大型水面艦船工作空間通道通行能力仿真分析

王紅瑀，廖 鎮(zhèn)，周拓陽，鄧 野，楊 超

(中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟研究院，北京 100081)

0 引 言

隨著我國現(xiàn)代造船技術(shù)的發(fā)展，水面艦船大型化設(shè)計趨勢愈加明顯，艦載直升機、兩棲步戰(zhàn)車、氣墊登陸艇以及先進武器的艦上使用，引起艦船內(nèi)部工作人員數(shù)量的劇增，維護相關(guān)裝備、系統(tǒng)正常運行的人員流動愈加復(fù)雜，其人員流動效率已成為艦船作戰(zhàn)效能發(fā)揮的重要影響因素之一。大型水面艦船工作空間通道通行能力是指其通行設(shè)施所能疏導(dǎo)內(nèi)部人員交通流動的能力，可作為通道負(fù)荷性能的一種量度，是艦船布局設(shè)計優(yōu)劣與人員流動效率的體現(xiàn)，對艦船的作戰(zhàn)能力、保障能力有著重要的影響。目前，常用的通行能力研究方法有理論分析法、實地測量法和計算機仿真法[1]。

理論分析法是以跟馳理論（Car Following，CF）為基礎(chǔ)推導(dǎo)通行能力，它的核心是如何確定間距信息；實地測量法是進行實際通行能力的測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)建立流量-速度模型對通行能力進行估計；計算機仿真法是指通過計算機仿真技術(shù)，構(gòu)建人員流動仿真模型，設(shè)計仿真實驗，測算通行能力。針對大型水面艦船工作空間通道通行能力影響因素眾多、缺乏大量實測數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀，利用計算機仿真法進行通行能力的研究更具優(yōu)勢。

1 艦船通道通行能力的涵義

1.1 通道通行能力影響因素

艦船工作空間通道是由不同類型的人員通行設(shè)施銜接而成的，屬于艦船內(nèi)部空間資源，充當(dāng)聯(lián)系艦船內(nèi)部各功能區(qū)間之間、艦船內(nèi)部與其外部空間之間的紐帶作用。人員通行設(shè)施是指用于供人員行走的設(shè)施，其具體布設(shè)位置、銜接方式與規(guī)模參數(shù)等級會對人員流動產(chǎn)生直接影響，表現(xiàn)在不同人員通行設(shè)施組合提供的人員集散能力和效果不盡相同；其次人員在工作空間通道的流動特性影響通道的通行能力，不同屬性的人員組合情況通過相同的通行設(shè)施所表現(xiàn)的流動特性也不一樣。因此，影響艦船工作空間通道通行能力的因素主要包括通行人員組成條件與通道物理空間條件。

1）通行人員組成條件影響因素

人員在工作空間通道的流動特性影響通道的通行能力，影響人員流動特性的通行人員組成條件因素包括人員性別與人員年齡、人員體型尺寸、人員數(shù)量等。

2）通道物理空間條件影響因素

通道物理空間條件影響因素包括通道類型、通道設(shè)計尺寸。

通道類型主要包括橫向通道與縱向通道兩大類，橫向通道是同一甲板層上人員通往目標(biāo)地點的活動區(qū)域，具體形式有出入口、走廊通道等；縱向通道是連接不同甲板層高度的工作空間，解決人員通行過程中的高度差問題，其具體形式較橫向通道多樣，主要有樓梯、垂直懸梯與縱坡通道等。

通道設(shè)計尺寸指的是通道的幾何空間尺寸數(shù)據(jù)，針對橫向通道，與通行能力相關(guān)的設(shè)計因素有通道寬度、長度、高度；針對縱向通道，與通行能力相關(guān)的設(shè)計因素有通道寬度、長度、高度、傾斜角度、臺階數(shù)量、臺階高度、臺階深度等。

1.2 通道通行能力分析指標(biāo)

工作空間通道通行能力分析的相關(guān)指標(biāo)主要有通行時間與通行密度。通行時間：人員執(zhí)行任務(wù)時通行時間（到達時間）是一項重要衡準(zhǔn)，不僅需要考慮所流動的距離，還需要考慮影響其到達時間的所經(jīng)過通行設(shè)施的設(shè)置，為避免個體執(zhí)行任務(wù)影響整體水平的衡量，以平均通行時間與全部通行時間進行表征，平均通行時間Tave（s）是人員執(zhí)行任務(wù)流動過程所使用的平均時間。

全部通行時間Tall（s）是所有人員執(zhí)行任務(wù)流動過程中所使用的時間，Tall=max{Ti}i=1,···,Nc，其中Nc表示所需通行的人員數(shù)量。

