航站樓恐怖襲擊情景下疏散過程仿真研究

程 明副研究員 韓曉蓮

(中國民航大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300300)

0 引言

機場恐怖襲擊事件是近年民航業(yè)關(guān)注的重要問題。在我國爆炸、槍殺類襲擊事件發(fā)生的可能性低，但恐怖分子選擇刀斧等利刃作為施暴工具的可能性大[1]。3.1 昆明火車站暴恐襲擊事件中，恐怖分子手持長刀肆意砍殺無辜群眾，造成31 人死亡、141 人受傷[2]。在人群密集區(qū)域，發(fā)生刀斧砍殺類暴恐事件，極易造成短時間內(nèi)人員大量傷亡，快速疏散人群可有效減少人員傷亡，所以有必要研究航站樓內(nèi)刀斧砍殺類恐怖襲擊發(fā)生時的旅客應(yīng)急疏散。

在人員疏散模型中，社會力模型基于人員自身的驅(qū)動力建模，可以體現(xiàn)人員移動過程中的目的性和自驅(qū)性[3]，適用于開發(fā)人員疏散行為模型。Liu[4]基于社會力模型，考慮恐怖分子的攻擊行為與行人疏散和避讓行為之間的關(guān)系，建立恐怖襲擊情景下的人員疏散模型；馬占軍等[5]考慮恐怖分子、行人、保安三者之間的交互作用，建立刀斧砍殺情景下人員疏散模型；吳敏等[6]構(gòu)建爆炸情景下某機場航站樓的行人疏散模型，評估機場航站樓不同區(qū)域的風(fēng)險等級；李天貝等[7]在社會力模型的基礎(chǔ)上引入恐慌因子和各向異性因子，建立地震場景下的人員疏散模型；李輝鵬等[8]通過引入緊張程度改進社會力模型，建立考慮恐慌影響的高校食堂疏散模型。目前已建立的人為攻擊情景下的人員疏散模型，未考慮恐怖分子在移動過程中對周圍行人的影響，缺乏對恐怖分子出現(xiàn)位置、砍殺工具類型等影響因素的研究。目前已有的航站樓應(yīng)急疏散研究，大多是基于單一行人智能體的人員疏散模型，缺乏人為攻擊情景下多類型智能體交互的應(yīng)急疏散研究。

因此，本文以某大型機場航站樓為例，基于社會力模型建立刀斧砍殺情景下航站樓人員疏散模型，引入最高聚集人數(shù)，研究人員數(shù)量及恐怖分子位置、數(shù)量、砍殺工具類型對人員疏散的影響，以期得到不同影響因素的作用機理及影響程度，為機場預(yù)防及應(yīng)對刀斧砍殺恐怖襲擊情景提供技術(shù)方案和數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 模型構(gòu)建

1.1 構(gòu)建物理環(huán)境

以某大型機場航站樓四層值機大廳的國內(nèi)值機局部區(qū)域X(面積約為8 600m2，約占四層值機大廳的1/5)為研究對象，設(shè)置比例尺“1m=2.03像素”，利用行人庫模塊中的墻、區(qū)域、服務(wù)等組件描繪值機大廳的墻、休息區(qū)域、值機區(qū)域、進出通道等物理環(huán)境，繪制完成后的2D物理環(huán)境仿真界面，如圖1。

圖1 2D物理環(huán)境仿真界面Fig.1 2D physical environment simulation interface

1.2 社會力模型

本文基于社會力模型構(gòu)建刀斧砍殺情景下的人員疏散模型，將行人考慮成受力因子，社會力模型體現(xiàn)行人自驅(qū)力、行人之間的相互作用力和行人與障礙物之間的相互作用力[9]，如式(1)所示。

(1)

式中：

mi—行人i的質(zhì)量，kg；

為行人指定期望運動方向和期望速度后，行人按照最短路線移動，但行人在運動過程中會主動避讓行人和障礙物，符合現(xiàn)實情況。

(2)

式中：

τi—適應(yīng)時間，s。

1.3 智能體類設(shè)計

1.3.1 行人參數(shù)及行為邏輯設(shè)計

(1)行人參數(shù)。行人分為成年男性、成年女性、老年男性、老年女性、兒童5類，參照國際通用標準，將這5類人員比例分別設(shè)置為40%、40%、4%、6%、10%，并分別設(shè)置其舒適速度和肩寬等參數(shù)[10]。

