乘員折返行為對(duì)船舶疏散效率影響的計(jì)算分析

房斯明，劉正江，王新建，周翔宇

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

近些年來(lái)不時(shí)發(fā)生的客滾船舶海難事故，使得航運(yùn)業(yè)逐漸關(guān)注客滾船舶的人員疏散問(wèn)題，2016年，國(guó)際海事組織海上安全委員會(huì)在其第96次會(huì)議上發(fā)布了《新造客船和現(xiàn)有客船疏散分析修訂指南》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《指南》)[1]，旨在鼓勵(lì)成員國(guó)利用《指南》中所提供的場(chǎng)景和參數(shù)開(kāi)展疏散實(shí)驗(yàn)，分析疏散結(jié)果和評(píng)估疏散過(guò)程，優(yōu)化現(xiàn)有的客船布置，為船舶人員疏散提供更有效的建議和科學(xué)的指導(dǎo)。相對(duì)于陸地和建筑物而言，船舶人員疏散的研究起步較晚[2]，相關(guān)的研究局限于人員速度、疏散路徑和船舶布置等方面，較少考慮人員行為對(duì)疏散過(guò)程的影響[3-4]。針對(duì)這一問(wèn)題，以大連海事大學(xué)教學(xué)實(shí)習(xí)船“育鯤”輪為研究對(duì)象，在疏散過(guò)程中加入不同比例的人員折返行為，仿真模擬分析對(duì)疏散效率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

1.1 折返人員比例設(shè)置

由于大型船舶的乘客往往都是臨時(shí)性人員，對(duì)所乘坐的船舶構(gòu)造不熟悉，因無(wú)法找到正確安全出口而出現(xiàn)折返行為；同時(shí)，逃生者會(huì)因遺留貴重物品或與親人走散，也會(huì)出現(xiàn)折返現(xiàn)象；船員作為疏散過(guò)程中的領(lǐng)導(dǎo)者，會(huì)因?yàn)榻M織或業(yè)務(wù)上的需求與行人流方向產(chǎn)生不協(xié)調(diào)的行為，也可將其列為折返行為。根據(jù)其他領(lǐng)域緊急情況時(shí)人員疏散行為調(diào)查的結(jié)果顯示，約有25%的人員可能會(huì)因?yàn)橘F重物品選擇折返，約有84%的人會(huì)選擇折返救助家人[6-7]。而相比較其他交通領(lǐng)域內(nèi)的人員疏散，船上人員因?yàn)槌俗鴷r(shí)間長(zhǎng)，攜帶物品多和有固定居住艙室等特點(diǎn)，折返人員的比例往往高于地鐵等其他交通工具，因此，將折返比例分別設(shè)置為10%、20%、30%、40%和50%。

1.2 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景介紹

以大連海事大學(xué)教學(xué)實(shí)習(xí)船“育鯤”輪的游步甲板為主要研究區(qū)域，其作為連接學(xué)員房間最近的一層擁有外部走道的甲板，除了包含學(xué)生餐廳、教室等公共區(qū)域，還包含若干船員艙室，是全船疏散過(guò)程中最重要的一層甲板，游步甲板布置見(jiàn)圖1。由于該層甲板通常會(huì)聚集較多的人員(吃飯、上課、開(kāi)會(huì)等)，考慮其布置的特殊性，在該層考慮折返行為能比較客觀(guān)地反映出對(duì)船舶整體疏散的影響[8]。

游步甲板上餐廳一和餐廳二最大容納人數(shù)分別為104人和103人，2個(gè)教室容納人數(shù)分別為36人。出口1、2、3處的樓梯可通往救生艇甲板，因此，在游步甲板的疏散實(shí)驗(yàn)中，以這3個(gè)樓梯為出口，穿過(guò)樓梯即視為從該層疏散成功，其中出口1、2是單跑樓梯，寬度為80 cm；出口3是剪刀式樓梯，寬度為180 cm。

