程 明副研究員 韓曉蓮

(中國民航大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300300)

0 引言

機(jī)場(chǎng)恐怖襲擊事件是近年民航業(yè)關(guān)注的重要問題。在我國爆炸、槍殺類襲擊事件發(fā)生的可能性低，但恐怖分子選擇刀斧等利刃作為施暴工具的可能性大[1]。3.1 昆明火車站暴恐襲擊事件中，恐怖分子手持長(zhǎng)刀肆意砍殺無辜群眾，造成31 人死亡、141 人受傷[2]。在人群密集區(qū)域，發(fā)生刀斧砍殺類暴恐事件，極易造成短時(shí)間內(nèi)人員大量傷亡，快速疏散人群可有效減少人員傷亡，所以有必要研究航站樓內(nèi)刀斧砍殺類恐怖襲擊發(fā)生時(shí)的旅客應(yīng)急疏散。

在人員疏散模型中，社會(huì)力模型基于人員自身的驅(qū)動(dòng)力建模，可以體現(xiàn)人員移動(dòng)過程中的目的性和自驅(qū)性[3]，適用于開發(fā)人員疏散行為模型。Liu[4]基于社會(huì)力模型，考慮恐怖分子的攻擊行為與行人疏散和避讓行為之間的關(guān)系，建立恐怖襲擊情景下的人員疏散模型；馬占軍等[5]考慮恐怖分子、行人、保安三者之間的交互作用，建立刀斧砍殺情景下人員疏散模型；吳敏等[6]構(gòu)建爆炸情景下某機(jī)場(chǎng)航站樓的行人疏散模型，評(píng)估機(jī)場(chǎng)航站樓不同區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；李天貝等[7]在社會(huì)力模型的基礎(chǔ)上引入恐慌因子和各向異性因子，建立地震場(chǎng)景下的人員疏散模型；李輝鵬等[8]通過引入緊張程度改進(jìn)社會(huì)力模型，建立考慮恐慌影響的高校食堂疏散模型。目前已建立的人為攻擊情景下的人員疏散模型，未考慮恐怖分子在移動(dòng)過程中對(duì)周圍行人的影響，缺乏對(duì)恐怖分子出現(xiàn)位置、砍殺工具類型等影響因素的研究。目前已有的航站樓應(yīng)急疏散研究，大多是基于單一行人智能體的人員疏散模型，缺乏人為攻擊情景下多類型智能體交互的應(yīng)急疏散研究。

因此，本文以某大型機(jī)場(chǎng)航站樓為例，基于社會(huì)力模型建立刀斧砍殺情景下航站樓人員疏散模型，引入最高聚集人數(shù)，研究人員數(shù)量及恐怖分子位置、數(shù)量、砍殺工具類型對(duì)人員疏散的影響，以期得到不同影響因素的作用機(jī)理及影響程度，為機(jī)場(chǎng)預(yù)防及應(yīng)對(duì)刀斧砍殺恐怖襲擊情景提供技術(shù)方案和數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 模型構(gòu)建

1.1 構(gòu)建物理環(huán)境

以某大型機(jī)場(chǎng)航站樓四層值機(jī)大廳的國內(nèi)值機(jī)局部區(qū)域X(面積約為8 600m2，約占四層值機(jī)大廳的1/5)為研究對(duì)象，設(shè)置比例尺“1m=2.03像素”，利用行人庫模塊中的墻、區(qū)域、服務(wù)等組件描繪值機(jī)大廳的墻、休息區(qū)域、值機(jī)區(qū)域、進(jìn)出通道等物理環(huán)境，繪制完成后的2D物理環(huán)境仿真界面，如圖1。

圖1 2D物理環(huán)境仿真界面Fig.1 2D physical environment simulation interface

1.2 社會(huì)力模型

本文基于社會(huì)力模型構(gòu)建刀斧砍殺情景下的人員疏散模型，將行人考慮成受力因子，社會(huì)力模型體現(xiàn)行人自驅(qū)力、行人之間的相互作用力和行人與障礙物之間的相互作用力[9]，如式(1)所示。

(1)