通行密度：密度是指通行區(qū)域內(nèi)某一單位面積的平均人員通過量，一般用區(qū)域人數(shù)與區(qū)域面積的比值來表示，由于人員流動密度是隨著測試時間的長度而變化，以累計平均密度與累計最大密度進行表征。累計平均通行密度pave是人員執(zhí)行任務(wù)流動過程中所經(jīng)過區(qū)域內(nèi)的平均密度；累計最大通行密度pmax是人員執(zhí)行任務(wù)流動過程中所經(jīng)過區(qū)域內(nèi)的最大密度。

2 艦船通道人員流動特性分析

2.1 人員組成條件

1）性別和年齡

性別和年齡是人員所具備的直觀的個體特征，直接影響人員個體的移動速度。由于海軍生活條件艱苦且經(jīng)常需要長期出海執(zhí)行訓(xùn)練任務(wù)等原因，海軍中男性占絕大多數(shù)，且年齡均分布在18～60歲之間[2]，本文考慮男性占比100%。

2）體型尺寸

人員流動過程中，體型尺寸是一個重要的考慮因素，其直接影響到區(qū)域內(nèi)的人員密度。流動過程中人員碰撞的發(fā)生多在左右肩、前胸、后背4處部位，是人員身體在前后和左右2個垂直方向上尺寸最大的部位，因此，可以用肩寬和腹厚來描述人員的體型尺寸大小[2]。軍事裝備和設(shè)施的人機工程設(shè)計手冊GJB/Z 131-2002中對艦（艇）人員人體尺寸數(shù)據(jù)進行了詳細的統(tǒng)計，其具體腹厚和肩寬數(shù)據(jù)如表1所示[3]。

表1 艦（艇）人員人體測量數(shù)據(jù)（mm）Tab. 1 Warship personnel anthropometric data（mm）

2.2 人員組成條件速度分布

綜合人員流動特性影響因素可知不同性別、年齡的人員速度不同[4]，國際海事組織（IMO）海上安全委員會（MSC）給出了人員速度與年齡、性別的關(guān)系[5]，如圖1與表2所示。

表2 人員速度與年齡、性別的關(guān)系Tab. 2 The relationship between personnel speed and age and gender

圖1 人員速度與年齡、性別的關(guān)系Fig. 1 The relationship between personnel speed and age and gender

由中華人民共和國人口普查統(tǒng)計結(jié)果[6]可獲知18～60歲之間不同年齡段對應(yīng)的男性人員數(shù)量比例數(shù)據(jù)，如圖2所示。結(jié)合表2給出的不同年齡段男性速度，求解人員組成條件速度分布參數(shù)，如圖3所示。

圖2 不同年齡段男性人員數(shù)量比例Fig. 2 Proportion of male in different age groups

圖3 人員組成速度分布比例Fig. 3 Personnel composition speed distribution ratio

3 艦船通道人員流動仿真模型構(gòu)建

3.1 人員流動仿真技術(shù)

人員流動仿真技術(shù)是通過人員流動仿真模型來模擬現(xiàn)實系統(tǒng)，可對人員流動設(shè)施規(guī)劃、管理方案的實施效果進行分析，從而根據(jù)仿真結(jié)果的分析提出相應(yīng)的改善建議。人員流動仿真技術(shù)是近年來仿真領(lǐng)域研究的熱點之一，與機動車流動仿真研究相比，人員流動仿真研究起步較晚，主要是因為人員流動仿真比機動車流動仿真更加復(fù)雜，體現(xiàn)在以下幾個方面：人員流動不像機動車流動那樣受速度、車道及通行規(guī)則的限制；人員流動具有隨機性，變速及轉(zhuǎn)向比機動車更加靈活；人員之間的相互關(guān)系更為復(fù)雜。

目前，根據(jù)人員流動仿真模型對人員行為描述細節(jié)程度的不同，人員流動仿真模型可以分為宏觀模型、中觀模型和微觀模型[7]。宏觀模型在仿真過程中把人員視作為可以連續(xù)流動的介質(zhì)來進行仿真；微觀模型則是將人員視作能夠相互影響、相互作用的粒子；而中觀模型則是融合了宏觀模型和微觀模型的特點。

