航空母艦通道布置對(duì)疏散逃生性能的影響

劉伯運(yùn)，周曉松，閆書逸

1海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢430033

2中國(guó)人民解放軍軍事科學(xué)院國(guó)防科技創(chuàng)新研究院，北京100071

3中國(guó)人民解放軍92001部隊(duì)，山東青島266000

0 引 言

航空母艦（以下簡(jiǎn)稱“航母”）作為各國(guó)海上軍事實(shí)力的象征，在海上作戰(zhàn)中起著重要作用。作為一個(gè)超大型的海洋堡壘，其所能容納的艦員數(shù)量巨大，在生命價(jià)值如此寶貴的今天，一旦發(fā)生緊急情況，如何更好地保證艦員的生命安全顯得非常重要，所以對(duì)于現(xiàn)代航母來說，航母內(nèi)的疏散逃生能力是一個(gè)非常重要的問題。

隨著航母逐漸成為海上霸主，針對(duì)航母的研究越來越多，其艙室布置和通道的設(shè)計(jì)研究越來越受到人們的重視。首先是在設(shè)計(jì)階段開始考慮更多人的因素，增加了許多更加人性化的設(shè)計(jì)，之后再結(jié)合長(zhǎng)期的航海實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改動(dòng)，但有關(guān)人機(jī)效能的航母通道布置研究并不多。張玉梅［1］總結(jié)了艦船人—機(jī)—環(huán)系統(tǒng)的典型特征，并根據(jù)技術(shù)體系劃分，對(duì)我國(guó)艦船人—機(jī)—環(huán)系統(tǒng)工程未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。王宇等［2］將引力搜索算法引入到模型中，從而形成了一套艙室分布設(shè)計(jì)方法，其將噪聲、面積等所需要的參數(shù)作為輸入，通過尋優(yōu)即可得到設(shè)計(jì)方案［3］。

本文將基于美國(guó)海軍“薩拉托加”號(hào)（CV-60）航母甲板艙室布置圖，在EXODUS軟件中進(jìn)行疏散逃生的模擬仿真。首先，設(shè)立3種不同的通道布置方案；然后對(duì)獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行模擬仿真；最后，對(duì)結(jié)果進(jìn)行灰關(guān)聯(lián)分析。

1 疏散人員行為模型

1.1 多用途智能代理

在人工智能（Artificial Intelligence，AI）領(lǐng)域，代理具有多重含義，其通常被認(rèn)為是一個(gè)具有解決問題能力的軟件模塊。如果在疏散模型中使用代理的概念，就能將行為模型從疏散模型中分離出來，這就意味著與傳統(tǒng)方法相比，行為模型的復(fù)雜性僅增加了相對(duì)較小的工作量。本文定義了一個(gè)智能代理模塊，并對(duì)智能代理（multi-purpose intelligent agent，MUPI）算法進(jìn)行了多用途拓展。MUPI是一種模仿人類行為的人工智能引擎，可用于各種領(lǐng)域，如基于規(guī)則的行為系統(tǒng)。但要定義疏散人員所進(jìn)行的合適的行為系統(tǒng)，需要定義大量的規(guī)則，所以缺乏適用性。

本文基 于 Schmidt的 PECS 模型［4］定義 了MUPI的屬性和運(yùn)行模型。PECS代表了人的身體狀態(tài)（Physical status）、情緒狀態(tài)（Emotional status）、認(rèn)知屬性（Cognitive attributes）和社交狀態(tài)（Social status）。這些屬性用于在某些情況下進(jìn)行決策和選擇操作。由于人的行為被多種以復(fù)雜方式相互作用的影響因素決定，所以在人的行為建模的前處理步驟中，將人的行為劃分為2個(gè)主要類型：反應(yīng)行為和協(xié)商行為（圖1）。

反應(yīng)行為可以簡(jiǎn)單地基于規(guī)則建模而不包括任何一種思考過程。本能行為、學(xué)習(xí)行為、驅(qū)動(dòng)控制行為和情緒控制行為都包含在這種行為種類中，如果一個(gè)人被別人推了一下，他為了不摔倒會(huì)推回去，這就是一個(gè)典型的本能行為。與本能行為沒有在經(jīng)驗(yàn)上的忍受或?qū)W習(xí)信息不同的是，學(xué)習(xí)行為具有這些要素，如避火行為、上樓梯之前的判斷行為，都可以歸結(jié)為學(xué)習(xí)行為。驅(qū)動(dòng)控制行為和情緒控制行為是更復(fù)雜的反應(yīng)行為，他們要滿足社交的、情緒的和人身體的愿望，驅(qū)動(dòng)控制行為在人類進(jìn)化過程中扮演著重要的角色。由于在情緒控制行為方面幾乎沒有相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)可以追溯，所以在MUPI的構(gòu)建中排除了情緒因素。

