基于元胞自动机的邮轮码头应急疏散策略研究

2012-03-09

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2012年3期

（武汉理工大学物流工程学院武汉 430063）

0 引言

邮轮码头在建设和运营中可能发生的灾害主要分为自然灾害与人为灾害．自然灾害包括台风、海啸等；人为灾害包括火灾、爆炸、工程事故等，而突发灾害对邮轮码头旅客生命财产安全的影响是不可估量的．交通部颁布的《港口安全评价管理办法》第十五条中明确指出：客运码头应制定重大生产安全事故的旅客应急疏散和救援预案，保障旅客安全．因此，加强邮轮码头安全管理，通过研究邮轮码头紧急事故后的旅客疏散行为，提高系统对突发事件的紧急预警防护能力已经成为各方面广泛关注的议题［1］．

国外学者 Helbing［2－3］等人用社会力模型模拟疏散过程中拥挤、堵塞、快即是慢等现象，但连续性模型运行速度慢．国内学者范维澄［4］等人在Helbing工作的基础上，利用社会力模型描述人员疏散中，门的宽度与墙的厚度等对人员疏散的影响，但局限于走道、人行道等领域．本文通过量化三种力的运算规则，提出了一种二维元胞自动机扩展模型，将其应用于邮轮码头进而进行仿真试验，并提供合理性疏散策略，扩展了元胞自动机离散模型应用领域．

1 邮轮码头应急疏散系统搭建

1.1 邮轮码头平面布置

邮轮码头中基础设施和辅助设备众多，将邮轮码头分为以下几个区域：

1）登录区主要设备包括邮轮停靠的泊位，以及登陆邮轮或者离开邮轮的舷梯．

2）客运联检区主要包括售票处、邮轮办公区、游客候船区、行李托运等．

3）辅助设施区停车场、餐饮场地等．

4）商业区休闲、酒店配套设施等．

5）门厅主入口门厅、次入口门厅、办公室门厅、贵宾门厅、展览门厅等．

1.2 邮轮码头应急疏散系统构成

邮轮码头应急疏散系统由应急疏散控制中心调控，主要有应急疏散通道、应急装备（包括应急灯、灭火器、疏散广播等）、应急警报系统、应急疏散辅助人员、应急疏散控制中心、应急疏散标示符等几部分组成．其应急疏散系统构成见图1．

2 邮轮码头应急疏散的元胞自动机模型建立

2.1 模型的提出

针对邮轮码头面积大，人流拥挤，内部建筑结构复杂且不规则的特点，因此，采用von Neumann型邻域确定人员可能的运动方向，并将码头进行平面的网格划分，而每个元胞尺寸对应真实人员的占据面积，即0．5m×0．5m．但由于有疏散口的存在，即人员逃生过程中会出现有偏行走现象，故大部分人会选择放弃背离门的方向行走而选择其他3个方向行走，见图2．

图1 应急疏散模型

图2 元胞von Neumann型邻域：模型中人员可能的运动方向

2.2 模型规则的确定

模型中引入智能性局部规则，并采用异步更新原则，具体规则为：邮轮码头应急疏散模型初始化时，根据疏散口对每个元胞具有吸引力来初步确定每个元胞的初始逃逸路线；即各个元胞根据“L”形或“T”形的逃逸规则，选择下一目标格点．

邮轮码头应急疏散模型中，2个或2个以上的元胞竞争同一格点而产生冲突时，通过考虑各元胞之间的摩擦力来修正元胞的逃逸路线，即摩擦力概率大的进入该目标格点，其他的以一定概率原地不动或其他两个方向有偏行走．

鉴于考虑每个元胞属性不同（即男、女、老人或小孩及残疾等），故存在4种不同的逃逸速度，则各个元胞移动到下一目标格点的时间步亦不完全相同，因此，可称为异步．

考虑到邮轮码头模型的随机性和慢化问题，应用随机流数据、一定总数各元胞随机概率分布于各个格点，每次各个元胞的位置、属性都不会完全相同．模型的慢化概率为5%．

2.3 模型的离散化

1）吸引力确定模型目标考虑到邮轮码头旅客堵塞，建筑内部疏散口一般较多，而通常元胞需要寻找最佳的疏散口作为目标，主要体现为吸引力，故暂时忽略人与人之间的群体行为导致的相互吸引力．