(2)行人行為邏輯。行人正常行為邏輯(如圖2)，行人從航站樓出發(fā)廳門口進入，部分行人會先選擇問詢、等待再值機；部分行人會直接選擇值機，值機分為人工值機和自助值機2部分，值機完成后，旅客到安檢通道進行安檢。

圖2 行人正常行為邏輯Fig.2 The normal behavior logic of pedestrians

恐怖分子出現(xiàn)后行人行為邏輯(如圖3)，首先判斷行人是否存活，若死亡則停留在原地，否則保持正?；顒樱豢植婪肿映霈F(xiàn)3min內(nèi)，判斷行人3m范圍內(nèi)是否存在恐怖分子，如存在則立即逃跑，否則保持正?；顒?；3min后，所有存活的行人開始疏散。

(3)恐怖分子j出現(xiàn)3min內(nèi)，時刻判斷行人i與恐怖分子j之間的距離：

(3)

式中：

pj(t)—t時刻恐怖分子j所在位置；

qi(t)—t時刻行人i所在位置。

如果dij(t)≤3m，行人i停止正在進行的活動，向最近出口逃跑。

圖3 恐怖分子出現(xiàn)后行人行為邏輯Fig.3 The behavior logic of pedestrians after terrorists appear

1.3.2 恐怖分子行為邏輯設(shè)計

當行人均勻分布在值機大廳內(nèi)時，恐怖分子在航站樓內(nèi)指定地點出現(xiàn)。

(1)t時刻恐怖分子j選擇最近行人qij(t)作為目標，循環(huán)比較恐怖分子j和所有行人i的距離dij(t)，行人qij(t)與恐怖分子j的距離dij(t)最小。

(2)t時刻恐怖分子j的移動方向：

(4)

(3)當恐怖分子j與目標行人qij(t)的距離dij(t)小于攻擊距離時，恐怖分子j發(fā)起攻擊，根據(jù)恐怖分子使用的刀具類型和表1中刀具襲擊參數(shù)，行人qij(t)受傷情況或重傷、或輕傷、或死亡。

表1 不同種類刀具襲擊參數(shù)表Tab.1 Attack parameters with different types of knives

(4)攻擊結(jié)束后，恐怖分子j繼續(xù)搜尋目標，直至行人疏散完畢。

2 仿真方案設(shè)計

2.1 影響因素參數(shù)設(shè)計

2.1.1 人員數(shù)量

截至2021年9月27日為止，某大型機場年旅客吞吐量超過2 000萬人次，估算2021年該大型機場年旅客吞吐量約為2 667萬人次。參考美國聯(lián)邦航空局(Federal Aviation Agency，F(xiàn)AA)建議的高峰小時客流量與年旅客量的比值關(guān)系，可算出2021年該大型機場高峰小時客流量為8 001人次/h[11]。高峰小時旅客離港客流量指值機大廳1h內(nèi)辦理值機、安檢、聯(lián)檢等手續(xù)的旅客數(shù)量。本文只對區(qū)域X進行仿真，研究假設(shè)如下：

(1)高峰小時旅客離港客流量為高峰小時客流量的50%，即4 000人次/h。

(2)離港旅客均從航站樓四層辦理值機手續(xù)。

(3)高峰小時國內(nèi)航班旅客離港客流量占旅客離港客流量50%，區(qū)域X內(nèi)的高峰小時旅客離港客流量的50%，即1 000人次/h。

由于離港旅客辦理業(yè)務(wù)具有流動性和延續(xù)性，而且刀斧砍殺情景下人員疏散持續(xù)時間短，直接使用高峰小時旅客離港客流量設(shè)定仿真參數(shù)，誤差較高。最高聚集人數(shù)是指航站樓各區(qū)內(nèi)瞬時最高人數(shù)，根據(jù)已有研究[12]，按式(1)推算出區(qū)域X最高聚集人數(shù)，約為756人。

(5)

式中：

Q—區(qū)域X的最高聚集人數(shù)，人次；

Qg—區(qū)域X高峰小時旅客離港客流量，人次/h；

tz—離港旅客平均滯留時間，min，假設(shè)tz=30min；

ts—送客人員平均滯留時間，min，假設(shè)ts=20min；

a—值機區(qū)平均每名旅客送行人員數(shù)量，人次，a=0.2人次/旅客選取。

為研究不同水平客流量對刀斧砍殺情景下區(qū)域X人員疏散的影響，以區(qū)域X最高聚集人數(shù)756人為基準，分別設(shè)置570、760、960人3種客流水平。

