舰船人员疏散模拟训练方法研究

于 洋 韩端锋 华 佳 肖 蕾 薛彦卓

（哈尔滨工程大学船舶工程学院 哈尔滨150001）

0 引 言

随着科学技术、经济水平的提高，船舶尺寸日趋大型化，结构形式也变得更加复杂。舰船一般都承载大量人员。由于疏散路径复杂且疏散空间狭窄，一旦发生如舱室起火、船舶搁浅破坏、生化污染等紧急情况，将严重危及上百甚至上千人的性命［1］。舰船人员疏散模拟训练系统研究是保证人员及时、安全撤离船舶，提高实际疏散成功率，减少生命财产损失的重要方法。

目前，国内外对于建筑人员疏散模拟训练方面的研究较深入，已开发出消防火灾情况下的人员疏散模拟训练软件，如上海海润公司开发的重点目标应急事件辅助决策与指挥系统、消防典型案例模拟训练系统等。系统中可以实现施救与处置事件相关信息的快速生成、消防知识的理论培训与考试、典型案例的模拟训练等功能。而舰船疏散方面的研究主要还集中在舰船疏散能力的评估与人员疏散模型的研究，而对于舰船人员疏散模拟训练方面的研究还未展开。因此，借鉴建筑方面的宝贵成果，开发相关舰船疏散模拟训练系统是非常有必要的。

模拟训练是基于计算机虚拟技术的互动式系统，人员疏散模拟训练系统是利用计算机技术模拟不同情境下人员疏散的具体过程，为使用者提供一个模拟灾难发生后进行指挥决策及逃生自救的数字化平台。舰船人员疏散是一个同时具有确定性和随机性的复杂过程，人员属性、船舶特点和灾难的发展三个因素相互影响，因此在建立模拟训练系统时要对这些因素进行充分考虑。

1 人员属性研究

人员作为疏散的主体，在疏散中起主导作用，每个人员的内在属性都不相同，这些属性是导致个体行为差异的关键。因此进行舰船人员疏散模型研究时，必须先对个体人员属性及行为进行研究。系统中人员属性定义如下：

人员属性={Gender，Age，Size，Speed，Response，Position，Psychology，Environment}

Gender：代表人员的性别；

Age：代表人员的年龄；

Size：人员体型尺寸，其大小与人员性别及年龄有关；

Speed：人员在每一时间步长上移动的距离；

Response：反应时间，从紧急情况发生起到疏散个体意识到危险并开始采取行动疏散止所用时间；

Position：人员的空间位置坐标，即表示人员个体的圆形所占据的位置；

Psychology：心理素质状况，心理素质较好的人员疏散时表现为理性的独立思考行为，心理素质差的人员多表现为从众行为。

Environment：个体人员所感知到的环境信息，包括自己所处的空间、出口位置信息、船舶当前倾斜角度、前方是否有障碍物等。

人员移动速度是疏散模型中体现个体行为的最基本因素。在紧急情况发生时，若无其他因素影响，人员往往以自身最快速度逃往集合站，行进速度快的人员将超越比自己行进速度慢的人员。研究表明，人员的行进速度与个体人员的年龄及性别有关，通常青壮年人的移动速度要快于老年人和儿童，同等年龄下男性的移动速度要普遍快于女性［2］。

人员的反应时间随年龄而变化，根据张树平的调查研究［3］，超过65岁的老人，在5 min以内意识到紧急情况发生的概率非常低，而年龄在50岁以下的人群，有近75%的人员都能在5 min内做出反应。加拿大国家研究委员会在报告中指出人员的火灾反应时间最快在30 s左右，国际海事组织指出人员夜间的反应时间要长于白天，规定夜间的最大反应时间为 10 min［4］。