式中：

mi—行人i的質(zhì)量，kg；

為行人指定期望運(yùn)動(dòng)方向和期望速度后，行人按照最短路線移動(dòng)，但行人在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)主動(dòng)避讓行人和障礙物，符合現(xiàn)實(shí)情況。

(2)

式中：

τi—適應(yīng)時(shí)間，s。

1.3 智能體類設(shè)計(jì)

1.3.1 行人參數(shù)及行為邏輯設(shè)計(jì)

(1)行人參數(shù)。行人分為成年男性、成年女性、老年男性、老年女性、兒童5類，參照國際通用標(biāo)準(zhǔn)，將這5類人員比例分別設(shè)置為40%、40%、4%、6%、10%，并分別設(shè)置其舒適速度和肩寬等參數(shù)[10]。

(2)行人行為邏輯。行人正常行為邏輯(如圖2)，行人從航站樓出發(fā)廳門口進(jìn)入，部分行人會(huì)先選擇問詢、等待再值機(jī)；部分行人會(huì)直接選擇值機(jī)，值機(jī)分為人工值機(jī)和自助值機(jī)2部分，值機(jī)完成后，旅客到安檢通道進(jìn)行安檢。

圖2 行人正常行為邏輯Fig.2 The normal behavior logic of pedestrians

恐怖分子出現(xiàn)后行人行為邏輯(如圖3)，首先判斷行人是否存活，若死亡則停留在原地，否則保持正?；顒?dòng)；恐怖分子出現(xiàn)3min內(nèi)，判斷行人3m范圍內(nèi)是否存在恐怖分子，如存在則立即逃跑，否則保持正?；顒?dòng)；3min后，所有存活的行人開始疏散。

(3)恐怖分子j出現(xiàn)3min內(nèi)，時(shí)刻判斷行人i與恐怖分子j之間的距離：

(3)

式中：

pj(t)—t時(shí)刻恐怖分子j所在位置；

qi(t)—t時(shí)刻行人i所在位置。

如果dij(t)≤3m，行人i停止正在進(jìn)行的活動(dòng)，向最近出口逃跑。

圖3 恐怖分子出現(xiàn)后行人行為邏輯Fig.3 The behavior logic of pedestrians after terrorists appear

1.3.2 恐怖分子行為邏輯設(shè)計(jì)

當(dāng)行人均勻分布在值機(jī)大廳內(nèi)時(shí)，恐怖分子在航站樓內(nèi)指定地點(diǎn)出現(xiàn)。

(1)t時(shí)刻恐怖分子j選擇最近行人qij(t)作為目標(biāo)，循環(huán)比較恐怖分子j和所有行人i的距離dij(t)，行人qij(t)與恐怖分子j的距離dij(t)最小。

(2)t時(shí)刻恐怖分子j的移動(dòng)方向：

(4)

(3)當(dāng)恐怖分子j與目標(biāo)行人qij(t)的距離dij(t)小于攻擊距離時(shí)，恐怖分子j發(fā)起攻擊，根據(jù)恐怖分子使用的刀具類型和表1中刀具襲擊參數(shù)，行人qij(t)受傷情況或重傷、或輕傷、或死亡。

表1 不同種類刀具襲擊參數(shù)表Tab.1 Attack parameters with different types of knives

(4)攻擊結(jié)束后，恐怖分子j繼續(xù)搜尋目標(biāo)，直至行人疏散完畢。

2 仿真方案設(shè)計(jì)

2.1 影響因素參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1.1 人員數(shù)量

截至2021年9月27日為止，某大型機(jī)場(chǎng)年旅客吞吐量超過2 000萬人次，估算2021年該大型機(jī)場(chǎng)年旅客吞吐量約為2 667萬人次。參考美國聯(lián)邦航空局(Federal Aviation Agency，F(xiàn)AA)建議的高峰小時(shí)客流量與年旅客量的比值關(guān)系，可算出2021年該大型機(jī)場(chǎng)高峰小時(shí)客流量為8 001人次/h[11]。高峰小時(shí)旅客離港客流量指值機(jī)大廳1h內(nèi)辦理值機(jī)、安檢、聯(lián)檢等手續(xù)的旅客數(shù)量。本文只對(duì)區(qū)域X進(jìn)行仿真，研究假設(shè)如下：

