金 雁， 王欣宇

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院， 湖北 武漢430063)

0 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)，人民生活水平提高，旅游業(yè)發(fā)展旺盛，客船作為重要的水上交通工具，乘載大量旅客，其安全性至關(guān)重要。自航運(yùn)誕生之初，客船的重大事故屢見不鮮，相對封閉的艙室、復(fù)雜的通道、有限的逃生路線、擁擠的出口、復(fù)雜的設(shè)備等等，極大地限制了人群疏散效率。在船舶設(shè)計中，合理有效的通道布置能夠大幅提升人群疏散效率，保障乘客的人命安全[1]。

目前，關(guān)于人群疏散的研究通常集中于陸地建筑內(nèi)，針對船舶人群疏散的研究較少。在船舶設(shè)計中，客船通道布置基本是在符合《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》[2](后文簡稱《法規(guī)》)要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計的，不會專門建立人群疏散模型輔助船舶設(shè)計。國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)逐步開展船舶疏散模型的研究，但是研究相對初步，試驗(yàn)數(shù)據(jù)不足；國外發(fā)達(dá)國家的船舶人群疏散研究起步較早，已研制出幾款仿真軟件，美中不足是對不同場景的適用性、移植性較低。本文基于元細(xì)胞自動機(jī)原理，建立120客位旅游客船4種通道布置的人群疏散模型，分析模擬結(jié)果，得到優(yōu)化的通道布置方案。

1 人群疏散模型構(gòu)建

1.1 擴(kuò)展元細(xì)胞自動機(jī)原理

基于元細(xì)胞自動機(jī)原理，在MATLAB軟件中建立人群疏散模型。元細(xì)胞自動機(jī)采用離散的時間、空間、狀態(tài)，元胞個體狀態(tài)的演變僅與其當(dāng)前狀態(tài)及其某個局部鄰域的狀態(tài)有關(guān)，其能夠模擬具有時空特征的復(fù)雜動態(tài)模型。該仿真原理提供一種開放式的框架模型，這個框架不必是剛性的，而是依照情況考慮的模擬思路[3]。本文根據(jù)船舶固有特點(diǎn)和人員固有屬性擴(kuò)展細(xì)胞自動機(jī)模型。

(1) 隨機(jī)規(guī)則。在自然系統(tǒng)中，事物變化有一定的隨機(jī)性。在本文建立的人群疏散模型中，每個人的移動總是向更接近出口的方向，這是人移動的核心趨勢。在保證核心移動趨勢不變的情況下，每個人的方向選擇、路徑選擇和判斷順序都是隨機(jī)的。每次進(jìn)行模擬的人群疏散路線都不相同，符合現(xiàn)實(shí)人群疏散的特點(diǎn)。

(2) 單位人員的元胞數(shù)。傳統(tǒng)的元細(xì)胞自動機(jī)模型模擬人群疏散，通常用1個元胞模擬1個疏散人，而元細(xì)胞自動機(jī)模型中的最小單位就是元胞，這導(dǎo)致有些寬度較小的事物在元細(xì)胞自動機(jī)模型中的寬度與人的寬度一致，模擬結(jié)果偏離真實(shí)情況。本模型采用9個元胞組合模擬1個人，組合方式如圖1所示。

圖1 單個人元胞模擬圖

(3) 人員屬性。在實(shí)際船舶人群疏散時，疏散人員具備不同的屬性，年齡、性別和身體狀況等人員屬性直接影響疏散速度[4]。根據(jù)人員屬性將人群分成3個不同的群體，各個群體的最大移動速度互不相同。在該人群疏散模型的1個時間步內(nèi)：代表健康成年人的第一類人員移動速度最大為3格，占總?cè)藬?shù)的70%；代表老人和幼兒的第二類人員移動速度最大為2格，占總?cè)藬?shù)的20%；代表行動不便的第三類人員移動速度最大為1格，占總?cè)藬?shù)的10%。