協(xié)商行為不遵循預(yù)定義的靜態(tài)規(guī)則，它用包含的緊急行為來解決問題。一些用于思考和推斷種類的模型可以在構(gòu)建這些行為中使用，推斷行為和反思行為均屬于協(xié)商行為種類，路徑尋找和漫游機(jī)制也是基于協(xié)商行為進(jìn)行選擇。Schmidt［4］提出行為的選擇是由動(dòng)機(jī)的強(qiáng)烈程度決定的，人們總是選擇動(dòng)機(jī)最強(qiáng)的那種行為。然而大多數(shù)人的行為包含各種可能的行動(dòng)，反映到MUPI算法，故改變了行動(dòng)選擇機(jī)制，增加了激勵(lì)向量，并結(jié)合它們產(chǎn)生最終的自我推進(jìn)，這種改變讓同時(shí)激活各種行動(dòng)變得可能。

1.2 PYNAMICS——MUPI的物理模型

正如地球上存在的其他物體一樣，疏散人員也受到物理規(guī)則的控制，他們不能超越某速度而且有可能與彼此或艙壁碰撞，模擬人行為的代理算法必須遵守并反映這個(gè)物理規(guī)則。因此，發(fā)展了計(jì)算物理反應(yīng)的物理模型PYNAMICS。在MUPI中，艦員的加速度由其自我推進(jìn)力和與其他人相互作用產(chǎn)生的所有外力向量來決定，其速度則由加速度決定，然后再?zèng)Q定位移和位置。這些計(jì)算結(jié)果在以下決策過程中被使用（圖2）。

在PYNAMICS模型中使用牛頓定律：

式中：mi為第i個(gè)人的質(zhì)量；ai(t)為第i個(gè)人在t時(shí)刻的加速度；fi(t)為第i個(gè)人在t時(shí)刻的作用力；vi(t)為第i個(gè)人在t時(shí)刻的速度；xi(t)為第i個(gè)人在t時(shí)刻的位移。

決定模型適用性的點(diǎn)是習(xí)慣，我們將其描述為力，PYNAMICS模型中使用的合力方程由下式給出：

式中：fsp為疏散人員的自我推進(jìn)力，其變化范圍為 30.3～66.6 N［2］；Cv為速度保持力，是一種疏散人員速度的阻力比例項(xiàng)。一個(gè)人的最大速度由fsp和Cv聯(lián)合決定：

式（3）是當(dāng)所有外力，如fij，fib，f都為0，并且加速度也為0時(shí)推導(dǎo)得到的。

fij為疏散人員之間的相互作用力：

式中：kp和cp分別為物理彈性常數(shù)和物理損傷常數(shù)；kt為人員之間的距離常數(shù)；t為時(shí)間；i，j分別為水平方向和豎直方向的分量；n為人員數(shù)量。

物理力的正常分量由與重疊距離(rij-dij)成比例的彈力和與相對(duì)速度成比例的損傷力組成，而切向分量是滑動(dòng)摩擦力。fib為疏散人員與邊界間的相互作用力，與fij類似但系數(shù)不同，不同的系數(shù)可以代表不同屬性的邊界，如木和鋼（圖3）。

式中：kb為人員與艙壁之間的距離常數(shù)；kbt為人員與艙壁間距離隨時(shí)間變化的量；cb為疏散人員乘積系數(shù)。

從船舶與人員鞋底接觸的斜面中得到的力f與mgsinθ成正比，而表面與鞋底之間的摩擦力在一定程度上則和mgsinθ保持平衡，因此假設(shè)：

其中，0＜μ'＜1，為滑差損失系數(shù)，它反映了斜面和鞋底的接觸狀態(tài)。

2 仿真結(jié)果

本節(jié)將比較不同出口寬度下的逃生時(shí)間。仿真艙室為邊長(zhǎng)為10 m的正方形，艙室中有100個(gè)平均分布的艦員，如圖5所示。表1示出了出口寬度分別為 0.8，0.9，1.0，1.2，1.5，2.0，2.5 和3.0 m時(shí)的仿真結(jié)果。

表1 不同出口寬度下的逃生時(shí)間Table 1 Evacuation time for different exit widths

圖6和圖7所示為最后一個(gè)人的逃生時(shí)間和平均逃生時(shí)間隨出口寬度的變化關(guān)系。由圖可見，當(dāng)出口寬度小于1 m時(shí)，出口寬度對(duì)逃生時(shí)間的影響相對(duì)較大，而當(dāng)出口寬度大于2 m時(shí)，發(fā)現(xiàn)改變出口寬度對(duì)逃生時(shí)間的影響較小。究其原因，發(fā)現(xiàn)實(shí)際上主要受艙室內(nèi)艦員擁向門口速率的影響，當(dāng)此速率大于門口擠出速率時(shí)，門寬越大越好，但當(dāng)此速率小于門口擠出速率時(shí)，門口寬度再加寬就影響很小或是根本無影響了。

