田　萍

(山東省交通干部學(xué)校,山東 濟南 250031)

面向艦船人員的應(yīng)急疏散系統(tǒng)仿真

田萍

(山東省交通干部學(xué)校,山東 濟南 250031)

摘要：艦船事故高發(fā)，艦船人員疏散過程有很多不確定性因素，同艦船的結(jié)構(gòu)以及人員的屬性都有很大關(guān)系。本文提出一種基于Agent模型的面向艦船人員的應(yīng)急疏散系統(tǒng)，并建立艦船的空間子模型、人員屬性子模型以及人員行為子模型。最后使用VC++及Matlab等建立仿真系統(tǒng)，對艦船人員應(yīng)急疏散進行仿真，為艦船人員疏散方案設(shè)計及人群疏散管理提供依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞：疏散系統(tǒng)；Agent；艦船；系統(tǒng)仿真

0引言

艦船不同于陸地上的一些建筑，在發(fā)生安全隱患，如火災(zāi)或者其他事故導(dǎo)致船體傾斜時，艦船人員能否及時疏散可能會影響到成百上千人能否成功逃生。現(xiàn)代艦船體積日益龐大，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)也非常復(fù)雜，在疏散通道的設(shè)計上也非常狹窄。合理安排艦船人員疏散是保障艦船安全最重要的一道防線。目前世界上很多發(fā)達國家都對如何在緊急狀況下合理有效疏散人員進行了廣泛的研究，并取得了非常有益的成果[1-2]。

艦船人員疏散過程中有很多不確定性因素，這是由于艦船內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，且人員的屬性對應(yīng)急疏散過程具有非常大的影響，因而，在建立應(yīng)急疏散模型時會遇到非常多的困難。國外很早就開始對疏散模型進行了相關(guān)研究，并且在建立疏散模型以及系統(tǒng)仿真上建立了一系列的研究體系，這些體系充分結(jié)合船舶自身結(jié)構(gòu)特點及人員的相關(guān)屬性，對某些特定條件下的人員疏散具有較大的指導(dǎo)意義。我國由于特定歷史條件，對于艦船人員應(yīng)急疏散研究還處在一個初級階段，在很多艦船的應(yīng)急系統(tǒng)設(shè)計上還是在參照國外的研究成果，但是由于國內(nèi)艦船人員的心理特征、行為規(guī)律、船員的個體特征等都同國外人員具有非常大的差別，而這些相關(guān)的因素對于艦船人員的應(yīng)急疏散具有非常大的影響，因而，直接照搬國外的研究成果并不能徹底解決國內(nèi)艦船人員疏散中存在的問題[3]。

當(dāng)前我國在人員疏散領(lǐng)域已經(jīng)取得了非?？上驳某晒@主要體現(xiàn)在對于固定建筑的人員疏散研究，如體育館、大型商場、車站等[4]，但是對于艦船人員疏散領(lǐng)域的研究仍然較少。海上艦船空間結(jié)構(gòu)設(shè)計同陸地上的建筑具有非常大的差異，而且一旦出現(xiàn)事故，由于一般事發(fā)時艦船都處于離陸地較遠的位置，如何進行合理疏散和撤離，對于挽救船員生命都具有非常重要的意義。本文在充分借鑒現(xiàn)有的人員疏散理論基礎(chǔ)上，提出一種基于Agent的面向艦船人員的應(yīng)急疏散模型，并在此基礎(chǔ)上進行仿真，充分考慮艦船結(jié)構(gòu)特征及人員的屬性特征，對于艦船的人員應(yīng)急疏散具有非常重要的指導(dǎo)作用。

1基于Agent艦船人員疏散模型

1.1　艦船及人員特點

在艦船人員疏散模型中，其本質(zhì)上是一個動態(tài)的行為過程，艦船上的人員作為這一行為過程的主體，在很大程度上受到所在艦船這一特殊的環(huán)境所影響，因而對于艦船人員應(yīng)急疏散模型中所需要研究的對象則包括了艦船結(jié)構(gòu)特征及艦船人員在這種環(huán)境下的一些特定行為。艦船作為一個載體，構(gòu)造了一個特殊的環(huán)境，這個環(huán)境在潛移默化中影響艦船人員的心理，而這些心理上的影響會在人員應(yīng)急疏散中表現(xiàn)出來。艦船結(jié)構(gòu)的不同及人員之間的差異，會導(dǎo)致艦船人員疏散過程中表現(xiàn)不同，具有非常大的隨機性和偶然性，但在某種程度上也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。因而在建立人員應(yīng)急疏散模型前，需要研究艦船結(jié)構(gòu)以及艦船人員特征。

