面向舰船人员的应急疏散系统仿真

田　萍

(山东省交通干部学校,山东 济南 250031)

面向舰船人员的应急疏散系统仿真

田萍

(山东省交通干部学校,山东 济南 250031)

摘要：舰船事故高发，舰船人员疏散过程有很多不确定性因素，同舰船的结构以及人员的属性都有很大关系。本文提出一种基于Agent模型的面向舰船人员的应急疏散系统，并建立舰船的空间子模型、人员属性子模型以及人员行为子模型。最后使用VC++及Matlab等建立仿真系统，对舰船人员应急疏散进行仿真，为舰船人员疏散方案设计及人群疏散管理提供依据和参考。

关键词：疏散系统；Agent；舰船；系统仿真

0引言

舰船不同于陆地上的一些建筑，在发生安全隐患，如火灾或者其他事故导致船体倾斜时，舰船人员能否及时疏散可能会影响到成百上千人能否成功逃生。现代舰船体积日益庞大，且内部结构也非常复杂，在疏散通道的设计上也非常狭窄。合理安排舰船人员疏散是保障舰船安全最重要的一道防线。目前世界上很多发达国家都对如何在紧急状况下合理有效疏散人员进行了广泛的研究，并取得了非常有益的成果[1-2]。

舰船人员疏散过程中有很多不确定性因素，这是由于舰船内部结构非常复杂，且人员的属性对应急疏散过程具有非常大的影响，因而，在建立应急疏散模型时会遇到非常多的困难。国外很早就开始对疏散模型进行了相关研究，并且在建立疏散模型以及系统仿真上建立了一系列的研究体系，这些体系充分结合船舶自身结构特点及人员的相关属性，对某些特定条件下的人员疏散具有较大的指导意义。我国由于特定历史条件，对于舰船人员应急疏散研究还处在一个初级阶段，在很多舰船的应急系统设计上还是在参照国外的研究成果，但是由于国内舰船人员的心理特征、行为规律、船员的个体特征等都同国外人员具有非常大的差别，而这些相关的因素对于舰船人员的应急疏散具有非常大的影响，因而，直接照搬国外的研究成果并不能彻底解决国内舰船人员疏散中存在的问题[3]。

当前我国在人员疏散领域已经取得了非常可喜的成果，这主要体现在对于固定建筑的人员疏散研究，如体育馆、大型商场、车站等[4]，但是对于舰船人员疏散领域的研究仍然较少。海上舰船空间结构设计同陆地上的建筑具有非常大的差异，而且一旦出现事故，由于一般事发时舰船都处于离陆地较远的位置，如何进行合理疏散和撤离，对于挽救船员生命都具有非常重要的意义。本文在充分借鉴现有的人员疏散理论基础上，提出一种基于Agent的面向舰船人员的应急疏散模型，并在此基础上进行仿真，充分考虑舰船结构特征及人员的属性特征，对于舰船的人员应急疏散具有非常重要的指导作用。

1基于Agent舰船人员疏散模型

1.1　舰船及人员特点

在舰船人员疏散模型中，其本质上是一个动态的行为过程，舰船上的人员作为这一行为过程的主体，在很大程度上受到所在舰船这一特殊的环境所影响，因而对于舰船人员应急疏散模型中所需要研究的对象则包括了舰船结构特征及舰船人员在这种环境下的一些特定行为。舰船作为一个载体，构造了一个特殊的环境，这个环境在潜移默化中影响舰船人员的心理，而这些心理上的影响会在人员应急疏散中表现出来。舰船结构的不同及人员之间的差异，会导致舰船人员疏散过程中表现不同，具有非常大的随机性和偶然性，但在某种程度上也呈现出一定的规律性。因而在建立人员应急疏散模型前，需要研究舰船结构以及舰船人员特征。

舰船结构对于应急疏散有非常大的影响，舰船的基本结构同陆地上的建筑具有一些类似性，但又不完全相同，比如在舰船舱室设计上很多地方就借鉴了建筑中的一些设计。而差异性则体现在舰船上一些特殊的地方，如舰船上设置有水密舱壁，这主要是为了保证舰船的抗沉性。并且在整体设计上要求尽量对称，保证船体的质量分布均匀。同时对于舰船而言，为了最大程度保证舰船安全，燃油舱、弹药舱等更注重防火设计，并且这些设计都要符合相关的法规要求，实现垂直方向的有效隔离。