此外，還對(duì)1個(gè)2 m寬出口和2個(gè)1 m寬出口的仿真結(jié)果進(jìn)行了比較。表2所示為2種工況下最后一人的逃生時(shí)間和平均逃生時(shí)間的仿真結(jié)果。結(jié)果表明，1個(gè)2 m的出口的逃生效果更好。不同艙室配置下逃生時(shí)間的不同可以幫助設(shè)計(jì)師選擇更為合適的艙室配置。

表2 不同出口數(shù)量下的逃生時(shí)間Table 2 Evacuation time for different numbers of exits

3 基于EXODUS的疏散逃生模擬

為解決船舶疏散逃生問題，Maritime EXODUS軟件應(yīng)運(yùn)而生，旨在為實(shí)際船舶遇險(xiǎn)后的疏散逃生方案和處理提供建議。該軟件由格林威治大學(xué)火災(zāi)安全工程組（Fire Safety Engineering Group，F(xiàn)SEG）開發(fā)，屬于EXODUS整套軟件的一部分。該全套軟件主要用于仿真模擬大量人員在各種環(huán)境中的疏散逃生和人員流動(dòng)。EXODUS通常適用于人員眾多的船舶，如客船等。對(duì)于其逃生路徑更復(fù)雜、通道更窄的航母，其與客船最主要的差異就是人。航母上的艦員都是經(jīng)過航海訓(xùn)練的、有紀(jì)律、有組織的專業(yè)水兵，而客船上的人則是毫無航海體驗(yàn)的、缺乏組織訓(xùn)練的業(yè)余游客。所以用EXODUS解決航母逃生疏散問題偏于安全。

3.1 幾何布置

在本次人機(jī)效能疏散逃生模擬中，以“薩拉托加”號(hào)航母第2層和第3層的局部甲板艙室布置為例，分析其疏散逃生性能，以及將如何優(yōu)化基于人機(jī)效能航母通道的疏散逃生能力。

將甲板布置圖導(dǎo)入EXODUS軟件。由于本模擬僅研究艙室布置和通道對(duì)疏散逃生能力的影響，所以將艙室內(nèi)部設(shè)施均簡(jiǎn)化為障礙物形式。在通道和艙室內(nèi)布置0.5×0.5個(gè)節(jié)點(diǎn)。確定樓梯的各項(xiàng)參數(shù)（樓梯類型選擇軟件默認(rèn)的普通樓梯）：其與水平面的夾角為180°，單列樓梯共10個(gè)臺(tái)階，樓梯寬0.7 m、高2.7 m，建立樓梯下端和節(jié)點(diǎn)的連接。選取艙室門位置的左右相鄰節(jié)點(diǎn)，設(shè)置為門節(jié)點(diǎn)。設(shè)置門的屬性，本次模擬中設(shè)置的門共有2種屬性：默認(rèn)普通艙室門和水密門。在水密艙壁設(shè)置水密門，水密門的初始狀態(tài)為關(guān)閉。

本次模擬的疏散逃生的終點(diǎn)為航母兩側(cè)的救生艇，由于選取的是原航母的一部分，所以根據(jù)此艙室區(qū)域的連通性，設(shè)置可以滿足所有位置艦員疏散逃生的最小數(shù)目的救生艇。因下層甲板的艙室大多不連通，需要通過樓梯行至上層甲板，所以救生艇設(shè)置在上層甲板兩側(cè)，并連接救生艇的逃生節(jié)點(diǎn)。

3.2 人員布置

兩層甲板中艙室的人數(shù)為400人，士兵和軍官的比例約為10：1，男女比例約為10：1，其中男士兵324人，女士兵36人，男軍官36人，女軍官4人。按照第1節(jié)的論述，設(shè)定不同類型人員的性別、年齡、身高、體重、敏捷性、反應(yīng)時(shí)間、行動(dòng)力、忍耐力等屬性。放入人員后，將人員隨機(jī)分布在艙室內(nèi)無障礙物的空地或者通道內(nèi)，如圖8所示。

3.3 模擬后得到的數(shù)據(jù)

