劉紅，羅旋

(上海海事大學 交通運輸學院，上海 201306)

0 引言

火災事故是導致游船上人員疏散的重要因素，發(fā)生火災時游船上人員的疏散路線是指災害區(qū)域及可能受到威脅區(qū)域的乘員撤離到安全地點的路線［1］，它直接關(guān)系到旅客及船員的生命安全.

由于游船通道狹窄，通往露天區(qū)域的出口有限，加之船舶本身結(jié)構(gòu)復雜以及火災蔓延對逃生通道的影響，使得選擇合理的人員疏散路線成為比較棘手的問題.迄今為止，國外對游船火災狀況下人員疏散的研究起步較早［2-8］，我國的研究主要集中于陸上建筑［9-11］，對游船這一特殊建筑的研究較少［12］.

在現(xiàn)有最佳疏散路徑的研究中，國內(nèi)主要集中在對高層建筑物通道人員疏散、礦井井巷逃生和緊急情況(如毒氣泄露等)人員疏散的研究上，國內(nèi)一些專家學者主要針對火災時的高層建筑物、礦井的人員最佳疏散路徑進行研究［9-11］，而國外對游船的人員最佳疏散路徑研究多側(cè)重于人員行為對疏散最終結(jié)果的影響上［2-8］.

本文將當量長度的概念引入到游船人員最佳疏散路徑的研究中，采用圖論原理結(jié)合計算機技術(shù)，提出一種計算游船人員最佳疏散路徑的方法，該方法綜合考慮疏散距離、火災時的煙流濃度和人員密集情況等因素.

1 火災時游船人員最優(yōu)疏散路徑的確定

1.1 通道當量長度的確定

求解合理的疏散路徑，實質(zhì)上是求解安全疏散的最短時間，但是最短距離的撤退路線不等于最短的撤退時間，這是因為通道的通行難易程度不一樣.游船人員疏散具有特殊性，除需考慮風浪環(huán)境對船舶航行狀態(tài)的影響外，還需考慮甲板層高、樓梯坡度、障礙物影響、有毒有害氣體濃度、高溫煙流阻塞通道等.這些影響因素與陸上建筑人員逃生的影響要素有相似之處，但也有不同.現(xiàn)將陸上高層建筑物人員疏散常用的當量長度［1，11］概念引入到游船人員疏散路徑中，描述游船通道各路段的綜合屬性，將這些影響因素用通行難易程度表示，使之與通道的實際長度相乘后得到的長度即為當量長度.第i條通道的當量長度:

式中:Li為第i條通道的當量長度值，m;ω為煙流體積分數(shù)懲罰因數(shù);c為有害氣體體積分數(shù)，一般以CO 的體積分數(shù)表示，%(在火災發(fā)展過程中，通道中溫度高低、煙霧體積分數(shù)大小與有害氣體體積分數(shù)大小的發(fā)展趨勢相一致.由于人員傷亡主要由有害氣體造成，所以以有害氣體體積分數(shù)為參考因素，ω·c為c 的當量長度因數(shù));ρ為群集密度，人/m2，ρ=P/(B·lij)(P為通道中的人數(shù);B為通道寬度，m;lij為第i條通道的實際長度，m);?p為人群群集通行難易度因數(shù)(由于通道中人員行走速度與人員分布密度有很大關(guān)系，因此，在模型中引入人群群集通行難易度因數(shù));?e為考慮障礙物的因數(shù);kl為通道類型的難易因數(shù);ki為不同區(qū)域的危險因數(shù).

重點考慮游船通道阻塞及火災擴散對人員疏散路徑的影響，假定不同區(qū)域的危險因數(shù)為1，對式(1)進行處理后得到的當量長度

式(2)中:參數(shù)lij按游船通道的實際長度取值;對于參數(shù)ρ，根據(jù)人員疏散的相關(guān)研究，當0.5 人/m2≤ρ≤1 人/m2時，通道處完全暢通狀態(tài);當1 人/m2≤ρ≤2 人/m2，通道處于正常狀態(tài);當ρ≥2 人/m2時，通道內(nèi)人群出現(xiàn)微滯留狀態(tài).對于通道中的群集密度，主要考慮通道寬度的影響，所以根據(jù)通道寬度的不同，ρ可取在1～2 人/m2范圍內(nèi).

