基于IMO高級(jí)撤離分析方法的大型郵輪疏散性能研究

楊光照 蔡 薇* 李亞朋

(武漢理工大學(xué)綠色智能江海直達(dá)船舶與郵輪游艇研究中心1) 武漢 430063) (武漢理工大學(xué)船海與能源動(dòng)力工程學(xué)院2) 武漢 430063)

0 引 言

首艘國(guó)產(chǎn)大型郵輪工程預(yù)計(jì)將在2023年9月完工交付，該艘郵輪將搭載乘客約5 000人、船員約1 500人，確保船上人員的生命安全成為郵輪設(shè)計(jì)工作的首要任務(wù)，其中疏散安全是一道堅(jiān)實(shí)的安全屏障，應(yīng)對(duì)其展開全面的分析評(píng)估.本文將對(duì)與首艘大型郵輪同級(jí)的Carnival Vista(“嘉年華維斯塔”號(hào))郵輪進(jìn)行疏散分析.

鑒于客滾船事故頻發(fā)，國(guó)際海事組織(International Maritime Organization，IMO)下屬的海事安全委員會(huì)(Maritime Safety Committee，MSC)在2016年通過最新版本的客船疏散分析指南，用于輔助海上人命安全公約(safety of life at sea，SOLAS)對(duì)脫險(xiǎn)通道的評(píng)估.指南給出了兩種疏散分析方法，簡(jiǎn)化方法和高級(jí)方法，前者基于水力模型構(gòu)建水力網(wǎng)絡(luò)求解疏散時(shí)間和確定擁堵點(diǎn)，后者基于微觀仿真模型模擬每個(gè)個(gè)體的運(yùn)動(dòng)從而計(jì)算疏散性能，適用性更強(qiáng)且可視性良好[1-5].

文中對(duì)案例船進(jìn)行疏散分析，對(duì)指南中的6種基準(zhǔn)場(chǎng)景建模，結(jié)合收斂準(zhǔn)則進(jìn)行仿真，計(jì)算評(píng)估各項(xiàng)疏散時(shí)間，分析各場(chǎng)景的疏散曲線及擁堵點(diǎn)，并討論了影響疏散性能的關(guān)鍵問題.

1 IMO疏散分析指南

1.1 疏散性能

指南中，疏散性能主要通過疏散各階段所用時(shí)間來衡量，應(yīng)滿足如下兩個(gè)要求.

1.25(R+T)+2/3(E+L)≤n

(1)

(E+L)≤30 min

(2)

式中：R為從警報(bào)響起到接受當(dāng)前處境準(zhǔn)備前往集合站所需時(shí)間；T為從初始位置到集合站所需時(shí)間；E為從集合站到救生艇所需時(shí)間；L為救生艇下放所需時(shí)間；n為最大允許疏散時(shí)間.

對(duì)于客滾船或主豎區(qū)(main vertical zone，MVZ)不多于3個(gè)的客船，n為60 min；對(duì)于主豎區(qū)多于3個(gè)的客船，n為80 min.疏散性能的計(jì)算和衡準(zhǔn)示意見圖1.在各時(shí)間項(xiàng)中，對(duì)集合時(shí)間(R+T)的評(píng)估最為重要，因此在高級(jí)疏散分析方法中，至少應(yīng)該對(duì)反應(yīng)和行走這兩個(gè)階段進(jìn)行模擬；當(dāng)無相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，登乘和下放階段用時(shí)將作為一個(gè)整體(E+L)，通常取最大值30 min.通過仿真方法得到E，并設(shè)定下放救生艇的時(shí)間L為5 min.

