基于maritimeEXODUS的邮轮高级撤离仿真分析

周鹏飞,陈 祺,王丽元,谷家扬,黄 昊

(1.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院, 镇江 212100)

(2.中船邮轮科技发展有限公司, 上海 200137)

(3.江苏科技大学 海洋装备研究院, 镇江 212003)

随着海洋旅游资源的深度开发,邮轮旅游成为国际旅游市场的重要组成部分[1].但近年来因火灾和进水事故导致的远洋客船动力失效、弃船或沉没事故时有发生,邮轮的安全问题不容小觑.一旦发生事故,紧急疏散对保障船舶人员生命安全至关重要[2].根据IMO发布的技术通告[3],客船在设计阶段应参考该指南进行撤离分析.指南提供了两种分析方法:简化撤离分析和高级撤离分析.简化撤离分析通过船体的相关参数估算总撤离时间.但随着船舶复杂程度的提高,简化撤离越来越不能代表实际情况.高级撤离分析是指以计算机为基础的模拟,把每一个乘员作为一个个体,详细显示船舶布局并显示乘员与布局之间的相互作用.高级撤离分析需建立船舶的疏散仿真模型,与简化撤离分析相比难度较大且耗费时间,但可以更好的表示复杂船舶的实际情况.

随着计算机技术的发展,人员疏散仿真模型的研究逐渐完善,根据研究方法的不同可以分为宏观模型、微观模型、介观模型3类[4].人员疏散微观仿真模型是一种针对疏散个体建模并利用计算机仿真技术模拟个体行为规律的模型[5].国内外许多学者和团队根据微观模型开发出了用于仿真模拟的疏散软件,可为邮轮进行高级撤离分析提供技术支持.

文献[6]总结了能够为船舶的高级疏散分析提供软件支持的疏散平台,如IMEX、AENEAS、EVI和maritimeEXODUS.EXODUS是英国格林威治大学火灾安全工程协会(FSEG)开发的基于元胞自动机模型的疏散仿真软件,maritimeEXODUS是针对船舶开发的版本,诸多学者采用此软件展开数值仿真模拟研究.文献[7]使用真实海洋平台疏散实验数据校核模型参数,并对比软件maritimeEXODUS的计算结果,验证仿真系统的可行性.文献[8]利用实测的人员速度数据比较Exodus模拟的疏散时间,得出计算机模拟的结果具有较好的参考性.文献[9]基于Pyrosim和maritimeEXODUS数值模拟结果,对比无火和有火两种疏散场景,得到了火灾对人员疏散安全性的影响机制.文献[10]通过Exodus软件模拟海洋平台上的疏散情况,分析了疏散路径对疏散时间和伤亡人数的影响.文献[11]提出了一种标准化的疏散场景,并用maritimeEXODUS对定义的疏散场景进行模拟验证.

目前,船舶的撤离仿真模拟中对于总撤离时间的计算分析较少,尤其是基于全船的人员撤离模拟.本文将以某邮轮为研究对象,使用maritimeEXODUS建立全船的疏散仿真模型,对事故状态下的全船人员进行高级撤离的仿真模拟,开展由初始位置到集合站、集合站到救生艇(LSA)的撤离模拟及总撤离时间的计算分析,并对模拟过程中形成的拥挤区域提出优化方案.

1 撤离分析原理

1.1 撤离时间性能标准

根据文献[3],总撤离时间为:

1.25(R+T)+2/3(E+L)≤n

(E+L)≤30 min

(1)

式中:R为响应时间,指人员对紧急状况产生反应的时间;T为总移动时间,指船上所有人员从被通知的时间移动至集合站的时间.该时间从紧急情况的初始通知(例如警报)开始,以乘客接受状况并开始朝集合站方向移动而结束.(E+L)为登乘及下水时间,指船上所有人员弃船所需的时间,从所有人员穿上救生衣集合后发出弃船信号时开始算起.对于客滚船,n=60;对于客滚船以外的客船,如果船舶的主竖区不超过3个,n=60,如果船舶的主竖区超过3个,n=80.性能标准见图1.

图1 性能标准

如果计算的总撤离时间大于允许的总撤离时间,在设计阶段应通过适当修改影响撤离系统的布置来纠正,以达到可接受的总撤离时间.

1.2 撤离时间收敛衡准

由于撤离过程具有概率特性,模型预计和现实中测量的移动时间是一个随机的数量,每一场景均应进行总共至少500种不同的模拟.但该方法最大的缺陷是需要过多的计算来确定移动时间[12],若使用适当的方法确定收敛,可减少模拟的最小数量.

(2)

2 疏散模型和场景设计

2.1 疏散模型构建

邮轮的上部结构按防火分区规划划分为6个主竖区,设有9个乘客集合站和3个船员集合站,分别位于3甲板、4甲板和5甲板,其中4甲板是登乘甲板.

