人員撤離仿真及其在船舶設計中的應用

顏瓅俞赟

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

0 引 言

在現代船舶設計制造領域中，船舶的安全性是一個受到長期關注的問題，在緊急情況下確保船上人員及時撤離是其中的最后一個環節，較好的方法是在船舶總體設計階段進行撤離分析驗證。2007年10月海安會通函MSC/Circ.1238《新客船和現有客船撤離分析指南》（下文簡稱規范）為分析驗證提供了指導。規范提供了兩種不同的分析方法［1］:一種稱為簡化撤離分析，是目前在船舶設計生產中常用的方法；另一種稱為高級撤離分析，是基于人員撤離仿真的。本文將對人員撤離仿真的概念、原理、特點和在船舶設計中的應用作簡單介紹。

1 人員撤離仿真

仿真又稱模擬，指為了研究現實中的系統，在計算機中建立該系統的仿真模型，然后運行模型，根據運行結果獲取現實系統中的相關知識。

1.1 概況

人員撤離仿真相關研究起源于建筑行業，自20世紀80年代起至今已經有了較深入的發展。有多種數學模型可以描述撤離過程，根據對人員細節描述程度不同主要可分為宏觀模型和微觀模型。宏觀模型認為行人的運動行為類似于氣體或液體的流動，包括博弈理論、決策理論和傳播模型等［2］。宏觀模型的優點是理論難度較小、建模簡單、計算量較小；缺點是丟失了一部分環境幾何信息，并忽略了人與人之間的差異。微觀模型把行人視為相互作用的粒子，包括社會力模型、排隊網絡模型和元胞自動機模型等。微觀模型的優點是對每個人的特性、位置和運動有單獨的描述，有效提升了仿真的可信度；缺點是計算量比較大、計算耗時比較長［3，4］。 但是，隨著計算機硬件技術的高速發展，微觀模型的缺點正被逐步克服。

根據不同的數學模型，國內外已經開發了數十種不同類型的軟件工具。其中有些軟件工具已經比較成熟，例如STEPS等，可作為分析人員撤離過程分析的較好平臺。隨著工具的發展，人員撤離仿真在建筑行業的應用已較廣泛，可以對商場、劇院、高層建筑、地鐵站、機場等建筑的安全性能作出評估。但其在船舶行業應用相對較少，我國則剛剛起步［5-7］。

本文使用STEPS（SimulationofTransientEvacuation and Pedestrian Movements）軟件開展人員撤離分析，該軟件由美國Mott MacDonald公司開發，專門用于模擬建筑物中人員在正常情況或緊急情況下的移動過程。STEPS提供了較為友好的界面，用戶可直觀的建立三維模型，并通過對話框設置相關對象的仿真屬性；軟件還提供了豐富的參數設置，允許用戶對條件、概率、采樣曲線等做深入的定制。

1.2 元胞自動機模型

STEPS所使用的數學模型為元胞自動機（Cellular Automata）模型。該模型將艙室或通道劃分為大小一致的網格，每個人可占據一個單元格。人員移動的主要規則是:所有元胞的狀態同時發生變化；某個元胞在t+1時刻的狀態由其自身及其相鄰的元胞在t時刻的狀態共同決定。一個典型的房間模型如圖1所示。

圖1 元胞自動機模型中的房間模型示意圖

模型為每個單元格都計算了距離出口的數值，出口本身數值為0，距離越遠數值越高。左側有一個L形的障礙物，數值為-1。仿真開始后，人員可以朝前后左右或四個斜角方向移動，任意單元格中的人員只要不斷朝數值更低的相鄰的單元格移動，最終都可以到達出口。

1.3 撤離分析方法比較

簡化撤離分析基本過程為:繪制撤離及水力網絡原理圖，給各個通道編號并計算其面積，然后獲取各處人員數量，進而計算人員流量、流速和流動時間，最后得到人員到達集合站所需的總時間。

規范將高級撤離分析描述為:模擬以計算機為基礎，把每一個乘員作為一個個體，將船舶布局并顯示乘員與布局之間的相互作用詳細顯示出來。由此可見，高級撤離分析在本質上是基于微觀仿真模型的，其基本過程包括三個環節:建立仿真模型、運行仿真模型和分析仿真結果。

而簡化撤離分析有些類似于宏觀仿真模型，它簡化了一些幾何信息，并將人群視為流體。但是人群并不符合動量和能量守恒原理，人和人之間也有較明顯的差別［8］，這與流體不同。這些只有在高級撤離分析中才能得以體現。因此，高級撤離分析的結果更接近真實情況。

2 應用實例

以某教學船為例，進行人員應急疏散分析。下頁圖2為該教學船居住艙室分布圖。

2.1 概況

某教學船以散貨船為基礎，另為實現教學實習的功能，增設了教室、教師辦公室以及教師和學生住艙等艙室，需滿足特種船舶相關規范要求。除原有散貨船船員外，另增加教師與學生168人。由于人數較多、總布置較復雜，人員撤離過程可能存在不確定因素，有必要對本船的總撤離時間進行計算。

