人员撤离仿真及其在船舶设计中的应用

颜瓅俞赟

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

0 引 言

在现代船舶设计制造领域中，船舶的安全性是一个受到长期关注的问题，在紧急情况下确保船上人员及时撤离是其中的最后一个环节，较好的方法是在船舶总体设计阶段进行撤离分析验证。2007年10月海安会通函MSC/Circ.1238《新客船和现有客船撤离分析指南》（下文简称规范）为分析验证提供了指导。规范提供了两种不同的分析方法［1］:一种称为简化撤离分析，是目前在船舶设计生产中常用的方法；另一种称为高级撤离分析，是基于人员撤离仿真的。本文将对人员撤离仿真的概念、原理、特点和在船舶设计中的应用作简单介绍。

1 人员撤离仿真

仿真又称模拟，指为了研究现实中的系统，在计算机中建立该系统的仿真模型，然后运行模型，根据运行结果获取现实系统中的相关知识。

1.1 概况

人员撤离仿真相关研究起源于建筑行业，自20世纪80年代起至今已经有了较深入的发展。有多种数学模型可以描述撤离过程，根据对人员细节描述程度不同主要可分为宏观模型和微观模型。宏观模型认为行人的运动行为类似于气体或液体的流动，包括博弈理论、决策理论和传播模型等［2］。宏观模型的优点是理论难度较小、建模简单、计算量较小；缺点是丢失了一部分环境几何信息，并忽略了人与人之间的差异。微观模型把行人视为相互作用的粒子，包括社会力模型、排队网络模型和元胞自动机模型等。微观模型的优点是对每个人的特性、位置和运动有单独的描述，有效提升了仿真的可信度；缺点是计算量比较大、计算耗时比较长［3，4］。 但是，随着计算机硬件技术的高速发展，微观模型的缺点正被逐步克服。

根据不同的数学模型，国内外已经开发了数十种不同类型的软件工具。其中有些软件工具已经比较成熟，例如STEPS等，可作为分析人员撤离过程分析的较好平台。随着工具的发展，人员撤离仿真在建筑行业的应用已较广泛，可以对商场、剧院、高层建筑、地铁站、机场等建筑的安全性能作出评估。但其在船舶行业应用相对较少，我国则刚刚起步［5-7］。

本文使用STEPS（SimulationofTransientEvacuation and Pedestrian Movements）软件开展人员撤离分析，该软件由美国Mott MacDonald公司开发，专门用于模拟建筑物中人员在正常情况或紧急情况下的移动过程。STEPS提供了较为友好的界面，用户可直观的建立三维模型，并通过对话框设置相关对象的仿真属性；软件还提供了丰富的参数设置，允许用户对条件、概率、采样曲线等做深入的定制。

1.2 元胞自动机模型

STEPS所使用的数学模型为元胞自动机（Cellular Automata）模型。该模型将舱室或通道划分为大小一致的网格，每个人可占据一个单元格。人员移动的主要规则是:所有元胞的状态同时发生变化；某个元胞在t+1时刻的状态由其自身及其相邻的元胞在t时刻的状态共同决定。一个典型的房间模型如图1所示。

图1 元胞自动机模型中的房间模型示意图

模型为每个单元格都计算了距离出口的数值，出口本身数值为0，距离越远数值越高。左侧有一个L形的障碍物，数值为-1。仿真开始后，人员可以朝前后左右或四个斜角方向移动，任意单元格中的人员只要不断朝数值更低的相邻的单元格移动，最终都可以到达出口。

1.3 撤离分析方法比较

简化撤离分析基本过程为:绘制撤离及水力网络原理图，给各个通道编号并计算其面积，然后获取各处人员数量，进而计算人员流量、流速和流动时间，最后得到人员到达集合站所需的总时间。

规范将高级撤离分析描述为:模拟以计算机为基础，把每一个乘员作为一个个体，将船舶布局并显示乘员与布局之间的相互作用详细显示出来。由此可见，高级撤离分析在本质上是基于微观仿真模型的，其基本过程包括三个环节:建立仿真模型、运行仿真模型和分析仿真结果。

而简化撤离分析有些类似于宏观仿真模型，它简化了一些几何信息，并将人群视为流体。但是人群并不符合动量和能量守恒原理，人和人之间也有较明显的差别［8］，这与流体不同。这些只有在高级撤离分析中才能得以体现。因此，高级撤离分析的结果更接近真实情况。

2 应用实例

以某教学船为例，进行人员应急疏散分析。下页图2为该教学船居住舱室分布图。

2.1 概况

某教学船以散货船为基础，另为实现教学实习的功能，增设了教室、教师办公室以及教师和学生住舱等舱室，需满足特种船舶相关规范要求。除原有散货船船员外，另增加教师与学生168人。由于人数较多、总布置较复杂，人员撤离过程可能存在不确定因素，有必要对本船的总撤离时间进行计算。

为保证船舶的安全性，本船的集合站/救生设备有三处，分别位于6甲板左舷、6甲板右舷和9甲板尾部，对应三种不同的撤离路线。

根据规范，总撤离时间=最长撤离用时+安全余量+登乘和下水用时。本船总撤离时间必须小于60 min，规范指定了安全余量、登乘和下水用时，最长撤离用时则由仿真计算来获得。具体方法是:在软件中把人员从舱室出发、经过通道/楼梯、最终到达集合站的过程模拟出来，并记录所需的时间。多次重复上述试验，取耗时最长的一次作为最长撤离用时。

