馬全黨，劉 森，蘇 昂，譚恒濤，謝 娜

（武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院，武漢430063）

客船旅游業(yè)是一個(gè)擁有著巨大發(fā)展?jié)摿Φ男屡d產(chǎn)業(yè)，市場(chǎng)占有量逐年遞增，遠(yuǎn)高于國(guó)際旅游業(yè)的整體發(fā)展水平。但近年來(lái)，由于客船事故頻發(fā)[1]，給行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了巨大的阻礙作用。2014年4月16日，韓國(guó)“歲月號(hào)”客輪沉沒，由于船上工作人員的錯(cuò)誤引導(dǎo)，船上乘客未能及時(shí)逃生，造成了294人死亡、172人受傷的嚴(yán)重后果，在國(guó)際社會(huì)上造成了巨大的消極影響。

經(jīng)過對(duì)近幾年多起水上交通事故的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)秩序、人員心理和外界引導(dǎo)是應(yīng)急疏散的關(guān)鍵因素[2]?，F(xiàn)階段能否面對(duì)突發(fā)情況給予乘客正確的疏散引導(dǎo)，防止二次事故的發(fā)生，提高應(yīng)急疏散效率，成為提高客船安全性與應(yīng)急能力重要問題。

1 客船應(yīng)急疏散系統(tǒng)研究

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均對(duì)疏散裝置進(jìn)行了相關(guān)研究，主要有光閃爍系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)指示系統(tǒng)和消防疏散系統(tǒng)[3]。目前，動(dòng)態(tài)疏散作為研究熱點(diǎn)被廣泛研究，但現(xiàn)有的疏散裝置無(wú)法做到實(shí)質(zhì)上的動(dòng)態(tài)指引，其響應(yīng)速度和適用性尚待提升。幾種疏散裝置的特點(diǎn)及其優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 疏散裝置方法及比較Tab.1 Evacuation devices methods and comparison

文中基于客船應(yīng)急疏散的研究現(xiàn)狀，針對(duì)客船應(yīng)對(duì)突發(fā)情況應(yīng)急能力不足，難以保證船上人員疏散秩序和效率的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種基于多傳感器耦合的客船應(yīng)急疏散系統(tǒng)。信息采集模塊通過慣性傳感器、攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船體空間姿態(tài)和通道內(nèi)部通行狀態(tài)，并連接消防系統(tǒng)監(jiān)測(cè)通道內(nèi)煙、火態(tài)勢(shì)；改進(jìn)當(dāng)量長(zhǎng)度描述疏散通道通行難度，擬合客船疏散網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)急疏散單元，基于圖論思想對(duì)客船疏散網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模塊化分區(qū)，針對(duì)局部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)疏散引導(dǎo)。系統(tǒng)的具體工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理Fig.1 System working principle

在此基礎(chǔ)上，選取典型客船作為實(shí)驗(yàn)船舶，構(gòu)建疏散網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化模型，進(jìn)行模塊化分區(qū)，設(shè)置船舶姿態(tài)參數(shù)與通道障礙因素，基于Visual Studio開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)效果仿真試驗(yàn)，以驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與實(shí)際疏散效果。

2 疏散通道通行狀態(tài)監(jiān)測(cè)

2.1 多傳感器耦合的疏散通道信息監(jiān)測(cè)

文中將船上的消防系統(tǒng)與視頻監(jiān)控模塊、船舶傾斜角度監(jiān)測(cè)模塊有機(jī)結(jié)合，綜合檢測(cè)多種影響因素，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)疏散通道信息。

2.1.1 消防聯(lián)合火勢(shì)監(jiān)測(cè)

