受損客輪中人員緊急疏散研究進展

[上海交通大學 上海 200240]

受損客輪中人員緊急疏散研究進展

□盧春霞 梁 瑋[上海交通大學 上海 200240]

借鑒陸上緊急疏散研究成果，探討客輪中突發(fā)事故時人員緊急疏散研究成果及進展?；诂F(xiàn)有的有限的研究成果，IMO針對不同船型發(fā)布了不同疏散指南，給出總疏散時間組成部分和計算方法，對其安全性給予評價。最后本論文展望了受損客輪人員緊急疏散的未來研究方向，即動態(tài)網(wǎng)格化方法、疏散標識優(yōu)化、模型完善和人員行為特性關(guān)系探究，希望改進IMO疏散指南及船員的相關(guān)培訓。

受損客輪；緊急疏散；IMO疏散指南

引 言

近年來，全球游輪市場規(guī)模達百億美元以上，每年增幅超過10%。上海市也明確提出振興游輪經(jīng)濟的口號，據(jù)預測，未來3至5年，上海國際游輪市場的潛在客流量每年可達50多萬。

隨著游輪經(jīng)濟的發(fā)展和客輪的大型化，大量人群聚集在大型船舶的現(xiàn)象將越來越常見。而重大海難事故的頻頻發(fā)生，給許多的個人、家庭、組織、國家?guī)碇卮髶p失。特別是渡輪、游輪等以載客為主要功能的船舶一旦發(fā)生事故，就極有可能造成大量的人員傷亡，即使是在船舶性能良好、救生設(shè)備完善的情況下也不例外。如2012年1月13日晚發(fā)生在意大利附近海域的大型游輪“科斯塔·康科迪亞”觸礁擱淺事故，造成船體滲水并傾覆，至少11人死亡，20多人失蹤，事故震驚全球。

若措施得當規(guī)范，客輪事故后的緊急疏散能挽救大量的生命財產(chǎn)。因此，作為聯(lián)合國負責航運安全和防止船舶污染海洋的的專門機構(gòu)，國際海事組織(International Marine Organization，簡稱IMO)已經(jīng)發(fā)布過一系列標準或指南，對海上生命安全做了詳細規(guī)范，對客船事故中人群疏散的計算方法也進行了標準化。這些準則規(guī)范了人員疏散的建模條件和分析方法，但有待進一步實際驗證和完善。

對船舶緊急疏散進行研究，集中于船舶疏散效率、乘客行為特點和解決疏散實證中存在的問題等方面，不僅能對乘客的疏散行為進行預測，為船員提供疏散培訓資料，而且可以應用于實際的船舶疏散指揮，完善IMO規(guī)則。

一、國內(nèi)外相關(guān)研究綜述

航海事故與陸上建筑物內(nèi)事故有一定的相似性，可以借鑒以往對于普通建筑物中突發(fā)事件人群疏散的研究成果，因此以下研究綜述就陸上、船上的研究進展和成果分別討論。

（一）陸上建筑中人群疏散研究

普通建筑物中人群疏散的相關(guān)研究通常分為宏觀和微觀兩大類。微觀研究是把每個個體作為建模和仿真對象，宏觀研究是把整體人群作為建模和仿真對象，忽略個體間的差異。

宏觀研究方面：Fruin曾提出宏觀仿真模型，主要關(guān)注諸如通道長寬、走向等空間分配問題，在宏觀模型中人群被合計為整體，用“流”、“平均密度”、“平均速度”、“平均面積”等宏觀屬性來標識，建立人群速度與人群密度的函數(shù)關(guān)系[1,2]。Henderson[3]、Helbing[4]、Hughes[5]等人采用流體力學研究成果，將人群抽象為連續(xù)介質(zhì)，用流體中的物質(zhì)守恒定律來計算人群的密度與速度、流量的關(guān)系；這種方法的優(yōu)點在于簡化了計算，但問題在于忽略了個體間的關(guān)聯(lián)和交互。盧春霞根據(jù)激波理論來研究密集人群的一些基本特性，認為人群發(fā)生擁擠事故的點產(chǎn)生激波，引起群體性的騷動或混亂，激波范圍擴大，事故加劇[6]。這一理論彌補了傳統(tǒng)宏觀研究忽略個體間交互的缺陷。

