于 洋 韓端鋒 華 佳 肖 蕾 薛彥卓

（哈爾濱工程大學船舶工程學院 哈爾濱150001）

0 引 言

隨著科學技術、經(jīng)濟水平的提高，船舶尺寸日趨大型化，結構形式也變得更加復雜。艦船一般都承載大量人員。由于疏散路徑復雜且疏散空間狹窄，一旦發(fā)生如艙室起火、船舶擱淺破壞、生化污染等緊急情況，將嚴重危及上百甚至上千人的性命［1］。艦船人員疏散模擬訓練系統(tǒng)研究是保證人員及時、安全撤離船舶，提高實際疏散成功率，減少生命財產(chǎn)損失的重要方法。

目前，國內(nèi)外對于建筑人員疏散模擬訓練方面的研究較深入，已開發(fā)出消防火災情況下的人員疏散模擬訓練軟件，如上海海潤公司開發(fā)的重點目標應急事件輔助決策與指揮系統(tǒng)、消防典型案例模擬訓練系統(tǒng)等。系統(tǒng)中可以實現(xiàn)施救與處置事件相關信息的快速生成、消防知識的理論培訓與考試、典型案例的模擬訓練等功能。而艦船疏散方面的研究主要還集中在艦船疏散能力的評估與人員疏散模型的研究，而對于艦船人員疏散模擬訓練方面的研究還未展開。因此，借鑒建筑方面的寶貴成果，開發(fā)相關艦船疏散模擬訓練系統(tǒng)是非常有必要的。

模擬訓練是基于計算機虛擬技術的互動式系統(tǒng)，人員疏散模擬訓練系統(tǒng)是利用計算機技術模擬不同情境下人員疏散的具體過程，為使用者提供一個模擬災難發(fā)生后進行指揮決策及逃生自救的數(shù)字化平臺。艦船人員疏散是一個同時具有確定性和隨機性的復雜過程，人員屬性、船舶特點和災難的發(fā)展三個因素相互影響，因此在建立模擬訓練系統(tǒng)時要對這些因素進行充分考慮。

1 人員屬性研究

人員作為疏散的主體，在疏散中起主導作用，每個人員的內(nèi)在屬性都不相同，這些屬性是導致個體行為差異的關鍵。因此進行艦船人員疏散模型研究時，必須先對個體人員屬性及行為進行研究。系統(tǒng)中人員屬性定義如下：

人員屬性={Gender，Age，Size，Speed，Response，Position，Psychology，Environment}

Gender：代表人員的性別；

Age：代表人員的年齡；

Size：人員體型尺寸，其大小與人員性別及年齡有關；

Speed：人員在每一時間步長上移動的距離；

Response：反應時間，從緊急情況發(fā)生起到疏散個體意識到危險并開始采取行動疏散止所用時間；

Position：人員的空間位置坐標，即表示人員個體的圓形所占據(jù)的位置；

Psychology：心理素質(zhì)狀況，心理素質(zhì)較好的人員疏散時表現(xiàn)為理性的獨立思考行為，心理素質(zhì)差的人員多表現(xiàn)為從眾行為。

Environment：個體人員所感知到的環(huán)境信息，包括自己所處的空間、出口位置信息、船舶當前傾斜角度、前方是否有障礙物等。

人員移動速度是疏散模型中體現(xiàn)個體行為的最基本因素。在緊急情況發(fā)生時，若無其他因素影響，人員往往以自身最快速度逃往集合站，行進速度快的人員將超越比自己行進速度慢的人員。研究表明，人員的行進速度與個體人員的年齡及性別有關，通常青壯年人的移動速度要快于老年人和兒童，同等年齡下男性的移動速度要普遍快于女性［2］。

人員的反應時間隨年齡而變化，根據(jù)張樹平的調(diào)查研究［3］，超過65歲的老人，在5 min以內(nèi)意識到緊急情況發(fā)生的概率非常低，而年齡在50歲以下的人群，有近75%的人員都能在5 min內(nèi)做出反應。加拿大國家研究委員會在報告中指出人員的火災反應時間最快在30 s左右，國際海事組織指出人員夜間的反應時間要長于白天，規(guī)定夜間的最大反應時間為 10 min［4］。

