客船人員疏散仿真模型的驗(yàn)證方法

李亞朋 蔡 薇 胡 敏 陳 祺

(江蘇科技大學(xué)海洋裝備研究院1) 鎮(zhèn)江 212003) (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2) 武漢 430063) (中船郵輪科技發(fā)展有限公司3) 上海 200137)

0 引 言

國際海事組織(international maritime organization,IMO)下屬機(jī)構(gòu)海事安全委員會(maritime safety committee,MSC)在1999年發(fā)布第一版客船疏散分析指南MSC/Circ.909[1],用于輔助海上人命安全公約(safety of life at sea,SOLAS)對脫險(xiǎn)通道的評估,而后經(jīng)過多次修改,MSC在2016年通過《修訂的新造和現(xiàn)有客船疏散分析指南》MSC.1/Circ.1533[2](后文簡寫為《指南》),于2021年強(qiáng)制執(zhí)行.《指南》中給出了兩種疏散分析的方法,簡化方法和高級方法,前者基于宏觀的水力網(wǎng)絡(luò)模型,后者基于微觀的疏散仿真模型.簡化方法較容易使用,但當(dāng)船舶布局形式變得復(fù)雜時(shí),其評估結(jié)果的可信度會大大降低;高級方法需要建立船舶疏散空間的完整幾何模型,賦予每個(gè)疏散個(gè)體不同的行為特征(如行走速度、反應(yīng)時(shí)間等),因此能反映更真實(shí)的疏散過程,而且該方法對疏散過程和擁堵點(diǎn)的可視化呈現(xiàn)效果也更好.

在理論研究和實(shí)際工程中,一般更青睞運(yùn)用仿真方法評估客船的疏散性能[3-7].評估過程中,可能需要構(gòu)建一種新的仿真模型然后加以運(yùn)用,或者直接使用一種現(xiàn)有的仿真軟件.然而,許多研究在使用仿真工具時(shí)并未分析其在船舶領(lǐng)域的適用性,未經(jīng)驗(yàn)證便將其應(yīng)用于指南中的疏散仿真場景,這將對疏散性能的計(jì)算和評估結(jié)果產(chǎn)生直接的影響.

文中探討了兩類可以用于驗(yàn)證疏散仿真工具的場景,包括《指南》中對仿真工具提出的12個(gè)測試場景(Test 1～Test 12)和實(shí)船疏散試驗(yàn)項(xiàng)目SAFEGUARD[8-10]中的兩個(gè)實(shí)船場景(SGVDS1 和SGVDS2),詳細(xì)展現(xiàn)完整的驗(yàn)證過程,并對本文的研究進(jìn)行討論和總結(jié).

1 IMO疏散《指南》中的測試場景

《指南》對疏散仿真工具提出了四個(gè)方面的驗(yàn)證需求.

1) 模塊測試(component testing) 用于檢驗(yàn)工具的各個(gè)組成部分是否按照預(yù)期運(yùn)行,該部分包括七個(gè)測試Test 1～Test 7.

2) 功能測試(functional verification) 用于檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠衲軐?shí)現(xiàn)其各項(xiàng)功能或任務(wù),任務(wù)不同測試則不同,所以未規(guī)定具體測試,但要求測試過程應(yīng)包含在該工具的技術(shù)文檔中.

3) 定性測試(qualitative verification) 用于檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠衲軌蚍从橙嗽谑枭⒅械牡湫托袨榛颥F(xiàn)象,該部分包括五個(gè)測試Test 8～Test 12.

4) 定量測試(quantitative verification),用于檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測結(jié)果與真實(shí)疏散演習(xí)的結(jié)果是否吻合,由于缺乏足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù),未規(guī)定具體的測試.

圖1為Pathfinder對12個(gè)測試場景的仿真過程截圖.

圖1 Pathfinder對12個(gè)測試場景的仿真

Test 1 在走廊上維持設(shè)定的行走速度 一個(gè)人以1 m/s的行走速度通過長40 m、寬2 m的走道,則其所花的時(shí)間應(yīng)是40 s.

Test 2 在上樓梯時(shí)維持設(shè)定的行走速度 一個(gè)人以1 m/s的行走速度通過長10 m、寬2 m的向上斜坡或樓梯,則其所花的時(shí)間應(yīng)是10 s.

Test 3 在下樓梯時(shí)維持設(shè)定的行走速度 一個(gè)人以1 m/s的行走速度通過長10 m、寬2 m的向下斜坡或樓梯,則其所花的時(shí)間應(yīng)是10 s.

