考慮特殊場(chǎng)景的客滾船撤離分析

付翯翯，俞 劍，巴雅爾圖，陳 登

0 引言

隨著人們對(duì)美好生活需求的日益增長(zhǎng)，沿海觀光和海上旅游成為新興的娛樂(lè)項(xiàng)目，客船作為新興產(chǎn)業(yè)的載體，也受到了船舶市場(chǎng)極大的關(guān)注。區(qū)別于貨船粗放型的設(shè)計(jì)和建造模式，客船強(qiáng)調(diào)建造的精細(xì)和協(xié)同，設(shè)計(jì)上更是對(duì)生命財(cái)產(chǎn)安全提出了極高的要求。

海事安全委員會(huì)（Maritime Safety Committee，MSC）于2016 年5 月通過(guò)通函MSC/Circ.1533[1]，發(fā)布了最新的客船撤離分析指南，對(duì)客滾船和2020年1 月1 日之后新建的客船生效。該指南參考建筑行業(yè)較成熟的疏散分析經(jīng)驗(yàn)，制定了火災(zāi)危害時(shí)船舶上典型場(chǎng)景的模擬方法，為船舶設(shè)計(jì)人員提供了評(píng)估撤離的依據(jù)。使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段，可以通過(guò)修改逃生路線、改善擁堵點(diǎn)等方式來(lái)優(yōu)化撤離時(shí)間，保障船上人員的生命安全。

本文針對(duì)某系列客滾船，基于MSC/Circ.1533提出的簡(jiǎn)化撤離分析方法，將撤離分析中的設(shè)計(jì)以及遇到的問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 簡(jiǎn)化撤離分析原理

通函提供了簡(jiǎn)化和高級(jí)2種撤離分析方法[1]。雖然隨著船舶的復(fù)雜性增加，很多設(shè)定難以全部應(yīng)用在簡(jiǎn)化撤離方法中，如乘客年齡、性別、身體狀況的區(qū)分，艙室檔次和環(huán)境優(yōu)劣的區(qū)分，甲板數(shù)量和樓梯數(shù)量等[2]，但輸入?yún)?shù)繁多，計(jì)算工作量較大。在船舶設(shè)計(jì)中，簡(jiǎn)化撤離分析方法以其計(jì)算快速和簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，可在設(shè)計(jì)初期固化逃生路線，并對(duì)預(yù)期的撤離性能提供定量的評(píng)估。因此，本文采用簡(jiǎn)化撤離分析方法評(píng)估某客滾船的撤離性能。

1.1 假定

假定所有乘客和船員同時(shí)通過(guò)主逃生通道撤離且互不干擾，人員移動(dòng)不受火災(zāi)煙塵影響，但考慮人員逆流產(chǎn)生的影響并保留一定的安全系數(shù)。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，認(rèn)為船員可立即在撤離點(diǎn)做好協(xié)助乘客撤離的準(zhǔn)備工作。該假定不考慮船舶運(yùn)動(dòng)和傾斜對(duì)人員運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。

1.2 考慮的場(chǎng)景

主要需要考慮3 種工況：1）基本撤離情況，包括工況1（夜晚）和工況2（白天）；2）次級(jí)撤離情況，包括工況3（夜晚）和工況4（白天）；3）特殊撤離情況，工況5（開(kāi)敞甲板）和工況6（登乘甲板）。

設(shè)計(jì)人員依據(jù)這些場(chǎng)景設(shè)計(jì)逃生路線，并采用人員流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖的方式計(jì)算撤離時(shí)間，將走廊和樓梯假定為管道，門假定為閥，人流假定為水流。

1.3 性能標(biāo)準(zhǔn)

簡(jiǎn)化撤離分析方法中，評(píng)估客滾船撤離能力的計(jì)算公式為

式（1）和式（2）中：R為反應(yīng)時(shí)間，白天為5 min，夜晚為10 min；T為移動(dòng)時(shí)間；E為登乘時(shí)間；L為下水時(shí)間；n為最大允許撤離時(shí)間，n=60 min；一般假定(E+L)=30 min。