2 船舶特點及人員分布

2.1 船舶布置特點

現(xiàn)代船舶種類繁多，船舶結構及布置特點也各不相同。遠洋客船的排水量一般都在萬噸以上，上層建筑豐滿，有七、八層甲板。上層建筑內(nèi)除居住艙室外，還有供旅客用的餐廳、浴室、漱洗室、診療室等。而軍艦的上層建筑相對較小，大型艙室多分布于主甲板以下。以美國“小鷹”號航母［5］為例，飛行甲板以下分為10層，艦體共有1 200個各種用途的艙室，首層為飛行甲板，主要分為降落區(qū)、起飛區(qū)和待機區(qū)；第2層為吊艙甲板，艏部主要布置彈射氣缸和附屬設備，中部為戰(zhàn)斗值班室、飛行員住艙和食堂，艉部布置有阻攔裝置及其附屬設備；第3、4層甲板兩舷處設置了維修人員和雷達人員的住艙，艏部為錨鏈艙，中部是機庫大開口，艉部為系纜裝置艙；第5甲板主要是機庫和附屬艙；第6甲板為飛機修理場；第7甲板為食堂和生活艙室；第8甲板為士兵居住艙和行政辦公室。第8甲板以下3層主要設置機艙、發(fā)電機艙、彈藥艙和航空燃油艙。底部及舷側設有動力燃油艙。

2.2 船上人員流動特點

研究人員流動特點可以為開始疏散時人員的空間分布提供依據(jù)。通過觀察人員流動，發(fā)現(xiàn)如下特點：開船前，乘客陸續(xù)上船并到達自己的艙室；正常運營時，主要流動為船上乘客零星走向洗手間和返回自己艙室；用餐時間，很多乘客幾乎同時進入餐廳，用餐后零星返回自己艙室；下船時，乘客幾乎同時離開自己的艙室走向船舶的出口；發(fā)生小故障時，機械師單獨或多個人組成的機械師組趕往故障發(fā)生地點進行搶修，乘客無明顯活動；發(fā)生不可修復故障時，乘客幾乎同時涌向甲板集合站，進入救生船或等待救援。

2.3 船舶運動影響

船舶環(huán)境與陸上建筑不同，正常運營情況下，通常保持正浮或略有尾傾狀態(tài)；在風浪流作用下小幅搖擺；當發(fā)生火災或艙室破壞進水等緊急情況時，船舶往往無法保持正浮狀態(tài)，而是發(fā)生一定傾斜甚至傾覆。

船舶傾斜會對人員行進速度產(chǎn)生直接影響。由于傾斜時地面產(chǎn)生一定的傾角，使得鞋底與地板間摩擦力減小，特別當傾角超過20°時，人員為了保持自身的安全不得不改變行走姿勢；當傾角繼續(xù)加大時，人員更有滑倒的可能。船舶的傾斜可分為橫向傾斜和縱向傾斜兩種［2］，橫向傾斜狀態(tài)為人員行進方向保持水平，但左右有一個橫向坡度情況；縱向傾斜為人員行進方向有一定坡度，但左右方向保持水平。韓國船舶與海洋工程研究所等權威機構分別對這兩種情況進行了研究［6］。

3 疏散模擬訓練系統(tǒng)的結構和功能

根據(jù)現(xiàn)有人員疏散理論模型，結合船舶具體特點，應用計算機編程工具，可以開發(fā)出相應狀態(tài)下的艦船人員疏散模擬訓練系統(tǒng)。

3.1 系統(tǒng)結構

按照系統(tǒng)的功能，系統(tǒng)應該包含數(shù)據(jù)庫、模型庫和知識庫三個子系統(tǒng)，如圖1所示。其中數(shù)據(jù)庫用來存儲人員屬性信息、人員位置信息、艙室破壞信息、火災發(fā)生位置信息、環(huán)境參數(shù)、集合站的大小及位置信息等，為系統(tǒng)運行提供所需要的信息和數(shù)據(jù)。模型庫中包含船舶模型、人員模型、障礙物模型、火災發(fā)展模型、艙室進水模型、船舶搖擺模型等，是對模擬情況進行建模所使用的數(shù)學及幾何模型。而知識庫中則包含人員疏散路徑規(guī)劃、避碰分析、指揮決策、知識點測試等，是實施疏散的決策系統(tǒng)及疏散知識測試與能力評估的支持材料。系統(tǒng)中的三個子系統(tǒng)都是對使用者開放的，用戶可以根據(jù)實際需要，編輯或更新系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)及信息。

圖1 艦船人員疏散模擬訓練系統(tǒng)結構

3.2 系統(tǒng)功能

艦船人員疏散模擬訓練系統(tǒng)的主要功能有：

（1）預測事故影響。對于特定的事故情景，即給定船舶、事故類型、事故發(fā)生位置、當時的海況，能夠確定事故的發(fā)展趨勢及影響區(qū)域。

（2）動態(tài)顯示事故的進展。實時顯示每個逃生人員位置、疏散情況、船舶搖動情況、事故發(fā)展情況、通道的暢通度，使用者可以根據(jù)人員的逃生情況，結合周圍環(huán)境及事故的發(fā)展，確定合理疏散方案及保護措施。