在邮轮码头的紧急疏散过程中，人员的最终目标就是多个疏散口中最近的疏散口，但人员的下一目标就是选择自认为趋向于最优的格点，并不断通过连接最优格点，确定出每个人员的最佳逃逸路径．以最近的疏散口为最终目标格点，计算每个人员到各个疏散口的距离，并通过比较取距离的最小值，其最小距离为

式中：（Xi，Yi）为第i 个元胞的坐标值；min（Dn（Xi，Yi））为第i个元胞距n 个疏散口中最短的距离值；（Xj（out），Yj（out））为第j个疏散口的坐标值．

邮轮码头模型内部引入动力场包括摩擦力和排斥力，主要是为了修正和优化人员逃逸路线，分别对其进行离散量化．

2）摩擦力量化在邮轮码头联检大楼中，聚集着大量拥挤的行人，摩擦力通常表现为人与墙壁或障碍物、人与人直接接触时的减速行为．同时，为了定量描述摩擦力，引入摩擦力概率．

式中：vi为4种不同类型的人具有的不同速度；θi为速度比例因子即摩擦力对速度的影响因子．（此处摩擦力为单位向量，故θi∈（0，1／vi））

3）排斥力量化邮轮码头联检大楼中，突发紧急情况，如火灾、暴力、恐怖袭击等．排斥力主要表现为人员逃离危险源，为了定量描述排斥力，引入排斥力概率，考虑人的躲避行为是神经系统的一种反应，故引入人工神经网络中普遍采用的Sigmoid函数［5－6］来描述排斥概率，为

式中：α∈（0，∞）为危险源的危险度系数，依赖于逃逸人员对危险源的感知、承受极限；λi为不同类型的人以一定的概率保持原地不动．

3 仿真试验

在一、二2种工况（见表1）下，进行多次仿真实验，其疏散口宽度与疏散时间关系见图3．

图3 疏散口宽度对应疏散时间关系

表1 仿真试验3种不同工况

在工况三下，通过多次仿真实验，统计邮轮码头内部行人4种速度对应疏散时间的关系见图4．

图4 疏散速度对应疏散时间关系

邮轮码头总面积不变情况下，由图3可见，随着联检区域的疏散口宽度逐步增加，疏散时间呈现递减趋势，但疏散口宽度大于3m，则其对疏散时间的影响不明显，因此，存在最佳疏散宽度，且其值d ∈（2．2，3．0）m．同时，可见当人口密度小于或等于0．5时，疏散口的个数及宽度对疏散时间影响不显著．由图4可见，在疏散口宽度为2．5 m情况下，人员的速度越大则疏散时间越短，但速度达到一定值时（称此值为期望值），反而制约着疏散效率．并很难实现一一进行定量的描述和计算．根据不同工况下仿真模型试验，其结果表明：

1）邮轮码头建筑面积在20 000m2大范围内，人口分布密度ρ≥0．5，考虑建筑设计成本，建议疏散口个数n∈（4，6）．

2）邮轮码头建筑面积在20 000大范围内，人口分布密度ρ≥0．5，建议疏散口的宽度d ∈（2．2，3．0）m．

3）邮轮码头在既定疏散口和疏散口宽度一定条件下，疏散速度达到期望值时，需要有效的紧急疏散标识及疏散广播来显著提高疏散的效率和力度，能够有效改善快即是慢的现象．

由于邮轮码头面积庞大，内部结构及疏散过程复杂，各影响因素之间不是简单的线性关系，为了更真实、更有效的模拟邮轮码头内部人员实际疏散过程并提供合理性应急策略，还需开展大量的实验研究．