游泳技能训练对洪水灾害避难逃生效果的影响建模分析*

罗 宇

(湖南人文科技学院，湖南 娄底 417000)

洪水灾害属于自然灾害，洪水灾害为人民的财产和安全带来了严重损失，但有洪水不一定会发生洪水灾害，在杳无人烟发生的洪水下不会对人们产生灾害的影响，通常情况下，洪水灾害是由于水利工程损毁或者天气恶劣等原因使江河的水量大幅度的增加，水位出现上涨现象，为人们的生产和正常生活造成祸患与损失。为了在洪水灾害出现时减少损失，需要提高避难逃生能力，游泳技能的训练对洪水灾害避难逃生效果起到重要作用[1-2]，游泳技能的好坏直接影响了逃生避难的效果，游泳技能训练对洪水灾害避难逃生效果影响建模的研究受到了大量研究学者的广泛关注。

于海明等人[3]提出基于元胞自动机的游泳技能训练对洪水灾害避难逃生效果的影响建模分析，计算在洪水灾害发生时不同人员和不同方向逃生的行进速度，分析避难逃生疏散时间和逃生规律，采用曲线拟合方法，获取不同游泳技能人员的逃生速度，制定划分规则，并计算游泳技能好的人员的洪水灾害避难逃生速度，构建游泳技能训练对洪水灾害避难逃生效果的影响模型，但该方法得到的结果与理论结果的吻合度较低，与实际结果偏差较大。

针对上述方法研究结果存在的问题，提出基于Agent的游泳技能训练对洪水灾害避难逃生效果的影响建模分析方法。根据洪水灾害演化，确定灾害链的类型，分析洪水灾害中人体跌倒失稳情况和人体的危险程度，并对洪水灾害避难逃生人员设定属性，计算路权函数，建立游泳技能训练对洪水灾害避难逃生效果的影响模型。

1 游泳技能对洪水灾害避难逃生效果的影响建模

1.1 洪水灾害的特征分析

洪水灾害受到不同环境、地域以及气候的影响，变得千变万化，洪水灾害的形成是一个演化的过程，分析洪水灾害演化，并确定灾害链的类型，对其做划分处理，以实施有效的对策。

(一)洪水灾害链类型

在自然界中，一旦发生灾害，自然生态间相互制约和依存的关系就很容易被利用，会产生连锁效应，由一种灾害可以引出一系列的灾害，并且从一个空间扩展到更加广阔的空间中[4]，将该结构洪水灾害间的传承效应称为灾害链。

灾害链可以抽象为有载体共性的反映特征，用来对单一或者多灾种的形成加以描绘，是洪水灾害给人们的社会生活带来严重破坏和损坏等各种连锁关系的总称。

洪水灾害是一种突变现象，灾害链可以根据一种机理将不可逆的突变现象结合到一起，同时体现了洪水灾害演变的意义，可以从中感受到大自然存在的隐患。

(二)洪水灾害链的载体反映

该载体是以能量、信息和物质为基础的。物质的表现形式分为气、液和固态，灾害链的形成由多体聚集、单体演绎等特征，载体所反映的是能量聚集、转换以及传输的关系，能量转换对洪水灾害构成了耦合关系，在洪水灾害的形成过程[5-6]，会呈现出不同程度的破坏力，并且给破坏力度提供了条件。常见的载体反映还有以物质为基础的灾害链，可以根据信息物质的形式例如光、电等对载体进行传播、转化等(图1)。

图1 洪水灾害载体反映情况

1.2 游泳技能训练在洪水灾害避难逃生中的作用

游泳技能可以增强人身体能力、人体机能、身体的适应能力以及身体素质等，通过对游泳机能的训练，人们能够改善有氧体、耐力、协调性、柔韧性、灵敏性以及肌肉力量等，能够提高人的体力，并且形成健康的生活方式[7]，游泳技能的训练还能够在洪水灾害的避难逃生中起到重要作用，机体受到运动的刺激，会发生变化，取得游泳技能的训练效果。洪水灾害避难逃生能够开发人体的适应能力，包括对洪水灾害环境中的适应，运动负荷不同，刺激方向也不同，游泳技能的训练可以更加科学的在洪水灾害避难逃生中获得训练效应机理，人体的恒常性与可训练性是矛盾的[8]，科学的灾害避难逃生是通过合理的运动刺激来对身体的恒常性机制起到突破作用，诱使身体适应灾害带来的刺激，并加以抵抗。