采用疏散模拟软件maritimeEXODUS对目标邮轮进行建模,邮轮的3D模型如图2.该邮轮共有16层甲板,由底层甲板至顶层甲板分别为B甲板、A甲板、0～14甲板.

图2 目标邮轮的3D模型

各甲板之间通过楼梯连接,人员使用楼梯完成甲板间的移动.以4甲板为例,根据楼梯组所在的肋位,楼梯组所在区域从船艉至船艏依次为STAIR0、STAIR60、STAIR120、STAIR160、STAIR220、STAIR270和STAIR340,如图3.

图3 邮轮模型中楼梯区域

2.2 模拟场景设计

MSC.1/Circ.1533技术通告规定了邮轮高级撤离的典型基准场景及相关参数设置.分析时应至少考虑4种场景:夜晚基本撤离、白天基本撤离、夜晚次级撤离、白天次级撤离.其中,基本撤离场景对乘客按照初始位置到集合站、集合站到救生艇(LSA)的流线进行撤离模拟,所有撤离通道和楼梯均能正常使用;而次级撤离场景以基本撤离场景为基础,进一步研究基本撤离场景中最长个人集合时间的主竖区,并在在模拟时将该主竖区内使用的容量最大的一整套楼梯视为不可使用.对于所有场景,除人员响应时间和初始位置不同,具有随机特性外,人员数量相同.人口组成如表1.撤离模拟中邮轮共有6 538人,其中乘客共5 246人,船员共1 292人.

表1 人员组成

在夜晚撤离场景中,人员的初始分布情况:舱内乘客以最大铺位量计已满员,2/3船员在船舱内.对于剩余的1/3船员,50%应初始位于服务处所,25%应位于应急站,25%应初始位于集合站并以与撤离者相反的方向朝该集合站指定的最远客舱前进,一旦到达该客舱,模拟中将不再考虑这些船员,认为其撤离结束.每个主竖区内的乘客和相反方向船员的比例相同.

在白天撤离场景中,人员的初始分布:乘客占据了公共处所最大容量的75%.船员的分布:1/3的船员初始位于船员起居处所(船舱和船员日间处所),1/3的船员初始位于公共处所,剩下的1/3分布:50%的船员应位于服务处所;25%的船员应位于应急职责位置;25%的船员应初始位于集合站并以与撤离者相反的方向朝该集合站指定的最远客舱前进;一旦到达该客舱,模拟中将不再考虑这些船员,认为其撤离结束.每个主竖区内的乘客和相反方向船员的比例相同.

按照上述夜晚场景和白天场景的人员初始分布区域和人员组成,随机导入乘客和船员,各甲板的人员分布情况如表2.夜晚场景下人员主要分布在居住处所,公共处所只有少部分船员分布.白天场景下人员主要分布在公共处所,居住处所只有船员分布,人数相对较少.

表2 人员的初始分布

模拟中船员共1 292人,初始位于集合站并以与撤离者相反方向撤离的船员共108人,到达指定位置后,模拟将不再考虑这些船员.因此模拟结束后,最终撤离到LSA的人员共6 430人.除了观察乘客撤离情况的108位船员外,其余船员与乘客的撤离方式一致,撤离开始后由初始位置撤离至集合站,集合完成后撤离至LSA.

3 疏散模拟的结果分析

3.1 各场景的撤离时间

3.1.1 基本撤离场景

通过maritimeEXDOS软件建立邮轮数值仿真模型,对船上人员进行高级撤离模拟.模拟结束后,统计各层甲板内人员最后离开的时间作为该甲板的撤离时间,其中3、4、5为集合甲板,在撤离过程中,非集合甲板的人员均需离开初始甲板,撤离至集合甲板集合.除108位反向撤离的船员外,所有人员在集合甲板内完成集合后再进行下一步撤离,集合甲板完成撤离的流动人口数量较大,因此集合甲板的撤离时间较长.同时4甲板为登乘甲板,集合完成后的人员需撤离至登乘甲板内的救生艇后完成撤离,因此登乘甲板的撤离时间最长.白天和夜晚基本撤离场景中各层甲板人员的撤离情况如表3.

两种场景下3、4、5甲板的撤离时间均较长,夜晚场景下3、4、5甲板的撤离时间分别为2 246.98、2 350.67、1 515.77 s,白天场景下3、4、5甲板的撤离时间分别为1 391.14、1 725.67、1 395.08 s.相较于白天基本撤离场景,夜晚基本撤离场景由于人员反应时间较长,各甲板人员撤离时间均大于白天基本撤离场景.

