機(jī)艙區(qū)域人員疏散仿真分析

葉正華，黃志剛，蒲曉亮

1中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海200011

2哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001

0 引 言

現(xiàn)代船舶具有體積龐大、乘員人數(shù)眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)。一旦在船艙中突發(fā)危險(xiǎn)情況，例如：火災(zāi)、海水倒灌等，人身安全將遭受?chē)?yán)重威脅。在此背景下，研究如何高效安全地疏散艙室內(nèi)的人員具有重要的研究?jī)r(jià)值。

從20世紀(jì)50年代至今，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)船上人員的疏散問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究。陳淼［1］進(jìn)行了艦船通達(dá)性仿真評(píng)估研究，使用基于網(wǎng)格法的疏散模型計(jì)算了人員的疏散時(shí)間；Lo等［2］開(kāi)發(fā)了網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格方法（SGEM）模型；Henderson［3］將多人員的疏散行為模擬成流體的流動(dòng)，定義了多人員疏散的移動(dòng)方式和速度。上述文獻(xiàn)主要針對(duì)艙室的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，模擬火災(zāi)發(fā)生時(shí)人員疏散的情況和時(shí)間，估算傷亡情況，評(píng)估、檢驗(yàn)建筑物的消防設(shè)計(jì)。

前人文獻(xiàn)中提出的模型及方法均以人員艙室建筑物為主，不能完全滿(mǎn)足機(jī)艙環(huán)境的疏散情況。機(jī)艙內(nèi)由于通道普遍比較狹窄，通往安全區(qū)域的出口有限，且設(shè)備繁多，因此，建立合理的疏散模型，是機(jī)艙區(qū)域人員疏散的研究重點(diǎn)。本文在船舶機(jī)艙復(fù)雜環(huán)境的模型基礎(chǔ)上，擬提出機(jī)艙中的人員疏散方案，以獲得機(jī)艙環(huán)境中人員疏散的時(shí)間和路線評(píng)估結(jié)果，為機(jī)艙環(huán)境中設(shè)備布置和人員疏散方案提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 人員疏散模型結(jié)構(gòu)

1.1 模型結(jié)構(gòu)功能劃分

在實(shí)際人員疏散過(guò)程中，個(gè)人的行為動(dòng)作和決策同時(shí)受內(nèi)部狀態(tài)、外部環(huán)境因素的影響以及與其他人員之間的相互影響。因此，通過(guò)模型結(jié)構(gòu)的功能劃分，建立了機(jī)艙人員的疏散模型（圖1）。

圖1 人員疏散模型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of personnel evacuation model

由圖1可見(jiàn)，人員疏散模型主要包括內(nèi)部狀態(tài)、環(huán)境因素和決策3部分。內(nèi)部狀態(tài)由人員行動(dòng)能力及其行為特點(diǎn)模塊組成，環(huán)境因素由船舶空間模型模塊組成。內(nèi)部狀態(tài)首先感知到環(huán)境因素，然后做出動(dòng)作，與其他人員互相影響，并做出決策動(dòng)作，決策動(dòng)作又包含了人員行為模型模塊。

1.2 人員屬性模型

在人員屬性模型中，基本屬性包含尺寸、反應(yīng)時(shí)間、速度、位置。具體定義如下：

1）尺寸：人員的身體尺寸，不同的身體尺寸會(huì)對(duì)疏散帶來(lái)不同的影響。

2）反應(yīng)時(shí)間：從危險(xiǎn)情況突發(fā)時(shí)刻開(kāi)始到人員開(kāi)始疏散所用的時(shí)間。

3）速度：人員在機(jī)艙開(kāi)闊區(qū)域環(huán)境下的最大移動(dòng)速度，即區(qū)域人員密度足夠小的情況下的最大移動(dòng)速度。