舰船人员会因为所处的社会环境地位、生理、心理等方面不同，在舰船遇到紧急情况需要进行疏散时会产生不同的反应。同时根据相关的研究结果，性别对于疏散也具有非常大的影响。通常来说，女性在遇到紧急情况时反应会比男性慢，在疏散过程中容易产生紧张以及恐惧心理，在遇到一些外在的危险因素时常常表现的不知所措。而男性在疏散中行动更为迅速，移动速度快，并且在经历过最初的紧张过后，往往能够快速的冷静下来，并且能够积极的采取自救措施。在行动能力上男性比女性要强很多，身体素质相对较强。另外，未成年人和成年人在疏散中的表现也具有很大差异，成年人随着年龄的增加，生活阅历非常丰富，在遇到紧急情况时可以迅速的反应过来，而未成年人则容易出现慌张和恐惧，延缓了疏散过程。青年人容易冲动，在遇到危险时非常容易采取最直接的措施，同时其体力比较好，因而在疏散过程中容易对其他人造成重装，因而造成疏散过程混乱，使得疏散的时间大大增加。老年人由于阅历丰富，因而会进行思考，然后再进行行动，但是同时需要考虑到老年人的体力以及身体状况问题。通过以上的分析可以得知，舰船人员的性别、年龄、生活阅历等都会影响应急疏散的过程，同时，教育背景以及心理因素等也会对疏散过程造成影响，在此不一一进行赘述[5]。

1.2　疏散模型

基于Agent的建模方法可以让环境属性同个体行为有效的结合起来，并且使得个体能够在系统中具有自主的行为，因而可以认为Agent是一个能够实现特殊环境的系统。根据Agent建模理论，可以将舰船疏散模型划分为以下几个子模型：

1)舰船空间子模型

舰船空间子模型主要涉及的问题是通过何种方式来表达船舶的空间。有一种栅格法通过将所在的环境和空间划分成形状和大小都相同的规则六边形或者四边形，这样虽然也能很清晰地表达出所在的空间信息，但所表达的空间则限制了疏散人员的运动方向，舰船人员只能在事先定义好的路线上行动，同时也无法研究个体大小对于疏散效果的影响。而采用传统的拓扑方法无法模拟人员在所表达的空间中的流动，无法表达出一个完整的空间几何信息，因而也无法模拟出舰船各个舱室中的人员的行为动作信息。

在船舶内部，将其空间划分为若干个小的空间(舱室以及走廊)，如图1所示。舰船的空间共划分为E1，E2，E3，E5，E6，E7六个舱室，E4为走廊，走廊同各个舱室之间的门分别命名为eijk，其中，i为舱室的编号，j为走廊的编号(取值为4)，k为门的编号(取值为1或者2)。

图1　船舶空间子模型Fig.1　Shipping space model

2)人员属性子模型

如前所述，人员属性对于舰船应急疏散也有非常大的影响，作为应急疏散的主体，本文中主要考虑舰船人员的年龄、性别、速度、位置、心理素质等对于应急疏散的影响。在本文中所指的速度是指舰船人员在单位时间内所能移动的距离，速度直接决定了舰船应急疏散完成的时间以及发生拥挤的位置。

3)人员行为子模型

如图2所示为人员行为子模型的结构图。在舰船人员疏散中，单个的Agent需要感知舰船环境中的具体情况，然后根据自身的属性来选择一个合适的方法来行动。在这里规定出每个Agent都将以最终目标——集合地点来进行决策行动，由于单个Agent的自身属性特点以及受到环境影响，使得舰船人员在短期内会确定一个目标，然后当实现这个短期目标后，再根据当时的环境情况来确定下一个目标，直至最终所有的Agent到达集合地点。在这个过程中，单个的Agent需要对集合地点的方向进行确认，对出口的方向、目标的距离等进行调整，并且修改自身的行为决策。

图2　人员行为子模型Fig.2　Personnel behavior model

在本文体重模型中，对于人员的移动速度需要作如下定义：

Vmax=VM×c，

VF×c。

式中：VM为男性的基本速度；VF为女性的基本速度，根据 HSVA Report中的相关说明；c为速度影响因子，这个影响因子和舰船横向和纵向2个方向的速度有关，当横向和纵向的速度同时存在时，取数值最小的影响因子作为最终的影响因子。