如圖1 所示，反應(yīng)和移動(dòng)時(shí)間與登乘和下水時(shí)間有部分重疊。在重疊時(shí)間內(nèi)，先到達(dá)登乘點(diǎn)的人員會(huì)快速進(jìn)入救生設(shè)備撤離船舶，不需等待全員聚集在登乘點(diǎn)后再撤離。

圖1 性能標(biāo)準(zhǔn)

1.4 移動(dòng)時(shí)間計(jì)算

簡(jiǎn)化撤離分析計(jì)算中最復(fù)雜的是移動(dòng)時(shí)間的計(jì)算，移動(dòng)時(shí)間是不同區(qū)域的乘客通過(guò)甲板、樓梯到達(dá)最近的集合站的時(shí)間之和，其計(jì)算公式為

式（3）和式（4）中：tI為理想狀態(tài)下人員從逃生通道到集合站的最長(zhǎng)移動(dòng)時(shí)間；γ為安全系數(shù)；δ為逆流系數(shù)；tDeck為人員從所在區(qū)域到樓梯入口的時(shí)間；tStair為人員經(jīng)過(guò)樓梯的時(shí)間；tAssembly為人員從樓梯出口到集合站入口的時(shí)間；tF為該區(qū)域人員流動(dòng)的時(shí)間。

一條通道的移動(dòng)時(shí)間計(jì)算流程見(jiàn)圖2。圖2中轉(zhuǎn)換處表示走廊、門或者樓梯出口與下一個(gè)走廊、門或者樓梯入口的承接區(qū)域，在轉(zhuǎn)換處應(yīng)滿足入口計(jì)算總流量和出口計(jì)算總流量相等。

圖2 移動(dòng)時(shí)間計(jì)算流程

2 典型的簡(jiǎn)化撤離分析

首先對(duì)某客滾船進(jìn)行基本撤離分析的夜晚場(chǎng)景進(jìn)行計(jì)算，選取3號(hào)主豎區(qū)9 甲板（M3D9，后同）的布置計(jì)算。在簡(jiǎn)化撤離計(jì)算中，R、E和L均容易得到，本節(jié)重點(diǎn)對(duì)移動(dòng)時(shí)間的計(jì)算進(jìn)行介紹。

2.1 逃生布置和人員流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖

本船分為3 個(gè)主豎區(qū)（主豎區(qū)1～3）和3 個(gè)水平區(qū)（甲板7～9），共有9個(gè)計(jì)算區(qū)域，2個(gè)集合站位于M2D8和M1D7。計(jì)算中涉及到的樓梯有2個(gè)，4號(hào)樓梯位于3 號(hào)主豎區(qū)，3號(hào)樓梯以梯道環(huán)圍的形式被2號(hào)和3號(hào)主豎區(qū)共用，登乘甲板位于M2D8。M3D9逃生布置圖見(jiàn)圖3。根據(jù)逃生布置圖設(shè)計(jì)撤離路線，并將其簡(jiǎn)化為人員流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖，見(jiàn)圖4。

圖3 M3D9 逃生布置圖

圖4 人員流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖

2.2 初始條件

撤離分析的初始條件為人員的初始分布和逃生通道的面積。根據(jù)逃生布置圖，可量取樓梯、走廊和門的凈寬WC和長(zhǎng)度L，即可獲得逃生通道的面積。參考國(guó)際消防安全系統(tǒng)規(guī)則第13 章，可通過(guò)每個(gè)區(qū)域內(nèi)人員數(shù)N，得到單位面積的人數(shù)，即為人員的初始密度D。根據(jù)MSC/Circ.1533給出的初始密度對(duì)應(yīng)的初始特定流量FS和初始人員流速S的關(guān)系，可計(jì)算流量FC，逃生通道參數(shù)和人員初始分布情況見(jiàn)表1。