4）位置：人員所在點(diǎn)的圓形區(qū)域所占據(jù)的位置，通過(guò)其空間坐標(biāo)（x，y）來(lái)表示。

本文假設(shè)人員屬性模型固定，以男性標(biāo)準(zhǔn)身材1.78 m為標(biāo)準(zhǔn)，肩寬在390～410 mm之間；在水平通道上的平均疏散速度是人流密度的函數(shù)。Thompson等［4］在 Simulex模型中給出了在人員之間距離影響下的疏散速度曲線。通常情況下，人員行走速度不受其他個(gè)體影響，為自由移動(dòng)狀態(tài)，移動(dòng)速度為1.2 m/s；而在火災(zāi)等緊急情況下［5］，人員有恐懼感，相同人員密度下的移動(dòng)速度增大至2.4 m/s，且速度隨著所在區(qū)域的人員密度的增加而降低。人員屬性模型如圖2所示。

圖2 人員屬性模型Fig.2 Personnel attribute model

1.3 對(duì)環(huán)境序列的感知

從圖1可以看出，疏散人員可感知機(jī)艙的環(huán)境序列 Environment［6］：

式中：Space為疏散人員所在區(qū)域的子空間及其空間安全等級(jí)；Exit為當(dāng)前甲板的安全出口（假定疏散人員可以感知到所處甲板空間的所有出口，并且能進(jìn)一步知曉通往出口的下一個(gè)子空間的安全等級(jí)）；Obstacle為疏散人員所處的甲板及其子空間內(nèi)的障礙，其參數(shù)包括位置、尺寸和類(lèi)型。

（6）二級(jí)檢查制度。作業(yè)人員自查、生產(chǎn)單位質(zhì)檢機(jī)構(gòu)的最終檢查是保證成果質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。類(lèi)似空間參考系、文件命名、線線相交、線面相交、極小面、極短線等問(wèn)題只要進(jìn)行嚴(yán)格的二級(jí)檢查是完全可以避免的。

1.4 人員移動(dòng)方式

人員移動(dòng)方式采用基于最短路徑的集合方法，避讓模型包含3部分，分別為碰撞檢測(cè)、行為決策和人員避讓。假設(shè)條件如下：

1）人員總是以最短路徑的方向向前運(yùn)動(dòng)，無(wú)需考慮身后因素的影響；

2）人員總是以最大速度前進(jìn)，當(dāng)所在區(qū)域的人員密度增加時(shí)速度才會(huì)降低。

遇到障礙物時(shí)，人員應(yīng)在綜合考慮后選擇出口和短期目標(biāo)位置，并繞過(guò)障礙物。碰撞檢測(cè)方程為

式中：(xA，yA)表示人員起始點(diǎn)A點(diǎn)的坐標(biāo)，(xE，yE)表示當(dāng)前空間出口的坐標(biāo)，(xPi，yPi)（i=1，2，3，4）分別表示 P1，P2，P3，P4的坐標(biāo)；每組二元一次方程的第1個(gè)方程為無(wú)視障礙視線方程，第2個(gè)方程為矩形障礙物的邊線方程。4組二元一次方程中，若有1個(gè)方程組有解，則表明碰撞發(fā)生。

矩形障礙物的規(guī)避情況如圖3所示。根據(jù)最短路徑方法，以與無(wú)障礙視線AE夾角最小(α1＜α2)的頂點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)，可見(jiàn) P1為目標(biāo)點(diǎn)，疏散時(shí)應(yīng)從P1處進(jìn)行疏散。

圖3 矩形障礙物的規(guī)避Fig.3 The avoidance of rectangular obstacles

圖4表示人員正前方有另外一個(gè)人的情況，若此時(shí)人員繼續(xù)按照原來(lái)的目標(biāo)方位移動(dòng)，就會(huì)與前方的障礙物相撞，碰撞檢測(cè)算法為［7］

式中：(xB，yB)，(xC，yC)分別為人員B和C的中心位置坐標(biāo)，rB和rC分別為兩人的體型半徑，vC為人員C的移動(dòng)速度。不考慮人員的繞行，當(dāng)出現(xiàn)前后相隨情況時(shí)，一直保持人員的相隨狀態(tài)進(jìn)入排隊(duì)區(qū)域。