圖1 疏散時(shí)間的計(jì)算

1.2 疏散場(chǎng)景

指南為疏散時(shí)間的計(jì)算指定了6個(gè)理想化的基準(zhǔn)場(chǎng)景：①Case1 夜間主要疏散場(chǎng)景.全部乘客初始時(shí)分布于各自的艙房，疏散開始后前往各自的集合站;②Case2 日間主要疏散場(chǎng)景.初始時(shí)乘客需占據(jù)各公共空間最大容量的3/4，其余分布在艙房中，疏散開始后前往各自的集合站;③Case3 夜間次要疏散場(chǎng)景.僅關(guān)注Case1中集合用時(shí)最長(zhǎng)的主豎區(qū)M，考慮以下任一選項(xiàng)(alternative)：無法使用M中一整條在Case1中通行量最大的樓梯；與M相鄰的主豎區(qū)(若有多個(gè)，選人數(shù)最多的)中50%的人通過M前往集合站;④Case4 日間次要疏散場(chǎng)景.基于Case2，場(chǎng)景設(shè)置(包括可選項(xiàng)設(shè)置)與Case3同理;⑤Case5 露天甲板場(chǎng)景.當(dāng)供乘客使用的露天甲板總面積大于400 m2或可容納200人時(shí)，應(yīng)考慮該場(chǎng)景.乘客的分布與Case2一致，不過需要將露天甲板當(dāng)作額外的公共空間，該區(qū)域乘客按初始密度0.5 人/m2分布；⑥Case6 登乘(救生艇)場(chǎng)景.如果集合站和登乘站是分開設(shè)置的，應(yīng)考慮該場(chǎng)景，計(jì)算乘客從集合站到登上救生艇所需時(shí)間.初始時(shí)乘客分布于各自的集合站，疏散開始后前往為各集合站分配的救生艇.

評(píng)估疏散性能時(shí)，前4個(gè)為必須考慮的場(chǎng)景，后2個(gè)為附加場(chǎng)景.為了對(duì)疏散性能進(jìn)行全面的分析，本文將考慮全部6個(gè)場(chǎng)景，其中前5個(gè)場(chǎng)景用于計(jì)算集合時(shí)間(R+T)，第6個(gè)場(chǎng)景用于計(jì)算登乘時(shí)間E；同時(shí)還對(duì)Case3和Case4中每個(gè)可選項(xiàng)都進(jìn)行了考慮.需要說明，各基準(zhǔn)場(chǎng)景對(duì)船員的分布和疏散行為也進(jìn)行了規(guī)定，但考慮到大多數(shù)船員的疏散與乘客疏散是分開進(jìn)行、互不影響的，本文將乘客作為主要疏散人員.

1.3 收斂準(zhǔn)則

考慮到人的疏散運(yùn)動(dòng)具有一定的概率特性，疏散仿真得到的疏散時(shí)間具有隨機(jī)性，指南規(guī)定對(duì)每個(gè)場(chǎng)景通常需進(jìn)行至少500次仿真(每5次需變換人群參數(shù)，如年齡段、初始隨機(jī)位置等)，從中選擇值T0.95作為該場(chǎng)景的疏散時(shí)間.同時(shí)規(guī)定，進(jìn)行某一場(chǎng)景的仿真時(shí)，倘若仿真結(jié)果滿足一定的收斂準(zhǔn)則，可減少仿真的次數(shù).

1) 每進(jìn)行50次仿真，才能進(jìn)行1次收斂測(cè)試(這意味著，每個(gè)場(chǎng)景最少需進(jìn)行50次仿真).

2) 每5次仿真需變換人群參數(shù)，但如果人群參數(shù)相同時(shí)得到的5次仿真結(jié)果無明顯差異，則需每次仿真都變換人群參數(shù).

假設(shè)進(jìn)行收斂測(cè)試時(shí)已進(jìn)行了N(50，100，150，…)次仿真，指南中給出的收斂準(zhǔn)則如下：

(3)

2 Carnival Vista疏散場(chǎng)景設(shè)置

Carnival Vista郵輪總噸位133 500，總長(zhǎng)323.6 m，最大寬度49.5 m，載客4 977人，船員1 471人，公共區(qū)域總共有14層甲板(標(biāo)號(hào)從第1到第15，沒有第13).除了套房、陽臺(tái)房、海景房、內(nèi)艙房等各式各樣的居住艙室，船上還有各類餐廳、酒吧、劇院、日光浴場(chǎng)、游樂園等多種休閑娛樂設(shè)施.根據(jù)該郵輪的總布置圖資料，對(duì)郵輪的各層甲板和梯道進(jìn)行幾何建模.