2仿真研究

根据前述所提出的模型，建立符合舰船以及人员特点的仿真模型，使用计算机技术来实现舰船人员疏散的仿真，具有成本低、可重复等优点。

为了实现对疏散系统进行仿真，疏散系统主要由前处理模块、数据处理模块、图形处理模块及结果显示模块4部分组成。其具体组成结构如图3所示。首先使用OpenGL几何内核来建立舰船三维模型，由于Matlab的计算能力卓越，因而使用Matlab来实现对仿真系统中的数据进行处理。在显示上，使用VC++来进行软件界面的开发，然后通过在VC++内提供的接口来实现对Matlab处理结果的调用。

图3　舰船人员疏散仿真系统模块结构框图Fig.3　Ship personnel evacuation simulation system module　structure diagram

使用仿真系统可以模拟根据建立的舰船模型中人员的疏散过程，并且可以对疏散的路径进行规划，同时可以查看更换出口后的疏散效果。图4是使用仿真系统所得到的仿真结果。在图中从E1~E7的每个舱室中，人数分别为50人，45人，20人，20人，45人，20人。

图4　仿真结果Fig.4　The results of simulation

同时，可以通过仿真系统计算出从开始疏散时到疏散完成所需要的时间，进而可以通过改变疏散路线或者改变仿真中人群的比例、各个舱室中的人数以及人员的属性等条件来进一步研究这些参数对舰船疏散所产生的影响。在本文所设置的参数下，E1舱室到达预订的集合地点所需要的时间最长，并且在船体没有倾斜的情况下，到达集合地点的时间为560 s，在疏散过程中，在走廊以及出口处均出现排队现象。

3结语

本文提出了一种基于Agent模型的面向舰船人员的应急疏散系统，在充分考虑到舰船上人员以及舰船的结构特点，建立了舰船的空间子模型、人员属性子模型以及人员行为子模型，最后使用VC++以及Matlab等建立了仿真系统，对舰船人员应急疏散进行了仿真，在船体没有倾斜的情况下，到达集合地点的时间为560 s。

参考文献：

[1]余建星,周健状,柴松，等.改进CCRP疏散算法在船舶与海洋工程中的应用[J].舰船科学技术,2014,36(2):20-24.

YU Jian-xing,ZHOU Jian-zhuang,CHAI Song,et al.Application of improved CCRP evacuation algorithm in ocean and naval engineering[J].Ship Science and Technology,2014,36(2):20-24.

[2]宋卫国，于彦飞，陈涛.出口条件对人员疏散的影响及其分析[J].火灾科学,2003,12(2):100-103.

[3]徐高.基于智能体技术的人员疏散仿真模型[J].西南交通大学学报，2003,38(3):301-303.

[4]王理达.地铁车站人群疏散行为仿真研究[D].北京:北京交通大学,2006.

[5]郭谨一，刘爽，陈绍宽,等.行人运动仿真研究综述[J].系统仿真学报，2008，20(9).

GUO Jin-yi,LIU Shuang,CHEN Shao-kuan,et al.Review of pedestrian movement simulation studies[J].Journal of System Simulation,2008，20(9).

The ship personnel system for emergency evacuation simulation

TIAN Ping

(Shandong Jiaotong Administratiors Institution,Jinan 250031,China)

Abstract：The ship accidents, and relative to the building ships with its own characteristics. For ship evacuation process is filled with many uncertainty factors, with the ship′s structure and properties has much to do. This paper proposes a model based on Agent for ship personnel emergency evacuation system, personnel on fully considering the ship and the ship′s structure characteristics, the establishment of a ship space sub models, attribute submodel and personnel behavior model, finally using VC++ and Matlab simulation system is established, and has carried on the simulation for ship personnel emergency evacuation, to ship evacuation plan design and the crowd evacuation management provide the basis and the reference.

Key words：evacuation system;the agent;ships;system simulation

作者简介：田萍( 1980 - ) ，女，硕士，讲师，研究方向为计算机科学与技术。

收稿日期：2014-05-23； 修回日期： 2014-11-13

文章编号：1672-7649(2015)02-0192-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.043

中图分类号：TP391

文献标识码：A