Test 4 出口的流率不能超過1.33人/(m·s-1) 100個(gè)人從8 m×5 m的房間里逃生,出口1 m寬,位于5 m邊的中間,則整個(gè)過程中出口的流率應(yīng)不超過1.33 人/(m·s-1)(這里出口寬度是1 m,所以也可是1.33 人/s).

Test 5 在設(shè)定的反應(yīng)時(shí)間之后才開始移動 10個(gè)人從8 m×5 m的房間里逃生,出口1 m寬,位于5 m邊的中間,這10個(gè)人的反應(yīng)時(shí)間服從在[10 s,100 s]上的均勻分布,則每個(gè)人應(yīng)經(jīng)過適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)時(shí)間才開始移動.

Test 6 在走過拐角時(shí)身體不穿過邊界 20個(gè)人初始均勻分布在2 m×4 m的矩形中,他們需要經(jīng)過一個(gè)拐角,則每個(gè)人的身體邊界都不應(yīng)與拐角的邊界有重合(即不會出現(xiàn)穿墻現(xiàn)象).

Test 7 各年齡段人群的速度參數(shù)與《指南》中一致 將《指南》中男性、30～50歲年齡段的速度參數(shù)賦予給50個(gè)人,即在[0.97 m/s,1.62 m/s]上的均勻分布.則每個(gè)人應(yīng)按照適當(dāng)?shù)男凶咚俣纫苿?

Test 8 對向流中的人越多,疏散時(shí)間越長 在這個(gè)場景中,兩個(gè)邊長10 m的正方形房間由一條長10 m、寬2 m的通道連接,左邊房間放置100個(gè)人,他們向右邊房間移動,同時(shí)右邊房間放置N人,他們向左邊房間移動,這樣兩邊的人群將逆向流動.N分別為0、10、50、100,分別記錄4次實(shí)驗(yàn)中左邊房間100人全部到達(dá)右邊房間的時(shí)間,則隨著逆流的增加(右邊房間人數(shù)的增加),所記錄的時(shí)間應(yīng)增加.

Test 9 總出口寬度越短,疏散時(shí)間越長 1 000個(gè)人均勻分布在長30 m、寬20 m的大房間中,每個(gè)長邊上都有兩個(gè)寬1 m的出口,人群選擇離自己最近的出口逃出房間.做兩次實(shí)驗(yàn),一次4個(gè)出口全開,一次只開2個(gè)出口,記錄清空房間所需的時(shí)間,則由于總出口寬度減半,第二次的時(shí)間應(yīng)大概是第一次的2倍.

Test 10 按照分配的路徑(或出口)逃生 構(gòu)建圖1 Test 10的艙室區(qū)域,其中包括12個(gè)艙室,2個(gè)出口,15個(gè)人分布于左側(cè)八個(gè)艙室,令其向較寬的主要出口移動;八個(gè)人分布于右側(cè)四個(gè)艙室,令其向較窄的次要出口移動.觀察這23個(gè)人的行走路徑,則他們應(yīng)按照分配的出口逃生.

Test 11 穩(wěn)定的人群流通過樓梯時(shí)在樓梯底部會出現(xiàn)擁堵 在這個(gè)場景中,一間長8 m、寬5 m的房間與一個(gè)寬2 m的向上樓梯由一條長12 m、寬2 m的走道相連,150人均勻分布于房間中,他們需要依次走出房間、通過走道、走上樓梯.觀察人群在各個(gè)位置的密度,則可以發(fā)現(xiàn)在房間的出口處將產(chǎn)生擁堵,人群流在走道上逐漸趨于穩(wěn)定然后在樓梯底部再次產(chǎn)生擁堵.

Test 12 高密度的人群流通常比中等密度的人群流更慢 《指南》中對該測試未設(shè)置具體的測試場景.本文構(gòu)建了一個(gè)長25 m、寬2 m的走道,N人均勻分布于走道[0 m,19 m]的區(qū)域內(nèi),人群向右移動,區(qū)域[19 m,21 m]作為密度(p/m2)和流率(p/s)的測量區(qū)域.分別設(shè)置N為40、80、120、160進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),記錄測量密度和流率,則當(dāng)人群密度非常高時(shí)(N=160,密度大于4 人/m2),流率比中等密度時(shí)(N=120,密度約為3 人/m2)的流率小.

Pathfinder的模擬結(jié)果均符合預(yù)期,因此其通過了該項(xiàng)驗(yàn)證(在Pathfinder官網(wǎng)上,可查閱到該軟件的開發(fā)者對《指南》中的Test 1～Test 11做了更加詳細(xì)的測試).