在該郵輪的疏散規(guī)劃資料中，乘客的集合站一共有9個(gè)，主要位于第3～5層甲板中面積較大的公共區(qū)域，各集合站所在區(qū)域見圖2總布置側(cè)視圖.按照前文對(duì)疏散場(chǎng)景的描述，對(duì)各場(chǎng)景進(jìn)行乘客的布置，并將其分配到各集合站，可以看到：

圖2 Carnival Vista總布置側(cè)視圖及各場(chǎng)景側(cè)視圖

1) Case1中，乘客分布于所有的艙房中，大多數(shù)在第1～2層甲板、第6～9層甲板.

2) Case2中，乘客主要分布在公共艙室，這里未顯示位于集合站中的乘客，因?yàn)樗麄儾恍枰苿?dòng).

3) Case3 A1是基于Case1的仿真結(jié)果設(shè)置的，Case1中主豎區(qū)MVZ 5用時(shí)最長(zhǎng)，應(yīng)僅考慮該主豎區(qū)，但在該場(chǎng)景中由于MVZ 5與MVZ 6公用了它們之間的樓梯間(一共有4條貫穿各層甲板的樓梯)，因此需同時(shí)考慮這兩個(gè)主豎區(qū)，然后使4條樓梯中的1條無法通行.

4) Case3 A2基于Case1，僅考慮MVZ 5和MVZ 6，同時(shí)保留MVZ 4中50%的乘客，使他們經(jīng)過MVZ 5到達(dá)集合站.

5) Case4 A1是基于Case2的仿真結(jié)果設(shè)置的，Case2中用時(shí)最長(zhǎng)的主豎區(qū)為MVZ 3，在該場(chǎng)景中由于MVZ 3與MVZ 4公用了它們之間的樓梯間(一共有2條貫穿各層甲板的樓梯)，因此需同時(shí)考慮這兩個(gè)主豎區(qū)，然后使2條樓梯中的1條無法通行.

6) Case4 A2基于Case2，僅考慮MVZ 3和MVZ 4，同時(shí)保留MVZ 2(比MVZ 5中的乘客多)中50%的乘客，使他們經(jīng)過MVZ 3到達(dá)集合站.

7) Case5與日間場(chǎng)景Case2類似，但需要將各露天甲板區(qū)域當(dāng)作公共空間，在甲板上布置乘客.

8) Case6中所有乘客分布于9個(gè)集合站中，向第4層甲板兩舷的20個(gè)救生艇移動(dòng).

3 結(jié)果和分析

3.1 疏散性能

分別對(duì)Case1～Case6進(jìn)行多次疏散仿真，并以50次為間隔進(jìn)行收斂測(cè)試，發(fā)現(xiàn)各場(chǎng)景的仿真結(jié)果均在50次后即收斂(對(duì)Case1～Case5計(jì)算Tlim時(shí)，設(shè)定(E+L)為最大值30 min；對(duì)Case6計(jì)算Tlim時(shí)，設(shè)定L為5 min)，各場(chǎng)景疏散時(shí)間見表1.

表1 各場(chǎng)景疏散時(shí)間及性能衡準(zhǔn) 單位：min

由表1可知：

1) Case3 A1場(chǎng)景產(chǎn)生了最長(zhǎng)的集合時(shí)間24.54 min，由此計(jì)算得到的總疏散時(shí)間為50.06 min，小于可用疏散時(shí)間80 min，即滿足式(1)；

2) 登乘和下放時(shí)間(E+L)為29.08 min，小于30 min，即滿足式(2).

由此可以判斷，在本文設(shè)置的疏散場(chǎng)景中，Carnival Vista郵輪滿足指南中的疏散性能要求.