為保證船舶的安全性，本船的集合站/救生設備有三處，分別位于6甲板左舷、6甲板右舷和9甲板尾部，對應三種不同的撤離路線。

根據規范，總撤離時間=最長撤離用時+安全余量+登乘和下水用時。本船總撤離時間必須小于60 min，規范指定了安全余量、登乘和下水用時，最長撤離用時則由仿真計算來獲得。具體方法是:在軟件中把人員從艙室出發、經過通道/樓梯、最終到達集合站的過程模擬出來，并記錄所需的時間。多次重復上述試驗，取耗時最長的一次作為最長撤離用時。

2.2 仿真建模

2.2.1 環境模型

首先為人員撤離所經艙室、通道、樓梯和集合站建立網格模型，將艙壁、阻擋物視為邊界和障礙；然后建立出口的模型，包括門和樓梯-地面連接處，并設置相關屬性；最后為了加強可視化效果，為環境中的實體建立幾何外形。

表1 年齡組和行走速度

2.2.2 人員模型

根據規范和本船的定員情況設置人數和年齡組，后者會對人的行走速度產生影響。如表1所示。

特定人口組的速度符合以該組平均速度為均值的正態分布，標準差取最大速度與最小速度差的1/6。

2.2.3 工況模型

根據本船的實際情況，人員在白天撤離和夜晚撤離的初始位置有所不同:人員主要分布在4～9甲板。在白天，一部分船員在工作崗位，一部分船員在住艙，教師和學生大多在教室，少量教師在辦公室；在夜晚，船員的情況與白天基本相同，而所有教師和學生全部在住艙。

用3種撤離路線與規范要求的4種工況，一共組合出12種工況，根據規范需要對每個工況進行5次仿真。建模完畢后運行仿真，用戶可以看到船上人員從住艙撤離到集合站的全過程，軟件提供的可視化效果如圖3。

2.3 仿真結果

在仿真運行時記錄各個時刻到達集合站的人數，就可以得到撤離時間。以夜晚、全部樓梯可用、9甲板撤離的工況為例，撤離時間如表2。

表2 某工況撤離時間

其中最長的時間出現在第5次試驗，為14′48″秒，撤離情況的曲線如圖4。

圖中的4條曲線代表到達4個集合站的人數隨時間的變化。當曲線升到頂部時，表示該集合站滿員了。

通過觀察仿真場景可知，本工況的擁擠點出現在8甲板外走道到9甲板外走道的樓梯前，人員由從6、7、8甲板撤離的學生構成。擁擠人數較少，持續時間較短，左右舷側皆有。如圖5所示。

通過60次仿真試驗得到的結果表明，所有工況下人員撤離都可以在規范要求的時間內完成，并有一定余量。表明本船符合規范中的人員撤離要求。

2.4 現象分析

下面對在仿真過程中出現了一些特殊現象進行分析:

（1）從9甲板撤離時，1號和4號救生艇（集合站）總是較快裝滿。

分析原因后認為:4艘救生艇依次排列在船尾部，1號和4號救生艇更靠近舷側外走道，這使得從外走道撤離的人員總是首先登上這兩艘救生艇，導致它們更快地裝滿。

建議在撤離時，可以將1號和4號救生艇編為一組，2號和3號救生艇編為一組。

（2）從9甲板撤離時，在甲板中央的樓梯間不可用的情況下，總撤離時間反而較短。

已有的研究表明，在緊急情況下的人員常常會選擇離自己最近出口撤離［9，10］。這可使局部撤離時間最短，但未必會使全局撤離時間最短。

一些艙室的出口靠近中央的樓梯間，從這些房間撤離的人員有時會首先進入樓梯間，到達9甲板后，再從樓梯間出來，經外走道到達救生艇。這樣造成了繞路，撤離時間稍有延長。當中央的樓梯不可用時，這部分繞路的現象就消失了。雖然外走道的樓梯人流有所加大，但總的撤離時間反而較短，見圖6。因此，建議事先約定，從尾部緊急撤離時盡量不走中央的樓梯。

為本船建立基本仿真模型約需兩周，為某一工況修改模型、運行仿真并分析結果約需一天。未來隨著建模流程的優化，所需時間將有所減少。

3 結 論

人員疏散仿真在船舶領域是一種新興的方法，利用其開展的人員撤離分析，可獲得更接近真實的結果，并發掘出深層的現象，為輔助船舶設計、提升船舶安全性能提供支持。

［1］海安會通函規范.新客船和現有客船撤離分析指南［S］.海上人命安全公約，2007.

［2］劉茂，王振.行人和疏散動力學研究現狀及進展［J］.安全與環境學報.2006，6 （7）:121-125.

［3］黃希發，王科俊，郭蓮英，等.一種運動學形式的人員疏散仿真微觀模型研究［J］.系統仿真學報.2008，20（21）:5791-5794.

［4］湛永松，盧兆明.計算機輔助大規模人群疏散平臺［J］.計算機工程.2008，34:77-79.

［5］張冬東，崔曉星.客輪火災人群疏散的現狀研究及進展［J］.科技信息.2007，12:232-235.

［6］陳淼.艦船通達性仿真評估系統初步研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，2009.

［7］肖海松.艦船人員疏散仿真初步研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，2010.

［8］孟俊仙，周淑秋，饒敏.大型建筑內人員疏散計算機仿真研究評述［J］.計算機應用與軟件.2008，25（3）:159-161.

［9］何大治.建筑火災疏散三維仿真研究［D］.上海:同濟大學，2007.

［10］于彥飛.人員疏散的多作用力元胞自動機模型研究［D］.鎮江:中國科學技術大學，2008.