2 SAFEGUARD項(xiàng)目中的實(shí)船疏散數(shù)據(jù)集

《指南》中提到了定量測試,即與實(shí)船疏散演習(xí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,但由于數(shù)據(jù)缺乏,未強(qiáng)制要求進(jìn)行該測試.歐盟第七框架計(jì)劃(EU FP7)中的實(shí)船疏散試驗(yàn)項(xiàng)目SAFEGAURD(2009—2012)公開了兩條船的試驗(yàn)數(shù)據(jù)集(SAFEGAURD Validation Data Sets,SGVDS1和SGVDS2),數(shù)據(jù)是根據(jù)在船上進(jìn)行的集合演習(xí)得到,可考慮作為船舶疏散仿真工具的補(bǔ)充驗(yàn)證.

各個(gè)數(shù)據(jù)集提供了構(gòu)建疏散場景及運(yùn)行和驗(yàn)證仿真工具所需的所有信息,包括船舶幾何(geometry)、人口參數(shù)(population)、反應(yīng)時(shí)間分布(response time distribution)、到達(dá)曲線(arrival curves,反映疏散時(shí)間與到達(dá)集合站人數(shù)之間關(guān)系的曲線)、衡量指標(biāo)(validation metric)、接受準(zhǔn)則(acceptance criteria)等.驗(yàn)證的基本流程為:①根據(jù)AutoCAD dxf圖紙文件構(gòu)建船舶的艙室與通道;②根據(jù)人群的初始位置將其分布于船舶上的對應(yīng)位置,設(shè)置合適的目標(biāo)點(diǎn)、反應(yīng)時(shí)間、年齡段等參數(shù);將該場景仿真50次,每5次需要改變一次人群的部分參數(shù);③得到50次仿真的整體到達(dá)曲線,根據(jù)衡量指標(biāo)找出與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度最高的一次仿真;④對該仿真的整體到達(dá)曲線和各集合站到達(dá)曲線進(jìn)一步計(jì)算衡量指標(biāo),檢查各指標(biāo)數(shù)值是否通過接受準(zhǔn)則.

SGVDS主要使用到達(dá)曲線上的數(shù)據(jù)點(diǎn)(即某個(gè)到達(dá)人數(shù)對應(yīng)的時(shí)間點(diǎn))計(jì)算衡量指標(biāo),指標(biāo)共有四個(gè),分別為:

1) 歐式相對差(the euclidean relative difference,ERD) 用于評估模型數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的距離,理論上可能取值的范圍是[0,+∞],值為0表示模型數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)完全一致,計(jì)算公式見式(1).

2) 歐氏投影系數(shù)(the euclidean projection coefficient,EPC) 用于評估模型數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的吻合程度,理論上可能取值的范圍是(0,+∞],值為1表示吻合程度最好(但不能說明兩者完全一致),計(jì)算公式見式(2).

3) 正割余弦(the secant cosine,SC) 用于評估模型和試驗(yàn)的到達(dá)曲線形狀的相似程度,該指標(biāo)利用了各曲線的一階導(dǎo)數(shù),理論上可能取值的范圍是(0,1],值為1表示兩者曲線形狀完全一致,計(jì)算公式見式(3).

4) 總集合時(shí)間百分差異(percentage difference of total assembly Time,% diff TAT) 用于衡量總集合時(shí)間的差異,與前面三個(gè)指標(biāo)不同,該指標(biāo)的計(jì)算僅需用到一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(最后一個(gè)人到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)),計(jì)算公式見式(4).

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:Ei為試驗(yàn)的第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn);mi為模型的第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn);n為數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù);s為光順項(xiàng),用于移除試驗(yàn)和模型數(shù)據(jù)的噪點(diǎn),取值根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)確定;TE為試驗(yàn)的總集合時(shí)間;Tm為模型的總集合時(shí)間.

2.1 數(shù)據(jù)集SGVDS1

該數(shù)據(jù)集源自一艘客滾渡輪,船上總乘客數(shù)1 349人,總疏散人數(shù)1 014人,計(jì)入到達(dá)曲線中的人數(shù)480人(有些人起始和終止位置在同一個(gè)集合站,有些人沒有被標(biāo)記但仍然參與了演習(xí),繪制到達(dá)曲線時(shí)需排除這些人),人群分布于酒吧、餐廳、零售店、座位區(qū)、集合站等區(qū)域,涉及三層甲板,總共四個(gè)集合站.該場景建模三維圖見圖2.

