基于 CAFE的客（滾）船人員疏散模型及仿真研究

韓天緒

摘 要：船舶人員疏散研究對突發(fā)事件發(fā)生時人員安全疏散性能具有重要意義。在分析現(xiàn)有人員疏散模型方法和理論基礎(chǔ)上，基于 CAFE 建立客（滾）船人員疏散模型，并以實例進行仿真。結(jié)果表明：本文建立的模型能夠更加迅速、安全地進行旅客疏散工作。

關(guān)鍵詞：客滾船;人員疏散;CAFE模型

中圖分類號：U692? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）05-0057-02

1 概述

客（滾）船有一定的載貨能力，同時載有大量的旅客，具有高效率、適應(yīng)能力強、周轉(zhuǎn)快等優(yōu)點，符合國家交通規(guī)劃和發(fā)展戰(zhàn)略，但營運風險性也隨之增加。因此，在突發(fā)事件發(fā)生時，合理有效的人員疏散是人員生命財產(chǎn)安全的根本保障。

目前，船舶人員疏散模型通常參考已有的疏散模型理論方法構(gòu)建初始模型，再運用社會力或元胞自動機知識，根據(jù)船舶內(nèi)部構(gòu)造或外部環(huán)境特征對模型加以優(yōu)化。吳坎坷[1]在Multi Grid模型基礎(chǔ)上，運用概率原理，構(gòu)建在正浮情況下客船樓梯通道處旅客疏散模型，預(yù)估疏散時間與疏散人員數(shù)量的聯(lián)系;廖守衡[2]在社會力模型的基礎(chǔ)上，分析了在客船傾斜情況下的旅客疏散，研究了客船傾斜角度和出口寬度對旅客疏散結(jié)果的作用;陳淼等[3]在Agent理論基礎(chǔ)上，著重分析疏散流程內(nèi)個體綜合特征，構(gòu)建客船疏散模型。通過綜合考慮，本文在 CAFE 模型的基礎(chǔ)上對元胞自動機模型進行優(yōu)化，建立客（滾）船人員疏散模型。

2 客（滾）船人員疏散模型的構(gòu)建

2.1客（滾）船人員疏散CAFE （cellautomata with forces essentials） 模型

CAFE 模型以元胞自動機理論為基礎(chǔ)，將排斥力及摩擦力量化，將數(shù)據(jù)輸入元胞自動機模型中，對人員疏散的受力狀態(tài)進行研究，使其能夠反映出碰撞、閃避及接觸程度等情況。在模型中，假設(shè)元胞選擇靜止不動狀態(tài)的概率是 r ，選擇運動的概率是：

p=（1-r）/m? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：m 為參與競爭行為的行人數(shù)，r為排斥率，其在不同競爭情況下取值不同。

模型采用概率的方法量化摩擦力，為了量化摩擦力，引入摩擦概率 f ，其表示出現(xiàn)摩擦行為的行人均選擇靜止不動的概率，那么當前考慮的行人選擇運動的概率則為：

p=（1-f）/m? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：m為產(chǎn)生相互摩擦的行人數(shù)f 為摩擦概率，其中 f的取值不同，表示所受摩擦力情況不同。

2.2人員疏散的移動規(guī)則

客（滾）船人員疏散模型是在 CAFE 模型的基礎(chǔ)上，拓展元胞的視野范圍，模型采用Von Neumann 型鄰域確定元胞可能的運動方向，提出可解決多級出口環(huán)境下的行人疏散，模型網(wǎng)絡(luò)單元內(nèi)運動規(guī)則在每個時間步需要處理如下兩個問題。

2.2.1路線選擇

在客（滾）船人員疏散仿真研究中，假設(shè)疏散環(huán)境在沒有任何阻塞的狀態(tài)下，在出口吸引力的作用下，最靠近出口的路徑會優(yōu)先考慮。進而，在仿真建模中，引入“地面場”的概念。

Pij=Nexp（kD Dij ）exp（kS Sij ）（1-nij ）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

N=∑Pij-1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式中：Pij 為人員向格點 （i，j）? 運動的概率N 為標準化系數(shù)，使得∑Pij =1Sij 、 Dij 分別為此格點位置 “靜力場”及“動力場”吸引力值。kD、kS 分別是“動力場”和“靜力場”吸引力影響系數(shù)。-nij表示格點 （i，j）? 在時刻 t 的狀態(tài)。其中，nij? 只有2個值0或1，nij=0 表示此格點? （i，j） 沒有人，nij=1 表示此刻該格點已被障礙物占據(jù)，個體不能進入。

2.2.2視野拓展對路線選擇的影響

客（滾）船人員疏散模型將艙室進行均等分割，分割成一個個網(wǎng)格，疏散模型的更新規(guī)則以元胞自動機理論為基礎(chǔ)，采用 Von.Neumann 型鄰域來確定元胞可選擇的運動方向，也就是人員向上、下、左、右4個方向運動。