2.3 轉(zhuǎn)換點(diǎn)計(jì)算

轉(zhuǎn)換點(diǎn)是計(jì)算移動(dòng)時(shí)間最容易出錯(cuò)的部分，即判斷入口總流量和出口總流量相等，其相關(guān)計(jì)算見(jiàn)表2。最大特定流量FSmax為規(guī)范給出的極限值，用來(lái)判斷計(jì)算得到的特定流量FS-in是否超過(guò)極限值，由此判斷是否存在擁堵現(xiàn)象，并確定最終的流量和人員流速。當(dāng)最終流量和初始流量之差大于1.5 人/秒時(shí)，表示該處產(chǎn)生擁堵。當(dāng)初始密度大于3.5 人/平方米時(shí)，表示人員密度較大，也視為存在擁堵問(wèn)題。轉(zhuǎn)換點(diǎn)計(jì)算需要根據(jù)逃生路線判斷承接區(qū)域，計(jì)算時(shí)應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)路線認(rèn)知清晰。當(dāng)設(shè)計(jì)路線改變時(shí)，轉(zhuǎn)換點(diǎn)會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變，轉(zhuǎn)換點(diǎn)計(jì)算需進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

2.4 確定移動(dòng)時(shí)間

轉(zhuǎn)換點(diǎn)計(jì)算得到人員速度后，即可求得該區(qū)域的每個(gè)樓梯和走廊的流動(dòng)時(shí)間tF，根據(jù)通道的長(zhǎng)度和速度求得經(jīng)過(guò)樓梯時(shí)間tStair或所在區(qū)域到樓梯入口時(shí)間tDeck，最后總結(jié)出該區(qū)域最長(zhǎng)的流動(dòng)時(shí)間，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。表3 描述的逃生路線為M3D9 區(qū)域人員通過(guò)走廊進(jìn)入3 號(hào)梯道，再下到8 甲板梯道間。該路線計(jì)算得到的流動(dòng)時(shí)間tF=94.95 s，tDeck=73.64 s，tStair=7.71 s。

表3 M3D9 人員逃生通道時(shí)間計(jì)算

M3D9 區(qū)域人員的完整逃生路線如下：先通過(guò)走廊進(jìn)入3 號(hào)樓梯，再下到8 甲板梯道間，隨后穿過(guò)門進(jìn)入M2D8 區(qū)域（集合站）。而其他區(qū)域使用3號(hào)樓梯進(jìn)入M2D8集合站的人員同樣需要穿過(guò)門進(jìn)入M2D8 區(qū)域。因此，進(jìn)入M2D8 區(qū)域的門是各區(qū)域人員流入集合站的重要轉(zhuǎn)換點(diǎn)。抵達(dá)集合站的流動(dòng)時(shí)間tF=154.49 s，tStair=0，tDeck=0。

由于M2D8 就是集合站，故從樓梯出口到集合站時(shí)間tAssembly=0。而人員流動(dòng)、經(jīng)過(guò)甲板和梯道移動(dòng)時(shí)間應(yīng)選取各區(qū)域中最大時(shí)間，分別為tF=154.49 s，tDeck=73.64 s，tStair=7.71 s。由此得到最長(zhǎng)移動(dòng)時(shí)間tI=235.84 s。

計(jì)算移動(dòng)時(shí)間T還需要考慮安全系數(shù)γ和逆流系數(shù)δ，在基本撤離算例中，γ=2，δ=0.3。因此，經(jīng)過(guò)3 號(hào)梯道撤離的人員移動(dòng)時(shí)間T=543.43 s。

2.5 總撤離時(shí)間計(jì)算

本算例為基本撤離計(jì)算的夜晚場(chǎng)景，因此反應(yīng)時(shí)間R=10 min，登乘時(shí)間與下水時(shí)間(E+L)為30 min，移動(dòng)時(shí)間為542.43 s。總撤離時(shí)間1.25(R+T)+2/3(E+L)=43.8 min，計(jì)算的撤離時(shí)間小于60 min，認(rèn)定該撤離路線可滿足人員安全撤離要求，設(shè)計(jì)可行。

