基于Pathfinder的考虑不同出口位置的舰船舱室疏散问题

黄丹妍，卢兆明，黄玉彪，郑源，杨立中

(1.中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室，合肥230026;2.香港城市大学 建筑与土木工程系，香港 999077)



基于Pathfinder的考虑不同出口位置的舰船舱室疏散问题

黄丹妍1,2，卢兆明2，黄玉彪1，郑源1，杨立中1

(1.中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室，合肥230026;2.香港城市大学 建筑与土木工程系，香港 999077)

通过模拟某舰船生活区舱室人员的疏散过程，得出其疏散规律，并对舱室内部房间出口进行优化，得出最优的出口设置。结果表明：人员在该舱室内进行疏散时，易产生拥堵，人均拥堵时间占人均疏散时间的29.41%，拥堵的位置位于走廊的中部与各汇流区域；优化后，疏散效率最高能提高6.82%，且出口靠左布置的效果明显优于其他2种布置条件，建议采用出口的靠左布置。

Pathfinder；疏散；出口位置；舰船

随着世界经济的迅速发展，现代船舶的发展也趋于大型化、复杂化以及智能化。

现代大型舰船的结构及系统在逐步的发展过程中变得更为复杂了，舰船上人员的疏散环境与陆地建筑物内人员的疏散环境相差很大，舰船体积庞大、结构复杂、乘员众多，疏散空间狭小，在紧急条件下(舱室起火、船舶搁浅破坏、舱室破坏、生化污染等)如若船上人员无法及时疏散到集合地点离开船舶，船上人员的危险性也因此大大增加了，同时也会造成巨大的经济损失，因此，对舰船人员疏散进行研究是保证舰船上人员生命安全的重要方法之一，也逐步成为世界航运业关注焦点[1]。

船舶舱室布置是船舶设计中非常重要的一部分[2]，陈淼等[3]在对舰船的通达性仿真评估系统进行初步研究时考虑了舱室布局，以及人员分类对人员疏散的影响。谢谋标[4]在对舰船上的人员疏散时综合考虑了出口个数、门的通量、人的耐性指数和执行任务情况对疏散效率的影响。田萍[5]认为舰船人员的疏散过程与舰船自身的结构，以及人员属性之间都有很大的关联。目前，利用计算机模拟仿真来研究人员的疏散过程已经成为一种被人们广为接受的方法。胡耀[6]通过一种改进的遗传算法对构建出的舰船生活区舱室数学模型进行求解和优化，用于解决生活区舱室的布局优化问题。李云等[7]在遗传算法基本原理的基础上，提出了多目标优化方法对游艇舱室布局进行优化计算。肖海松[8]提出了基于元胞自动机的子空间网络流人员疏散模型，将舰船内部空间分为不同安全等级的子空间网络，对不同等级网格内部的人员疏散进行研究。在实际的建筑结构中，通常会存在疏散瓶颈，瓶颈位置的出现会造成人员疏散过程中的拥塞，严重影响人员的疏散效率[9]。当人员运动到瓶颈位置时，速度减慢，人员密度增大，拥挤的人群之间会产生相互作用力，当人群数量逐步增大时，还可能产生由于拥堵所导致的人员伤亡[10]。

考虑针对现有某舰船生活区舱室布局[8]进行人员疏散模拟，探索人员在疏散过程中产生拥堵的位置以及原因。

1 数值建模

1.1 数值模拟软件Pathfinder介绍

采用由美国Thunderhead Engineering公司开发的基于连续性模型(agent-based)的人员应急疏散模拟软件Pathfinder，它为仿真设计以及结果呈现提供了图形用户界面以及二维、三维可视化工具。通过对每个人员的运动模式(最高运动速度、遇到障碍物时的速度衰减函数、运动模式的选择、出口选择等)以及属性参数(身高、性别)进行设置，并对不同人员的相关数据进行同步跟踪，研究人员也可对相关数据进行提取并做进一步的分析。值得一提的是，有许多重要的研究结果都是基于Pathfinder软件所得到的，例如，模拟一些大型公共建筑物内人员疏散过程，包括高层建筑以及地下建筑物等，揭示不同的设计对疏散的影响[11]。相比于STEPS等离散模型软件，Pathfinder软件的模拟结果与真实情况相符程度更高[12]。并且该软件适用于各类复杂疏散环境的建模。