根据人员完成撤离的时间,绘制基本撤离场景的基本撤离曲线图,如图4.夜晚场景中,在撤离前的16 min人员处于集合阶段,16 min后人员逐步撤离至LSA,40 min左右人员均完成撤离.而白天场景中人员的反应时间较短,在9 min左右便完成集合,9 min后人员逐步撤离至LSA,29 min左右人员均完成撤离.

图4 基本场景的撤离曲线

图5 4甲板STAIR270处的楼梯组

基本撤离场景中各个主竖区的集合时间见表4.夜晚基本撤离场景中,主竖区5内的人员集合时间最长,用时最多的人员初始位于11甲板,该区域为客舱,夜晚场景中人员集中在客舱区域,且位于主竖区5内的人员普遍使用STAIR270处的楼梯撤离,人数较多.白天基本撤离场景中,主竖区2内的人员集合时间最长,用时最多的人员初始位于10甲板,该区域为餐厅,白天场景中人员分布较多,且餐厅内的桌椅布置较多,会影响人员的撤离速度.

表4 各主竖区的集合时间

基本撤离场景中集合时间最长的人员均位于上层甲板的人员密集处.分析原因如下,邮轮上层甲板多为娱乐观光设施和客舱,在白天和夜晚场景均有大量人员分布,人员集中撤离会影响撤离效率,同时,上层甲板与集合甲板间的距离较远,因此集合时间较长.

3.1.2 次级撤离场景

根据两种基本撤离场景的模拟结果,夜晚基本撤离场景中产生最长个人集合时间的为主竖区5,该主竖区内使用容量最大的为4甲板STAIR270处的20、24号楼梯组,根据次级撤离场景的设置规则,在进行夜晚次级撤离模拟前,应将该楼梯组所在的整套楼梯均设置为不可使用,如图7.

白天基本撤离场景中产生最长个人集合时间的为主竖区2,该主竖区内使用容量最大的为5甲板STAIR60处的37、38号楼梯组,同理,在进行模拟前,应将该楼梯组所在的整套楼梯均设置为不可使用,如图6.夜晚次级撤离和白天次级撤离各甲板的人员疏散情况见表5.

表5 次级撤离场景的撤离情况

图6 5甲板STAIR60处的楼梯组

同理,次级撤离场景中,夜晚场景和白天场景中各层甲板的撤离情况见表5,完成撤离的时间分别为2 387.50、1 818.67 s.根据人员撤离时间绘制次级基本撤离场景曲线,如图7.

图7 次级场景的撤离曲线

3.2 撤离时间的计算分析

按照收敛衡准的要求对每个场景应分别进行50次模拟,模拟数据见表6,其中,登乘时间E为发出弃船信号人员由集合站撤离至LSA的移动时间.

表6 4种场景的模拟数据

救生艇降放时间按SOLAS[13]最低下降速度考虑,S=0.4+0.02H=0.738 m/s(其中H=16.9 m).降放时间L为16.9/0.738=23 s.4种场景中E+L的最大值为1 368.67 s.

由式(3)可得Tlim的值为2 880 s,其中(E+L)要求取最大值30 min.由式分别判断4种场景是否满足收敛衡准,见表7.根据计算结果,4种场景均满足衡准,根据撤离时间收敛衡准,符合性能标准的总移动时间值T为移动时间的最大值,因此根据表6移动时间T为1 246.81 s.

表7 收敛衡准判定

(3)

根据性能标准对总撤离时间进行校核,其中每个人员穿上救生衣的时间假设为10 s,因此人员的响应时间和总移动时间(R+T)为1 256.81 s.4种疏散场景中,登乘及下水时间(E+L)的最大值为1 368.67 s,满足式(2)的要求,因此(E+L)可按式(1)取最大值30 min.根据式(1),得到疏散模拟的总撤离时间见式(4).疏散模拟的总撤离时间小于性能标准要求的80 min,因此满足要求.

1.25(R+T)+2/3(E+L)=2 771′=46′11″<80′

(4)

3.3 拥挤区域分析

区域内局部人员密度在长时间段内超过4人/每平方米,则视为拥挤;拥挤区域的持续拥挤时间大于模拟的总集合时间的10%,则应认为是影响重大[5].maritimeEXODUS软件可显示人员密度超过4人/每平方米且拥挤持续时间超过总集合时间10%的区域,如图8中的深色区域.综合考虑4种模拟场景,显著拥挤区域的形成主要有3种情况.

图8 D3集合站处的显著拥挤区域

(1) 软件内人员在撤离过程中均选择最近的路径,若某一区域内人数较多,人员可能会出现集中选择相同的路径撤离,且撤离过程中不会改变路径,因此容易在出口、楼梯或走廊位置发生拥挤.这种情况在人员集合完毕后撤离到LSA的过程中最容易发生.集合完毕后的大量人员均由集合站开始撤离,各个集合站附近均会出现因人员集中撤离而形成的拥挤情况.其中,D3集合站在四种撤离场景中均出现了不同程度的拥挤.该集合站位于3甲板,D3集合站内的人员在集合完成后普遍选择图8的楼梯组,且由于走廊比较狭窄,人员集中在楼梯附近的走廊处,造成严重的拥挤情况,如图8.