（3）艦船疏散知識培訓與測試。系統(tǒng)會根據(jù)使用者模擬的角色，完成事故偵查，任務布置，考核受訓人員的典型案例處置流程、戰(zhàn)術運用情況。

（4）模擬訓練。輸入不同參數(shù)，改變船舶疏散情景，可以觀察到事故影響范圍變化情況，制定不同的疏散方案。

（5）訓練成績統(tǒng)計。根據(jù)疏散知識測試結果、疏散成功率、耗費時間等，對受訓人員完成具體單元訓練情況的成績進行統(tǒng)計。

4 模擬與訓練方法

艦船人員疏散模擬訓練流程如圖2所示。

圖2 艦船人員疏散模擬訓練流程圖

4.1 輸入?yún)?shù)

疏散模擬訓練系統(tǒng)是針對特定的事故情景的發(fā)生與發(fā)展，制定合理疏散及應對措施，因此在模擬過程中必須提供給系統(tǒng)一些特定的參數(shù)［7］，這些參數(shù)將直接影響疏散方案的制定。在本系統(tǒng)中需要輸入的參數(shù)有：

（1）船舶參數(shù)。要求選定船舶模型，以確定船舶主尺度、甲板層數(shù)、艙室布置等信息。

（2）地理位置及海況。給定緊急情況發(fā)生時船舶所在的海域及當時海況。

（3）事故類型。選擇是何種類型事故，包括火災、艙室破壞進水、化學品污染。

（4）事故發(fā)生區(qū)域。指定事故發(fā)生在船舶的哪個位置，初步完成事故偵查。

（5）船舶傾角。指定船舶搖擺規(guī)律或是傾斜角度變化規(guī)律。

（6）封閉通道。由于事故影響，部分通道為封閉狀態(tài)。

（7）時間參數(shù)。輸入事故發(fā)生日期和時間。

（8）人員屬性及分布。輸入人員屬性信息，根據(jù)船舶類型及時間分配人員位置。

以上這些參數(shù)定義了特定的事故情景。

4.2 模擬訓練

模擬訓練分為五個單元：

第一單元為正確選擇處置流程的訓練。在開展疏散救援行動前，根據(jù)事故處置流程，制定疏散救援處置流程方案。圖3表示發(fā)生火災時所選擇的正確處置流程，若順序選擇正確則繼續(xù)，直至完成所有問題的選擇；若選擇錯誤則扣除分數(shù)并告知正確的處置流程。

圖3 火災處置流程

第二單元為事故信息與任務目標。系統(tǒng)顯示事故情況，受訓人員可迅速了解事故情況、影響范圍、人員被困等情況，同時告知受訓人員需完成的任務。

第三單元為疏散仿真模擬。根據(jù)任務情況，選擇合理的疏散策略，包括疏散路線的選擇、人員避讓、團隊協(xié)作疏散、選擇個人防護裝備等。模擬時要綜合考慮人員屬性、船舶特點和事故發(fā)展三個因素的相互影響。

第四單元為綜合考評?？荚u分為兩個部分，即處置流程考核和疏散策略考核，考核將給予分數(shù)評定，同時給出訓練情況的詳細評述。

5 結 論

系統(tǒng)以游戲的方式對艦船人員疏散情景進行模擬，既考慮了人員因素、船舶特點，又考慮到了事故的發(fā)生與發(fā)展。在不同的事故情景下選擇事故處置流程、制定疏散策略、模擬事故的影響范圍，其實就是一種模擬訓練。通過改變輸入?yún)?shù)，便可以模擬不同的疏散情景。

通過艦船人員疏散模擬訓練系統(tǒng)，用戶可以熟悉不同事故情景下的疏散應對策略，進而為真實事故中行為決策提供背景知識。

［1］廖守衡.客船傾斜狀態(tài)下人員疏散模型的研究［D］.大連：大連海事大學.2010.

［2］MSC.1/Circ.1238，Guidelines for evacuation analysis for new and existing passenger ships［S］.London：IMO，2007.

［3］張樹平.建筑火災中人的行為反應研究［D］.西安：西安建筑科技大學，2004.

［4］PROULX G，NEIL R.TONIKIAN R，et al.Egress times from single family houses［J］.National Research Council Canada，2006.

［5］張廣磊.大型艦船艙室劃分與布置研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學.2010.

［6］IMO.Passengershipsafetytimedependentsurvivalprobability of a damaged passenger ship［C］//Sub-committee on Stability and Load Lines and on Fishing Vessels Safety，London：［s.n.］，2006.

［7］楊玉勝.基于大氣擴散模型的危險化學品事故疏散模擬訓練方法［J］.武警學院學報.2009，25（2）：51-53.