豪华邮轮不同楼梯布置的乘员疏散效率分析

(上海海事大学 海洋科学与工程学院，上海 201306)

楼梯作为各类建筑物的主要疏散环节，其布置的合理与否对人员疏散有重要的影响作用。合理的设计能提高交通设施的通行能力, 缓解行人拥挤并节约资源；不合理的楼梯布置轻则影响行人正常行走，造成拥堵，重则引发严重踩踏事故，造成人员伤亡[1]。合理的楼梯布置，要充分考虑疏散过程中人员的行为、规律等，如楼梯运动中的汇流行为和被疏散者流的运动规律[2-3]及疏散过程中动态受力作用[4-5]等，研究人员行为、疏散规律等多借助于行人模型，主要包括社会力模型、元胞自动机模型[6]及格子气模型等。此外，合理的楼梯布置还应该考虑特殊环境的影响，如船舶在海上航行时受波浪的影响而倾斜、摇晃[7]，或者船舶内部发生火灾导致能见度降低等因素也会影响乘员的安全疏散。目前少有关于不同楼梯布置条件下对人员疏散影响的研究，关于豪华邮轮的不同楼梯布置条件对人员疏散影响更少报道。基于此，使用Pathfinder软件建立某豪华邮轮的物理模型进行疏散模拟，通过改变该豪华邮轮楼梯的尺寸、数量和空间结构，观察乘员在不同楼梯布置状况下的楼梯处的疏散行为及运动规律，探究楼梯在不同布置条件下对人员疏散效率的影响。

1 数值建模

1.1 数值模拟软件Pathfinder计算基础

Pathfinder支持两种运动模拟方式:SFPE与Steering模式。由于Steering更能真实地体现大规模人员疏散过程中的人员行为，并且能有效避免SFPE模式下大密度人群聚集时可能出现的踩踏事故，更加科学。在研究单一变量对人员疏散的影响时，均选用Steering模式进行疏散模拟。

1.2 模型设置

构建豪华邮轮模型主要参数见表1。邮轮中3～16层为游客可以到达楼层，层高5 m，其中客舱分布于第3层、第6层至第13层。该邮轮共有客舱2 094间，每间客舱面积20～40 m2不等，走廊宽度1～2 m。疏散前全船4 905名乘客均分布在客舱内，每间客舱2～5人，每层人员数与客舱数见表2。

表1 模型原邮轮主要参数

根据邮轮实际设置，救生艇位于5层甲板，在模型中将5层甲板左右舷处设置为最终疏散出口，即人员到达5层左右舷处即认为人员已被安全疏散。船头纵向中部位置有一个楼梯，船尾有两个楼梯，在邮轮纵向两侧对称分布，所有楼梯宽度均为3 m。

表2 各层客舱数及人数设置

1.3 模拟场景设置

从楼梯宽度、数量和空间布局三方面考虑楼梯在不同布置条件下对人员疏散的影响，具体场景设置如下。

1)场景1。分别将各楼梯宽度减少1.5、1、0.5 m及增加0.5 m。

2)场景2。将船尾处2个宽度为3 m的楼梯改为3个宽度为2 m的楼梯，其余不变。

3)场景3。将船头处宽度为3 m的楼梯改为2个宽度为1.5 m的楼梯，其余不变。

4)场景4。以船尾处3个2 m楼梯模型为基础，将船尾处的中间楼梯移动至邮轮中部合适位置，其余不变。

2 结果与讨论

《新造客船及现有客船疏散分析修订指南》指出，客船人员疏散总时间的表达式为

TREST=1.25(A+T)+2/3(E+L)

(1)

式中：A为响应时间，取10 min；E为人员到达救生艇所在甲板后的登艇时间；L为救生艇下放时间。通常规定(E+L)不大于30 min，取30 min。指南中的人员疏散时间要求：3层以上的邮轮所允许的总疏散时间TREST为80 min。

对4种楼梯不同布置场景进行模拟，结果见表3。

表3 不同场景下人员疏散时间模拟结果

计算疏散总时长减少率η。

(2)

式中：T0表示初始场景下的疏散总时长，Ti(i=1、2、3、4)表示场景1～4的疏散总时长。T1为只考虑改变楼梯宽度的场景1的总疏散时间，对应4种情况总疏散时间的减少率分别为-0.45%、3.57%、1.30%、-0.90%。场景2～场景4的疏散总时长减少率分别为0.25%、7.50%、18.89%。