(1)高峰小時(shí)旅客離港客流量為高峰小時(shí)客流量的50%，即4 000人次/h。

(2)離港旅客均從航站樓四層辦理值機(jī)手續(xù)。

(3)高峰小時(shí)國內(nèi)航班旅客離港客流量占旅客離港客流量50%，區(qū)域X內(nèi)的高峰小時(shí)旅客離港客流量的50%，即1 000人次/h。

由于離港旅客辦理業(yè)務(wù)具有流動(dòng)性和延續(xù)性，而且刀斧砍殺情景下人員疏散持續(xù)時(shí)間短，直接使用高峰小時(shí)旅客離港客流量設(shè)定仿真參數(shù)，誤差較高。最高聚集人數(shù)是指航站樓各區(qū)內(nèi)瞬時(shí)最高人數(shù)，根據(jù)已有研究[12]，按式(1)推算出區(qū)域X最高聚集人數(shù)，約為756人。

(5)

式中：

Q—區(qū)域X的最高聚集人數(shù)，人次；

Qg—區(qū)域X高峰小時(shí)旅客離港客流量，人次/h；

tz—離港旅客平均滯留時(shí)間，min，假設(shè)tz=30min；

ts—送客人員平均滯留時(shí)間，min，假設(shè)ts=20min；

a—值機(jī)區(qū)平均每名旅客送行人員數(shù)量，人次，a=0.2人次/旅客選取。

為研究不同水平客流量對(duì)刀斧砍殺情景下區(qū)域X人員疏散的影響，以區(qū)域X最高聚集人數(shù)756人為基準(zhǔn)，分別設(shè)置570、760、960人3種客流水平。

2.1.2 砍殺工具類型

根據(jù)已有的標(biāo)準(zhǔn)及研究[13-16]，砍殺工具選取匕首、菜刀、砍刀3種刀具，設(shè)定不同刀具的襲擊參數(shù)，見表1。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案與設(shè)定

為研究人員數(shù)量A、砍殺工具類型B、恐怖分子數(shù)量C、恐怖分子位置D4個(gè)因素對(duì)刀斧砍殺情景下航站樓人員疏散的影響，設(shè)計(jì)4因素3水平正交實(shí)驗(yàn)，因素水平選擇(見表2)，正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，見表3。正交實(shí)驗(yàn)法的因素為變量個(gè)數(shù)，水平為每個(gè)變量離散取值，每個(gè)變量的具體離散取值，見表2。

表2 因素水平表Tab.2 Factor level table

表3 L9(34)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of the orthogonal experiment L9(34)

應(yīng)對(duì)恐怖襲擊事件的核心目標(biāo)是減少人員傷亡。將被襲擊總?cè)藬?shù)、死亡人數(shù)，作為評(píng)價(jià)恐怖襲擊事件風(fēng)險(xiǎn)水平的指標(biāo)。被襲擊人數(shù)表示被恐怖分子攻擊的行人總數(shù)，為死亡人數(shù)、重傷人數(shù)、輕傷人數(shù)的總和；死亡人數(shù)表示被恐怖分子攻擊后，成為死亡狀態(tài)的行人總數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 仿真結(jié)果分析

依據(jù)表3中A1B1C1D1設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)，運(yùn)行模型后，行人開始進(jìn)行問詢、人工值機(jī)、自助值機(jī)等活動(dòng)，當(dāng)行人均勻分布在值機(jī)大廳時(shí)，恐怖分子在大門處出現(xiàn)，搜尋行人，鎖定目標(biāo)后，對(duì)行人進(jìn)行砍殺，襲擊結(jié)束后，再開始搜尋下一個(gè)目標(biāo)，模型運(yùn)行效果符合模型設(shè)定。