1.2 模型设置

构建人员疏散环境如图1，该生活区舱室内共有6排房间(序号如图1标注所示)，舱室内各个房间的出口(宽1.0 m)，该生活区舱室的总出口(宽1.2 m)。该舱室共有58个房间，舱室内各房间面积为4 m×4 m，每个房间内容纳6名船员，则该生活区舱室内容纳的总人数为348人。1、2排房间之间和5、6排房间之间的走廊长5 m，宽1 m；走廊A、B长36 m，宽1.6 m。紧急条件下，位于舱室房间内的船员在听到广播通知后迅速从房间内开始向外疏散，1、2排房间内的人员经过房间之间的走廊后进入走廊A与第3排房间内的人员汇合，5、6排房间内的人员经过房间之间的走廊后进入走廊B与第4排房间内的人员汇合，所有人员依次经过走廊A或走廊B，最终走向生活区舱室的总出口完成疏散的全过程。

该生活区舱室内的布局呈对称分布，走廊A和走廊B人员流动情况基本保持一致，故在走廊A设置01、02、03、04共4个截面(宽1.6 m)进行人员流量的统计并做进一步的分析。

舱室内人员的运动模式选择为steering模式，人员在该运动模式下会根据人员之间的距离以及与障碍物之间的碰撞改变运动路径，用以适应新的环境形势，更加符合人员的实际疏散运动过程。

2 结果与讨论

除了选用疏散总时间t之外还采用以下2个时间参量：

(1)

式中:n为总人数。

(2)

现有的生活区舱室布局条件下， 3、4排房间内的船员在疏散过程中仅经过一次汇流过程，汇流区域为走廊A、B；而1、2排与5、6排房间内的船员在疏散过程中需要经过2次汇流过程，汇流区域分别为房间之间的走廊以及走廊A、B，而这2处汇流区域也是舱室内人员在疏散过程中产生拥堵的主要区域。从图3所示的走廊A人流量随时间的变化图来看，经过03和04截面的人流量变化趋势类似，均是先增大后逐步减小。观察经过01和02截面的人流量的变化，人流量先增大，然后在1.5～2.0 人/s的范围内波动一段时间后呈现下降的趋势，到达最低点之后再逐步回升，回升之后依旧在1.5～2.0 人/s的范围内波动，然后随着船员逐步疏散完毕，人流量逐步减小至0。

图3中出现了2个极小值点，表明在该处，人流量的数值降到了疏散稳定阶段中的最低值。在极小值所对应得时刻，疏散的模拟结果显示在对应截面右侧的汇流处人员的密度达到了疏散过程中的最大值，人员在汇流区域出现拥堵和滞留，速度减慢，因此在该时刻只有少量离开汇流区域内的人员通过01和02截面，即出现了人流量变化图中的极小值。

针对舰船生活区舱室房间的现有布局，为了有效缓解人员汇流所带来的拥堵，使得疏散过程中走廊处的人流量更加平稳，对第2排和第5排的房间出口做出3种优化改进的方式，见图4。

与出口在初始布置条件下的人流量统计方式相同，在优化调整后的模型走廊A处设置01、02、03、04共4个截面(宽1.6 m)用以统计不同优化条件下的人流量变化并做进一步的分析，见图1。

表1 舱室不同出口布置条件下的疏散特征参数

通过计算，出口在靠左布置、居中布置和靠右布置条件下的优化效率分别为：6.82%、3.88%和3.57%，很显然，出口在靠左布置条件下时优化效率最高。

由表1可见：优化后的人均疏散时间、人均拥堵时间均小于初始布置条件下的人均疏散时间和人均拥堵时间。优化后的出口布置从左到右，人均疏散距离依次增大，人均疏散时间也依次增大，人均拥堵时间先增大后减小。