1.3 基于Agent的洪水灾害避难逃生效果影响建模

分析洪水灾害中人体跌倒失稳情况和人体的危险程度，并对洪水灾害避难逃生人员设定属性，计算路权函数，建立游泳技能训练对洪水灾害避难逃生效果的影响模型。

1.3.1 洪水灾害时人体危险等级的判断

根据洪水的水深、流速以及人体的身高、体重，利用下列公式可以计算出洪水灾害人体的危险程度，分析人体的受力特点[9]，根据人体的身高、体重对不同水深情况下人体受到的浮力进行计算，同时与河流动力学相结合，得到洪水灾害中人体跌倒失稳的计算公式：

式中：ρf表示水的密度，hp、mp分别表示人的身高和体重，α、β表示综合参数，根据成年人的身体结构特征率可以得到a1=0.633、b1=0.367、a2=1015×10-3m3/kg、b2= -4937×10-3m3/kg。将身高、体重和水深代入到式(1)中计算，并且根据水深、流速的比值分析发生洪水灾害时人体的危险程度：

HD=min(1.0,U/Uc)。

(2)

式中：HD代表发生洪水灾害时人体的危险程度，U代表洪水的平均流速，根据HD值，可以将发生洪水灾害时人体的危险程度分成三个等级：①安全区(0≤HD<6)；②危险区(0.6≤HD<0.9)；③极度危险区(0.9≤HD≤1.0)。

1.3.2 洪水灾害避难逃生人员的种类以及属性

按照年龄的大小可以分为会游泳会自救、会游泳不会自救、不会游泳会自救、不会游泳不会自救四种类型。对洪水灾害避难逃生人员设定属性，例如年龄、是否会游泳、游泳速度、自救能力、受教育程度等。具体设定情况如下：

(1)会游泳会自救

洪水灾害发生时，会游泳的人员遇到紧急情况时可以根据自己掌握的游泳技能来自救，发生洪水灾害时，设定的游泳速度为1.0～1.5 m/s，按照受教育程度可以分成小学、初中、高中和大专，对洪水灾害避难逃生的路线熟悉，并且得知升降梯所在的位置。

(2)会游泳不会自救

洪水灾害发生时，会游泳的人员遇到紧急情况时不能根据自己掌握的游泳技能来进行自救，游泳速度设定为1.0～1.5 m/s，按照受教育程度同样分成小学、初中、高中和大专，对洪水灾害避难逃生的路线不熟悉，并且不知道升降梯所在的位置。

(3)不会游泳会自救

洪水灾害发生时，不会游泳的人员遇到紧急情况时可以根据自己掌握的自救知识来进行自救，按照受教育程度可以分成小学、初中、高中和大专，对洪水灾害避难逃生的路线熟悉，并且得知升降梯所在的位置。

(4)不会游泳不会自救

洪水灾害发生时，不会游泳的人员遇到紧急情况时由于不会游泳而不能够自救，按照受教育程度可以分成小学、初中、高中和大专，对洪水灾害避难逃生的路线不熟悉，并且不知道升降梯所在的位置。

1.3.3 路权函数

洪水灾害的路权函数是用来计算洪水灾害逃生所用时间与来流间的函数关系，可以将逃生路线分为若干段，并计算逃生所用的时间，与洪水灾害避难逃生速度有关，实际洪水灾害避难逃生的试验工况与水流条件比较接近，游泳技能的好坏与逃生道路的拥挤程度会使洪水灾害避难的逃生速度减小，则洪水灾害中会游泳的人的逃生速度可以表示为：

(3)