襲擊時(shí)間少于3min時(shí)，將部分圖形放大后發(fā)現(xiàn)，區(qū)域X存留人數(shù)隨襲擊時(shí)間出現(xiàn)階梯性變化，說明在恐怖分子移動(dòng)過程中，其周圍3m之內(nèi)的行人會(huì)立即逃跑；3min后，國內(nèi)值機(jī)區(qū)域X的剩余行人全部撤離，區(qū)域X存留人數(shù)與襲擊時(shí)間關(guān)系圖變成一條平滑曲線，驗(yàn)證行人行為邏輯模型的有效性，如圖4。

圖4 區(qū)域X存留人數(shù)—襲擊時(shí)間關(guān)系Fig.4 The relationship between the remaining population and the attack time in the area X

3.2 極差分析

表4顯示不同因素對(duì)被襲擊總?cè)藬?shù)、死亡人數(shù)、疏散時(shí)間的影響情況和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，通過比較各種指標(biāo)下不同因素的極差均值R，可以得出多因素對(duì)被襲擊總?cè)藬?shù)的影響程度排序如下：C>D>B>A，恐怖分子數(shù)量對(duì)被襲擊總?cè)藬?shù)的影響最大，其次是恐怖分子位置、砍殺工具類型、人員數(shù)量，以被襲擊總?cè)藬?shù)為衡量標(biāo)準(zhǔn)的高風(fēng)險(xiǎn)水平組合為A3B3C3D1。各個(gè)因素對(duì)死亡人數(shù)的影響程度排序如下：B>C>D>A，砍殺工具類型對(duì)死亡人數(shù)的影響最大，其次是恐怖分子數(shù)量、恐怖分子位置，最后是人員數(shù)量；以死亡人數(shù)為衡量標(biāo)準(zhǔn)的高風(fēng)險(xiǎn)水平組合為A3B3C3D1。各個(gè)因素對(duì)疏散時(shí)間的影響程度排序如下：A>B>D>C，人員數(shù)量對(duì)疏散時(shí)間的影響最大，其次是砍殺工具類型、恐怖分子位置和恐怖分子數(shù)量，疏散時(shí)間最長(zhǎng)的組合為A3B2C1D3。

表4 極差均值分析Tab.4 Range analysis

3.3 方差分析

3.3.1 被襲擊總?cè)藬?shù)方差分析

4個(gè)因素的顯著性水平P<0.05，即均對(duì)被襲擊總?cè)藬?shù)有顯著影響，且恐怖分子數(shù)量的影響最為顯著，見表5。調(diào)整后R2=0.892，接近于1，說明該模型對(duì)數(shù)據(jù)的擬合程度較高。

各因素與被襲擊總?cè)藬?shù)、死亡人數(shù)的關(guān)系趨勢(shì)圖，按照因素的影響水平從小到大排列(如圖5)。若以被襲擊總?cè)藬?shù)最少和死亡人數(shù)最少為最優(yōu)結(jié)果。圖5表明被襲擊總?cè)藬?shù)和死亡人數(shù)指標(biāo)均和因素A、B、C呈正相關(guān)關(guān)系。被襲擊總?cè)藬?shù)和死亡人數(shù)均在恐怖分子從區(qū)域X中心位置出現(xiàn)時(shí)行人數(shù)量最低，在恐怖分子從大門處和電梯處出現(xiàn)時(shí)行人數(shù)量較高，其原因?yàn)榭植婪肿娱_始砍殺后，行人會(huì)向大門處和電梯處逃跑，恐怖分子阻礙行人逃生路徑。以被襲擊總?cè)藬?shù)和死亡人數(shù)為指標(biāo)，高風(fēng)險(xiǎn)組合為人員數(shù)量為960人、砍殺工具為砍刀、恐怖分子數(shù)量為3人、恐怖分子從大門處出現(xiàn)，與極差分析結(jié)果相符。

3.3.2 死亡人數(shù)方差分析

表6顯示，4個(gè)因素的P<0.05，即均對(duì)死亡人數(shù)有顯著影響，且砍殺工具類型的影響最為顯著。調(diào)整后R2=0. 897，接近于1，說明該模型對(duì)數(shù)據(jù)的擬合程度較高。