船舶發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)，易產(chǎn)生大量的有毒有害氣體，不僅降低疏散通道能見度，還嚴(yán)重威脅船上人員的生命安全。因此，船舶火災(zāi)監(jiān)測(cè)是保障后續(xù)火災(zāi)處理及疏散人群的關(guān)鍵，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火災(zāi)勢(shì)態(tài)信息在引導(dǎo)乘客疏散的過程中具有重要意義。事故發(fā)生時(shí)，船上消防系統(tǒng)通過感煙火災(zāi)探測(cè)器 （型號(hào)HIS07）、感溫火災(zāi)探測(cè)器（型號(hào)SHT10）以及感光火災(zāi)探測(cè)器 （型號(hào)TSL2561）監(jiān)測(cè)不同位置處的光強(qiáng)度、煙霧和溫度等信息，通過A/D轉(zhuǎn)換器將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并傳送到中央控制器進(jìn)行處理。

2.1.2 船體姿態(tài)感知與監(jiān)測(cè)

針對(duì)船舶姿態(tài)檢測(cè)，文中采用具有斜角傳感器與陀螺儀的GY9250-MPU9250姿態(tài)傳感器捕捉船體傾斜姿態(tài)，并實(shí)時(shí)輸入至單片機(jī)處理器，為判斷疏散通道的通行難度提供數(shù)據(jù)支持。為了保證判斷的精準(zhǔn)性，在艏、舯、艉3個(gè)區(qū)域的中線面上分別安裝1個(gè)姿態(tài)傳感器，且船體傾角通過2個(gè)傳感器綜合分析得出。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求，盡可能采取2種傳感器的優(yōu)點(diǎn)，將載體的運(yùn)動(dòng)速度作為判別依據(jù)，以更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合。

當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，為了給預(yù)測(cè)模型數(shù)據(jù)提供一定的數(shù)據(jù)支撐，系統(tǒng)將通過采集傳感器的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行誤差補(bǔ)償，以輸出姿態(tài)角度。船體因碰撞擠壓而變形所導(dǎo)致安裝的傳感器位置扭曲、安裝位置松動(dòng)、被人員或貨物碰觸等情況下，船舶沒有傾斜但個(gè)別傳感器卻捕捉到傾角，錯(cuò)誤判斷船舶姿態(tài)。采用多個(gè)傳感器互相配合工作，就可以有效地避免這一誤判。姿態(tài)傳感器工作原理如圖2所示。

圖2 姿態(tài)傳感器工作原理Fig.2 Attitude sensor working principle

2.1.3 通行狀態(tài)監(jiān)控反饋

通過在通道和交通節(jié)點(diǎn)等處布置一定數(shù)量的紅外攝像頭，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通道內(nèi)的通行狀態(tài)。文中采用“背景前景差分法”對(duì)監(jiān)控中出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，即在監(jiān)控視頻中的相鄰兩幀畫面，通過比較畫面中對(duì)應(yīng)區(qū)域，對(duì)明顯差異部分進(jìn)行數(shù)量識(shí)別和位置標(biāo)注，并作為視頻中檢測(cè)得到的運(yùn)動(dòng)物體。同時(shí)，考慮到船上的主要運(yùn)動(dòng)監(jiān)控對(duì)象是乘客人群，故有必要在識(shí)別算法中標(biāo)注一定的相對(duì)輪廓面積，以進(jìn)一步提高識(shí)別的準(zhǔn)確性。

文中還采用經(jīng)人工標(biāo)注的樣本訓(xùn)練過的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，利用監(jiān)控對(duì)象的區(qū)域特征和監(jiān)控對(duì)象的實(shí)際個(gè)數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)監(jiān)控對(duì)象種類和數(shù)量進(jìn)行較為準(zhǔn)確的計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別，從而計(jì)算得出該處的人群密度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通道內(nèi)通行狀態(tài)，進(jìn)行信息反饋修正。