式中：v0表示逃生速度，η表示折减系数，分析洪水灾害逃生速度时需要考虑水流条件，同时还与逃生道路等级和时间有关，洪水灾害的避难逃生效果与水流条件有关，分析洪水灾害的接收时间，根据线性插值，或得到洪水灾害路段中的水流条件，并计算该路段逃生所用的时间[10]，再根据逃生所用时间和位置获得到下一个洪水灾害路段的水流条件，计算该路段的逃生时间，以此类推可以得到洪水灾害中所有路段逃生所用时间和水流条件，计算路权有如下表达式：

(4)

式中：T0代表接收洪水灾害的预警时间，ΔLi-1、vE,i-1分别代表洪水灾害逃生路段i-1的长度和人员的逃生速度。

1.3.4 Agent的洪水灾害避难逃生影响模型

洪水灾害避难逃生效果影响模型的运行规则为：

(1)以分钟为单位，程序运行的时间单元为1 min。

(2)洪水灾害避难逃生的位置变化为：

(5)

(3)选择洪水灾害避难逃生通道时，受到安全系数的影响，安全系数为：

(6)

(7)

经过上述分析，得到游泳技能高低可能与逃生效果有关系。

2 实验结果分析

实验利用基于JAVA语言的Eclipse平台，采用基于Agent的游泳技能训练对洪水灾害避难逃生效果的影响建模分析测试洪水灾害避难逃生人员的存活率，实验设计的洪水灾害避难逃生人员分别为不会游泳、游泳初学者、游泳终极者和游泳冠军四种，每种人员由6人组成，分别用B1～B6来表示，避难逃生存活率的对比测试结果如图2所示。

图2 游泳技能对洪水灾害避难逃生存活率的影响

从图2可知，游泳技能的不同对洪水灾害避难逃生的存活率影响较大，不会游泳人员的洪水灾害避难逃生存活率在50%以下，游泳初学者的洪水避难逃生存活率在60%以下，游泳终极者的避难逃生存活率在70%～90%之间，游泳冠军在洪水灾害中的存活率较高，在90%以上，说明游泳技能越好洪水灾害避难逃生的存活率越高。

在测试游泳技能对洪水灾害避难逃生存活率影响的基础上，分别采用基于Agent的游泳技能训练对洪水灾害避难逃生效果的影响建模分析和基于元胞自动机的游泳技能训练对洪水灾害避难逃生效果的影响建模分析，测试得到两种方法的结果与理论结果的吻合度，测试结果如图3、图4所示。图3、图4中，方法一代表本文所提出方法，方法二代表基于元胞自动机的游泳技能训练对洪水灾害避难逃生效果的影响建模分析，分析图3可知，第1次实验得到的结果与理论结果的吻合度为70%，第3次实验得到的结果与理论结果的吻合度为80%，第5次实验得到的结果与理论结果的吻合度为90%，分析图4可知，第1次实验得到的结果与理论结果的吻合度为50%，第3次实验得到的结果与理论结果的吻合度为40%，第5次实验得到的结果与理论结果的吻合度为60%，对比可知，在分析游泳技能训练对洪水灾害避难逃生效果时，本文所提出方法得到的结果与理论结果的吻合度较高，更贴近实际，方法二得到的结果与理论结果的吻合度较低，与实际相比存在较大的偏差。

图3 方法一得到结果与理论结果的吻合度

图4 方法二得到结果与理论结果的吻合度

3 结论

游泳技能训练对洪水灾害避难逃生效果的影响建模，是灾害避难逃生研究领域发展的重要研究课题，它可以大大提高了灾害的自救能力，本文提出的基于Agent的游泳技能训练对洪水灾害避难逃生效果的影响建模，利用不会游泳、游泳初学者、游泳终极者和游泳冠军四种类型的人员测试洪水灾害避难逃生存活率，得到不会游泳和游泳初学者的避难逃生存活率较低，游泳冠军在洪水灾害避难逃生的存活率最高，在此基础上，通过对得到结果与理论结果吻合度的测试，证明了本文提出方法得到的结果与理论结果具有较高的吻合度，与实际更贴近。在后续研究中，将细化分析灾害发生的整个过程，以确保得到更加精确的避难逃生结果，为今后的防洪避难工作奠定基础。