2 船舶特点及人员分布

2.1 船舶布置特点

现代船舶种类繁多，船舶结构及布置特点也各不相同。远洋客船的排水量一般都在万吨以上，上层建筑丰满，有七、八层甲板。上层建筑内除居住舱室外，还有供旅客用的餐厅、浴室、漱洗室、诊疗室等。而军舰的上层建筑相对较小，大型舱室多分布于主甲板以下。以美国“小鹰”号航母［5］为例，飞行甲板以下分为10层，舰体共有1 200个各种用途的舱室，首层为飞行甲板，主要分为降落区、起飞区和待机区；第2层为吊舱甲板，艏部主要布置弹射气缸和附属设备，中部为战斗值班室、飞行员住舱和食堂，艉部布置有阻拦装置及其附属设备；第3、4层甲板两舷处设置了维修人员和雷达人员的住舱，艏部为锚链舱，中部是机库大开口，艉部为系缆装置舱；第5甲板主要是机库和附属舱；第6甲板为飞机修理场；第7甲板为食堂和生活舱室；第8甲板为士兵居住舱和行政办公室。第8甲板以下3层主要设置机舱、发电机舱、弹药舱和航空燃油舱。底部及舷侧设有动力燃油舱。

2.2 船上人员流动特点

研究人员流动特点可以为开始疏散时人员的空间分布提供依据。通过观察人员流动，发现如下特点：开船前，乘客陆续上船并到达自己的舱室；正常运营时，主要流动为船上乘客零星走向洗手间和返回自己舱室；用餐时间，很多乘客几乎同时进入餐厅，用餐后零星返回自己舱室；下船时，乘客几乎同时离开自己的舱室走向船舶的出口；发生小故障时，机械师单独或多个人组成的机械师组赶往故障发生地点进行抢修，乘客无明显活动；发生不可修复故障时，乘客几乎同时涌向甲板集合站，进入救生船或等待救援。

2.3 船舶运动影响

船舶环境与陆上建筑不同，正常运营情况下，通常保持正浮或略有尾倾状态；在风浪流作用下小幅摇摆；当发生火灾或舱室破坏进水等紧急情况时，船舶往往无法保持正浮状态，而是发生一定倾斜甚至倾覆。

船舶倾斜会对人员行进速度产生直接影响。由于倾斜时地面产生一定的倾角，使得鞋底与地板间摩擦力减小，特别当倾角超过20°时，人员为了保持自身的安全不得不改变行走姿势；当倾角继续加大时，人员更有滑倒的可能。船舶的倾斜可分为横向倾斜和纵向倾斜两种［2］，横向倾斜状态为人员行进方向保持水平，但左右有一个横向坡度情况；纵向倾斜为人员行进方向有一定坡度，但左右方向保持水平。韩国船舶与海洋工程研究所等权威机构分别对这两种情况进行了研究［6］。

3 疏散模拟训练系统的结构和功能

根据现有人员疏散理论模型，结合船舶具体特点，应用计算机编程工具，可以开发出相应状态下的舰船人员疏散模拟训练系统。

3.1 系统结构

按照系统的功能，系统应该包含数据库、模型库和知识库三个子系统，如图1所示。其中数据库用来存储人员属性信息、人员位置信息、舱室破坏信息、火灾发生位置信息、环境参数、集合站的大小及位置信息等，为系统运行提供所需要的信息和数据。模型库中包含船舶模型、人员模型、障碍物模型、火灾发展模型、舱室进水模型、船舶摇摆模型等，是对模拟情况进行建模所使用的数学及几何模型。而知识库中则包含人员疏散路径规划、避碰分析、指挥决策、知识点测试等，是实施疏散的决策系统及疏散知识测试与能力评估的支持材料。系统中的三个子系统都是对使用者开放的，用户可以根据实际需要，编辑或更新系统中的数据及信息。

图1 舰船人员疏散模拟训练系统结构

3.2 系统功能

舰船人员疏散模拟训练系统的主要功能有：

（1）预测事故影响。对于特定的事故情景，即给定船舶、事故类型、事故发生位置、当时的海况，能够确定事故的发展趋势及影响区域。

（2）动态显示事故的进展。实时显示每个逃生人员位置、疏散情况、船舶摇动情况、事故发展情况、通道的畅通度，使用者可以根据人员的逃生情况，结合周围环境及事故的发展，确定合理疏散方案及保护措施。