對于 Von.Neumann 型鄰域，其定義為：

N（i，j） ={（k，l）∈L‖k-i├|+|l-j|≤r}? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

2.2.3人員移動過程中作用力的影響

在客（滾）船人員疏散模型構(gòu)建過程中，還需要考慮排斥力和摩擦力的存在，分析其對人員運動方面的影響。通過以上的分析，本文將運用社會力模型理論，對其進行量化，再通過元胞自動機模型進行模擬。

人群密集時，排斥力的作用往往小于摩擦力，在進行摩擦力和排斥力的量化時，可考慮用概率的方法量化出來：

Pr=（1-e-βV）/（1+e-βV）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

Pf=θPr? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2-7）

式中：Pr? 、Pf? 分別為由于排斥力和摩擦力引起的行人停止運動的概率，V代表相對運動速度，β∈[0，∞]? 為硬度系數(shù)，依賴于行人對物理沖突的承受極限。

2.3 劃分人員疏散的網(wǎng)絡(luò)單元

船舶在突發(fā)情況下進行人員疏散時，旅客會首先從各艙室內(nèi)向外匯合，由走廊流向指定位置，一般情況下，此位置即旅客的疏散終點處為船舶內(nèi)部的集合站，客（滾）船人員疏散模型運用網(wǎng)絡(luò)流理論模擬疏散場所，利用網(wǎng)絡(luò)單元將疏散場所內(nèi)的建筑物表示出來，各網(wǎng)絡(luò)單元內(nèi)運用門或開門相連。最后此模型的疏散場所可表示為由獨立網(wǎng)絡(luò)單元相連而成的網(wǎng)絡(luò)。

旅客從危險級別較高的節(jié)點匯入級別較低的節(jié)點，最后匯入疏散終點，完成疏散目標。依據(jù)上面提及的分析方法，如圖1所示，

2.4 模型檢驗

本文建立的模型針對旅客的視野范圍進行優(yōu)化，拓展旅客視野，從而解決多級出口環(huán)境下的行人疏散。對客（滾）船人員疏散模型和 CAFE 模型在 12m×12m 的單一疏散終點的場地內(nèi)進行模擬對比，在場地配置方面，疏散出口的寬度為 0.8m，疏散時共計200個元胞進行疏散，將每個元胞看作為單一人員，其中疏散時所定的數(shù)據(jù)參數(shù)如表1所示。

如圖2所示，通過記錄連續(xù)出去的2名元胞的疏散時間差，以及此時間差出現(xiàn)的頻率，發(fā)現(xiàn)了客（滾）船人員疏散模型與 CAFE? 模型在連續(xù)出去元胞的疏散時間差冪律分布圖中，二者在同一個級數(shù)上相互吻合。由于客（滾）船人員疏散模型與 CAFE 模型的連續(xù)人流的規(guī)模分布滿足同級冪率分布關(guān)系，證明客（滾）船人員疏散模型也能較為準確的仿真出旅客的疏散運動。

3 人員疏散仿真試驗及結(jié)果分析

本文疏散場地擬選取渤海翡珠號客（滾）船NO.7層甲板層，現(xiàn)以NO.7甲板層一主豎區(qū)內(nèi)疏散為例進行演示。如圖3所示。

仿真的外界環(huán)境為靜水狀態(tài)，船體未做橫搖或者縱搖運動，對內(nèi)部旅客的疏散運動沒有產(chǎn)生任何影響，內(nèi)部環(huán)境設(shè)定為未發(fā)送火災(zāi)等危險狀況，當旅客完成疏散目標后，不會影響本層沒有完成疏散目標的旅客。

在疏散過程的開始階段，所有旅客均勻分布在71個艙室中，當仿真指令下達以后，每位旅客均已1m/s的速度向疏散終點開始疏散。根據(jù)查閱相關(guān)文獻，在突發(fā)情況下行人運動的平均速度可以達到 1.5m/s，則一個時間步大約為0.27秒。本文取行人較密集狀況下的平均行走速度 1m/s ，此刻一個時間步所代表的真實時間為0.5秒。 疏散過程如圖4所示。

4 結(jié)論

旅客在疏散過程中的行為特征比較復(fù)雜，增加了仿真模擬的難度。本文運用元胞自動機理論并基于 CAFE 模型構(gòu)建的客（滾）船人員疏散模型，經(jīng)過與 CAFE 模型相比較在單個疏散終點場地內(nèi)的行人疏散規(guī)律，驗證了客（滾）船人員疏散模型，較為真實的模擬了疏散過程，助于找到最優(yōu)疏散路線，以期更安全、更迅速地進行客（滾）船人員疏散。

參考文獻：

[1]吳坎坷.客船樓梯處人員疏散模型研究[D].大連：大連海事大學，2011.

[2]廖守衡.客船傾斜狀態(tài)下人員疏散模型研究[D].大連：大連海事大學，2010.

[3]陳淼，韓端鋒，于洋等.基于Agent的艦船人員疏散模型研究[J].計算機工程與科學，2013，35（4）：163-166.