由于群集步速V，群集密度ρ和群集流動因數(shù)N 之間的關(guān)系為V=N/ρ，群集通行難易程度可以用群集步距的倒數(shù)表示，故ρ ×?p=1/V=ρ/N，可以得到?p=1/N，而一般流動因數(shù)N 取1.5，故可取?p=1/1.5.kl在水平通道中取0.1，樓梯中取0.2.

網(wǎng)絡(luò)化的通道類型不同，有些通道不能作為疏散通道，或由于火災影響、障礙物等原因阻塞，可將?e取為無窮大.

1.2 最優(yōu)路徑優(yōu)化算法

將游船的人員疏散網(wǎng)絡(luò)(由樓梯、走道等連接)用圖論中的賦權(quán)圖D(V，A)(見圖1)表達.對于給定的一個賦權(quán)圖D(V，A)，每一條邊a=(vi和vj)，相應地有權(quán)L(a)=Lij，又給定D中的兩個頂點vs和vt，設(shè)P是D中從vs到vt的一條路，定義路P 的權(quán)是P中所有邊l 的權(quán)l(xiāng)ij之和.疏散路徑模型的目標即為求從著火區(qū)域vs到出口vt的最短路徑，即為圖論中的最短路徑問題.即在所有從vs到vt的路中，求一條權(quán)最小的路，即求一條從vs到vt的路P0，使得

式中:對D中所有從vs到vt的路P 取最小，稱P0是從vs到vt的最短路徑;稱路P0的權(quán)為從vs到vt的距離，記為d(vs，vt).

圖1 賦權(quán)圖D(V，A)

本文采用圖論中經(jīng)典的Dijkstra 算法求解最短路徑.由于災變的發(fā)展有某些不可預測因素，當疏散點到出口的最短路徑行不通時，可選用第2和第3最短路徑.Dijkstra 算法能一次求出任意兩點的最短路徑，當某一通道由于火災蔓延無法通過時，可從備選路徑迅速逃生.利用MATLAB 7.1 對該算法編程.

2 “海洋綠洲”號游船實證研究

2.1 “海洋綠洲”號游船簡介

“海洋綠洲”號為皇家加勒比國際游船(Royal Caribbean International)公司旗下的一艘超級游船，2009 年12 月投入運營.長362 m，寬47 m，航速23 kn，22 萬t，擁有16 層甲板和2 000個客艙，可承載5 400 名旅客，船員2 115 人.

2.2 游船通道當量長度的計算

首先繪制游船路網(wǎng)圖，因該游船第3 層和第4層甲板更靠近機艙，其平面布置也比較具有代表性.本文主要對“海洋綠洲”號游船的第3 層和第4 層甲板進行人員疏散路徑設(shè)計，指導人員從火災區(qū)域迅速疏散到逃生甲板上以便在船長發(fā)出棄船指令時迅速登艇.

根據(jù)甲板平面布置圖，利用Adobe Illustrator 繪制游船的路網(wǎng)圖，見圖2.在繪制游船路網(wǎng)時，規(guī)定用“—”表示一般通道，“‖”表示樓梯，“○”表示通往逃生甲板的出口，圖中共有44個路網(wǎng)節(jié)點，以編號1，2，…，44表示.圖3中，可以看到第4 層甲板共有7個樓梯可通往第3 層甲板，1，11，9，17 號樓梯是日常使用的，另有3，13，20 號樓梯僅在緊急情況下可用.第3 層甲板共有4個出口可通往逃生甲板登艇，為圖中41，42，43，44 號.在火災狀況下人員將疏散到以上4個出口.

圖2 “海洋綠洲”號第3 層和第4 層甲板路網(wǎng)

根據(jù)第1 節(jié)建立的疏散路徑模型，利用當量長度作為路權(quán)，由式(2)計算當量長度.