如前文所述，船舶疏散逃生的影響因素很多（通道梯道門等的布置、煙霧、人員素質(zhì)、船舶浮態(tài)、秩序和環(huán)境等），疏散逃生也分為幾個(gè)階段（艙內(nèi)、艙外或甲板、救生站和離船等），故本文首先假定疏散逃生遵循通常的船舶設(shè)計(jì)原則：主通道寬度≥支通道寬度，主通道門寬度（應(yīng)受設(shè)計(jì)約束）≤主通道寬度。其次，重點(diǎn)研究門寬、救生艇數(shù)目、樓梯寬度對(duì)疏散逃生性能的影響。設(shè)計(jì)4種艙室布置方案，這4種方案中門寬、救生艇數(shù)目、樓梯寬度的取值如表3所示。4種方案下，平均行走距離、最遠(yuǎn)行走距離、平均用時(shí)這3個(gè)指標(biāo)［4-8］的仿真結(jié)果如表4所示。

表3 4種方案下自變量的取值Table 3 The value of independent variable under four schemes

表4 4種方案下各函數(shù)的仿真結(jié)果Table 4 Simulation results of each function under four schemes

4 模擬結(jié)果的灰關(guān)聯(lián)分析

灰關(guān)聯(lián)分析法是灰色預(yù)測(cè)中一種處理數(shù)據(jù)的方法，其目的是使那些不明確的情況能通過灰關(guān)聯(lián)分析得到一個(gè)比較清晰的概念，要求的樣本數(shù)據(jù)相對(duì)較少，可以對(duì)有限的、表面無規(guī)律的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而找到系統(tǒng)本身具有的特征［9］。而數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法卻需要大樣本（數(shù)據(jù)量大），數(shù)據(jù)必須具有較好的分布規(guī)律［10］。由表4可知，平均行走距離X0函數(shù)隨門寬X1、救生艇數(shù)目X2和樓梯寬度X3這3個(gè)自變量的變化關(guān)系如表5所示。

表5 平均行走距離函數(shù)隨自變量的變化關(guān)系Table 5 The change of average walking distance function with independent variables

用灰關(guān)聯(lián)分析法分析3個(gè)自變量中哪個(gè)對(duì)平均行走距離影響最大時(shí)，首先以第1行數(shù)據(jù)Xi(1)（i=0，1，2，3）除Xi數(shù)列，得到初值化后的Yi如表6所示。

表6 初值化處理結(jié)果Table 6 Initialization processing result

得到初值化處理數(shù)列后，關(guān)聯(lián)系數(shù)用下式計(jì)算：

式中，α為分辨系數(shù)，一般在0～1之間，在大多數(shù)情況下取α=0.5。

子因素對(duì)母因素的關(guān)聯(lián)系數(shù)數(shù)列為：

得到關(guān)聯(lián)系數(shù)后，灰關(guān)聯(lián)度用下式計(jì)算：

則γ3＞γ1＞γ2，即影響平均行走距離函數(shù)的自變量由大到小的順序?yàn)椋簶翘輰挾取T寬—救生艇數(shù)目。

同理，對(duì)于最遠(yuǎn)行走距離，其影響順序?yàn)椋簶翘輰挾取壬?shù)目—門寬。

對(duì)于平均用時(shí)的影響，為樓梯寬度—門寬—救生艇數(shù)目。

5 結(jié) 論

本文發(fā)展了疏散人員行為模型的MUPI算法，基于EXODUS對(duì)“薩拉托加”號(hào)航母疏散逃生過程進(jìn)行了模擬，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了灰關(guān)聯(lián)分析。根據(jù)本文的研究，可得到以下結(jié)論：

1）逃生時(shí)間隨出口寬度的增大而減小，當(dāng)出口寬度小于1 m時(shí)，出口寬度對(duì)逃生時(shí)間的影響相對(duì)較大，而當(dāng)出口寬度大于2 m時(shí)，改變出口寬度對(duì)逃生時(shí)間影響較小。

2）增大出口寬度比增大出口數(shù)量表現(xiàn)出更好的逃生效果。

3）對(duì)于平均行走距離、最遠(yuǎn)行走距離和平均用時(shí)這3個(gè)指標(biāo)，樓梯寬度的影響大于門寬和救生艇數(shù)目的影響。

鑒于航母自身的特殊性，一旦出現(xiàn)大規(guī)模的人員疏散逃生，必定是艦船受損情況超過了損管控制能力，如被多枚魚雷、彈道導(dǎo)彈等武器擊中而致傷亡慘重或喪失戰(zhàn)斗能力，此時(shí)航母通道的損傷情況以及所引起的火災(zāi)、船體破損進(jìn)水等次生災(zāi)害必定會(huì)對(duì)艦員的疏散逃生產(chǎn)生影響，而戰(zhàn)損對(duì)于航母逃生疏散性能影響的本質(zhì)在于某些通道被封堵，其計(jì)算原理與完整通道一致。對(duì)于航母不同位置受損對(duì)逃生疏散性能的影響，可作為下一步研究的方向。

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