3 特殊場(chǎng)景的簡(jiǎn)化撤離分析

除典型算例外，計(jì)算中還需要考慮次級(jí)撤離算例和特殊場(chǎng)景。已有文獻(xiàn)[3-5]主要介紹基本撤離計(jì)算，很少提及非典型算例的簡(jiǎn)化撤離分析，然而特殊場(chǎng)景才是主要影響撤離時(shí)間是否滿足要求的因素，是撤離計(jì)算中需要重點(diǎn)分析的場(chǎng)景。本文在典型案例的基礎(chǔ)上，基于2 條客滾船的逃生布置，分別介紹次級(jí)撤離情況、登乘甲板情況以及開(kāi)敞甲板的情況。

3.1 次級(jí)撤離案例計(jì)算

次級(jí)撤離情況也分為夜晚和白天這2 個(gè)場(chǎng)景。針對(duì)各區(qū)域到集合站的多條撤離路線，規(guī)范只要求考慮人員移動(dòng)時(shí)間最長(zhǎng)的主豎區(qū)撤離情況，此時(shí)初始人員分布沿用基本撤離計(jì)算方法。規(guī)范對(duì)次級(jí)撤離情況還提出了以下2 種場(chǎng)景：

1）場(chǎng)景1，模擬在主豎區(qū)中容納最大容量的完整梯道不能使用的情況。

2）場(chǎng)景2，與該主豎區(qū)相鄰的主豎區(qū)有50%被迫進(jìn)入該區(qū)域，并前往相關(guān)集合站。應(yīng)選擇相鄰主豎區(qū)人員最多的進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)于客滾船，在計(jì)算時(shí)必須考慮場(chǎng)景1。

已知3 號(hào)梯道為容量最大的梯道，因此在次級(jí)撤離計(jì)算時(shí)應(yīng)假定該梯道發(fā)生火災(zāi)時(shí)不能使用，此時(shí)人員不能直接通過(guò)3 號(hào)梯道從3 號(hào)主豎區(qū)進(jìn)入位于M2D8 的集合站，移動(dòng)路徑應(yīng)調(diào)整為M3D9 區(qū)域的人員通過(guò)4 號(hào)樓梯撤離到M3D7，再橫穿7 甲板到達(dá)艏部的集合站。次級(jí)撤離路線的人員流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖見(jiàn)圖5。在次級(jí)撤離計(jì)算時(shí)，安全系數(shù)γ和逆流系數(shù)δ分別取1.3和0.3，計(jì)算移動(dòng)時(shí)間T=1 212.56 s，總時(shí)間為57.76 min。

圖5 次級(jí)撤離路線的人員流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖

需特別注意的是，在計(jì)算移動(dòng)時(shí)間時(shí)，應(yīng)保證不重復(fù)不遺漏。人員從4 號(hào)樓梯下到7 甲板的路線為：從樓梯出口橫穿7 甲板到船首的集合站，如使用梯道出口到集合站的移動(dòng)時(shí)間tAssembly表示該段時(shí)間，則不需要重復(fù)計(jì)入人員在7 甲板上的移動(dòng)時(shí)間tDeck。

3.2 登乘甲板案例計(jì)算

登乘甲板情況考慮集合站和登乘甲板分離的場(chǎng)景，規(guī)范要求應(yīng)計(jì)算人員從集合站到登乘甲板的時(shí)間，并將該時(shí)長(zhǎng)計(jì)入(E+L)，人員在登乘甲板進(jìn)入逃生設(shè)備的擁堵對(duì)時(shí)間的影響應(yīng)計(jì)入時(shí)長(zhǎng)。此場(chǎng)景中，假定所有人員在船員的指引下有秩序的撤離。

如果撤離的移動(dòng)時(shí)間T過(guò)長(zhǎng)，超過(guò)了1 320 s（夜晚）或者1 620 s（白天），使用前文假定的登乘和下水時(shí)間(E+L)=30 min，可能導(dǎo)致總時(shí)長(zhǎng)超過(guò)60 min。為保證計(jì)算滿足規(guī)范要求，除調(diào)整逃生路線以及走廊、梯道的設(shè)計(jì)參數(shù)外，還可以單獨(dú)計(jì)算E和L，使(E+L)小于30 min。根據(jù)規(guī)范要求，滿足以下3種情況之一的，可將(E+L)分開(kāi)計(jì)算：