2.3 火災狀況下游船人員最優(yōu)疏散路徑研究

2.3.1 考慮客艙著火點位置的疏散分析

根據(jù)對著火點位置的分析，由于旅客不慎導致的客艙起火具有突發(fā)性和不可預測性，現(xiàn)假設(shè)在節(jié)點7 處的客艙突發(fā)火災，需對該節(jié)點及其周圍的人員(節(jié)點5，6，8 處)進行疏散.通過計算機處理至不同出口的人員疏散路徑見表1.

表1 節(jié)點5，6，7，8 人員疏散路徑

根據(jù)計算結(jié)果，可得出以下結(jié)論:節(jié)點7 到出口41和44 的當量長度明顯比到出口42和43 的短，即可以引導途經(jīng)節(jié)點7 的人員優(yōu)先選擇這兩個出口逃生;同理，節(jié)點5和6 的人員應優(yōu)先選擇出口41和43 逃生;節(jié)點8 的人員應優(yōu)先選擇出口43和44逃生.

綜合以上分析，可以對節(jié)點7 處客艙發(fā)生火災時的人員疏散進行設(shè)計:

(1)引導節(jié)點5，6，7 的人員疏散至船首的出口41，路徑分別為 5 →3→24→23→41，6→4→3→24→23→41，7→6→4→3→24→23→41.

(2)引導節(jié)點8 的人員疏散至船尾出口44，路徑為8→9→29→28→31→44.

上述人員疏散方案見表2.方案(1)人員疏散路線圖見圖3.

表2 節(jié)點7 火災的人員疏散方案(1)

圖3 節(jié)點7 處火災人員疏散方案(1)

2.3.2 考慮游船通道阻塞現(xiàn)象的人員疏散分析

與陸上建筑物疏散不同的是，游船一旦發(fā)生火災，由于船體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜、分艙多、通道狹窄，在通道中更易發(fā)生人員阻塞現(xiàn)象.

考慮游船通道的阻塞現(xiàn)象，對方案(1)作進一步的優(yōu)化.

從方案(1)的設(shè)計中可以看到節(jié)點5，6，7 的人員都會經(jīng)過3→24→23→41這一共同路徑，從而很容易導致3→24樓梯中發(fā)生人員擁堵現(xiàn)象，因此有必要對方案(1)進行改良.

因節(jié)點5 更靠近樓梯口3，可維持原來的疏散路徑.對于節(jié)點6，7，可通過除3—24和9—29 以外的其他樓梯將人員疏散至出口，令通道3—24，9—29，6—4，8—9 的當量長度為∞(表示該通道不可行)重新計算節(jié)點6，7 的人員疏散路徑，見表3.

表3 節(jié)點6，7 人員疏散路徑

根據(jù)表3 結(jié)果可引導節(jié)點7 的人員疏散至游船中部的出口43，路徑為7→8→16→15→20→39→36→35→43;引導節(jié)點6 的人員疏散至船尾的出口44，路徑為6→7→8→16→17→37→31→44.

綜上所述，在考慮到通道阻塞的現(xiàn)象之后，設(shè)計出的方案(2)更為合理，見表4.方案(2)人員疏散路線見圖4.

表4 節(jié)點7 火災的人員疏散方案(2)

圖4 游船通道阻塞后節(jié)點7 處火災人員疏散方案(2)

由此可見，在方案(2)中考慮到游船通道的阻塞現(xiàn)象，火災區(qū)域的人員分別從不同的最優(yōu)路徑到達出口處，可避免樓梯口的人員阻塞現(xiàn)象，從而實現(xiàn)對方案(1)的進一步優(yōu)化.

2.3.3 考慮火災擴散影響的人員疏散分析

考慮到火災擴散的影響，對方案(2)作進一步的優(yōu)化.