2.1.2 砍殺工具類型

根據(jù)已有的標準及研究[13-16]，砍殺工具選取匕首、菜刀、砍刀3種刀具，設(shè)定不同刀具的襲擊參數(shù)，見表1。

2.2 實驗方案與設(shè)定

為研究人員數(shù)量A、砍殺工具類型B、恐怖分子數(shù)量C、恐怖分子位置D4個因素對刀斧砍殺情景下航站樓人員疏散的影響，設(shè)計4因素3水平正交實驗，因素水平選擇(見表2)，正交實驗設(shè)計，見表3。正交實驗法的因素為變量個數(shù)，水平為每個變量離散取值，每個變量的具體離散取值，見表2。

表2 因素水平表Tab.2 Factor level table

表3 L9(34)正交實驗結(jié)果Tab.3 Results of the orthogonal experiment L9(34)

應(yīng)對恐怖襲擊事件的核心目標是減少人員傷亡。將被襲擊總?cè)藬?shù)、死亡人數(shù)，作為評價恐怖襲擊事件風(fēng)險水平的指標。被襲擊人數(shù)表示被恐怖分子攻擊的行人總數(shù)，為死亡人數(shù)、重傷人數(shù)、輕傷人數(shù)的總和；死亡人數(shù)表示被恐怖分子攻擊后，成為死亡狀態(tài)的行人總數(shù)。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 仿真結(jié)果分析

依據(jù)表3中A1B1C1D1設(shè)置實驗參數(shù)，運行模型后，行人開始進行問詢、人工值機、自助值機等活動，當行人均勻分布在值機大廳時，恐怖分子在大門處出現(xiàn)，搜尋行人，鎖定目標后，對行人進行砍殺，襲擊結(jié)束后，再開始搜尋下一個目標，模型運行效果符合模型設(shè)定。

襲擊時間少于3min時，將部分圖形放大后發(fā)現(xiàn)，區(qū)域X存留人數(shù)隨襲擊時間出現(xiàn)階梯性變化，說明在恐怖分子移動過程中，其周圍3m之內(nèi)的行人會立即逃跑；3min后，國內(nèi)值機區(qū)域X的剩余行人全部撤離，區(qū)域X存留人數(shù)與襲擊時間關(guān)系圖變成一條平滑曲線，驗證行人行為邏輯模型的有效性，如圖4。

圖4 區(qū)域X存留人數(shù)—襲擊時間關(guān)系Fig.4 The relationship between the remaining population and the attack time in the area X

3.2 極差分析

表4顯示不同因素對被襲擊總?cè)藬?shù)、死亡人數(shù)、疏散時間的影響情況和統(tǒng)計分析結(jié)果，通過比較各種指標下不同因素的極差均值R，可以得出多因素對被襲擊總?cè)藬?shù)的影響程度排序如下：C>D>B>A，恐怖分子數(shù)量對被襲擊總?cè)藬?shù)的影響最大，其次是恐怖分子位置、砍殺工具類型、人員數(shù)量，以被襲擊總?cè)藬?shù)為衡量標準的高風(fēng)險水平組合為A3B3C3D1。各個因素對死亡人數(shù)的影響程度排序如下：B>C>D>A，砍殺工具類型對死亡人數(shù)的影響最大，其次是恐怖分子數(shù)量、恐怖分子位置，最后是人員數(shù)量；以死亡人數(shù)為衡量標準的高風(fēng)險水平組合為A3B3C3D1。各個因素對疏散時間的影響程度排序如下：A>B>D>C，人員數(shù)量對疏散時間的影響最大，其次是砍殺工具類型、恐怖分子位置和恐怖分子數(shù)量，疏散時間最長的組合為A3B2C1D3。

表4 極差均值分析Tab.4 Range analysis

3.3 方差分析

3.3.1 被襲擊總?cè)藬?shù)方差分析

4個因素的顯著性水平P<0.05，即均對被襲擊總?cè)藬?shù)有顯著影響，且恐怖分子數(shù)量的影響最為顯著，見表5。調(diào)整后R2=0.892，接近于1，說明該模型對數(shù)據(jù)的擬合程度較高。