微觀研究方面：微觀研究注重高密度人群中每個個體的行為及其交互，通過場景重現(xiàn)的方法揭示人群流動特點。主要的微觀模型有：1）元胞自動機模型(Cellular Automation，簡稱CA)，在簡單的行為規(guī)則指導下迅速大規(guī)模模擬人群移動網(wǎng)絡(luò)，建立微觀行為變化和宏觀人群交通流特征間的關(guān)系，運用統(tǒng)計方法對人群流動基本參數(shù)進行賦值，研究如人群速度、流量、密度等參數(shù)間的關(guān)系[7～10]。2）格子氣(grid-gas)模型，視行人為移動于格子上的粒子，同樣應用概率統(tǒng)計的方法研究步行系統(tǒng)[11～14]。3）磁力場模型(Magnetic Force Model)，將整個系統(tǒng)視為一個磁場，假設(shè)每個個體和障礙物為正極，行人的目的地為負極，每個個體身上都作用有兩個力，一個來自于為避免與其他個體或障礙物碰撞而產(chǎn)生的加速度，另一個取決于磁場密度大小及行人間的距離，這兩個力的綜合作用決定了每個個體實時的速度矢量[15，16]。4）Helbing的社會力模型將行人視為相互作用的粒子，并認識到行人是具備思考能力和能對周圍做出反應的個體[17]。這一研究成果對如何設(shè)計出口數(shù)量、通道寬度、群聚集區(qū)域等具體問題都有啟發(fā)意義。此外，盧春霞對社會力模型作出了若干改進，指出了在極高密度下，擠壓力對人群的影響[18]。

元胞自動機模型和社會力模型目前被廣泛應用于人群疏散或行人交通的仿真軟件中，如STEPS軟件[19]（基于元胞自動機模型）、NOMAD軟件[20]（基于社會力模型）和VISSIM軟件[21]（基于社會力模型）。

國內(nèi)對密集人群疏散的研究大多是從建筑安全的角度出發(fā)，著重研究在建筑物內(nèi)發(fā)生緊急事故如火災時人員的疏散問題，代表性的研究成果有：沈陽建筑工程學院建立的人員疏散行為數(shù)學模型即仿真[22]；武漢大學采用動力學分析來推導建筑物緊急疏散時速度與密度的關(guān)系，并對疏散時間進行數(shù)值模擬[23]；中國國家安全生產(chǎn)科學研究院對國內(nèi)許多地鐵里的人群疏散做了大量仿真，以引導乘客的快速進出[24，25]；中國科學技術(shù)大學的火災科學國家重點實驗室是國內(nèi)研究緊急疏散的重要力量，在實證和仿真方面對目前主流的模型做了大量深入研究，如采用Helbing的社會力模型模擬了出口寬度、厚度和人員期望速度對疏散的影響[26]，采用元胞自動機模型分析出口及內(nèi)部布局對疏散的影響[27]；北京化工大學安全管理研究所近年來在該領(lǐng)域也做了大量研究，如采用元胞自動機模型分析疏散過程中的沖突[28]。

（二）船舶上人群疏散研究

發(fā)生在客輪上的事故與發(fā)生在普通建筑物或陸上交通工具中的事故相比具有以下特殊性：大多數(shù)乘客對客輪結(jié)構(gòu)及布置缺乏了解，對一般建筑物結(jié)構(gòu)比較熟悉；在船上難以對乘客進行全面疏散演練，而一般建筑物可以經(jīng)常進行安全疏散演習；船體一般有晃動和傾側(cè)，嚴重影響行人逃生速度和方向，引起心理恐慌；船上的人群疏散需要其他救生設(shè)備來輔助離開水上環(huán)境，而不僅僅是逃出事故船體即可，而陸上建筑或交通工具只需逃離至事故建筑外部即可；在船上，人們對于事故的感知時間在白天和在夜晚有很大差別，例如IMO指出晚上的感知時間是白天的兩倍，但這一差異在陸地的建筑物上并不顯著；此外，船舶從發(fā)生事故開始到爆炸或沉沒，有相當長的時間間隔，如SOLAS準則認為對于三層以上的客輪，允許的總疏散時間為80分鐘，而陸上建筑的疏散沒有這個特點，一般都很快倒塌，如地震，只有幾十秒。因此，一旦船舶事故發(fā)生時，疏散措施得當，可以挽救絕大部分人的生命?；诳洼喪枭⒌奶厥庑?，目前對于航海事故的人群疏散研究遠不及普通建筑物的人群疏散研究成熟，特別是國內(nèi)對此類問題的研究成果相對較少。主要原因有：1）這類研究首先需要研究者對船舶有深刻的了解，包括船舶的力學結(jié)構(gòu)、動力性能、安全航行等，而目前研究人群疏散的國內(nèi)外學者和專家主要來自于交通、建筑、消防等領(lǐng)域，鮮有船舶或航海背景的，對相關(guān)國際規(guī)則也不熟悉；2）無論研究哪種人群疏散問題，首先需要的最基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有：針對該研究的人群的速度-密度關(guān)系、對事故的反應時間、心理影響等。由于客觀條件限制，有關(guān)船舶的此類數(shù)據(jù)一直非常缺乏。