采用《指南》提出的場(chǎng)景case 2，此時(shí)人員主要分布于公共區(qū)域內(nèi)，并且需要全船疏散。

1.3 模型參數(shù)設(shè)置

考慮船舶的定員問(wèn)題，結(jié)合實(shí)際的船舶實(shí)習(xí)人員男女比例，假設(shè)疏散場(chǎng)景總?cè)藬?shù)155人，包含140名男生和15名女生。人員年齡段分布在18～25歲，依據(jù)《指南》指導(dǎo)的速度公式(1)、(2)得到女生的速度范圍在[1.3 m/s,1.385 m/s]區(qū)間內(nèi)，男生速度范圍在[1.53 m/s,1.6 m/s]區(qū)間內(nèi)，且均按照正態(tài)分布。

圖1 游步甲板布置

speed(male)=

(1)

speed(female)=

(2)

人員有初始位置分布于2個(gè)餐廳100人、2個(gè)教室35人，以及舷外20人。當(dāng)正常疏散時(shí)，人員直接走向出口，而折返行為需要返回至折返區(qū)域后再進(jìn)行疏散?？紤]到實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性和人員安全問(wèn)題，將折返區(qū)域設(shè)置在空間較大的餐廳區(qū)域，折返區(qū)域是一個(gè)半徑為1 m的圓，位于餐廳一和餐廳二交界處，具體人員分布和行人流向見(jiàn)圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)人員分布和主要行人流向

圖2中給出的虛線(xiàn)箭頭為主要的行人流向。不同折返比例下各房間的正常疏散人員和折返人員數(shù)量見(jiàn)表1。

表1 不同折返比例下的各位置折返人員的數(shù)量

2 結(jié)果與分析

(3)

(4)

(5)

表2 不同折返比例下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了更加細(xì)致地對(duì)比不同折返人員比例對(duì)疏散時(shí)間的影響，根據(jù)不同折返比例下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制未疏散人數(shù)和疏散時(shí)間的曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

圖3 不同折返比例在各時(shí)刻未疏散的人數(shù)

當(dāng)無(wú)人員折返時(shí)，該層甲板的疏散時(shí)間t0%為51.5 s，此時(shí)未疏散人數(shù)與疏散時(shí)間曲線(xiàn)接近于一條直線(xiàn)，說(shuō)明疏散效率比較穩(wěn)定。加入人員折返行為后，疏散時(shí)間、人均疏散時(shí)間和人均擁堵時(shí)間都相較于正常疏散有明顯的增大。當(dāng)有10%人員折返時(shí)，疏散時(shí)間t10%比t0%增加了82.5%；當(dāng)折返人員增加至30%以上時(shí)，疏散時(shí)間t40%較t30%再次有一個(gè)大的增加量(21.7 s)。當(dāng)折返人員比例為50%時(shí)，此時(shí)未疏散人數(shù)與疏散時(shí)間再次接近一條直線(xiàn)，這種情況下由于折返人員數(shù)量較多，當(dāng)他們?cè)俅蔚竭_(dá)出口時(shí)，正常疏散人員已經(jīng)完成疏散，所以疏散效率再次穩(wěn)定，但是相比于無(wú)折返行為，疏散效率降低了約56.5%。

由于船尾處的出口1距中間的公共區(qū)域比較遠(yuǎn)，根據(jù)就近選擇出口原則，只有少量位于舷邊走廊的人會(huì)選擇該出口進(jìn)行疏散，大多數(shù)人還是選擇較近的出口2、3為疏散出口，導(dǎo)致在出口2、3的附近產(chǎn)生嚴(yán)重的擁堵現(xiàn)象。為了更好地描述各時(shí)刻的擁堵情況，以出口2、3附近走廊上的人數(shù)為參數(shù)，構(gòu)建出口2和3附近的走廊人數(shù)隨時(shí)間變化的見(jiàn)圖4。

圖4 各折返比例下出口2和出口3附近走廊內(nèi)的人數(shù)