2.2 改進(jìn)當(dāng)量長(zhǎng)度模型

由于客船工作環(huán)境特殊，影響因素較多，文中典型的通行障礙因素包括船體傾斜、人群擁堵及火災(zāi)。

當(dāng)客船船體傾斜時(shí)，傾斜角度的大小往往會(huì)影響人群的移動(dòng)速度[4]，具體如下：

當(dāng)通道內(nèi)人群密度到達(dá)一定程度時(shí)，極易發(fā)生擁堵、停滯，使人群移動(dòng)速度下降[4]，其函數(shù)表達(dá)為

v=-0.052μ3+0.396μ2-1.074μ+1.311 （6）式中：μ為通道內(nèi)人群密度，基于紅外攝像頭捕捉。

減光系數(shù)對(duì)人員速度的影響系數(shù)[5]為

式中：Kc為減光系數(shù)，1/m。

CO對(duì)人員速度的影響系數(shù)[6]為

式中：ρCO為CO的體積分?jǐn)?shù)，%；t為人接觸CO的時(shí)間。f2（ρCO）=0時(shí)表示人員出現(xiàn)生命危險(xiǎn)，通道禁行。

文獻(xiàn)[7]認(rèn)為煙氣溫度對(duì)人員速度的影響系數(shù)為

式中：Ts為火場(chǎng)溫度；v0為初始移動(dòng)速度。

采用改進(jìn)的當(dāng)量長(zhǎng)度來(lái)描述通道通行難度的大小，具體為

式中：Li為任一通道當(dāng)量長(zhǎng)度；Lij為任一通道實(shí)際長(zhǎng)度。

3 模塊化疏散指示

3.1 模塊化疏散引導(dǎo)

結(jié)合圖論思想，將客船的疏散網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化成通道結(jié)構(gòu)圖，同時(shí)以通道節(jié)點(diǎn)為基本單元將客船通道結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行模塊化分區(qū)，將整個(gè)船舶的疏散網(wǎng)絡(luò)分割為相接的模塊，引入當(dāng)量長(zhǎng)度描述通道通行難度大小，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)處通道狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)顯示并指示當(dāng)前推薦路線，對(duì)船上各區(qū)域人員實(shí)行分區(qū)逐步疏散引導(dǎo)。

在人員應(yīng)急疏過程中，當(dāng)人員到達(dá)任一節(jié)點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)由信息采集模塊評(píng)估節(jié)點(diǎn)附近的火災(zāi)態(tài)勢(shì)、擁擠程度和船舶姿態(tài)等因素對(duì)通道安全的影響，分別計(jì)算整合該節(jié)點(diǎn)處各通道當(dāng)量長(zhǎng)度，并指示推薦方向；當(dāng)人員到達(dá)下一節(jié)點(diǎn)時(shí)，重復(fù)此程序；以此類推，人員每到一節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)將基于實(shí)際情況進(jìn)行指示，直至疏散人員到達(dá)安全區(qū)域。具體疏散流程如圖3所示。

圖3 疏散流程Fig.3 Evacuation flow chart

為避免各模塊獨(dú)立工作、缺乏溝通從而導(dǎo)致提供的最優(yōu)路徑局部安全而整體危險(xiǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了中央控制器，以進(jìn)行整體調(diào)控，且系統(tǒng)在節(jié)點(diǎn)處的通道選擇過程中必須遵循以下2個(gè)原則：

避險(xiǎn)原則避開前方有危險(xiǎn)因素?zé)o法通行的通道；

最優(yōu)原則選擇當(dāng)前滿足避險(xiǎn)原則的當(dāng)量長(zhǎng)度最小的通道。

以典型客船為例，將客船通道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為圖4模型（可以拓展到任意數(shù)量的房間和通道），模擬船上人員緊急疏散流程。當(dāng)客船遭遇突發(fā)情況需要進(jìn)行應(yīng)急疏散時(shí)，船上人員陸續(xù)從房間內(nèi)進(jìn)入通道，到達(dá)推薦最近節(jié)點(diǎn)。以（3.1）為例，可在疏散裝置的引導(dǎo)下到達(dá)下一節(jié)點(diǎn) （3.3），該點(diǎn)有3條通道可選擇，分別通往節(jié)點(diǎn)（3.2），（3.4），（3.5）。 其中，至（3.2）存在危險(xiǎn)因素，至（3.4）及（3.5）通道安全，但（3.5）通往下一個(gè)唯一節(jié)點(diǎn)（3.7）存在危險(xiǎn)因素，則當(dāng)前推薦路線指向（3.4）；以此類推，直到人員到達(dá)救生艇所在點(diǎn)。