对比出口的初始布置和居中布置，2种布置条件下的人均疏散距离相近，但居中布置条件下的人均疏散时间和人均拥堵时间明显小于初始布置条件下的时间，其中人均疏散时间缩短了3.87%，人均拥堵时间缩短了21.88%，将出口进行居中布置优化后能够有效地缓解人员在疏散过程中所产生的拥堵。

对比出口的居中布置和靠右布置，2种布置条件下的人均疏散时间相近，但靠右布置条件下的人均疏散距离较居中布置条件下的人均疏散距离增大了2.05%，而靠右布置条件下的人均拥堵时间和居中布置条件下的人均拥堵时间相比却缩短了3.58%，这表明：将出口靠右布置尽管增加了人员的疏散距离，但是距离的增加使得第1、2排和第3排人员(第5、6排和第4排人员)在进入走廊A(走廊B)时的时间间隔增大了，在同一位置汇流的人员数量减少了，因此降低了疏散过程中的拥堵时间。

接下来对走廊A所设置各截面处的人员流量分布变化做进一步的分析，见图5。

该舰船生活区舱室在不同出口布置条件下的人员初始分布以及总人数均保持一致，通过01、02、03和04截面的人数分别为144、108、72和36人，各截面统计的疏散时间呈现依次递减的趋势。

根据图5a)，0～10 s的时间范围内，人流量的增长速率从大到小依次为舱室内房间出口为靠左布置、居中布置、靠右布置和初始布置，并且依次出现人流量的峰值。人员疏散进行到40 s之后，4种出口布置条件下的人流量变化趋于稳定，调整出口布置后人流量变化在1.5～2.0 人/s间波动，而初始布置时人流量变化范围为1.5～2.25 人/s，初始布置下的人流量波动幅度大于优化调整后的波动幅度，并且在图上呈现一大一小波峰间隔分布，说明在出口初始布置的条件下，在疏散过程的后半段，人员在走廊的分布是疏密间隔分布的。

图5b)表明，在对出口进行优化调整后，人流量的波动幅度较初始布置下的人流量波动幅度更小，流量更为平稳。房间出口在不同布置条件下的人流量均会出现最低值，但优化调整后的人员流量最低值均出现在初始布置条件下的人流量最低值之前，初始布置条件下人员流量最低值出现在40 s时刻附近，且人员流量在40～50 s时刻之间均维持在较低水平，且维持的时间间隔大于优化调整后的时间间隔，表明在该时间间隔内初始布置条件下02截面右侧的人员可能是由于汇流时产生了拥堵从而导致人流量的降低，将出口进行优化调整能够有效的减少拥堵的累计时间。对比02截面与其他截面的人流量变化图，可以得出，人员在走廊的中部产生的拥堵累计时间最长。

另外，房间出口在初始布置、靠左布置、居中布置与靠右布置条件下的平均人员流量分别为1.38、1.42、1.38与1.38 人/s，出口在靠左布置条件下时，人员通过02截面的疏散效率最高。

出口在经历优化调整之后通过03截面的人流量的变化趋势与出口在初始布置下的人流量变化趋势如图5c)所示，出口在初始布置条件下的人流量先增大到峰值后逐步衰减至0，优化之后的人流量先增大到峰值后逐步衰减，随后继续回升到接近峰值的位置，最后减小至0。

从图5d)看，尽管舱室的出口处于不同的布置，但通过走廊04截面的人流量的变化趋势基本一致，均为先增大到最大值，再逐步减小至0。出口靠左布置时，由于人员达到04截面的距离最近，因此出口靠左布置条件下的人流量在疏散伊始增长速率最快，所有人员通过04截面花费的时间最少，且流量的峰值为出口在4种布置条件下的最大值。而初始布置条件下的人员需要经过第1、2排房间之间的走廊以及走廊A两次汇流之后才能到达04截面，汇流所需时间和疏散距离的增加使得初始布置条件下的人员疏散到04截面所花的时间最长。

