集合區(qū)最遠(yuǎn)，但由于下甲板的居住艙室人員進(jìn)入主逃生梯道時(shí)發(fā)生了短暫的擁擠，見圖4，使得下甲板居住艙室人員到達(dá)集合區(qū)的時(shí)間最久。

圖4 下甲板主梯道擁堵點(diǎn)

3)位于主甲板前部的實(shí)驗(yàn)套間由于遠(yuǎn)離集合區(qū)，且與下甲板居住艙室人員在主逃生梯道相遇發(fā)生排隊(duì)情況，見圖5，所以到達(dá)集合區(qū)的時(shí)間第二久。

圖5 主甲板主梯道擁堵點(diǎn)

4.2.2 主梯道關(guān)閉且大部分人員在工作

1)位于登艇甲板中部住艙內(nèi)人員和集合區(qū)同屬一層甲板且距離最近，所以最先到達(dá)集合區(qū)。

2)在只有一條逃生通道的情況下，位于下甲板住艙區(qū)域人員離集合站距離最遠(yuǎn)，所以最晚到達(dá)集合區(qū)。

3)主甲板作為主要工作區(qū)域，人員集中，加上下甲板人員往上，在通過后部逃生通道，經(jīng)過后主豎區(qū)防火門處出現(xiàn)排隊(duì)情況，見圖6。

圖6 主甲板內(nèi)部通道擁堵點(diǎn)

4)位于下甲板和主甲板的人員在通過主甲板后部逃生通道到達(dá)室外工作甲板室梯道處，發(fā)生了嚴(yán)重的擁擠情況，見圖7。

圖7 工作甲板梯道擁堵點(diǎn)

5)當(dāng)主甲板人員從室外工作甲板梯道到達(dá)登船甲板時(shí)，會(huì)與登船甲板人員產(chǎn)生堆積排隊(duì)，見圖8。

圖8 登船甲板室外梯擁堵點(diǎn)

4.3 撤離方法對比分析

與仿真撤離法不同，簡化撤離法把整個(gè)撤離過程看作為流體運(yùn)動(dòng)的過程，不同寬度的走廊和樓梯作為水管，通道出入口作為閥門，人員的移動(dòng)作為管道中的水流，集合站是出口，通過計(jì)算水管中的水流到達(dá)另一水管和出口的時(shí)間，計(jì)算整體撤離疏散時(shí)間。將出口與入口之間，流量大于1.5人/s的處所作為撤離中的擁堵點(diǎn)。

簡化撤離法人員到達(dá)集合站的時(shí)間(T)=起始點(diǎn)到每個(gè)樓梯或走廊的時(shí)間+總的脫險(xiǎn)通道移動(dòng)時(shí)間+總的樓梯移動(dòng)時(shí)間+最后一個(gè)樓梯到集合站的時(shí)間。

分別對上述2種工況進(jìn)行簡化撤離法計(jì)算得：

夜間主撤離工況總用時(shí)45.1 min；白天次撤離工況總用時(shí)37.741 min。

簡化撤離法與仿真撤離法的撤離總時(shí)間差異較小，夜間主撤離工況總用時(shí)僅差0.5 min，白天次撤離工況總用時(shí)相差2.2 min。

在擁堵情況分析中，簡化撤離法只檢測出3處人流擁堵點(diǎn)，仿真撤離法則檢測出5處人流擁堵點(diǎn)。由于仿真撤離法定義了每位人員不同的移動(dòng)速度，使得簡化撤離法中夜間主撤離工況登艇甲板處和白天次撤離工況中艏樓甲板處出現(xiàn)的排隊(duì)狀況在仿真撤離法中并沒有出現(xiàn)。而在白天次撤離工況中，主甲板內(nèi)部人群由較寬通道涌入較窄通道的擁堵情況，在仿真撤離方法中也得到了體現(xiàn)。

5 結(jié)論

1)仿真撤離方法可以比簡化撤離方法模擬出更多的擁擠狀況。

2)通過簡化撤離法計(jì)算得出的擁擠點(diǎn)，在仿真撤離方法過程中同樣可以得到體現(xiàn)。

3)仿真撤離方法定義了每個(gè)人員的屬性信息，仿真結(jié)果相比簡化撤離法更符合實(shí)際需求。

4)主甲板工作區(qū)人員密度較大，適當(dāng)加大逃生通道寬度可避免產(chǎn)生內(nèi)部擁堵；室外工作甲板梯道附近應(yīng)預(yù)留足夠空間供逃生人員排隊(duì)等待。

5)下甲板居住區(qū)人數(shù)較多，大部分人員從主逃生通道上樓，只有2人從前部機(jī)器處所梯道通過，合理引導(dǎo)2個(gè)通道的人員流動(dòng)可以解決擁堵問題。

6)集合區(qū)周圍應(yīng)盡量避免因設(shè)備占用造成的人員撤離障礙，在條件允許的情況下，安排專人進(jìn)行疏導(dǎo)，避免事故發(fā)生。