艦船結(jié)構(gòu)對于應(yīng)急疏散有非常大的影響，艦船的基本結(jié)構(gòu)同陸地上的建筑具有一些類似性，但又不完全相同，比如在艦船艙室設(shè)計上很多地方就借鑒了建筑中的一些設(shè)計。而差異性則體現(xiàn)在艦船上一些特殊的地方，如艦船上設(shè)置有水密艙壁，這主要是為了保證艦船的抗沉性。并且在整體設(shè)計上要求盡量對稱，保證船體的質(zhì)量分布均勻。同時對于艦船而言，為了最大程度保證艦船安全，燃油艙、彈藥艙等更注重防火設(shè)計，并且這些設(shè)計都要符合相關(guān)的法規(guī)要求，實現(xiàn)垂直方向的有效隔離。

艦船人員會因為所處的社會環(huán)境地位、生理、心理等方面不同，在艦船遇到緊急情況需要進行疏散時會產(chǎn)生不同的反應(yīng)。同時根據(jù)相關(guān)的研究結(jié)果，性別對于疏散也具有非常大的影響。通常來說，女性在遇到緊急情況時反應(yīng)會比男性慢，在疏散過程中容易產(chǎn)生緊張以及恐懼心理，在遇到一些外在的危險因素時常常表現(xiàn)的不知所措。而男性在疏散中行動更為迅速，移動速度快，并且在經(jīng)歷過最初的緊張過后，往往能夠快速的冷靜下來，并且能夠積極的采取自救措施。在行動能力上男性比女性要強很多，身體素質(zhì)相對較強。另外，未成年人和成年人在疏散中的表現(xiàn)也具有很大差異，成年人隨著年齡的增加，生活閱歷非常豐富，在遇到緊急情況時可以迅速的反應(yīng)過來，而未成年人則容易出現(xiàn)慌張和恐懼，延緩了疏散過程。青年人容易沖動，在遇到危險時非常容易采取最直接的措施，同時其體力比較好，因而在疏散過程中容易對其他人造成重裝，因而造成疏散過程混亂，使得疏散的時間大大增加。老年人由于閱歷豐富，因而會進行思考，然后再進行行動，但是同時需要考慮到老年人的體力以及身體狀況問題。通過以上的分析可以得知，艦船人員的性別、年齡、生活閱歷等都會影響應(yīng)急疏散的過程，同時，教育背景以及心理因素等也會對疏散過程造成影響，在此不一一進行贅述[5]。

1.2　疏散模型

基于Agent的建模方法可以讓環(huán)境屬性同個體行為有效的結(jié)合起來，并且使得個體能夠在系統(tǒng)中具有自主的行為，因而可以認為Agent是一個能夠?qū)崿F(xiàn)特殊環(huán)境的系統(tǒng)。根據(jù)Agent建模理論，可以將艦船疏散模型劃分為以下幾個子模型：

1)艦船空間子模型

艦船空間子模型主要涉及的問題是通過何種方式來表達船舶的空間。有一種柵格法通過將所在的環(huán)境和空間劃分成形狀和大小都相同的規(guī)則六邊形或者四邊形，這樣雖然也能很清晰地表達出所在的空間信息，但所表達的空間則限制了疏散人員的運動方向，艦船人員只能在事先定義好的路線上行動，同時也無法研究個體大小對于疏散效果的影響。而采用傳統(tǒng)的拓撲方法無法模擬人員在所表達的空間中的流動，無法表達出一個完整的空間幾何信息，因而也無法模擬出艦船各個艙室中的人員的行為動作信息。

在船舶內(nèi)部，將其空間劃分為若干個小的空間(艙室以及走廊)，如圖1所示。艦船的空間共劃分為E1，E2，E3，E5，E6，E7六個艙室，E4為走廊，走廊同各個艙室之間的門分別命名為eijk，其中，i為艙室的編號，j為走廊的編號(取值為4)，k為門的編號(取值為1或者2)。

圖1　船舶空間子模型Fig.1　Shipping space model

2)人員屬性子模型

如前所述，人員屬性對于艦船應(yīng)急疏散也有非常大的影響，作為應(yīng)急疏散的主體，本文中主要考慮艦船人員的年齡、性別、速度、位置、心理素質(zhì)等對于應(yīng)急疏散的影響。在本文中所指的速度是指艦船人員在單位時間內(nèi)所能移動的距離，速度直接決定了艦船應(yīng)急疏散完成的時間以及發(fā)生擁擠的位置。