游船一旦發(fā)生火災，火災擴散產(chǎn)生的煙流等會造成部分通道不可行.因此，如果節(jié)點7 處的火災沒有立即得到控制，火災的蔓延將會導致一條或幾條通道阻塞，或者由于環(huán)境惡劣人員無法通過，必須考慮火災擴散對人員疏散的影響.這時只需將該條路段的權(quán)值設(shè)為∞，計算機在搜尋路徑時會自動改變可通行性條件，避開該條路徑.

游船發(fā)生火災時，駕駛?cè)藛T會立即減速或停車，并使著火部位處于下風側(cè).由于風力的影響，火災向船舷外擴散，波及節(jié)點9和節(jié)點17 的區(qū)域，從而使得船尾的樓梯9—29和17—37，通道8—9和9—17均不能通行.此時需調(diào)整方案(2).

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)可知，因為不能通行的幾個通道對節(jié)點6 的人員疏散不會產(chǎn)生影響，故其疏散路徑不變，仍為6→4→3→24→23→41;由于樓梯9—29不可通行，節(jié)點8 人員此時可選取第2 最短路徑，將人員疏散至船尾出口43，路徑為8→16→15→20→39→36→35→43;為避免通道阻塞，對節(jié)點5 人員疏散需要進行分流，一部分到節(jié)點3 下樓至出口41，一部分沿5→14→13→34→33→38→42 疏散.中間節(jié)點7 人員可分流疏散至節(jié)點5，6，8.

由此得出方案(3)，見表5.方案(3)人員疏散路線見圖5.

表5 人員最優(yōu)疏散方案(3)

圖5 火災蔓延情況下節(jié)點7 處火災人員疏散方案(3)

2.3.4 最優(yōu)疏散方案的實現(xiàn)

為了實現(xiàn)方案(3)，引導旅客快速疏散，可根據(jù)該方案的疏散路線圖(圖5)在游船通道、梯道以及集合地點等處設(shè)立疏散引導和指示符號，包括集合地點、登乘站、方向指示、應急出口方向指示、應急出口和出口標志等.

但在火災狀況下，由于緊張和恐懼等心理因素，旅客往往會產(chǎn)生慌亂，不一定完全按照標志所指定的路線疏散，特別是在一些關(guān)鍵節(jié)點處，需要安排船員引導和維持秩序.

根據(jù)方案(3)中路徑占用情況，在3→24，13→34和20→39 等3個樓梯口必須安排船員維持通道和梯道上的秩序，引導旅客從第4 層甲板逃生至第3 層甲板;同時在節(jié)點23，33，35 處安排船員引導旅客通往集合地點;在逃生甲板的出口41，42，43 處安排船員集合旅客，還應向旅客說明情況并安定其情緒.

3 結(jié)論與展望

探討當量長度及最短路徑算法在游船人員疏散路徑研究上的應用.在假定火災發(fā)生的前提條件下，研究游船通道阻塞和火災擴散對游船人員疏散路徑的影響，下述結(jié)論對建立游船火災狀況下的人員疏散預案有參考價值.

(1)由于游船通道狹窄，疏散方案中需考慮人員阻塞現(xiàn)象;

(2)在樓梯口必須有船員進行引導，從而實現(xiàn)人員的合理分流，以保證疏散方案能正確實施;

(3)游船中的火災蔓延往往比普通建筑要快，因此在人員疏散方案設(shè)計中必須考慮到火災蔓延產(chǎn)生的煙流等可能造成通道不可行的狀況;

(4)必須綜合考慮各種突發(fā)因素，合理設(shè)置人員疏散中的集合地點;

(5)火災狀況下的游船人員疏散路徑方案必須準備兩套以上;

(6)在游船航行途中，必須對全體船員和旅客進行消防和逃生演習.

到目前為止，國內(nèi)火災狀況下人員疏散路徑的模型和計算方法僅局限于陸上各類型建筑物，對游船的人員安全疏散撤離研究較少.本文對游船人員安全疏散路徑影響因素的初步分析比較粗糙，所建立的模型偏于靜態(tài)，許多影響因素如船舶航行狀態(tài)、人員行為因素等都未考慮，未來可在模型的動態(tài)化、多災源、多出口及引入人員行為因素方面作進一步的研究.

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