不同群體的最大移動速度不同，體現(xiàn)在元細(xì)胞自動機(jī)中則是元胞的鄰域不同，如圖2所示。

圖2 人員元胞鄰域示例

(4) 雙層客船的人群疏散。雙層客船有兩層載客甲板，涉及兩層甲板間的人員流動。在建立雙層客船人群疏散模型時，不但要模擬兩層甲板乘客分別通過外部走道向安全區(qū)域的疏散，還要模擬兩層甲板之間的人群流動。

1.2 旅游客船疏散模型構(gòu)建

該120客位旅游客船作為常見的內(nèi)河客運(yùn)船舶，具有人員密集、座椅眾多、通道和出口寬度有限等特點(diǎn)。直通兩層甲板的內(nèi)部旋轉(zhuǎn)樓梯增加了人群疏散時的復(fù)雜程度，極大限制了人群疏散效率，疏散過程中不確定因素很多，有必要對該客船進(jìn)行人群疏散模擬。

本模型主要由靜態(tài)模型和動態(tài)模型兩個模型組成，兩個模型按照一定規(guī)則組合，共同完成人群疏散模擬。建模流程如圖3所示。

圖3 旅游客船疏散模型構(gòu)建流程

1.2.1 靜態(tài)模型

靜態(tài)模型模擬的是元胞恒定不變的性質(zhì)，搭建靜態(tài)模型就是建立網(wǎng)格空間并給空間內(nèi)每個元胞賦值的過程。根據(jù)表1的《中國成年人人體尺寸(GB 10000-1988)》[5]，本模型設(shè)疏散人群平均肩寬360 mm，人員由9個元胞組成，為3×3網(wǎng)格排列，可知單位網(wǎng)格邊長為1/3平均肩寬，網(wǎng)格寬120 mm。

表1 成年人肩寬數(shù)據(jù)

1.2.2 動態(tài)模型

動態(tài)模型以靜態(tài)模型為基礎(chǔ)，在靜態(tài)模型網(wǎng)格矩陣上進(jìn)行區(qū)域劃分和規(guī)則制訂。動態(tài)模型運(yùn)行基礎(chǔ)流程如圖4所示。

圖4 動態(tài)模型基礎(chǔ)流程

動態(tài)模型由多個子模塊共同組成，子模塊協(xié)同工作。子模塊如下：

(1) 檢測鄰域完整性。該子模塊可檢測上、下、左、右等4個鄰域的完整性。從其中1個鄰域內(nèi)靠近人員的元胞開始，逐層向外檢測可移動范圍，確定人員中心點(diǎn)所能達(dá)到的預(yù)移動坐標(biāo)。

(2) 計算最小的人與門間距。得到4個方向的預(yù)移動坐標(biāo)后，對比分析其與區(qū)域出口的距離，得到與該區(qū)域出口距離最小的預(yù)移動坐標(biāo)。

(3) 排除當(dāng)前人員坐標(biāo)。在人群疏散模擬中，人員可能因?yàn)檎系K物等原因?qū)е履骋环较蝾A(yù)移動坐標(biāo)與當(dāng)前人員坐標(biāo)重合，同時該方向預(yù)移動坐標(biāo)與門的距離是各個方向預(yù)移動坐標(biāo)與該區(qū)域出口距離中的最小值，那么人員可能連續(xù)幾個時間步內(nèi)靜止在原地，或是在某2個位置間往復(fù)移動，不能進(jìn)行正常疏散移動。為了避免這種情況，該子模塊可以在統(tǒng)計各方向預(yù)移動坐標(biāo)時，自動排除當(dāng)前疏散人員的坐標(biāo)，防止靜止和往復(fù)運(yùn)動。

(4) 隨機(jī)選擇。當(dāng)人員多個方向的預(yù)移動坐標(biāo)與門的距離相同，且這個距離是最小的人與區(qū)域出口距離時，該子模塊會隨機(jī)決定其中一個方向，讓疏散人員移動至該方向預(yù)移動坐標(biāo)。