3)人員行為子模型

如圖2所示為人員行為子模型的結(jié)構(gòu)圖。在艦船人員疏散中，單個的Agent需要感知艦船環(huán)境中的具體情況，然后根據(jù)自身的屬性來選擇一個合適的方法來行動。在這里規(guī)定出每個Agent都將以最終目標(biāo)——集合地點來進行決策行動，由于單個Agent的自身屬性特點以及受到環(huán)境影響，使得艦船人員在短期內(nèi)會確定一個目標(biāo)，然后當(dāng)實現(xiàn)這個短期目標(biāo)后，再根據(jù)當(dāng)時的環(huán)境情況來確定下一個目標(biāo)，直至最終所有的Agent到達集合地點。在這個過程中，單個的Agent需要對集合地點的方向進行確認，對出口的方向、目標(biāo)的距離等進行調(diào)整，并且修改自身的行為決策。

圖2　人員行為子模型Fig.2　Personnel behavior model

在本文體重模型中，對于人員的移動速度需要作如下定義：

Vmax=VM×c，

VF×c。

式中：VM為男性的基本速度；VF為女性的基本速度，根據(jù) HSVA Report中的相關(guān)說明；c為速度影響因子，這個影響因子和艦船橫向和縱向2個方向的速度有關(guān)，當(dāng)橫向和縱向的速度同時存在時，取數(shù)值最小的影響因子作為最終的影響因子。

2仿真研究

根據(jù)前述所提出的模型，建立符合艦船以及人員特點的仿真模型，使用計算機技術(shù)來實現(xiàn)艦船人員疏散的仿真，具有成本低、可重復(fù)等優(yōu)點。

為了實現(xiàn)對疏散系統(tǒng)進行仿真，疏散系統(tǒng)主要由前處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、圖形處理模塊及結(jié)果顯示模塊4部分組成。其具體組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。首先使用OpenGL幾何內(nèi)核來建立艦船三維模型，由于Matlab的計算能力卓越，因而使用Matlab來實現(xiàn)對仿真系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行處理。在顯示上，使用VC++來進行軟件界面的開發(fā)，然后通過在VC++內(nèi)提供的接口來實現(xiàn)對Matlab處理結(jié)果的調(diào)用。

圖3　艦船人員疏散仿真系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)框圖Fig.3　Ship personnel evacuation simulation system module　structure diagram

使用仿真系統(tǒng)可以模擬根據(jù)建立的艦船模型中人員的疏散過程，并且可以對疏散的路徑進行規(guī)劃，同時可以查看更換出口后的疏散效果。圖4是使用仿真系統(tǒng)所得到的仿真結(jié)果。在圖中從E1~E7的每個艙室中，人數(shù)分別為50人，45人，20人，20人，45人，20人。

圖4　仿真結(jié)果Fig.4　The results of simulation

同時，可以通過仿真系統(tǒng)計算出從開始疏散時到疏散完成所需要的時間，進而可以通過改變疏散路線或者改變仿真中人群的比例、各個艙室中的人數(shù)以及人員的屬性等條件來進一步研究這些參數(shù)對艦船疏散所產(chǎn)生的影響。在本文所設(shè)置的參數(shù)下，E1艙室到達預(yù)訂的集合地點所需要的時間最長，并且在船體沒有傾斜的情況下，到達集合地點的時間為560 s，在疏散過程中，在走廊以及出口處均出現(xiàn)排隊現(xiàn)象。

3結(jié)語

本文提出了一種基于Agent模型的面向艦船人員的應(yīng)急疏散系統(tǒng)，在充分考慮到艦船上人員以及艦船的結(jié)構(gòu)特點，建立了艦船的空間子模型、人員屬性子模型以及人員行為子模型，最后使用VC++以及Matlab等建立了仿真系統(tǒng)，對艦船人員應(yīng)急疏散進行了仿真，在船體沒有傾斜的情況下，到達集合地點的時間為560 s。

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The ship personnel system for emergency evacuation simulation

TIAN Ping

(Shandong Jiaotong Administratiors Institution,Jinan 250031,China)

Abstract：The ship accidents, and relative to the building ships with its own characteristics. For ship evacuation process is filled with many uncertainty factors, with the ship′s structure and properties has much to do. This paper proposes a model based on Agent for ship personnel emergency evacuation system, personnel on fully considering the ship and the ship′s structure characteristics, the establishment of a ship space sub models, attribute submodel and personnel behavior model, finally using VC++ and Matlab simulation system is established, and has carried on the simulation for ship personnel emergency evacuation, to ship evacuation plan design and the crowd evacuation management provide the basis and the reference.

Key words：evacuation system;the agent;ships;system simulation

作者簡介：田萍( 1980 - ) ，女，碩士，講師，研究方向為計算機科學(xué)與技術(shù)。

收稿日期：2014-05-23； 修回日期： 2014-11-13

文章編號：1672-7649(2015)02-0192-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.043

中圖分類號：TP391

文獻標(biāo)識碼：A