圖4 人員避讓規(guī)則Fig.4 Personnel avoidance rule

2 機(jī)艙疏散空間模型

2.1 機(jī)艙環(huán)境結(jié)構(gòu)

利用本疏散模型對(duì)機(jī)艙環(huán)境進(jìn)行劃分，結(jié)構(gòu)如圖5所示。以Ei表示艙室的子空間，Ei包括艙室、走廊Ci和樓梯Si。Di表示連接Ei的門(mén)以及Ci通往Ei的狹窄區(qū)域。

圖5 機(jī)艙環(huán)境的空間劃分Fig.5 Spatial division of the main engine room environment

2.2 安全等級(jí)劃分

空間環(huán)境中各空間的狀態(tài)不同，在疏散過(guò)程中，以SP0表示危險(xiǎn)區(qū)域和大型設(shè)備夾縫區(qū)域，SP1表示主要艙室，SP2表示有樓梯的艙室，SP3表示通往上層安全區(qū)域的樓梯。機(jī)艙安全等級(jí)劃分結(jié)果如圖6所示，疏散人員可根據(jù)自己所在的節(jié)點(diǎn)空間安全等級(jí)來(lái)判斷下一步的行動(dòng)路線。

在對(duì)路徑進(jìn)行總體規(guī)劃時(shí)，疏散人員將按照由低到高的安全等級(jí)選擇即將經(jīng)過(guò)的子空間。在機(jī)艙某區(qū)域發(fā)生危險(xiǎn)情況時(shí)，安全等級(jí)順序?yàn)镾P0＜SP1＜SP2＜SP3，進(jìn)入上一層甲板是更為安全的逃生方式［7］。

圖6 機(jī)艙安全等級(jí)劃分Fig.6 Safety classification of main engine room

2.3 障礙物的仿真表達(dá)和數(shù)學(xué)表達(dá)

障礙物是一種阻擋逃生人員通過(guò)的結(jié)構(gòu)體，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，人員會(huì)被其阻擋無(wú)法通過(guò)而停止逃生，此時(shí)需要尋找其他逃生路線。障礙物會(huì)影響人員疏散的速度。仿真時(shí)，障礙物模型的形狀、尺寸、與出口的相對(duì)位置都是需要重點(diǎn)考慮的因素。為方便計(jì)算，將障礙物進(jìn)行簡(jiǎn)化，根據(jù)障礙物的外部輪廓將其分為立方體、圓柱和平面3類(lèi)，并進(jìn)行三維建模。主機(jī)仿真結(jié)果如圖7所示，支柱仿真結(jié)果如圖8所示?；谕獠枯喞姆抡娼Y(jié)果，最終建立了如圖9所示的機(jī)艙區(qū)域仿真模型。

在仿真模型中，通過(guò)坐標(biāo)和長(zhǎng)度標(biāo)識(shí)來(lái)表示障礙物的位置、形狀和大小。形如墻體的面狀結(jié)構(gòu)采用面片形表示，數(shù)學(xué)表達(dá)式采用起始點(diǎn)P1（x，y）和終止點(diǎn)P2（x，y）表示；方形設(shè)備采用矩形表示，數(shù)學(xué)表達(dá)式采用矩形的4個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)Pi（x，y）表示；支柱采用圓形表示，數(shù)學(xué)表達(dá)式采用圓心P（x，y）和半徑R表示。

圖7 主機(jī)模型仿真結(jié)果Fig.7 The simulation of main engine model

圖8 支柱模型仿真Fig.8 The simulation of pillar model

圖9 機(jī)艙區(qū)域模型仿真Fig.9 The simulation of main engine room model

3 基于Unity 3D軟件的機(jī)艙人員疏散模型仿真

本文采用Creo軟件繪制船體結(jié)構(gòu)模型、大型設(shè)備模型及其他設(shè)備模型，通過(guò)3D MAX軟件對(duì)模型進(jìn)行了輕量化處理，滿(mǎn)足Unity 3D軟件的實(shí)時(shí)渲染。同時(shí)在Unity 3D軟件中對(duì)障礙物進(jìn)行輕量化定義，便于在人員疏散時(shí)進(jìn)行碰撞仿真。最后通過(guò)OpenGL軟件的圖像流處理，對(duì)模型單元進(jìn)行定點(diǎn)描述［7］，采用智能尋路算法對(duì)機(jī)艙內(nèi)的人員進(jìn)行疏散路線模擬，基于人的從易行為和從近行為對(duì)碰撞情況進(jìn)行仿真處理。