對于航海事故中人群緊急疏散，通常涉及建模、仿真以及實驗等研究方法。目前，韓國和歐洲一些科研院所對于船舶人群疏散的建模及仿真研究成果較為突出。韓國船舶和海洋工程研究所(KRISO)對于航海事故中的人群疏散進行建模仿真，將人的心理因素加入事故生存能力評估模塊。這類人群疏散模型將影響疏散的因素分為四類，即幾何(Geometrical)、人數(shù)(population)、環(huán)境(Environmental)、程序(Procedural)[29]。Dongkon Lee、Hongtae Kim等人分析了海洋、船舶的特殊環(huán)境對乘客行為的影響，并將結(jié)果量化后添加到傳統(tǒng)的人群疏散模型中，使之適用于航海事故[30]。隨后這幾位學者又應用IMEX模型，分別對個體和事故進行建模，并用一個智能體(Intelligent Agent)將兩個模型集成，使之成為具有人工智能性質(zhì)的綜合模型[31]。格林威治大學的消防安全工程組創(chuàng)建了EXODUS疏散模型[32]，用于對火災的人群疏散進行仿真，近年來該模型被擴展到航海領(lǐng)域，與人類行為學模型進行結(jié)合，對航海事故進行專門的模擬。挪威學者Erik Vanem等人對一艘客輪的不同的疏散場景進行仿真，以評估不同情況下的風險系數(shù)[32]。與Helbing的模型類似，上述模型均未考慮船員與乘客對船體結(jié)構(gòu)的熟悉度不同而導致的行為差異以及人與人之間的情感關(guān)系及其對行為的影響等因素。

除建模、仿真方法之外，實驗對于研究船舶疏散也有重要作用：其一，船舶疏散的真實數(shù)據(jù)可以作為重要依據(jù)，為進一步分析乘客的疏散特點、逃生率、疏散效率等提供真實的數(shù)據(jù)支持，提高仿真模型的真實度；其二，用實驗法研究船舶疏散也可以作為獨立的方法，用以評價客船的逃生路線的效率，基于真實情景尋找疏散瓶頸和人員行為特點，對新造船和現(xiàn)有客船的結(jié)構(gòu)、管理等影響疏散的因素提出建議；其三，仿真方法存在一定的局限性，即便是考慮了諸多宏觀、微觀因素對人群行為的影響，其結(jié)果與真實值之間仍有一定差異，并且對于現(xiàn)實中一些不可知因素(如人的心理、情感、視覺假象等)無法預測。因此，利用實驗法研究客輪疏散能彌補仿真的不足，具有一定現(xiàn)實意義。

在基于實驗的客輪疏散研究方面，日本國際海事研究機構(gòu)Katuhara等人對一艘拋錨船只設(shè)定了疏散路徑，并測量出了在不同性質(zhì)的通道的不同行人速度和對應的人群密度[33，34]。Koichi Yoshida等人設(shè)計了一套較為科學的模擬疏散的實驗方法，即選擇一種特定船型，在其疏散關(guān)鍵節(jié)點處多次進行不同傾斜角度、不同事故現(xiàn)場的模擬疏散，用大量的數(shù)據(jù)進行疏散變量與疏散速率之間的函數(shù)擬合，并比較各環(huán)境變量對整體疏散效果的影響，為提高船舶疏散效率提供有效數(shù)據(jù)支持[35]。上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院的盧春霞等已經(jīng)在這方面做了嘗試，針對具體客輪，實際觀察結(jié)合仿真，研究了正常情況下客輪疏散規(guī)律[36，37]。

二、IMO MSC船舶疏散指南

根據(jù)各成員國提交的疏散研究成果，IMO 先后發(fā)布了針對不同船型的疏散分析標準。在正式的疏散分析指南頒布、實施前，通常先通過相應的臨時指南。IMO發(fā)布的MSC/Circ系列指南如表1所示。

盡管不同的標準針對的船型不同，但SOLAS公約將船舶的緊急疏散時間統(tǒng)一設(shè)定為由感知事故時間A(Awareness time)、運動到疏散地點所需時間T(Travel Time)、搭乘救生船并入水所需時間E+L(Embarkation and Launching Time)三個部分組成，如圖1所示，并使用如下公式作為對疏散各個階段的時間控制標準：

其中n表示允許最長總疏散時間。

表1 IMO MSC/Circ系列指南

人員對事故的感知時間A因船型、海域環(huán)境、光線、通訊設(shè)備等條件不同而不同，但近似服從正態(tài)分布。IMO MSC.1/Circ.1238為了簡化問題、明確要求，對成員國提供的歷史數(shù)據(jù)進行整理后，對A、E+L進行明確規(guī)定：