各因素與被襲擊總?cè)藬?shù)、死亡人數(shù)的關(guān)系趨勢圖，按照因素的影響水平從小到大排列(如圖5)。若以被襲擊總?cè)藬?shù)最少和死亡人數(shù)最少為最優(yōu)結(jié)果。圖5表明被襲擊總?cè)藬?shù)和死亡人數(shù)指標均和因素A、B、C呈正相關(guān)關(guān)系。被襲擊總?cè)藬?shù)和死亡人數(shù)均在恐怖分子從區(qū)域X中心位置出現(xiàn)時行人數(shù)量最低，在恐怖分子從大門處和電梯處出現(xiàn)時行人數(shù)量較高，其原因為恐怖分子開始砍殺后，行人會向大門處和電梯處逃跑，恐怖分子阻礙行人逃生路徑。以被襲擊總?cè)藬?shù)和死亡人數(shù)為指標，高風(fēng)險組合為人員數(shù)量為960人、砍殺工具為砍刀、恐怖分子數(shù)量為3人、恐怖分子從大門處出現(xiàn)，與極差分析結(jié)果相符。

3.3.2 死亡人數(shù)方差分析

表6顯示，4個因素的P<0.05，即均對死亡人數(shù)有顯著影響，且砍殺工具類型的影響最為顯著。調(diào)整后R2=0. 897，接近于1，說明該模型對數(shù)據(jù)的擬合程度較高。

表6 死亡人數(shù)方差分析Tab.6 The variance analysis of the number of deaths

3.3.3 疏散時間方差分析

表7表明，4個因素的P<0.05，即均對疏散時間有顯著影響，且人員數(shù)量影響最為顯著。調(diào)整后R2=0.580，該模型對數(shù)據(jù)的擬合程度并不理想，說明疏散時間除受到人員數(shù)量、砍殺工具類型、恐怖分子數(shù)量、恐怖分子位置4個因素的影響，還受到其他因素的影響。疏散時間最長的組合為人員數(shù)量為960人、砍殺工具為菜刀、恐怖分子數(shù)量為1人、恐怖分子從電梯處出現(xiàn)，與極差分析結(jié)果相符。

表7 疏散時間方差分析Tab.7 The variance analysis of the evacuation time

圖6為各因素與疏散時間指標的關(guān)系趨勢圖，以疏散時間最短為最優(yōu)結(jié)果。從圖6中可以看出，疏散時間和人員數(shù)量呈正相關(guān)關(guān)系，和恐怖分子數(shù)量呈負相關(guān)關(guān)系，這是因為恐怖分子數(shù)量越多，因恐怖分子提前疏散的人數(shù)越多，恐怖分子出現(xiàn)3min后同時疏散的人數(shù)越少，行人疏散時間也隨之減少。在砍殺工具為菜刀時，疏散時間最長；恐怖分子從電梯處出現(xiàn)時，疏散時間最長。

圖6 疏散時間指標與各因素關(guān)系Fig.6 The relationship between the indicator of the evacuation time and each factor

4 結(jié)論

利用模擬仿真工具構(gòu)建某大型機場局部區(qū)域X的人員疏散模型，通過正交實驗，分析人員數(shù)量、砍殺工具類型、恐怖分子數(shù)量、恐怖分子位置4個影響因素對被襲擊總?cè)藬?shù)、死亡人數(shù)、疏散時間的影響。結(jié)論如下：

(1)人員數(shù)量、砍殺工具類型、恐怖分子位置、恐怖分子數(shù)量均對被襲擊總?cè)藬?shù)、死亡人數(shù)、疏散時間有顯著影響。對被襲擊總?cè)藬?shù)影響最大的是恐怖分子數(shù)量；對死亡人數(shù)影響最大的是砍殺工具類型；對疏散時間影響最大的是人員數(shù)量。

(2)以被襲擊總?cè)藬?shù)和死亡人數(shù)為指標，高風(fēng)險組合為人員數(shù)量為960人、砍殺工具為砍刀、恐怖分子數(shù)量為3人、恐怖分子從大門處出現(xiàn)。該情景下，恐怖分子從大門處開始砍殺，被襲擊總?cè)藬?shù)和死亡人數(shù)最多，應(yīng)增加值機大廳大門處的警力。

(3)恐怖分子數(shù)量和砍殺工具類型為刀斧砍殺情景下航站樓人員疏散的關(guān)鍵影響因素。隨著我國民航業(yè)快速發(fā)展，航站樓內(nèi)人員數(shù)量增多將是大概率事件。機場管理方應(yīng)增加航站樓內(nèi)關(guān)鍵地點的警力，在值機大廳大門處加強對刀斧利刃的排查力度，防止恐怖分子團伙作案造成重大影響，同時需要預(yù)防發(fā)生擁擠、踩踏等次生災(zāi)害。

(4)應(yīng)對刀斧砍殺事件的目標是盡量減少人員傷亡，但在疏散時間過長的情景下，影響因素作用變得更復(fù)雜，應(yīng)進一步研究。