房斯明，劉正江，王新建，周翔宇

(大連海事大學 航海學院，遼寧 大連 116026)

近些年來不時發(fā)生的客滾船舶海難事故，使得航運業(yè)逐漸關(guān)注客滾船舶的人員疏散問題，2016年，國際海事組織海上安全委員會在其第96次會議上發(fā)布了《新造客船和現(xiàn)有客船疏散分析修訂指南》(以下簡稱《指南》)[1]，旨在鼓勵成員國利用《指南》中所提供的場景和參數(shù)開展疏散實驗，分析疏散結(jié)果和評估疏散過程，優(yōu)化現(xiàn)有的客船布置，為船舶人員疏散提供更有效的建議和科學的指導。相對于陸地和建筑物而言，船舶人員疏散的研究起步較晚[2]，相關(guān)的研究局限于人員速度、疏散路徑和船舶布置等方面，較少考慮人員行為對疏散過程的影響[3-4]。針對這一問題，以大連海事大學教學實習船“育鯤”輪為研究對象，在疏散過程中加入不同比例的人員折返行為，仿真模擬分析對疏散效率的影響。

1 實驗參數(shù)設置

1.1 折返人員比例設置

由于大型船舶的乘客往往都是臨時性人員，對所乘坐的船舶構(gòu)造不熟悉，因無法找到正確安全出口而出現(xiàn)折返行為；同時，逃生者會因遺留貴重物品或與親人走散，也會出現(xiàn)折返現(xiàn)象；船員作為疏散過程中的領(lǐng)導者，會因為組織或業(yè)務上的需求與行人流方向產(chǎn)生不協(xié)調(diào)的行為，也可將其列為折返行為。根據(jù)其他領(lǐng)域緊急情況時人員疏散行為調(diào)查的結(jié)果顯示，約有25%的人員可能會因為貴重物品選擇折返，約有84%的人會選擇折返救助家人[6-7]。而相比較其他交通領(lǐng)域內(nèi)的人員疏散，船上人員因為乘坐時間長，攜帶物品多和有固定居住艙室等特點，折返人員的比例往往高于地鐵等其他交通工具，因此，將折返比例分別設置為10%、20%、30%、40%和50%。

1.2 實驗場景介紹

以大連海事大學教學實習船“育鯤”輪的游步甲板為主要研究區(qū)域，其作為連接學員房間最近的一層擁有外部走道的甲板，除了包含學生餐廳、教室等公共區(qū)域，還包含若干船員艙室，是全船疏散過程中最重要的一層甲板，游步甲板布置見圖1。由于該層甲板通常會聚集較多的人員(吃飯、上課、開會等)，考慮其布置的特殊性，在該層考慮折返行為能比較客觀地反映出對船舶整體疏散的影響[8]。

游步甲板上餐廳一和餐廳二最大容納人數(shù)分別為104人和103人，2個教室容納人數(shù)分別為36人。出口1、2、3處的樓梯可通往救生艇甲板，因此，在游步甲板的疏散實驗中，以這3個樓梯為出口，穿過樓梯即視為從該層疏散成功，其中出口1、2是單跑樓梯，寬度為80 cm；出口3是剪刀式樓梯，寬度為180 cm。

采用《指南》提出的場景case 2，此時人員主要分布于公共區(qū)域內(nèi)，并且需要全船疏散。

1.3 模型參數(shù)設置

考慮船舶的定員問題，結(jié)合實際的船舶實習人員男女比例，假設疏散場景總?cè)藬?shù)155人，包含140名男生和15名女生。人員年齡段分布在18～25歲，依據(jù)《指南》指導的速度公式(1)、(2)得到女生的速度范圍在[1.3 m/s,1.385 m/s]區(qū)間內(nèi)，男生速度范圍在[1.53 m/s,1.6 m/s]區(qū)間內(nèi)，且均按照正態(tài)分布。

圖1 游步甲板布置

speed(male)=

(1)

speed(female)=

(2)

人員有初始位置分布于2個餐廳100人、2個教室35人，以及舷外20人。當正常疏散時，人員直接走向出口，而折返行為需要返回至折返區(qū)域后再進行疏散?？紤]到實驗的真實性和人員安全問題，將折返區(qū)域設置在空間較大的餐廳區(qū)域，折返區(qū)域是一個半徑為1 m的圓，位于餐廳一和餐廳二交界處，具體人員分布和行人流向見圖2。

圖2 實驗人員分布和主要行人流向

圖2中給出的虛線箭頭為主要的行人流向。不同折返比例下各房間的正常疏散人員和折返人員數(shù)量見表1。

表1 不同折返比例下的各位置折返人員的數(shù)量

2 結(jié)果與分析

(3)

(4)

(5)

表2 不同折返比例下的實驗結(jié)果

為了更加細致地對比不同折返人員比例對疏散時間的影響，根據(jù)不同折返比例下的實驗數(shù)據(jù)，繪制未疏散人數(shù)和疏散時間的曲線見圖3。

圖3 不同折返比例在各時刻未疏散的人數(shù)