即，A在白天約為5分鐘，在夜晚，由于人員多處于休息狀態(tài)，光線條件也沒有白天好，因而時間加倍，約為10分鐘。

圖1 總疏散時間計算方法

MSC/Circ.1033將人群匯合時間獨立計入疏散時間中，即

T與E+L有部分重合——在一些乘客尚未到達疏散地點時，已有部分乘客開始搭乘救生船入水了。

一般在事故發(fā)生1.25(A+T)后，乘客下水的過程已完成1/3，E+L滿足：

船舶從發(fā)生事故的時刻開始，便發(fā)生著一系列變化——如碰撞、擱淺等事故導致船只的破損，同時伴隨著沉沒風險，如事故是火災，還伴隨火災帶來的焚燒、灼熱、爆炸等各種危險，因此在船舶允許最長總疏散時間結(jié)束前，乘客的實際疏散過程應當完成，這樣才能確保疏散安全，盡可能減少船舶事故帶來的損失。允許疏散時間同樣基于消防小組的火災分析。一般對于多于三層的客輪，允許總疏散時間：n≈80(min)

公約對各變量的測量和記錄方法做了規(guī)定，并對不同情況分別統(tǒng)計得出通道寬度、乘客密度、乘客年齡性別等各變量之間的關(guān)系；規(guī)定了疏散過程的階段劃分、疏散時間的計算方法，并通過統(tǒng)計得出各階段的安全時間范圍。

然而，該計算方法各變量值均由IMO根據(jù)成員國提交的數(shù)據(jù)估測得出，而事實上不同人種、船型、水域條件的數(shù)據(jù)差異較大。因此，IMO仍然需要大量的受損客輪中人員緊急疏散的研究成果和實驗數(shù)據(jù)，來驗證并修訂相關(guān)規(guī)則。

三、展望

結(jié)合國內(nèi)外對客輪緊急疏散的研究進展來看，未來的研究趨勢將向如下幾方面發(fā)展：

1.原有疏散模型進一步完善。對船上人員的宏觀建模及仿真?；谠詣訖C模型，未來可在原IMO分類的基礎(chǔ)上，將被疏散人員進一步區(qū)分為船員和乘客。因為大部分乘客都是第一次乘坐游輪、不熟悉船舶結(jié)構(gòu)、甚至不會游泳，而船員則相反，不僅熟悉船舶，職業(yè)道德也促使其在發(fā)生事故時可以擔當疏散信息鏈中的“活體疏散標識”，所以，在緊急疏散時，這是兩類完全不同的人群，未來應對其分別建模，完善原有模型。

2.被疏散人員行為特性關(guān)系。與陸上緊急疏散最大的不同之處在于，船上人們的行走嚴重受制于船舶的傾斜或搖晃。IMO考慮了這一影響因素，但只是將行走速度乘以同一個影響因子，而沒有考慮不同的傾斜度或搖晃度。因此，必須對速度——傾斜度關(guān)系進行詳實的實驗研究，采集船舶上人群疏散或移動的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并進行統(tǒng)計分析，完善SOLAS數(shù)據(jù)庫和IMO相關(guān)內(nèi)容，為船舶設(shè)計及疏散提供一定的指導。

雖然船舶事故很難避免，但若乘客具備必要的自救常識，船員對疏散的指揮、引導得當，就能最大限度地降低事故損失，挽救生命財產(chǎn)。因此，研究客輪疏散規(guī)律、效率及乘客的行為特點，發(fā)現(xiàn)并改善疏散中存在的問題，為特定類型的船舶選擇優(yōu)化的疏散解決方案，對于提高海難生還率起著重要作用，也是客輪疏散研究的主要方向。

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Research Progress in Emergency Evacuation for Damaged Passenger Ships

LU Chun-xia LIANG Wei
(Shanghai Jiao Tong University Shanghai 200240 China)

Based on the research results of on-land evacuation, this paper discusses the research results and progress of emergency evacuation in passenger ships.Based on existing limited research results, IMO approves different evacuation guidelines regarding different ship types, including the composition and calculative methods of evacuation time and safety evaluation.Finally, the paper looks into the future of the research of emergency evacuation for damaged passenger ships-dynamic grid technique, optimization of evacuation signs, improvement of models and relationship of human behavior, hoping to improve IMO guidelines and related crew training.

damaged passenger ships; evacuation; IMO evacuation guidelines

F294

A

1008-8105(2012)03-0039-05

2011?06?30

國家自然基金項目（90924005）.

盧春霞（1968?）女，博士，上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院副教授；梁瑋（1987?）男，上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院碩士研究生.

編輯 何 婧