对比原始场景和场景1的人员疏散情况：增加楼梯宽度不仅会使得单位宽度内的疏散效率明显下降，甚至会增加总疏散时长。而适当减小楼梯宽度，会使得疏散效率明显提高。宽度减小1 m时，疏散效率增率达到最大值，且此时疏散时间最短。继续减小疏散宽度至1.5 m，平均疏散效率仍在增长，但其总疏散时长明显增加，有悖于保障人员疏散安全的基本原则，因此，认为在现有条件下，楼梯宽度应该减少1 m。

场景2和场景3都是在保证总疏散宽度不变的基础上，分别改变船尾和船头楼梯数量。场景2和场景3的疏散人数与时间的关系见图2、3，结合表3发现：将船尾处2个3 m楼梯改为3个2 m楼梯，场景2下的疏散总用时减少率为0.25%，改进效果并不明显；将船头处1个3 m楼梯修改为2个1.5 m楼梯，即场景3的总疏散时长为2 582.5 s，比起原始场景下的2 792 s有明显缩短。

图1 场景2下的疏散人数与时间的关系

图2 场景3下的疏散人数与时间的关系

场景4是对场景2的一种优化：即以船尾处3个2 m楼梯模型为基础，将船尾处的中间楼梯移动至邮轮中部合适位置。模拟结果显示，场景4疏散总时长仅为2 264.8 s，疏散总用时减少率为18.89%，相比于原始疏散场景有了明显的改进效果。

结合模拟的3D视图对以上模拟结果进行分析：楼梯宽度过宽会使得楼梯的外侧人员难以在楼梯平台处完成转向，反而更容易造成人员拥堵，不利于疏散；相反，适当减小楼梯宽度，疏散效率会得到明显提高；适当增加楼梯数量，并对楼梯合理布局，可以有效地将人员进行分流，缩短部分客舱人员的疏散路径，提高人员疏散效率。

为进一步提高邮轮人员疏散效率，综合上述有明显优化效果的改进措施，在不增加总楼梯宽度的基础上，提出两种优化方案，其中疏散时间较短者即为最佳优化方案。方案一：①将船尾处的楼梯宽度减至2 m，仍保持两个楼梯在邮轮纵向左右两侧对称设置；②在邮轮中部位置设置一个宽度为2 m的楼梯；③船头处的楼梯分为宽度为1.5 m的2个楼梯，并在邮轮纵向两侧对称设置，这种方案设施并未改变总楼梯宽度，只是在现有的宽度要求下对楼梯位置进行重新分布。方案二：①②与方案一相同；③将船头处的楼梯宽度减至2 m，这种方案减少了总楼梯宽度，更加经济。模拟结果见表4。

表4 两种优化方案下的模拟时间结果

根据式(1)，计算得到以上两种优化方案的总疏散时间均在80 min以内，即两种优化方案均可使得全船人员可以成功疏散。由式(2)计算出优化后的两种方案的疏散总时长减少率分别为19.49%和21.51%，两种改进方案对人员疏散的改进效果显著。

楼梯数量的增加可以实现人员分流，从而缓解拥堵现象，提高疏散效率。但是当船头处楼梯宽度从3 m降至1.5 m时，狭窄的楼梯宽度反而限制了人员的顺利疏散。综合疏散时间和疏散效率，方案二的优化效果优于方案一。

3 结论

1)疏散楼梯的宽度与疏散效率并不是正相关的关系，增加楼梯宽度，会使得楼梯的外侧人员难以在楼梯平台处完成转向，给人员疏散造成不便而造成适得其反的效果。

2)楼梯数量的增加可给因拥堵现象而选择等待行为的人员提供新的疏散路径。场景2、3都是增加楼梯的数量，但疏散效率并无明显改进，是由于人员在5层最终疏散出口处汇集造成拥堵现象，降低了疏散效率；同时考虑增加楼梯数量和楼梯空间布局的场景4和两个优化方案，对疏散效率的改进效果显著，合理设置楼梯宽度、数量和楼梯的空间布局可以有效提高人员疏散效率。

在邮轮人员楼梯疏散研究过程中，没有充分考虑疏散人员的个体特征对疏散过程的影响，未涉及邮轮人员在特殊场景(如邮轮在暴风雨天气下的倾斜状态、发生火灾状况下能见度降低等)下的疏散情况，这些在以后的研究工作中需要进一步完善。