走廊上不同截面处的人流量统计能够有效地统计走廊各个部分处的人员情况，通过人流量的变化反映出人员在走廊的分布情况，得到拥堵集中的区域等信息。

3 结论

1)在现有的舱室布局条件下进行人员紧急疏散时，产生拥堵的连续时间较长，人均拥堵时间占据了人均疏散时间的29.41%，且拥堵产生的位置位于走廊的中部以及人员疏散过程中的汇流区域，将出口的位置进行优化调整能够明显地减少人员在该处的拥堵累计时间，疏散效率最高可以提高6.82%。

2)将出口进行优化调整后，靠左布置条件下人员的疏散效率最高(6.82%)，产生拥堵的时间较少且累计的时间间隔较短，疏散的距离最短，优化效果明显优于其他2种布置条件下的优化效果，建议该生活区舱室采用出口的靠左布置。

另外，在分析中没有充分考虑到人员的行为特性对整个疏散过程的影响，同时，船舱发生灾害时的特殊场景(火灾条件下人员视野受限，船舱进水后船体倾斜等)没有涉及，这些将在未来的研究工作中进行进一步的完善。

[1] 田伟,吕伟.船舶安全疏散研究述评[J].中国安全生产科学技术,2014(4):133-138.

[2] 刘明静,马运义.舱室布置设计优化方法研究[C].第四届全国船舶与海洋工程学术会议论文集，镇江:中国造船工程学会、江苏科技大学,2009.

[3] 陈淼,韩端锋.大型客船通达性仿真评估研究[J].船海工程,2009(5):27-31.

[4] 谢谋标.基于智能体技术的舰船人员疏散仿真研究[J].船舶工程,2012(增刊2):217-221.

[5] 田萍.面向舰船人员的应急疏散系统仿真[J].舰船科学技术,2015(2):192-195.

[6] 胡耀,姜治芳,熊治国,等.基于改进型遗传算法的舰船舱室布局优化[J].中国舰船研究,2014(1):20-30.

[7] 李云,龚昌奇.改进的遗传算法在游艇舱室布局优化设计中的应用[J].船海工程,2010(1):34-37.

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[9] 周勇,张和平,万玉田.人员疏散拥堵问题的博弈分析[J].中国安全科学学报,2008(8):131-134.

[10] 张磊,岳昊,李梅,等. 拥堵疏散的行人拥挤力仿真研究[J]. 物理学报,2015(6):92-101.

[11] DINGYuanchun, YANGLizhong, WENGFalu, et al. Investigation of combined stairs elevators evacuation strategies for high rise buildings based on simulation [J]. Simulation Modelling Practice and Theory, 2015,53:60-73.

[12] 杜长宝,朱国庆,李俊毅.疏散模拟软件STEPS与Pathfinder对比研究[J].消防科学与技术,2015(4):456-460.

On Ship Pedestrian Evacuation Involving Different Exit Position Based on Pathfinder

HUANG Dan-yan1,2, LU Zhao-ming2, HUANG Yu-biao1, ZHENG Yuan1, YANG Li-zhong1

(1.State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China; 2.Dept. of Architectural and Civil Engineering, City University of Hong Kong, Hong Kong 999077, China)

The process of evacuation in a living area of the ship was studied to reveal the characteristics of pedestrian evacuation, optimize exit position in the interior cabin and find out the optimal setting of exit under the existing cabin layout condition. Results showed that it is easily to form congestions when people in evacuations, and per capita congestion time occupied 29.41% of the per capita evacuation time, the congestion locations are in the middle of the corridor and the confluence area. After optimization, the evacuation efficiency could be improved by 6.82%, and the optimization efficiency of the leftward arrangement was better than the other two conditions. So it is suggested that the exits of the living area in the ship should be arranged leftward.

Pathfinder; evacuationl; exit positionl; ship

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.026

2017-01-18

国家自然科学基金重点项目(51323010);中央高校基本业务费专项资金(WK2320000033)

黄丹妍(1994—)，女，博士生

研究方向：建筑内人员疏散规律及运动特征

U662

A

1671-7953(2017)03-0113-05

修回日期：2017-03-20