某型科考船人员撤离仿真试验

窦晓亮，刘英良

(中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

海洋科考船属于船舶规范中的“特殊用途船”[1]，为了确保设计规范并兼顾各系统的特殊要求，必须充分利用船上的空间。而布置空间紧张所带来的问题是，一旦在海上发生事故，人员逃生受阻，后果将不堪设想。紧急疏散作为一项在事故发生后保障人员生命安全的重要措施，受到国际海事组织IMO的持续关注[2]。《MSC.1/1238号通函》(以下简称《通函》)明确规定，对于新造客船，在设计阶段初期就应进行撤离分析计算以确定并消除人员逃生路线上的拥堵点，从而降低风险隐患。

关于人员疏散评估，大多采用简化撤离方法，即通过交通流、路段速度、路段容量、排队长度，以及其他交通变量之间的数学关系来模拟疏散过程[3]，但简化法忽略了个体差异与人物特性对于逃生过程的不同反应，当计算参数包括路线、人员组成、甲板房间等一系列因素的复杂度上升时，简易法的偏差度较大[4]。相比简易法，基于计算机仿真技术的模拟方法明确定义了个体的性别、年龄、反映速度、移动速度等参考值，更符合实际情况下的人员撤离需求。针对某型海洋科考船脱险通道，考虑采用高级撤离法进行人员撤离仿真试验以验证脱险通道的合理性，提出改进建议。

1 脱险通道及人员组成

本船在总布置设计之初充分考虑到船上人员众多且多为科考人员，前后设置多个通道且路线安全简洁；考虑科考船特点，实验室主要集中布置在主甲板一整层，既有利于区域化管理，又有利于脱险逃生；船上常驻船员和换班制科学家分层布置，极大程度上保证紧急情况下的有序撤离，见图1。

图1 侧视图

全船共有3个主竖区，其中前后主竖区内住舱较少，人员分布主要集中在中间的主竖区，该区域内布置有主梯道环围，局部换乘斜梯、逃口，室外逃生通道，每层中间为环岛布置，设置左右双走廊，使得人员的换乘和疏散非常灵活和便捷，见图2。

图2 主甲板布置

本船人员类别分为高级船员、普通船员、科考人员、科考实习生4类。仿真试验在定员100人，船员26人，科考人员74人的基础上，假定男性77人，女性为23人；年龄分布30～50岁乘员45人，18～30岁乘员55人，见表1。

表1 人员组成假定

2 仿真软件

采用Pathfinder人员疏散评估系统[5]，其核心算法是基于多主体的仿真模型。多主体模型仿真模型中的每一个体被称为代理，每一代理都具有自身特定的属性和特征。代理可从其他代理或环境中得到信息，根据得到的信息和自身的特征，修改自身状态并且向其他代理发出信息，进而产生交互[6]。由于代理和环境、代理和代理间具有更加灵活的关系，多主体仿真模型相比常用于撤离仿真的元胞自动机模型更符合实际场景的要求。试验采用Pathfinder进行全流程仿真模拟。

3 人员个体模型定义

仿真模拟法给出了人员个体属性的建议值，包括性别和年龄区间，平地和上下楼梯的移动速度，夜晚和白天对紧急事件的响应速度。根据这些给定数据，可以初步建立人员个体数据库。通函特别指出，当有更多适合的新数据时，可以对初步人员个体模型进行修正。

在撤离事件中，不但要对人员个体行为进行分析，还要考虑人员体型的差异，不同身材的人，对逃生通道占用的面积不同。假定以圆柱体作为人员个体，圆柱直径作为人体最大肩宽。分别对两组人员进行对比。

第一组人员采用相同身材，所有人员最大肩宽均为50 cm，从房间进入走廊并到达出口的总用时为43.78 s。第二组人员采用2种不同身材，28人最大肩宽为50 cm，20人最大肩宽为43 cm，从房间进入走廊并到达出口的总用时为36.53 s，模拟结果见图3。

图3 不同肩宽对人员移动时间的影响

结果表明，体型数据会直接影响逃生通道的拥挤度，进而影响总的撤离时间。

因此，本次仿真实验在通函已经明确的人口数据中，加入了基于乘员个体的身高和肩宽数据，以便于更加精确的计算人员疏散的过程。身高和肩宽数据由GB/T10000—1988《中国成年人人体尺寸》获得。

4 流程仿真分析

4.1 流程仿真

仿真选取2种典型工况进行：主撤离夜间工况和次级撤离白天工况。主撤离工况下全船逃生通道全部可用，该工况认为紧急事件发生后未造成疏散通道的堵塞。次级撤离工况下只有部分逃生通道可用，该工况认为紧急事件发生后，主逃生通道不能满足正常疏散需要。