表6 死亡人數(shù)方差分析Tab.6 The variance analysis of the number of deaths

3.3.3 疏散時(shí)間方差分析

表7表明，4個(gè)因素的P<0.05，即均對(duì)疏散時(shí)間有顯著影響，且人員數(shù)量影響最為顯著。調(diào)整后R2=0.580，該模型對(duì)數(shù)據(jù)的擬合程度并不理想，說明疏散時(shí)間除受到人員數(shù)量、砍殺工具類型、恐怖分子數(shù)量、恐怖分子位置4個(gè)因素的影響，還受到其他因素的影響。疏散時(shí)間最長(zhǎng)的組合為人員數(shù)量為960人、砍殺工具為菜刀、恐怖分子數(shù)量為1人、恐怖分子從電梯處出現(xiàn)，與極差分析結(jié)果相符。

表7 疏散時(shí)間方差分析Tab.7 The variance analysis of the evacuation time

圖6為各因素與疏散時(shí)間指標(biāo)的關(guān)系趨勢(shì)圖，以疏散時(shí)間最短為最優(yōu)結(jié)果。從圖6中可以看出，疏散時(shí)間和人員數(shù)量呈正相關(guān)關(guān)系，和恐怖分子數(shù)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這是因?yàn)榭植婪肿訑?shù)量越多，因恐怖分子提前疏散的人數(shù)越多，恐怖分子出現(xiàn)3min后同時(shí)疏散的人數(shù)越少，行人疏散時(shí)間也隨之減少。在砍殺工具為菜刀時(shí)，疏散時(shí)間最長(zhǎng)；恐怖分子從電梯處出現(xiàn)時(shí)，疏散時(shí)間最長(zhǎng)。

圖6 疏散時(shí)間指標(biāo)與各因素關(guān)系Fig.6 The relationship between the indicator of the evacuation time and each factor

4 結(jié)論

利用模擬仿真工具構(gòu)建某大型機(jī)場(chǎng)局部區(qū)域X的人員疏散模型，通過正交實(shí)驗(yàn)，分析人員數(shù)量、砍殺工具類型、恐怖分子數(shù)量、恐怖分子位置4個(gè)影響因素對(duì)被襲擊總?cè)藬?shù)、死亡人數(shù)、疏散時(shí)間的影響。結(jié)論如下：

(1)人員數(shù)量、砍殺工具類型、恐怖分子位置、恐怖分子數(shù)量均對(duì)被襲擊總?cè)藬?shù)、死亡人數(shù)、疏散時(shí)間有顯著影響。對(duì)被襲擊總?cè)藬?shù)影響最大的是恐怖分子數(shù)量；對(duì)死亡人數(shù)影響最大的是砍殺工具類型；對(duì)疏散時(shí)間影響最大的是人員數(shù)量。

(2)以被襲擊總?cè)藬?shù)和死亡人數(shù)為指標(biāo)，高風(fēng)險(xiǎn)組合為人員數(shù)量為960人、砍殺工具為砍刀、恐怖分子數(shù)量為3人、恐怖分子從大門處出現(xiàn)。該情景下，恐怖分子從大門處開始砍殺，被襲擊總?cè)藬?shù)和死亡人數(shù)最多，應(yīng)增加值機(jī)大廳大門處的警力。

(3)恐怖分子數(shù)量和砍殺工具類型為刀斧砍殺情景下航站樓人員疏散的關(guān)鍵影響因素。隨著我國民航業(yè)快速發(fā)展，航站樓內(nèi)人員數(shù)量增多將是大概率事件。機(jī)場(chǎng)管理方應(yīng)增加航站樓內(nèi)關(guān)鍵地點(diǎn)的警力，在值機(jī)大廳大門處加強(qiáng)對(duì)刀斧利刃的排查力度，防止恐怖分子團(tuán)伙作案造成重大影響，同時(shí)需要預(yù)防發(fā)生擁擠、踩踏等次生災(zāi)害。

(4)應(yīng)對(duì)刀斧砍殺事件的目標(biāo)是盡量減少人員傷亡，但在疏散時(shí)間過長(zhǎng)的情景下，影響因素作用變得更復(fù)雜，應(yīng)進(jìn)一步研究。