圖4 客船結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型Fig.4 Simplified model of passenger ship structure

3.2 多元分級(jí)指示

基于以上研究，文中提出了一種智能疏散單元，該單元由疏散誘導(dǎo)屏、語(yǔ)音播報(bào)器和變向指示燈聯(lián)動(dòng)構(gòu)建而成（如圖5所示），布設(shè)于船內(nèi)交通節(jié)點(diǎn)并輻射周圍幾個(gè)通道，與逃生路徑中的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)，顯示各通道內(nèi)的通行狀態(tài)并在各節(jié)點(diǎn)指示出推薦路線。

圖5 疏散單元工作原理Fig.5 Working principle of evacuation unit

疏散誘導(dǎo)屏為L(zhǎng)ED顯示屏，用于顯示疏散通道的實(shí)時(shí)路況，布設(shè)在各節(jié)點(diǎn)通道路口，面向不同方向的4個(gè)顯示屏可全方位地向乘客指示逃生路徑。LED點(diǎn)陣指示燈可排列成綠、黃、紅等3種圖標(biāo)：綠色圖標(biāo)指示安全通暢的通道；黃色圖標(biāo)指示有阻礙因素或擁堵的通道；紅色圖標(biāo)指示無(wú)法通行的通道。該疏散誘導(dǎo)屏可實(shí)時(shí)顯示該節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)通道的通行情況，有效安撫人員的恐慌心理，保證人群的疏散秩序和效率。

變向指示燈由處理器、路由器、指示燈、應(yīng)急電源組成。路由器接收各通道實(shí)時(shí)信息，處理器控制指示燈的箭頭指向及分級(jí)指示屏的顯示。當(dāng)危險(xiǎn)情況發(fā)生時(shí)，變向指示燈根據(jù)實(shí)時(shí)接收到的信息變換箭頭，指向安全通道，與疏散誘導(dǎo)屏有機(jī)聯(lián)動(dòng)。

語(yǔ)音播報(bào)器安裝在疏散誘導(dǎo)屏、變向指示燈和通道高處，可在危急時(shí)刻提示乘客最優(yōu)路徑，在安撫人群恐慌心理的同時(shí)為無(wú)法獲取視覺指示信息的乘客提供引導(dǎo)。

在人群緊急逃生的情況下，疏散誘導(dǎo)屏實(shí)時(shí)顯示通道內(nèi)的通行情況，變向指示燈以箭頭的形式指向系統(tǒng)判定的最佳逃生方向，兩者相互配合，合理分配疏散通道，再結(jié)合語(yǔ)音播報(bào)器的協(xié)同工作，為船上人員實(shí)時(shí)提供安全可靠的逃生途徑，最大化提高逃生效率。各部分裝置布設(shè)如圖6所示。

圖6 疏散單元裝置的布設(shè)Fig.6 Evacuation unit device layout

4 系統(tǒng)效果仿真驗(yàn)證

選取一艘典型中型客船作為實(shí)驗(yàn)船型?；谠摯唧w參數(shù)，簡(jiǎn)化船上疏散網(wǎng)絡(luò)，建立點(diǎn)—線路徑模型，模擬設(shè)置一小傾角，并在通道上布設(shè)若干障礙因素，進(jìn)行仿真試驗(yàn)分析。

采用Visual Studio對(duì)系統(tǒng)的疏散逃生效果進(jìn)行分析，選擇實(shí)驗(yàn)船舶第3層為典型案例對(duì)該層人員分布和移動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格化建模分析。所選用實(shí)驗(yàn)船舶的具體參數(shù)如下：

