基于元胞自動機的郵輪碼頭應急疏散策略研究

（武漢理工大學物流工程學院 武漢 430063）

0 引 言

郵輪碼頭在建設和運營中可能發生的災害主要分為自然災害與人為災害．自然災害包括臺風、海嘯等；人為災害包括火災、爆炸、工程事故等，而突發災害對郵輪碼頭旅客生命財產安全的影響是不可估量的．交通部頒布的《港口安全評價管理辦法》第十五條中明確指出：客運碼頭應制定重大生產安全事故的旅客應急疏散和救援預案，保障旅客安全．因此，加強郵輪碼頭安全管理，通過研究郵輪碼頭緊急事故后的旅客疏散行為，提高系統對突發事件的緊急預警防護能力已經成為各方面廣泛關注的議題［1］．

國外學者 Helbing［2－3］等人用社會力模型模擬疏散過程中擁擠、堵塞、快即是慢等現象，但連續性模型運行速度慢．國內學者范維澄［4］等人在Helbing工作的基礎上，利用社會力模型描述人員疏散中，門的寬度與墻的厚度等對人員疏散的影響，但局限于走道、人行道等領域．本文通過量化三種力的運算規則，提出了一種二維元胞自動機擴展模型，將其應用于郵輪碼頭進而進行仿真試驗，并提供合理性疏散策略，擴展了元胞自動機離散模型應用領域．

1 郵輪碼頭應急疏散系統搭建

1.1 郵輪碼頭平面布置

郵輪碼頭中基礎設施和輔助設備眾多，將郵輪碼頭分為以下幾個區域：

1）登錄區 主要設備包括郵輪停靠的泊位，以及登陸郵輪或者離開郵輪的舷梯．

2）客運聯檢區 主要包括售票處、郵輪辦公區、游客候船區、行李托運等．

3）輔助設施區 停車場、餐飲場地等．

4）商業區 休閑、酒店配套設施等．

5）門廳 主入口門廳、次入口門廳、辦公室門廳、貴賓門廳、展覽門廳等．

1.2 郵輪碼頭應急疏散系統構成

郵輪碼頭應急疏散系統由應急疏散控制中心調控，主要有應急疏散通道、應急裝備（包括應急燈、滅火器、疏散廣播等）、應急警報系統、應急疏散輔助人員、應急疏散控制中心、應急疏散標示符等幾部分組成．其應急疏散系統構成見圖1．

2 郵輪碼頭應急疏散的元胞自動機模型建立

2.1 模型的提出

針對郵輪碼頭面積大，人流擁擠，內部建筑結構復雜且不規則的特點，因此，采用von Neumann型鄰域確定人員可能的運動方向，并將碼頭進行平面的網格劃分，而每個元胞尺寸對應真實人員的占據面積，即0．5m×0．5m．但由于有疏散口的存在，即人員逃生過程中會出現有偏行走現象，故大部分人會選擇放棄背離門的方向行走而選擇其他3個方向行走，見圖2．

圖1 應急疏散模型

圖2 元胞von Neumann型鄰域：模型中人員可能的運動方向

2.2 模型規則的確定

模型中引入智能性局部規則，并采用異步更新原則，具體規則為：郵輪碼頭應急疏散模型初始化時，根據疏散口對每個元胞具有吸引力來初步確定每個元胞的初始逃逸路線；即各個元胞根據“L”形或“T”形的逃逸規則，選擇下一目標格點．

郵輪碼頭應急疏散模型中，2個或2個以上的元胞競爭同一格點而產生沖突時，通過考慮各元胞之間的摩擦力來修正元胞的逃逸路線，即摩擦力概率大的進入該目標格點，其他的以一定概率原地不動或其他兩個方向有偏行走．

鑒于考慮每個元胞屬性不同（即男、女、老人或小孩及殘疾等），故存在4種不同的逃逸速度，則各個元胞移動到下一目標格點的時間步亦不完全相同，因此，可稱為異步．

考慮到郵輪碼頭模型的隨機性和慢化問題，應用隨機流數據、一定總數各元胞隨機概率分布于各個格點，每次各個元胞的位置、屬性都不會完全相同．模型的慢化概率為5%．

2.3 模型的離散化

1）吸引力確定模型目標 考慮到郵輪碼頭旅客堵塞，建筑內部疏散口一般較多，而通常元胞需要尋找最佳的疏散口作為目標，主要體現為吸引力，故暫時忽略人與人之間的群體行為導致的相互吸引力．

在郵輪碼頭的緊急疏散過程中，人員的最終目標就是多個疏散口中最近的疏散口，但人員的下一目標就是選擇自認為趨向于最優的格點，并不斷通過連接最優格點，確定出每個人員的最佳逃逸路徑．以最近的疏散口為最終目標格點，計算每個人員到各個疏散口的距離，并通過比較取距離的最小值，其最小距離為