當(dāng)走廊區(qū)域人數(shù)越多，表明擁堵程度越嚴(yán)重。相比較出口3，出口2距離人數(shù)較多的餐廳更近，且通往出口2的走廊和樓梯(即出口)寬度更窄，所以當(dāng)正常疏散至10 s左右時(shí)，出口2附近擁堵較為嚴(yán)重，此時(shí)會(huì)有部分疏散者為了避免擁堵等待而選擇出口3進(jìn)行疏散，導(dǎo)致?lián)矶卢F(xiàn)象蔓延到出口3周?chē)?，?jiàn)圖4a)。但由于出口3作為主通道，其樓梯寬度是其他出口樓梯的2倍，因此，其走廊內(nèi)的人員數(shù)量下降速度明顯比出口2走廊處快，擁堵現(xiàn)象也在較短時(shí)間內(nèi)得以緩解。

當(dāng)折返人員加入后，由于運(yùn)動(dòng)方向的不一致，會(huì)使得2個(gè)出口處的擁堵現(xiàn)象變得更加嚴(yán)重，且持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。當(dāng)折返人員比例達(dá)到30%及以后，不僅在出口2處有很大的疏散壓力，見(jiàn)圖4d)、e)、f)，出口3附近的走廊人數(shù)也急劇增加，并且隨著折返人員比例增加，該處擁堵的持續(xù)時(shí)間也隨之增加。圖4e)表明，當(dāng)折返人員比例為40%時(shí)，出口3的峰值人數(shù)達(dá)到了48人，是無(wú)折返時(shí)峰值的2倍，也是幾種情況中最大值，同時(shí)出口2處的峰值也達(dá)到了幾種情況中的最大值，為56人，比無(wú)折返時(shí)增加了24%。通過(guò)分析圖4f)，當(dāng)折返比例為50%時(shí)，擁堵的嚴(yán)重程度比40%折返時(shí)有所緩和，此時(shí)折返人數(shù)眾多，疏散人員為了避開(kāi)在走廊區(qū)域內(nèi)的人數(shù)，從而選擇穿過(guò)教室或繞行舷邊走廊，同時(shí)也解釋了在這種情況下，表2所示的疏散時(shí)間的增加量(t50%-t40%)也比其他相鄰情況少的現(xiàn)象。

3 實(shí)驗(yàn)優(yōu)化

圖5 優(yōu)化后的布置和新增行人流向

表3 優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

優(yōu)化后的布置加入折返行為后，疏散效果得到改善，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪出不同時(shí)刻下各比例折返實(shí)驗(yàn)中成功疏散人數(shù)的曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。

在分析中，加入不同比例下的正常疏散人數(shù)基準(zhǔn)線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)成功疏散人數(shù)未達(dá)到正常疏散人數(shù)時(shí)，優(yōu)化后的曲線(xiàn)斜率明顯大于優(yōu)化前，說(shuō)明疏散速率較之前有明顯加快；而當(dāng)正常疏散的人員都已成功疏散后，疏散曲線(xiàn)接近平行，說(shuō)明優(yōu)化后，對(duì)這部分人員的疏散效率沒(méi)有太大影響。

隨著折返比例增加，優(yōu)化布置后的疏散時(shí)間隨之減少，尤其當(dāng)折返比例為40%時(shí)，優(yōu)化后的疏散時(shí)間減少量最多，為37.5 s，見(jiàn)圖6e)，且人均擁堵時(shí)間比30%時(shí)還縮短了0.51 s。這是由于優(yōu)化前出口2、3附近的擁堵最嚴(yán)重，而優(yōu)化后減輕了出口2、3的疏散壓力，從而縮短了人均擁堵時(shí)間，緩解了擁堵程度。

圖6 布置優(yōu)化前后的各折返比例下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

在船舶疏散中加入人員折返行為后，實(shí)驗(yàn)?zāi)M的疏散過(guò)程更加貼近現(xiàn)實(shí)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)疏散效率并不是隨著折返比例的增加而降低，而是當(dāng)折返比例達(dá)到40%時(shí)，出口處的擁堵現(xiàn)象最為嚴(yán)重，疏散效率最低。通過(guò)觀(guān)察實(shí)驗(yàn)過(guò)程，在適當(dāng)?shù)奈恢锰幮略龀隹诤螅枭⑿拭黠@提高，各項(xiàng)疏散指標(biāo)均有較大的優(yōu)化。

實(shí)驗(yàn)沒(méi)有充分考慮船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(橫搖、縱搖等)對(duì)人員的影響，這將在以后的工作中進(jìn)一步完善。