(5) 進(jìn)出旋轉(zhuǎn)樓梯。該旅游客船具有雙層甲板，在人群疏散過程中，兩層甲板通過旋轉(zhuǎn)樓梯產(chǎn)生人員流動。首先規(guī)劃出旋轉(zhuǎn)樓梯入口處的判定點(diǎn)，當(dāng)人員處在判定點(diǎn)上，同時旋轉(zhuǎn)樓梯內(nèi)部入口處有足夠的空間時，即可進(jìn)入旋轉(zhuǎn)樓梯內(nèi)部走道的入口處。同樣地，離開旋轉(zhuǎn)樓梯也是相同的判斷方法。進(jìn)入內(nèi)部走道后，人員的移動速度自動降低1格/步。第三類疏散人員移動速度只有1格/步，所以移動速度不改變[6]。

(6) 動畫演示。在人群疏散模型運(yùn)行過程中，每一時間步后該子模塊都會將整個矩陣圖像刷新并顯示出來，可以讓設(shè)計人員直觀地觀察到模型運(yùn)轉(zhuǎn)情況和人員疏散路徑。該子模塊還根據(jù)網(wǎng)格中元胞性質(zhì)，賦予網(wǎng)格相應(yīng)顏色。每一時間的圖像呈現(xiàn)后，會有0.1 s的延遲，然后再更新到下一個時間步的圖像，多個時間步的圖像連續(xù)呈現(xiàn)形成人群疏散動畫演示。

2 旅游客船通道布置方案

120客位旅游客船人群疏散模型能模擬常規(guī)通道布置方案的人群疏散，但是由于缺乏同類型數(shù)據(jù)的對比分析，無法進(jìn)行旅游客船通道優(yōu)化研究。為得到優(yōu)化的通道布置方案，有目的地建立多個合理的通道布置方案，對比分析多個通道布置方案的人群疏散模擬結(jié)果來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。

2.1 常規(guī)通道布置方案

120客位旅游客船通道布置沒有考慮人群疏散效率，主要是滿足《法規(guī)》最低要求進(jìn)行設(shè)計，這種設(shè)計方式在當(dāng)今船舶設(shè)計中較為常見，稱為常規(guī)通道布置方案。為區(qū)分幾種通道布置方案，簡稱“圖們江復(fù)航客船常規(guī)通道布置方案”為“A方案”。

2.1.1 通道方案

復(fù)航客船A方案通道布置示例如圖5和圖6所示。

圖5 A方案主甲板通道布置示例

圖6 A方案駕駛甲板通道布置示例

2.1.2 人群疏散模擬

依據(jù)A方案的各設(shè)施與人員肩寬的比例關(guān)系，分別在模型中構(gòu)建各設(shè)施網(wǎng)格，組成疏散區(qū)域模型矩陣，建立靜態(tài)模型，并劃分動態(tài)模型網(wǎng)格區(qū)域，載入各動態(tài)模型子模塊，模擬人群疏散。A方案靜態(tài)模型模擬圖如圖7和圖8所示。在A方案駕駛甲板通道布置模擬圖中，右上方黑色矩形框?yàn)樾D(zhuǎn)樓梯內(nèi)部走道模擬圖。為便于示意，各甲板布置方案的旋轉(zhuǎn)樓梯內(nèi)部走道模擬圖放置在駕駛甲板通道布置模擬圖右側(cè),與旋轉(zhuǎn)樓梯實(shí)際布置方位無關(guān)。各通道布置方案模擬圖中，橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)單位均為元細(xì)胞個數(shù)。

圖7 A方案主甲板通道布置模擬圖

圖8 A方案駕駛甲板通道布置模擬圖

運(yùn)行A方案人群疏散仿真模型1 000次，得到人群疏散情況，模擬結(jié)果如表2所示。

表2 A方案疏散步數(shù) 步

根據(jù)A方案人群疏散模擬結(jié)果可知，最大疏散步數(shù)是259步，較平均疏散步數(shù)218.658步多40.342步，說明在人群疏散模擬過程中，可能會因?yàn)槟承╇S機(jī)因素導(dǎo)致人群疏散效率明顯低于該通道布置的平均疏散步數(shù)。同時，最大疏散步數(shù)與最小疏散步數(shù)相差76步，占平均疏散步數(shù)的34.76%，該型通道布置疏散能力不穩(wěn)定，仍有較大的提升空間。