上層建筑長(zhǎng)79 m，寬15.5 m；橫向走廊寬1.5 m，縱向走廊寬1.5 m，中廳為12 m×16 m，在通道中設(shè)置若干危險(xiǎn)因素與障礙因素；設(shè)置各房間為4 m×7 m，三等艙每個(gè)房間4人，二等艙每個(gè)房間3人，人員所占網(wǎng)格面積為0.5 m×0.5 m。人員的移動(dòng)均視為橫向—縱向移動(dòng)，移動(dòng)過程中所占網(wǎng)格不重疊。初始狀態(tài)如圖7所示。

基于仿真結(jié)果及過程的分析，優(yōu)化算法結(jié)構(gòu)并調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，最終仿真疏散過程如圖8所示。

圖7 仿真初始狀態(tài)Fig.7 Simulation initial state

圖8 各區(qū)域人數(shù)變化趨勢(shì)Fig.8 Trends in the number of people in each region

疏散開始8.8～32.2 s，房間內(nèi)人員分批依次跑出，進(jìn)入橫向—縱向通道；在約37.6 s，橫向通道出現(xiàn)明顯人群擁堵滯留，進(jìn)入縱向通道的人明顯減小，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行局部引導(dǎo)和資源調(diào)控，約77.2 s人群擁堵得到了較好的疏通引導(dǎo)，后續(xù)人員疏散逐漸趨于平緩，人群整體的疏散過程穩(wěn)定有序的進(jìn)行；452.7 s時(shí)，左側(cè)人員全部疏散完畢，約461.6 s時(shí)右側(cè)人員全部疏散，隨即排隊(duì)準(zhǔn)備登艇。最終疏散效果如圖9所示。

圖9 逃生人數(shù)變化趨勢(shì)Fig.9 Trends in the number of escape students

從仿真試驗(yàn)開始到人員全部疏散完畢，共用時(shí)461.6 s，考慮到船上人員的個(gè)體差異及相互之間的影響，取25%的時(shí)間富余量，即船上人員疏散過程所需時(shí)間為576.25 s。此外，再加上系統(tǒng)的反應(yīng)以及啟動(dòng)的時(shí)間2 min和救生艇釋放所需時(shí)間8 min，從檢測(cè)到事故發(fā)生，到該層人員全部疏散撤離至安全范圍共需20 min，與現(xiàn)階段的研究成果及演習(xí)疏散的效率相比（見表2），明顯提高了客船人員應(yīng)急疏散的效率。

表2 系統(tǒng)仿真疏散效果對(duì)比Tab.2 Comparison of system simulation evacuation effect

5 結(jié)語(yǔ)

利用多傳感器信息耦合和視頻監(jiān)控反饋技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)疏散通道的通行狀態(tài)，基于圖論思想簡(jiǎn)化客船疏散網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行模塊化處理，改進(jìn)當(dāng)量長(zhǎng)度模型優(yōu)化節(jié)點(diǎn)路徑評(píng)估選擇，對(duì)船上人員進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)疏散引導(dǎo)。在Visual Studio開發(fā)平臺(tái)上搭建仿真模型進(jìn)行疏散模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明該系統(tǒng)可有效保證船上人員疏散秩序并進(jìn)行局部疏散資源調(diào)控，可以顯著提高客船人員應(yīng)急疏散效率并防止二次事故的發(fā)生，有力地保障船上人員的生命安全。針對(duì)客船應(yīng)急疏散所提出的全新模塊化疏散理念，對(duì)于提高客船應(yīng)急能力和安全性具有重要的參考意義。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可有效消除客船事故帶給民眾的心理陰影，提高業(yè)界與相關(guān)人員的安全意識(shí)，促進(jìn)客船旅游業(yè)的健康發(fā)展。