通過文獻研究，了解到基于不同的仿真模型，專門用于模擬人員流動的仿真軟件已有20多種[4]，其中具有代表性的有PAXPORT，NOMAD，Building EXODUS，Steps，Simwalks，Anylogic，VISSIM，Legion等。這些軟件分別用于正常條件下或緊急條件下的人員流動仿真等方面，并在二維或三維顯示上各有特色，在人員流動組織與規(guī)劃、通行設(shè)施設(shè)計與通行能力評估等領(lǐng)域得到了廣泛的使用。Legion是英國Legion Limited公司開發(fā)的人員流動仿真軟件，是世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣泛、功能最強大、模擬過程最精確的仿真系統(tǒng)之一，以人員個體流動為基本模擬機制，從定量分析的角度計算環(huán)境中人員之間以及人員與障礙物之間的相互作用。

作為一種基于微觀人員流動仿真模型的技術(shù)，Legion是建立在人員個體行為與特征的基礎(chǔ)之上，通過對人員實際行為特征的調(diào)查與研究建立的仿真模型，并在平臺中加以運用。Legion仿真平臺的主要特點有：1）基于個體行為的仿真模型，人員流動過程中具有思考和對周圍環(huán)境作出反應(yīng)的能力，用力學(xué)模型模擬人員行走過程中的擁擠動力學(xué)，在行為發(fā)生前考慮周圍環(huán)境（如通行設(shè)施和障礙物等）與人員之間、人員個體同其他個體之間的相互作用和影響；2）空間平面采用矢量連續(xù)空間解析，而非網(wǎng)格解析，能夠更精確地模擬人員流動行為，如復(fù)雜方向的交叉追趕、避障等；3）采用最小努力原則，仿真模型中的實體在選擇下一步行動時，試圖在最大程度上降低自身的不滿意度，其不滿意度是由行動受挫等一些可能降低速度的生理、心理方面的因素所造成的。

3.2 仿真條件的設(shè)定

采用Legion仿真平臺作為艦船通道人員流動分析的工具，主要以橫向直行走廊通道為例進行工作空間通道通行能力仿真分析方法的說明。平、縱斷面的長度與寬度是直行走廊通道的主要設(shè)計內(nèi)容參數(shù)，即通道的長度、寬度與高度。通道高度只需滿足人員能夠通行的需求，大于通行人員身高，并不影響人員有效流動空間，對人員通行狀況不產(chǎn)生直接影響；通道長度視艙室布置狀況設(shè)置，通道寬度則直接影響人員通行狀況，通道寬度較窄人員相互之間的干擾較大，通道較寬可減少人員摩擦提高通行量，但浪費船體設(shè)計的有限空間。因此，將直行走廊通道寬度作為本分析的考察因素，研究其與人員通行狀況的關(guān)系。

目前，通道設(shè)施的設(shè)計內(nèi)容參數(shù)一般依據(jù)人員人體尺寸進行，軍事裝備和設(shè)施的人機工程設(shè)計手冊GJB/Z 131-2002給出了艦（艇）人員人體尺寸數(shù)據(jù)[3]，最大肩寬469.4 mm，最大腹厚221.4 mm，考慮人員著衣修正量，站姿人員工作空間寬度最小值取為510 mm。除此之外，考慮人員通行負(fù)荷攜帶情況與現(xiàn)役水面艦船具體設(shè)計情況，艦船通用規(guī)范GJB 4000-20000組艦船總體與管理中規(guī)定主通道的凈高度不得小于1 900 mm，寬度不宜小于1 000 mm（1 000 t以上的艦艇宜大于1 200 mm）[8]；單行路線通道寬度應(yīng)不小于700 mm，雙行路線通道寬度不宜小于1 000 mm，即走廊通道寬度最小取為700 mm。通過實際調(diào)研，艦船內(nèi)部直行走廊通道寬度的常用取值有：800 mm，900 mm，1 000 mm，1 100 mm，1 200 mm，1 400 mm，1 500 mm，1 800 mm，2 000 mm，2 100 mm，2 200 mm，2 400 mm，3 200 mm，3 500 mm，因此，仿真測試方案設(shè)置的直行走廊通道長度為20 000 mm，寬度D取值依次為：700 mm，800 mm，900 mm，1 000 mm，1 100 mm，1 200 mm，1 400 mm，1 500 mm，1 800 mm，2 000 mm，2 100 mm，2 200 mm，2 400 mm，3 200 mm，3 500 mm。

3.3 仿真結(jié)果的分析

分析通行人員擁擠效應(yīng)顯著的情況，依據(jù)IMO給出的3.5人/m2擁擠情況判別條件確定仿真測試方案中的人員數(shù)量。為減少偶然誤差，在相同仿真測試條件下選擇進行多次獨立重復(fù)實驗，輸出每一橫向走廊通道寬度條件下運行的10次仿真結(jié)果，得到不同指標(biāo)的均值（x）和標(biāo)準(zhǔn)差（SD），如表3所示。