2种工况的人员移动时间包括全船乘员和50%船员到达集合站的时间，25%船员初始于集合站等候的时间和25%船员为帮助乘客需逆流而行的时间。

撤离仿真过程具有概率特性，模型预计和现实中测量的时间是一个随机的数量，根据通函要求至少对每种工况进行50次的不同模拟。由于人员分布复杂且模拟时间较长，仿真试验对上述每一工况进行5次模拟，最终获得人员到达集合站的时间的平均值见表2。

表2 人员到达集合站的时间

根据规范给定的计算公式和模拟出的人员到达集合站的时间，可计算出人员撤离的总时间。本船总撤离时间的计算如下。

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

(1)

式中：A为人员初始响应时间，取规范规定的最大值，即白天响应时间为6.5 min，夜晚响应时间为13 min；T为人员到达集合站的时间；E为登乘时间；L为下水时间。规范规定当E和L没有足够的数据支持时，假定E+L=30 min。

计算得Tz=60 min。

4.2 仿真分析

由式(1)计算可得夜间主撤离工况总用时44.581 min。白天次撤离工况总用时39.945 min。2种工况均少于通函要求的时间60 min，并留有一定余量，表明本船符合MSC/circ.1238中的人员疏散性能检验标准[7]。

除此之外，利用Pathfinder的图形可视化工具，分别对疏散过程进行分析。

4.2.1 逃生通道全部可用且大部分人员在休息

1)位于登艇甲板中部的4人间距集合区最近，所以这个房间的人员最先到达集合区。

2)位于下甲板集控室的工作人员离集合区最远，但由于下甲板的居住舱室人员进入主逃生梯道时发生了短暂的拥挤，见图4，使得下甲板居住舱室人员到达集合区的时间最久。

图4 下甲板主梯道拥堵点

3)位于主甲板前部的实验套间由于远离集合区，且与下甲板居住舱室人员在主逃生梯道相遇发生排队情况，见图5，所以到达集合区的时间第二久。

图5 主甲板主梯道拥堵点

4.2.2 主梯道关闭且大部分人员在工作

1)位于登艇甲板中部住舱内人员和集合区同属一层甲板且距离最近，所以最先到达集合区。

2)在只有一条逃生通道的情况下，位于下甲板住舱区域人员离集合站距离最远，所以最晚到达集合区。

3)主甲板作为主要工作区域，人员集中，加上下甲板人员往上，在通过后部逃生通道，经过后主竖区防火门处出现排队情况，见图6。

图6 主甲板内部通道拥堵点

4)位于下甲板和主甲板的人员在通过主甲板后部逃生通道到达室外工作甲板室梯道处，发生了严重的拥挤情况，见图7。

图7 工作甲板梯道拥堵点

5)当主甲板人员从室外工作甲板梯道到达登船甲板时，会与登船甲板人员产生堆积排队，见图8。

图8 登船甲板室外梯拥堵点

4.3 撤离方法对比分析

与仿真撤离法不同，简化撤离法把整个撤离过程看作为流体运动的过程，不同宽度的走廊和楼梯作为水管，通道出入口作为阀门，人员的移动作为管道中的水流，集合站是出口，通过计算水管中的水流到达另一水管和出口的时间，计算整体撤离疏散时间。将出口与入口之间，流量大于1.5人/s的处所作为撤离中的拥堵点。

简化撤离法人员到达集合站的时间(T)=起始点到每个楼梯或走廊的时间+总的脱险通道移动时间+总的楼梯移动时间+最后一个楼梯到集合站的时间。

分别对上述2种工况进行简化撤离法计算得：

夜间主撤离工况总用时45.1 min；白天次撤离工况总用时37.741 min。

简化撤离法与仿真撤离法的撤离总时间差异较小，夜间主撤离工况总用时仅差0.5 min，白天次撤离工况总用时相差2.2 min。

在拥堵情况分析中，简化撤离法只检测出3处人流拥堵点，仿真撤离法则检测出5处人流拥堵点。由于仿真撤离法定义了每位人员不同的移动速度，使得简化撤离法中夜间主撤离工况登艇甲板处和白天次撤离工况中艏楼甲板处出现的排队状况在仿真撤离法中并没有出现。而在白天次撤离工况中，主甲板内部人群由较宽通道涌入较窄通道的拥堵情况，在仿真撤离方法中也得到了体现。

5 结论

1)仿真撤离方法可以比简化撤离方法模拟出更多的拥挤状况。

2)通过简化撤离法计算得出的拥挤点，在仿真撤离方法过程中同样可以得到体现。

3)仿真撤离方法定义了每个人员的属性信息，仿真结果相比简化撤离法更符合实际需求。

4)主甲板工作区人员密度较大，适当加大逃生通道宽度可避免产生内部拥堵；室外工作甲板梯道附近应预留足够空间供逃生人员排队等待。

5)下甲板居住区人数较多，大部分人员从主逃生通道上楼，只有2人从前部机器处所梯道通过，合理引导2个通道的人员流动可以解决拥堵问题。

6)集合区周围应尽量避免因设备占用造成的人员撤离障碍，在条件允许的情况下，安排专人进行疏导，避免事故发生。