3.2 疏散曲線

圖3 各場(chǎng)景疏散曲線

1) 對(duì)于夜間場(chǎng)景Case1和Case3，由于乘客的反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)(在 [400 s，700 s] 的對(duì)數(shù)正態(tài)分布)，這些曲線較其他曲線的起始位置存在差異.

2) 參與仿真的總?cè)藬?shù)及所有人完成集合的時(shí)間在各場(chǎng)景之間存在較大差異，但總體來說夜間場(chǎng)景相較日間場(chǎng)景參與人數(shù)更多、集合時(shí)間更長(zhǎng).

3) 疏散曲線曲率越大，說明疏散相同數(shù)量的人員需要花費(fèi)更長(zhǎng)的疏散時(shí)間，疏散越慢，圖中大多數(shù)曲線都經(jīng)歷了“慢-快-慢”3個(gè)階段，中間階段疏散了大多數(shù)乘客.

3.3 擁堵點(diǎn)

指南中對(duì)擁堵點(diǎn)的定義是該處人群密度超過4 人/m2，倘若該處發(fā)生擁堵的持續(xù)時(shí)間超過集合時(shí)間的10%，則該處為顯著擁堵點(diǎn).集合時(shí)間最長(zhǎng)場(chǎng)景Case3 A1中識(shí)別的一個(gè)顯著擁堵點(diǎn)見圖4，該處位于第9層甲板樓梯間，可以看到在樓梯與甲板連接處以及樓梯局部位置均出現(xiàn)擁堵，這是由于上層各甲板有較多乘客需要下行，同時(shí)該層甲板乘客也需要下行所致.由于該處樓梯是兩個(gè)主豎區(qū)的主要疏散通道且總疏散時(shí)間符合要求，可以認(rèn)為該處擁堵是合理和正常的，雖然可以通過加寬該梯道或增加梯道數(shù)量改善，但沒有必要.

圖4 Carnival Vista場(chǎng)景Case3 A1中的擁堵點(diǎn)

4 討 論

1) 用于性能評(píng)估的疏散場(chǎng)景 本文所模擬的指南中的6個(gè)疏散場(chǎng)景，均是假定的理想化的場(chǎng)景：人群沿著主要逃生路線向各自所分配的集合站移動(dòng)；人群的初始分布是固定的；所有的逃生通道都能使用；不考慮火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧、高溫和有毒氣體等；不考慮家庭小團(tuán)體行為；不考慮船體運(yùn)動(dòng)和傾斜.這些假設(shè)能夠簡(jiǎn)化和規(guī)范化評(píng)估過程，但也會(huì)減少評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度，因此一些學(xué)者提出應(yīng)增加火災(zāi)、浸水等場(chǎng)景，一些學(xué)者則著手建立更復(fù)雜的模型對(duì)這些場(chǎng)景進(jìn)行仿真[6].

在結(jié)合具體船只按照指南要求設(shè)置各疏散場(chǎng)景時(shí)，可能會(huì)遇到了一些問題：Case3和Case4中用時(shí)最長(zhǎng)的主豎區(qū)與另一個(gè)主豎區(qū)公用一個(gè)樓梯間，無法只考慮一個(gè)主豎區(qū)；Case3和Case4的選項(xiàng)1中通行量最大的樓梯間存在多條梯道，使整個(gè)樓梯間失效將造成所選擇的主豎區(qū)無樓梯可用；Case5中供乘客使用的露天甲板面積較大，按照0.5 人/m2的初始密度設(shè)置將造成乘客大量聚集在露天甲板；各年齡段乘客的比例可能與實(shí)際不符，指南中設(shè)定的超過50歲以上的乘客比例為72%.當(dāng)遇到這些問題時(shí)，應(yīng)盡量按照指南要求設(shè)置，如無法實(shí)現(xiàn)，需采取盡可能相近的設(shè)置.