式 中：（Xi，Yi）為 第i 個 元 胞 的 坐 標 值；min（Dn（Xi，Yi））為第i個元胞距n 個疏散口中最短的距離值；（Xj（out），Yj（out））為第j個疏散口的坐標值．

郵輪碼頭模型內部引入動力場包括摩擦力和排斥力，主要是為了修正和優化人員逃逸路線，分別對其進行離散量化．

2）摩擦力量化 在郵輪碼頭聯檢大樓中，聚集著大量擁擠的行人，摩擦力通常表現為人與墻壁或障礙物、人與人直接接觸時的減速行為．同時，為了定量描述摩擦力，引入摩擦力概率．

式中：vi為4種不同類型的人具有的不同速度；θi為速度比例因子即摩擦力對速度的影響因子．（此處摩擦力為單位向量，故θi∈（0，1／vi））

3）排斥力量化 郵輪碼頭聯檢大樓中，突發緊急情況，如火災、暴力、恐怖襲擊等．排斥力主要表現為人員逃離危險源，為了定量描述排斥力，引入排斥力概率，考慮人的躲避行為是神經系統的一種反應，故引入人工神經網絡中普遍采用的Sigmoid函數［5－6］來描述排斥概率，為

式中：α∈（0，∞）為危險源的危險度系數，依賴于逃逸人員對危險源的感知、承受極限；λi為不同類型的人以一定的概率保持原地不動．

3 仿真試驗

在一、二2種工況（見表1）下，進行多次仿真實驗，其疏散口寬度與疏散時間關系見圖3．

圖3 疏散口寬度對應疏散時間關系

表1 仿真試驗3種不同工況

在工況三下，通過多次仿真實驗，統計郵輪碼頭內部行人4種速度對應疏散時間的關系見圖4．

圖4 疏散速度對應疏散時間關系

郵輪碼頭總面積不變情況下，由圖3可見，隨著聯檢區域的疏散口寬度逐步增加，疏散時間呈現遞減趨勢，但疏散口寬度大于3m，則其對疏散時間的影響不明顯，因此，存在最佳疏散寬度，且其值d ∈（2．2，3．0）m．同時，可見當人口密度小于或等于0．5時，疏散口的個數及寬度對疏散時間影響不顯著．由圖4可見，在疏散口寬度為2．5 m情況下，人員的速度越大則疏散時間越短，但速度達到一定值時（稱此值為期望值），反而制約著疏散效率．并很難實現一一進行定量的描述和計算．根據不同工況下仿真模型試驗，其結果表明：

1）郵輪碼頭建筑面積在20 000m2大范圍內，人口分布密度ρ≥0．5，考慮建筑設計成本，建議疏散口個數n∈（4，6）．

2）郵輪碼頭建筑面積在20 000大范圍內，人口分布密度ρ≥0．5，建議疏散口的寬度d ∈（2．2，3．0）m．

3）郵輪碼頭在既定疏散口和疏散口寬度一定條件下，疏散速度達到期望值時，需要有效的緊急疏散標識及疏散廣播來顯著提高疏散的效率和力度，能夠有效改善快即是慢的現象．

由于郵輪碼頭面積龐大，內部結構及疏散過程復雜，各影響因素之間不是簡單的線性關系，為了更真實、更有效的模擬郵輪碼頭內部人員實際疏散過程并提供合理性應急策略，還需開展大量的實驗研究．

4 結束語

郵輪碼頭人員緊急疏散過程中人與人、人與建筑物（包括墻、障礙物等）、人與疏散口之間的相互作用力異常復雜，涉及到人的行為特征、人群群體行為、環境特征、建筑物布局方式等諸多因素，

［1］趙道亮．緊急條件下人員疏散特殊行為的元胞自動機模擬［D］．合肥：中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，2007．

［2］Helbing D，Farkas I，Vicsek T．Simulating dynamical features of escape panic［J］．Nature，2000，407：487－489．

［3］Helbing D，Keltsch J，Molnar P．Moddlling the evolution of human trail systems［J］．Nature，1997，388：47－49．

［4］宋衛國，于彥飛，范維澄，等．一種考慮摩擦與排斥的人員疏散元胞自動機模型［J］．中國科學E，2005，35（7）：725－736．

［5］于彥飛．人員疏散的多作用力元胞自動機模型研究［D］．合肥：中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，2008．

［6］馬道遠，沈成武．開放邊界的交通流元胞自動機模型與交通量分析［J］．武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2002，26（2）：165－168．