2.2 不同通道布置方案

由于利用常規(guī)的通道布置方法設(shè)計的A方案不具備良好的人群疏散效率，本文在A方案的基礎(chǔ)上修改通道布置，得到多個新的通道布置方案，并模擬新增方案人群疏散，對模擬結(jié)果進(jìn)行對比、分析。

2.2.1 通道方案

本文增設(shè)B、C、D等3種通道布置方案。該3種通道布置在不改變旅游客船其他要素的前提下，盡可能提高船舶的人群疏散效率。座椅規(guī)格、座椅間距、座椅與通道間距、通道寬度、出口數(shù)目及寬度等布置均滿足《法規(guī)》相關(guān)要求。

(1) B方案。主甲板通道布置與A方案相同。在駕駛甲板通道布置中，將原本位于客艙首部的橫向通道移至客艙尾部，相應(yīng)的客艙出入口也移至尾部的橫向通道兩端。新的橫向通道布置于旋轉(zhuǎn)樓梯兩側(cè)，直通客艙外部舷側(cè)走道，縮短駕駛甲板的人群在疏散過程中經(jīng)過舷側(cè)走道的路程，對提高復(fù)航客船人群疏散效率有利。B方案駕駛甲板布置如圖9所示。

圖9 B方案駕駛甲板通道布置示例

(2) C方案。在人群疏散時，客艙尾部橫向通道是主要的疏散通道，會有大量人群經(jīng)過。位于客艙尾部的旋轉(zhuǎn)樓梯可能會阻礙人群疏散，產(chǎn)生排隊(duì)、擁堵等現(xiàn)象，故將旋轉(zhuǎn)樓梯從主甲板客艙尾部移至中部。為保證座椅與旋轉(zhuǎn)樓梯間保持一定距離，主甲板客艙內(nèi)座椅數(shù)目由78個減少至72個。

由于旋轉(zhuǎn)樓梯的位置改變，駕駛甲板客艙內(nèi)旋轉(zhuǎn)樓梯出入口也由客艙尾部移至首部。為了保證座椅與旋轉(zhuǎn)樓梯間保持一定距離，取消客艙尾部橫向通道，客艙出入口改在縱向通道末端，位于客艙尾部。駕駛甲板客艙內(nèi)座椅數(shù)目由42個增加至48個。C方案如圖10和圖11所示。

圖10 C方案主甲板通道布置示例

圖11 C方案駕駛甲板通道布置示例

(3) D方案。與C方案類似，除將旋轉(zhuǎn)樓梯移至主甲板客艙中部外，還將客艙內(nèi)的橫向走道改在客艙中部，寬度為1.4 m；客艙出入口布置在客艙中部的橫向走道兩端，寬度為1.2 m。該通道布置不僅縮短了舷側(cè)走道的疏散路線，還充分利用旋轉(zhuǎn)樓梯周圍的空位，增加通道寬度，對提高人群疏散效率有利。駕駛甲板通道布置與C方案相同。D方案主甲板通道布置如圖12所示。