（3）舰船疏散知识培训与测试。系统会根据使用者模拟的角色，完成事故侦查，任务布置，考核受训人员的典型案例处置流程、战术运用情况。

（4）模拟训练。输入不同参数，改变船舶疏散情景，可以观察到事故影响范围变化情况，制定不同的疏散方案。

（5）训练成绩统计。根据疏散知识测试结果、疏散成功率、耗费时间等，对受训人员完成具体单元训练情况的成绩进行统计。

4 模拟与训练方法

舰船人员疏散模拟训练流程如图2所示。

图2 舰船人员疏散模拟训练流程图

4.1 输入参数

疏散模拟训练系统是针对特定的事故情景的发生与发展，制定合理疏散及应对措施，因此在模拟过程中必须提供给系统一些特定的参数［7］，这些参数将直接影响疏散方案的制定。在本系统中需要输入的参数有：

（1）船舶参数。要求选定船舶模型，以确定船舶主尺度、甲板层数、舱室布置等信息。

（2）地理位置及海况。给定紧急情况发生时船舶所在的海域及当时海况。

（3）事故类型。选择是何种类型事故，包括火灾、舱室破坏进水、化学品污染。

（4）事故发生区域。指定事故发生在船舶的哪个位置，初步完成事故侦查。

（5）船舶倾角。指定船舶摇摆规律或是倾斜角度变化规律。

（6）封闭通道。由于事故影响，部分通道为封闭状态。

（7）时间参数。输入事故发生日期和时间。

（8）人员属性及分布。输入人员属性信息，根据船舶类型及时间分配人员位置。

以上这些参数定义了特定的事故情景。

4.2 模拟训练

模拟训练分为五个单元：

第一单元为正确选择处置流程的训练。在开展疏散救援行动前，根据事故处置流程，制定疏散救援处置流程方案。图3表示发生火灾时所选择的正确处置流程，若顺序选择正确则继续，直至完成所有问题的选择；若选择错误则扣除分数并告知正确的处置流程。

图3 火灾处置流程

第二单元为事故信息与任务目标。系统显示事故情况，受训人员可迅速了解事故情况、影响范围、人员被困等情况，同时告知受训人员需完成的任务。

第三单元为疏散仿真模拟。根据任务情况，选择合理的疏散策略，包括疏散路线的选择、人员避让、团队协作疏散、选择个人防护装备等。模拟时要综合考虑人员属性、船舶特点和事故发展三个因素的相互影响。

第四单元为综合考评。考评分为两个部分，即处置流程考核和疏散策略考核，考核将给予分数评定，同时给出训练情况的详细评述。

5 结 论

系统以游戏的方式对舰船人员疏散情景进行模拟，既考虑了人员因素、船舶特点，又考虑到了事故的发生与发展。在不同的事故情景下选择事故处置流程、制定疏散策略、模拟事故的影响范围，其实就是一种模拟训练。通过改变输入参数，便可以模拟不同的疏散情景。

通过舰船人员疏散模拟训练系统，用户可以熟悉不同事故情景下的疏散应对策略，进而为真实事故中行为决策提供背景知识。

［1］廖守衡.客船倾斜状态下人员疏散模型的研究［D］.大连：大连海事大学.2010.

［2］MSC.1/Circ.1238，Guidelines for evacuation analysis for new and existing passenger ships［S］.London：IMO，2007.

［3］张树平.建筑火灾中人的行为反应研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2004.

［4］PROULX G，NEIL R.TONIKIAN R，et al.Egress times from single family houses［J］.National Research Council Canada，2006.

［5］张广磊.大型舰船舱室划分与布置研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学.2010.

［6］IMO.Passengershipsafetytimedependentsurvivalprobability of a damaged passenger ship［C］//Sub-committee on Stability and Load Lines and on Fishing Vessels Safety，London：［s.n.］，2006.

［7］杨玉胜.基于大气扩散模型的危险化学品事故疏散模拟训练方法［J］.武警学院学报.2009，25（2）：51-53.