表3 通行時間仿真結(jié)果數(shù)據(jù)Tab. 3 Travel time simulation result data

檢驗通道寬度取值變化對4個分析指標(biāo)是否有顯著影響，進行單因素方差分析，分析結(jié)果如表4所示。對于平均通行時間Tave，方差分析結(jié)果F（1 4，135）=30.186，P=0.000；全部通行時間Tall，方差分析結(jié)果F（14，135）=175.531，P=0.000；累計平均密度pave，方差分析結(jié)果F（14，135）=80.253，P=0.000；累計最大密度pmax，方差分析結(jié)果F（14，135）=4.856，P=0.000，顯著性均小于0.05，說明通道寬度對4個分析指標(biāo)均有顯著性影響。

表4 通道寬度與分析指標(biāo)數(shù)據(jù)方差分析結(jié)果Tab. 4 The variance analysis results between channel width and analysis of indicators data

為進一步量化通道寬度取值與4個分析指標(biāo)之間的關(guān)系，采用回歸分析方法進行定量分析。首先計算通道寬度取值與分析指標(biāo)之間的Pearson相關(guān)系數(shù)，如表5 所示。相關(guān)性檢驗結(jié)果分別為r(Tave) = -0.776，r(Tall) = -0.811，r(pave) = -0.930，r(pmax) = -0.468，說明通道寬度與平均通行時間Tave、 累計最大密度pmax具有中度負(fù)相關(guān)性，與全部通行時間Tall、累計平均密度pave具有高度負(fù)相關(guān)性。

表5 通道寬度與分析指標(biāo)數(shù)據(jù)相關(guān)性檢驗結(jié)果Tab. 5 The correlation test results between channel width and analysis of indicators data

應(yīng)用曲線估計分析通道寬度與分析指標(biāo)之間的關(guān)系，結(jié)合散點圖和擬合曲線可知：三次曲線能夠較好地擬合通道寬度與平均通行時間Tave、全部通行時間Tall、累計平均密度pave、 累計最大密度pmax之間的關(guān)系。圖4表示通道寬度與平均通行時間Tave、全部通行時間Tall的曲線，圖5表示通道寬度與累計平均密度pave、 累計最大密度pmax的曲線。通道寬度與4個分析指標(biāo)的回歸模型參數(shù)估計值如表6所示。

表6 通道寬度與分析指標(biāo)數(shù)據(jù)回歸分析結(jié)果Tab. 6 The regression analysis results between channel width and analysis of indicators data

圖4 通道寬度與通行時間關(guān)系曲線Fig. 4 The correlation curve of channel width and travel time

圖5 通道寬度與通行密度關(guān)系曲線Fig. 5 The correlation curve between channel width and traffic density

回歸分析結(jié)果表明平均通行時間Tave與通道寬度之間的三次函數(shù)關(guān)系顯著（R2=0.933），依據(jù)三次曲線參數(shù)估計結(jié)果得到平均通行時間Tave與通道寬度之間的關(guān)系式為：

全部通行時間Tall與通道寬度之間的三次函數(shù)擬合結(jié)果（R2=0.974），關(guān)系式為：

累計平均密度pave與通道寬度之間的三次函數(shù)擬合結(jié)果（R2=0.980），關(guān)系式為：

累計最大密度pmax與通道寬度之間的二次函數(shù)擬合結(jié)果（R2=0.419）關(guān)系式為：

4 結(jié) 語

傳統(tǒng)的通行能力研究多是基于理論分析與實際測量的方法，分析結(jié)果不能有效地反饋至工作空間通道的設(shè)置方案上，人員流動仿真技術(shù)的發(fā)展為工作空間通道通行能力的測試提供了可視化的工具。本文采用人員流動仿真技術(shù)，基于艦船通道人員流動特性分析結(jié)果構(gòu)建艦船通道人員流動仿真模型，以橫向直行走廊通道為例模擬分析通行設(shè)施設(shè)置參數(shù)變化時內(nèi)部人員的流動情況，分析結(jié)果表明通道寬度與平均通行時間Tave、 全部通行時間Tall、累計平均密度pave之間的關(guān)系呈等3次函數(shù)關(guān)系；與累計最大密度pmax之間的關(guān)系呈二次函數(shù)關(guān)系，相比于平均通行時間Tave、全部通行時間Tall、累計平均密度pave三個分析指標(biāo)，累計最大密度pmax的函數(shù)擬合效果較弱（R2=0.419），主要原因是累計最大密度為人員流動過程中所達到的最大密度，受人員流動過程中的干擾因素較多，時變性較強，其數(shù)值基本維持在承載人員密度3.5人/m2左右。