1）擁有相似船型和相似撤離系統(tǒng)的實(shí)船數(shù)據(jù)。

2）擁有采用逃生設(shè)備撤離的模擬數(shù)據(jù)。

3）擁有廠家提供的數(shù)據(jù)。

在次級(jí)撤離案例中，存在集合站和登乘甲板不在一起的情況，需要單獨(dú)計(jì)算集合站到登乘甲板時(shí)間。救生設(shè)備廠家提供的下水時(shí)間L在20 min左右。模擬人員從集合站到登乘甲板的登乘時(shí)間E，與計(jì)算移動(dòng)時(shí)間流程類似。集合站到登乘甲板的人員流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖見(jiàn)圖6。因?yàn)橐?guī)范提到該場(chǎng)景有船員引導(dǎo)，因此移動(dòng)時(shí)間只考慮理想狀態(tài)，不考慮安全系數(shù)和逆流系數(shù)，即登乘時(shí)間E=tDeck+tF= 59.02 s。

圖6 集合站到登乘甲板的人員流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖

3.3 開(kāi)敞甲板案例計(jì)算

開(kāi)敞甲板情況考慮開(kāi)敞甲板用于乘客作為休閑娛樂(lè)的場(chǎng)景，規(guī)范要求如開(kāi)敞甲板用于乘客使用的總面積大于400 m2或者可容納超過(guò)200 人，應(yīng)新增白天計(jì)算場(chǎng)景，各區(qū)域人員數(shù)量以基本撤離計(jì)算的白天場(chǎng)景為基礎(chǔ)，將開(kāi)敞甲板設(shè)置為新增的公共區(qū)，開(kāi)敞甲板的初始人員分布按0.5 人/平方米計(jì)算。

案例為該船的后續(xù)船，根據(jù)船東需求在陽(yáng)光甲板上增加了休閑區(qū)和兒童游樂(lè)區(qū)，使得用于乘客活動(dòng)的面積增加至980 m2，需要考慮開(kāi)敞甲板作為公共區(qū)域的場(chǎng)景。此時(shí)開(kāi)敞甲板的初始人員分布計(jì)算為490 人，作為新增公共區(qū)域，應(yīng)考慮75%的初始人員分布，即該區(qū)域最多有368 人。其他公共區(qū)域的人數(shù)應(yīng)根據(jù)該船基本撤離計(jì)算的白天場(chǎng)景做適當(dāng)調(diào)整，人員分布見(jiàn)表5。撤離時(shí)間計(jì)算與前文類似，最后得到開(kāi)敞甲板場(chǎng)景的撤離時(shí)間為49.5 min，比基本撤離場(chǎng)景（白天）的撤離時(shí)間要多約8 min。

表5 公共區(qū)域人員數(shù)變化 單位：人

4 結(jié)論

本文主要介紹了最新的客滾船簡(jiǎn)化撤離分析方法，并重點(diǎn)介紹了特殊場(chǎng)景的幾個(gè)不同的計(jì)算方法。撤離分析作為客船安全性非常重要的設(shè)計(jì)因素，其對(duì)應(yīng)的逃生路線的規(guī)劃和撤離時(shí)間的評(píng)估應(yīng)在設(shè)計(jì)初期階段確定。研究發(fā)現(xiàn)：規(guī)范新增的特殊場(chǎng)景會(huì)增加撤離的時(shí)長(zhǎng)，在設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮。若存在撤離時(shí)間超時(shí)或某轉(zhuǎn)換點(diǎn)擁擠的情況，可通過(guò)調(diào)整梯道和走廊的參數(shù)、人員分布以及逃生路線等方式進(jìn)行布置優(yōu)化，避免協(xié)調(diào)困難、改善代價(jià)高等問(wèn)題，即能保證人員的生命安全，又能有效降低修改成本。