圖12 D方案主甲板通道布置示例

2.2.2 人群疏散模擬

同建立A方案人群疏散模型一樣，建立B、C、D方案模型。以B方案為例，其模擬圖像如圖13和圖14所示。

圖13 B方案主甲板通道布置模擬圖

圖14 B方案駕駛甲板通道布置模擬圖

2.3 優(yōu)化的通道布置

建立旅游客船4型通道布置仿真模型，模擬人群疏散。從疏散步數(shù)和疏散穩(wěn)定性兩方面對比分析模擬結(jié)果，得到優(yōu)化的通道布置。

2.3.1 模擬仿真結(jié)果

4型通道布置模擬結(jié)果整理如表3所示。

2.3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

船舶人群疏散效率的衡量標(biāo)準(zhǔn)具有復(fù)雜多面性。在判斷某一通道布置人群疏散效率的好壞時，如果僅對其所耗疏散步數(shù)進(jìn)行分析，那么這種評價方式則是片面的。由于船舶疏散往往是在船舶處于險情等特殊情況下進(jìn)行的，這時常規(guī)人群疏散步數(shù)可能無法反映該通道布置的人群疏散能力。如果某一通道布置的疏散步數(shù)在常規(guī)情況下圍繞平均疏散步數(shù)波動不大，則說明該通道布置方案具有良好的穩(wěn)定性，能大大降低險情發(fā)生時乘船人員承擔(dān)的風(fēng)險。判斷通道布置方案疏散效率優(yōu)劣，需從疏散步數(shù)和穩(wěn)定性兩方面考慮。

表3 4型通道布置疏散步數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù) 步

(1) 疏散步數(shù)。如圖15所示，上方線條代表A方案疏散步數(shù)，明顯位于B、C、D方案疏散步數(shù)柱形圖上，證明A方案疏散所需時間最長。B方案的最小疏散步數(shù)柱形圖與C方案的高度接近，但是其他兩種疏散步數(shù)的柱狀圖都明顯低于C、D方案。僅對比疏散步數(shù)，A方案是最差的通道布置方案，B方案則是最優(yōu)的通道布置方案。

圖15 B、C、D方案人群疏散步數(shù)柱形圖

(2) 穩(wěn)定性。標(biāo)準(zhǔn)差能反映一組數(shù)據(jù)中個體間的離散程度，船舶人群疏散步數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差能夠反映船舶布置的疏散穩(wěn)定性[7]。如圖16所示，代表A方案標(biāo)準(zhǔn)差的線條遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于新增的B、C、D方案標(biāo)準(zhǔn)差柱形圖，A方案標(biāo)準(zhǔn)差過大，疏散效率穩(wěn)定性差。D方案標(biāo)準(zhǔn)差最小，疏散數(shù)據(jù)的離散程度最低，因此D方案人群疏散效率穩(wěn)定。B方案標(biāo)準(zhǔn)差與D方案標(biāo)準(zhǔn)差十分接近，僅相差0.087，僅考慮疏散效率的穩(wěn)定性，這兩種方案相差無幾。選用B方案或D方案，對提升通道布置的人群疏散效率穩(wěn)定性都有突出的改善效果。

圖16 B、C、D方案標(biāo)準(zhǔn)差柱形圖

2.3.3 優(yōu)化的通道布置方案選擇

經(jīng)過以上分析，在B、D兩種方案的疏散穩(wěn)定性相近的情況下，由于B方案具有4種通道布置方案中最佳的疏散步數(shù)，故B方案是相對最優(yōu)的通道布置方案。

3 結(jié)束語

船舶人群疏散不但受到外在環(huán)境布置和內(nèi)在人員屬性、心理等因素的影響，還受到隨機(jī)、突發(fā)偶然事件的威脅。雖然在滿足《法規(guī)》各項(xiàng)要求下進(jìn)行客船總布置設(shè)計得到的通道布置方案能夠具備一定的疏散能力，但是這種常規(guī)布置方案不能保證良好的疏散效果。特別是對于設(shè)備眾多、布置復(fù)雜、載客量大的大型客船，僅按《法規(guī)》最低要求進(jìn)行設(shè)計與布置，人群疏散情況更難把握，當(dāng)險情來臨時，容易危害乘客人命安全。

本文針對某120客位旅游客船的通道布置，運(yùn)用元細(xì)胞自動機(jī)原理建立疏散模型，通過對4型客艙通道布置的模擬結(jié)果進(jìn)行分析，得到了優(yōu)化的通道布置方案，該方法為大型客船通道優(yōu)化布置提供了借鑒。模擬仿真結(jié)果表明：采用人群疏散仿真模型分析人群疏散，優(yōu)化通道布置，有利于提高客船人群疏散效率，保障乘客人命安全。