(2) 软件内集合站需关联LSA来完成人员由集合站撤离至LSA的过程,而关联顺序会决定人员选择LSA的优先级.若优先关联的LSA在登乘过程中发生拥挤,便会影响到后续乘客的撤离,造成第二次拥挤,形成长时间的拥挤情况.因此在人员集合完毕后由集合站移动至LSA区域的过程中会形成显著拥挤区域,如图9.在图中,集合站优先关联LSA4,人员优先撤离至LSA4并在此处形成拥挤,LSA4处的拥挤对该处走廊以及撤离至LSA6的人员产生影响,造成第二次拥挤.

图9 LSA处的显著拥挤区域

(3) 登乘过程中由于人数较多,容易在LSA附近形成长时间的拥挤情况.因此人员在登乘救生艇时在LSA附近会形成显著拥挤区域,如图9.

3.4 优化方案分析

基于撤离过程中人员在集合站和LSA附近出现的拥挤情况比较严重,为了避免拥挤情况影响撤离时间或引发人员踩踏事故,对拥挤情况比较严重的区域提出优化方案.由于人员撤离进入LSA时需排队等待,在LSA附近形成的拥挤区域不可避免.因此本节针对4种撤离场景中普遍出现拥挤的D3集合站,提出3种优化方案.

方案1:集合完毕后,引导D3集合站的人员撤离至LSA,避免出现大量人员集中使用同一楼梯的情况.

方案2:更改D3集合站附近的布置,在满足其它设备、功能布置的条件下,增加楼梯处的走廊宽度,由0.5 m增加至1 m;移动该走廊处餐桌的位置,保证走廊的宽度达到1 m.

方案3:同时考虑方案1和方案2.

针对优化后的模型,分别对夜晚次级撤离场景进行模拟,优化前和优化后的拥挤区域如图10～13.方案1、3的拥挤区域面积和拥挤时间均相应减小,方案2的拥挤区域面积虽然没有减小,但是拥挤的时间大幅下降,如表8.

表8 优化后的模拟数据

图10 优化前与方案1的拥挤区域对比

图11 优化前与方案2的拥挤区域对比

图12 优化前与方案3的拥挤区域对比

图13为每分钟内完成撤离的人数的模拟流量.优化后的撤离时间和拥挤时间均有了明显的缩短,其中方案3的优化效果最好,与优化前相比,撤离时间和拥挤时间分别减少了14.5%和55.9%.方案1、2对总撤离时间的优化效果差别不大,与优化前相比分别减少了13.7%和12.6%,但方案1对拥挤时间的改善更为明显,相比于优化前减少了52.5%;而方案3与方案1、2相比,优化效果的提升较小,考虑到总撤离时间满足要求,不必更改邮轮的布置,因此,可采纳方案1来改善拥挤情况,提高撤离效率.

图13 优化后的模拟流量

4 结论

(1) 采用maritimeEXODUS软件对邮轮全船进行数值建模,相对于简化撤离,可以得到邮轮船上人员撤离时间和流量,直观地显示人员撤离细节和邮轮拥挤区域,为邮轮的高级撤离分析提供了另外一种技术路线,供邮轮设计人员参考.

(2) 根据数值仿真结果,邮轮疏散模拟的总撤离时间满足规范要求,拥挤区域对总撤离时间的影响较小,因此不必对邮轮的布置进行更改.

(3) 人员容易在出口、楼梯、走廊和LSA处形成拥挤,尤其人员集合完毕后由集合站撤离至LSA的过程中,集合站人数较多,大量人员同时由集合站撤离,会出现集中选择同一楼梯撤离的情况.在使用率较高的楼梯处,若走廊或出口的宽度较小,拥挤情况会更加严重.对人员进行有效引导的优化方案效果显著,且不必更改邮轮的布置,可采纳该方案来改善拥挤情况,提高疏散效率.

(4) 仿真软件的模拟具有局限性,人员在撤离时选择路径后便不会改变,容易形成拥挤.人员由集合站撤离至LSA时需按照LSA与集合站的关联顺序,集中在优先关联的LSA附近,容易形成拥挤且造成第二次拥挤,降低撤离效率.因此在撤离过程中需加强LSA附近人员的引导,避免人员因排队进入救生艇形成的拥挤区域,影响撤离通道内正在撤离的人员而造成第二次拥挤.后续研究可进一步完善人员撤离模型.