當無人員折返時，該層甲板的疏散時間t0%為51.5 s，此時未疏散人數(shù)與疏散時間曲線接近于一條直線，說明疏散效率比較穩(wěn)定。加入人員折返行為后，疏散時間、人均疏散時間和人均擁堵時間都相較于正常疏散有明顯的增大。當有10%人員折返時，疏散時間t10%比t0%增加了82.5%；當折返人員增加至30%以上時，疏散時間t40%較t30%再次有一個大的增加量(21.7 s)。當折返人員比例為50%時，此時未疏散人數(shù)與疏散時間再次接近一條直線，這種情況下由于折返人員數(shù)量較多，當他們再次到達出口時，正常疏散人員已經(jīng)完成疏散，所以疏散效率再次穩(wěn)定，但是相比于無折返行為，疏散效率降低了約56.5%。

由于船尾處的出口1距中間的公共區(qū)域比較遠，根據(jù)就近選擇出口原則，只有少量位于舷邊走廊的人會選擇該出口進行疏散，大多數(shù)人還是選擇較近的出口2、3為疏散出口，導致在出口2、3的附近產(chǎn)生嚴重的擁堵現(xiàn)象。為了更好地描述各時刻的擁堵情況，以出口2、3附近走廊上的人數(shù)為參數(shù)，構(gòu)建出口2和3附近的走廊人數(shù)隨時間變化的見圖4。

圖4 各折返比例下出口2和出口3附近走廊內(nèi)的人數(shù)

當走廊區(qū)域人數(shù)越多，表明擁堵程度越嚴重。相比較出口3，出口2距離人數(shù)較多的餐廳更近，且通往出口2的走廊和樓梯(即出口)寬度更窄，所以當正常疏散至10 s左右時，出口2附近擁堵較為嚴重，此時會有部分疏散者為了避免擁堵等待而選擇出口3進行疏散，導致?lián)矶卢F(xiàn)象蔓延到出口3周圍，見圖4a)。但由于出口3作為主通道，其樓梯寬度是其他出口樓梯的2倍，因此，其走廊內(nèi)的人員數(shù)量下降速度明顯比出口2走廊處快，擁堵現(xiàn)象也在較短時間內(nèi)得以緩解。

當折返人員加入后，由于運動方向的不一致，會使得2個出口處的擁堵現(xiàn)象變得更加嚴重，且持續(xù)時間更長。當折返人員比例達到30%及以后，不僅在出口2處有很大的疏散壓力，見圖4d)、e)、f)，出口3附近的走廊人數(shù)也急劇增加，并且隨著折返人員比例增加，該處擁堵的持續(xù)時間也隨之增加。圖4e)表明，當折返人員比例為40%時，出口3的峰值人數(shù)達到了48人，是無折返時峰值的2倍，也是幾種情況中最大值，同時出口2處的峰值也達到了幾種情況中的最大值，為56人，比無折返時增加了24%。通過分析圖4f)，當折返比例為50%時，擁堵的嚴重程度比40%折返時有所緩和，此時折返人數(shù)眾多，疏散人員為了避開在走廊區(qū)域內(nèi)的人數(shù)，從而選擇穿過教室或繞行舷邊走廊，同時也解釋了在這種情況下，表2所示的疏散時間的增加量(t50%-t40%)也比其他相鄰情況少的現(xiàn)象。

3 實驗優(yōu)化

圖5 優(yōu)化后的布置和新增行人流向

表3 優(yōu)化后的實驗結(jié)果

優(yōu)化后的布置加入折返行為后，疏散效果得到改善，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，繪出不同時刻下各比例折返實驗中成功疏散人數(shù)的曲線見圖6。

在分析中，加入不同比例下的正常疏散人數(shù)基準線，發(fā)現(xiàn)當成功疏散人數(shù)未達到正常疏散人數(shù)時，優(yōu)化后的曲線斜率明顯大于優(yōu)化前，說明疏散速率較之前有明顯加快；而當正常疏散的人員都已成功疏散后，疏散曲線接近平行，說明優(yōu)化后，對這部分人員的疏散效率沒有太大影響。

隨著折返比例增加，優(yōu)化布置后的疏散時間隨之減少，尤其當折返比例為40%時，優(yōu)化后的疏散時間減少量最多，為37.5 s，見圖6e)，且人均擁堵時間比30%時還縮短了0.51 s。這是由于優(yōu)化前出口2、3附近的擁堵最嚴重，而優(yōu)化后減輕了出口2、3的疏散壓力，從而縮短了人均擁堵時間，緩解了擁堵程度。

圖6 布置優(yōu)化前后的各折返比例下的實驗結(jié)果

4 結(jié)論

在船舶疏散中加入人員折返行為后，實驗模擬的疏散過程更加貼近現(xiàn)實。同時發(fā)現(xiàn)疏散效率并不是隨著折返比例的增加而降低，而是當折返比例達到40%時，出口處的擁堵現(xiàn)象最為嚴重，疏散效率最低。通過觀察實驗過程，在適當?shù)奈恢锰幮略龀隹诤?，疏散效率明顯提高，各項疏散指標均有較大的優(yōu)化。

實驗沒有充分考慮船舶運動狀態(tài)(橫搖、縱搖等)對人員的影響，這將在以后的工作中進一步完善。