2.2 仿真建模

2.2.1 环境模型

首先为人员撤离所经舱室、通道、楼梯和集合站建立网格模型，将舱壁、阻挡物视为边界和障碍；然后建立出口的模型，包括门和楼梯-地面连接处，并设置相关属性；最后为了加强可视化效果，为环境中的实体建立几何外形。

表1 年龄组和行走速度

2.2.2 人员模型

根据规范和本船的定员情况设置人数和年龄组，后者会对人的行走速度产生影响。如表1所示。

特定人口组的速度符合以该组平均速度为均值的正态分布，标准差取最大速度与最小速度差的1/6。

2.2.3 工况模型

根据本船的实际情况，人员在白天撤离和夜晚撤离的初始位置有所不同:人员主要分布在4～9甲板。在白天，一部分船员在工作岗位，一部分船员在住舱，教师和学生大多在教室，少量教师在办公室；在夜晚，船员的情况与白天基本相同，而所有教师和学生全部在住舱。

用3种撤离路线与规范要求的4种工况，一共组合出12种工况，根据规范需要对每个工况进行5次仿真。建模完毕后运行仿真，用户可以看到船上人员从住舱撤离到集合站的全过程，软件提供的可视化效果如图3。

2.3 仿真结果

在仿真运行时记录各个时刻到达集合站的人数，就可以得到撤离时间。以夜晚、全部楼梯可用、9甲板撤离的工况为例，撤离时间如表2。

表2 某工况撤离时间

其中最长的时间出现在第5次试验，为14′48″秒，撤离情况的曲线如图4。

图中的4条曲线代表到达4个集合站的人数随时间的变化。当曲线升到顶部时，表示该集合站满员了。

通过观察仿真场景可知，本工况的拥挤点出现在8甲板外走道到9甲板外走道的楼梯前，人员由从6、7、8甲板撤离的学生构成。拥挤人数较少，持续时间较短，左右舷侧皆有。如图5所示。

通过60次仿真试验得到的结果表明，所有工况下人员撤离都可以在规范要求的时间内完成，并有一定余量。表明本船符合规范中的人员撤离要求。

2.4 现象分析

下面对在仿真过程中出现了一些特殊现象进行分析:

（1）从9甲板撤离时，1号和4号救生艇（集合站）总是较快装满。

分析原因后认为:4艘救生艇依次排列在船尾部，1号和4号救生艇更靠近舷侧外走道，这使得从外走道撤离的人员总是首先登上这两艘救生艇，导致它们更快地装满。

建议在撤离时，可以将1号和4号救生艇编为一组，2号和3号救生艇编为一组。

（2）从9甲板撤离时，在甲板中央的楼梯间不可用的情况下，总撤离时间反而较短。

已有的研究表明，在紧急情况下的人员常常会选择离自己最近出口撤离［9，10］。这可使局部撤离时间最短，但未必会使全局撤离时间最短。

一些舱室的出口靠近中央的楼梯间，从这些房间撤离的人员有时会首先进入楼梯间，到达9甲板后，再从楼梯间出来，经外走道到达救生艇。这样造成了绕路，撤离时间稍有延长。当中央的楼梯不可用时，这部分绕路的现象就消失了。虽然外走道的楼梯人流有所加大，但总的撤离时间反而较短，见图6。因此，建议事先约定，从尾部紧急撤离时尽量不走中央的楼梯。

为本船建立基本仿真模型约需两周，为某一工况修改模型、运行仿真并分析结果约需一天。未来随着建模流程的优化，所需时间将有所减少。

3 结 论

人员疏散仿真在船舶领域是一种新兴的方法，利用其开展的人员撤离分析，可获得更接近真实的结果，并发掘出深层的现象，为辅助船舶设计、提升船舶安全性能提供支持。

［1］海安会通函规范.新客船和现有客船撤离分析指南［S］.海上人命安全公约，2007.

［2］刘茂，王振.行人和疏散动力学研究现状及进展［J］.安全与环境学报.2006，6 （7）:121-125.

［3］黄希发，王科俊，郭莲英，等.一种运动学形式的人员疏散仿真微观模型研究［J］.系统仿真学报.2008，20（21）:5791-5794.

［4］湛永松，卢兆明.计算机辅助大规模人群疏散平台［J］.计算机工程.2008，34:77-79.

［5］张冬东，崔晓星.客轮火灾人群疏散的现状研究及进展［J］.科技信息.2007，12:232-235.

［6］陈淼.舰船通达性仿真评估系统初步研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2009.

［7］肖海松.舰船人员疏散仿真初步研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2010.

［8］孟俊仙，周淑秋，饶敏.大型建筑内人员疏散计算机仿真研究评述［J］.计算机应用与软件.2008，25（3）:159-161.

［9］何大治.建筑火灾疏散三维仿真研究［D］.上海:同济大学，2007.

［10］于彦飞.人员疏散的多作用力元胞自动机模型研究［D］.镇江:中国科学技术大学，2008.