乘客的疏散規(guī)劃(疏散路線和集合站分配方案)能夠?qū)Ψ抡娼Y(jié)果產(chǎn)生非常大的影響.因此，需仔細(xì)觀察仿真過程，檢查乘客是否按照指定的疏散路線移動(dòng)、是否抵達(dá)指定的集合站.當(dāng)對(duì)某場(chǎng)景的仿真能夠再現(xiàn)所設(shè)置的疏散規(guī)劃時(shí)，才能對(duì)該場(chǎng)景進(jìn)行多次仿真.

2) 仿真次數(shù)與收斂準(zhǔn)則 指南考慮到疏散過程的復(fù)雜性和隨機(jī)性，要求在評(píng)估某一場(chǎng)景的疏散時(shí)間時(shí)需仿真足夠多的次數(shù).指南給出了兩種 “足夠多”的定義，一個(gè)是最少500次，另一個(gè)是滿足一定的收斂準(zhǔn)則.在指南給出的示例收斂準(zhǔn)則中，當(dāng)符合收斂準(zhǔn)則或仿真達(dá)到500次時(shí)可終止仿真.

對(duì)于目前實(shí)際的郵輪大小和疏散人數(shù)(最大噸位約23萬t，最大乘客和船員總?cè)藬?shù)約9 000人)，同時(shí)考慮到基準(zhǔn)場(chǎng)景對(duì)實(shí)際疏散場(chǎng)景所作的簡(jiǎn)化，以上對(duì)仿真次數(shù)的要求能夠保證仿真結(jié)果達(dá)到某種收斂，如本文案例船Carnival Vista各場(chǎng)景均在50次仿真后收斂.但當(dāng)船舶環(huán)境更加復(fù)雜、仿真人數(shù)增多或考慮火災(zāi)等災(zāi)害時(shí)，為了使結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，仿真次數(shù)與收斂準(zhǔn)則可能需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整.

3) 對(duì)疏散結(jié)果能夠造成較大影響的其他因素 對(duì)郵輪布局的建模.郵輪布局中的住艙、走廊、門、樓梯等空間及通道構(gòu)成了人員疏散運(yùn)動(dòng)的邊界，布局的細(xì)微變化可能會(huì)對(duì)疏散結(jié)果造成非常大的影響.

對(duì)船員疏散的仿真.應(yīng)同時(shí)考慮乘客和船員的疏散，確保各主要疏散路線不會(huì)出現(xiàn)交叉或逆流的情況.

對(duì)疏散程序的考慮.在郵輪人員緊急疏散時(shí)，船長(zhǎng)通常需要負(fù)責(zé)發(fā)出通用警報(bào)、棄船信號(hào)等控制疏散過程，船員需要負(fù)責(zé)搜尋、引導(dǎo)和組織乘客的任務(wù)，使乘客在反應(yīng)、行走、登乘、下放等階段有序疏散，在疏散仿真中考慮這些程序也將對(duì)結(jié)果造成較大影響.

5 結(jié) 論

1) 在Carnival Vista的各疏散場(chǎng)景中，日間主要場(chǎng)景Case2產(chǎn)生最短的疏散時(shí)間，夜間次要場(chǎng)景Case3 A1產(chǎn)生最長(zhǎng)的疏散時(shí)間，但都達(dá)到了IMO疏散指南設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn).

2) 由于疏散場(chǎng)景設(shè)置不同，各場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的疏散曲線存在較大的差異，但各曲線都會(huì)經(jīng)歷“慢-快-慢”3個(gè)階段，中間階段疏散了大多數(shù)乘客.

3) 從仿真結(jié)果可以看出，Carnival Vista在某些場(chǎng)景中存在顯著擁堵點(diǎn)，但考慮到其處于人流量較大的區(qū)域而且疏散性能已達(dá)標(biāo)，建議不必調(diào)整布局或疏散規(guī)劃.

4) 文中主要工作是分析和評(píng)估Carnival Vista的疏散性能，也探討了許多會(huì)對(duì)疏散結(jié)果造成影響的因素，包括疏散場(chǎng)景的設(shè)置、收斂準(zhǔn)則、對(duì)布局的建模等，后續(xù)研究將定量分析這些因素產(chǎn)生的影響.