圖2 SGVDS1客滾船疏散建模三維圖

從50次仿真中選擇整體到達(dá)曲線ERD值最小的一次仿真,對其整體和各集合站到達(dá)曲線進(jìn)行進(jìn)一步評估.各指標(biāo)的接受準(zhǔn)則為:ERD≤0.45;0.6≤EPC≤1.4;當(dāng)s/n=0.05時(shí),SC≥0.6;%diffTAT≤45.評估過程分兩步:(1)對整體到達(dá)曲線計(jì)算ERD,EPC,SC和%diffTAT,當(dāng)所有指標(biāo)均滿足接受準(zhǔn)則時(shí),才能進(jìn)行接下來的評估;(2)分別對四個(gè)集合站的到達(dá)曲線計(jì)算ERD、EPC和SC,當(dāng)12個(gè)值中的至少9個(gè)值滿足接受準(zhǔn)則時(shí),評估通過.

Pathfinder對SGVDS1的驗(yàn)證結(jié)果見表1.可以看到其通過了第一步和第二步的評估,因此該模型通過了SGVDS1的驗(yàn)證.Pathfinder仿真的和SGVDS1試驗(yàn)的整體到達(dá)曲線見圖3.Pathfinder只是勉強(qiáng)通過了評估(第二步中,剛好12個(gè)值中的9個(gè)滿足條件),而且仿真與試驗(yàn)的曲線差別較大,其中的原因可能是:實(shí)際的演習(xí)中,大量未被標(biāo)記的人也參與了集合過程,影響到計(jì)入到達(dá)曲線的人的集合,從而影響試驗(yàn)曲線;另外,各集合站的到達(dá)曲線的數(shù)據(jù)點(diǎn)較少,都只有不到200個(gè).

表1 Pathfinder對SGVDS1的驗(yàn)證結(jié)果

圖3 Pathfinder仿真曲線與SGVDS1試驗(yàn)曲線(整體)的比較

2.2 數(shù)據(jù)集SGVDS2

SGVDS2中的船舶是一艘大型郵輪,船上總乘客數(shù)2 292人,總疏散人數(shù)1 779人,計(jì)入到達(dá)曲線中的人數(shù)1 743人(需要排除本來就在集合站沒有移動的人),人群分布于居住艙室、餐廳、休閑區(qū)、集合站等區(qū)域,涉及12層甲板,總共4個(gè)集合站,該場景建模三維圖見圖4.

圖4 SGVDS2郵輪疏散建模三維圖

相比SGVDS1,該數(shù)據(jù)集中各指標(biāo)的接受準(zhǔn)則更為嚴(yán)苛,為:ERD≤0.25;0.8≤EPC≤1.2;當(dāng)s/n=0.03時(shí),SC≥0.8;%diffTAT≤15.由于該數(shù)據(jù)集中的集合站也是4個(gè),所以評估過程與SGVDS1完全一樣.Pathfinder對SGVDS2的驗(yàn)證結(jié)果見表2.由表2可知:其通過了第一步和第二步的評估,因此該模型通過了SGVDS2的驗(yàn)證.Pathfinder仿真的和SGVDS2試驗(yàn)的整體到達(dá)曲線見圖5.由表5可知:Pathfinder仿真得到的結(jié)果滿足了所有指標(biāo)的接受準(zhǔn)則,而且仿真的和試驗(yàn)的到達(dá)曲線吻合度非常高.

表2 Pathfinder對SGVDS2的驗(yàn)證結(jié)果

圖5 Pathfinder仿真曲線與SGVDS2試驗(yàn)曲線(整體)的比較

3 結(jié) 論

1) IMO僅要求進(jìn)行其《指南》給出的驗(yàn)證,因此,即使沒有驗(yàn)證SAFEGUARD數(shù)據(jù)集也能進(jìn)行《指南》規(guī)定的疏散分析/評估;但后一項(xiàng)驗(yàn)證中的數(shù)據(jù)集是筆者目前已知的最為完整的且規(guī)模最大的實(shí)船演習(xí)數(shù)據(jù)集,這些數(shù)據(jù)集也得到了其他學(xué)者的認(rèn)可[11-12],可以考慮作為船舶人員疏散仿真模型的補(bǔ)充驗(yàn)證場景.

2) 從《指南》中的驗(yàn)證場景來看,IMO并未要求船舶仿真工具具備不同于陸上仿真工具的功能或特性,因此不是一定需要用maritimeEXODUS、EVI或AENEAS等船舶專用軟件才能進(jìn)行《指南》規(guī)定的疏散分析,只要仿真工具通過適當(dāng)?shù)尿?yàn)證即可.

3) SAFEGUARD數(shù)據(jù)集給出了詳細(xì)的疏散場景和驗(yàn)證過程,能夠較好地支持新的船舶人員疏散仿真模型的驗(yàn)證.然而,由于實(shí)船試驗(yàn)的復(fù)雜性,如許多未被標(biāo)記的乘客也參與了集合過程,可能使得數(shù)據(jù)集難以反映真實(shí)的疏散結(jié)果.