以四機(jī)四槳的民船機(jī)艙為疏散環(huán)境模型，災(zāi)害種類(lèi)以火災(zāi)為主。在疏散過(guò)程中，遇到火災(zāi)警報(bào)時(shí)，機(jī)艙中的人員需要避開(kāi)火災(zāi)區(qū)域，通過(guò)盡量短且安全的路線向上層甲板疏散。

3.1 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)及建模

疏散模型系統(tǒng)由4個(gè)模塊組成，分別是圖形處理模塊、前處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、結(jié)果顯示模塊。仿真模塊結(jié)構(gòu)如圖10所示［8］。

圖形處理模塊的主要功能包括：1）繪制機(jī)艙及人員的三維模型；2）繪制機(jī)艙區(qū)域人員的疏散過(guò)程；3）通過(guò)鼠標(biāo)操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景的縮放、平移、旋轉(zhuǎn)等視角操作。

數(shù)據(jù)處理模塊的主要功能包括：1）計(jì)算疏散人員的移動(dòng)速度，根據(jù)疏散人員的屬性特征及所在區(qū)域，判斷其在當(dāng)前時(shí)刻的最大移動(dòng)速度；2）對(duì)人員行經(jīng)路徑進(jìn)行規(guī)劃，依據(jù)圖6的子空間安全等級(jí)和出口數(shù)量選擇出口，根據(jù)1.4節(jié)的障礙物避讓方式選擇最優(yōu)疏散方向；3）當(dāng)多人同時(shí)進(jìn)行疏散時(shí)，首先依照單人疏散方法，在選擇出口和最優(yōu)疏散方向后，對(duì)多個(gè)疏散個(gè)體進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，計(jì)算人員之間的距離，根據(jù)1.4節(jié)的人員避讓方式處理碰撞情況。

結(jié)果顯示模塊的主要功能包括：1）顯示疏散時(shí)間；2）顯示疏散路徑；3）多人疏散時(shí)對(duì)疏散個(gè)體進(jìn)行定位。

采用Creo軟件建模，并通過(guò)3D MAX軟件優(yōu)化模型。將機(jī)艙疏散模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D軟件，顯示如圖11所示。

圖10 機(jī)艙人員疏散模型仿真系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)與劃分Fig.10 Design and division of simulation system modules of ship engine room evacuation model

圖11 人員疏散場(chǎng)景Fig.11 Personnel evacuation scenario

3.2 單人疏散

疏散界面中有4個(gè)人員工作區(qū)域，單人疏散過(guò)程如圖12所示，區(qū)域C1為主機(jī)夾縫，區(qū)域E1為集控室，區(qū)域E2和C2為甲板中間的開(kāi)闊區(qū)域。

當(dāng)人員從E1區(qū)域進(jìn)行疏散，往甲板中央?yún)^(qū)域前進(jìn)。通過(guò)E1左側(cè)區(qū)域（船體右舷）、E2區(qū)域、C2右側(cè)區(qū)域（船體左舷），進(jìn)入右側(cè)（船體左舷）的D2門(mén)，通過(guò)S2樓梯向上層甲板移動(dòng)。仿真疏散路線如圖13所示。

圖12 區(qū)域E1單人疏散過(guò)程Fig.12 The solo evacuation procedure of area E1

圖13 區(qū)域E1單人疏散路線Fig.13 The solo evacuation of area E1

3.3 多人疏散

多人疏散時(shí)，人員初始工作區(qū)域固定。依照最優(yōu)疏散路線，所有人員通過(guò)樓梯向上層甲板進(jìn)行疏散。多人疏散的起始狀態(tài)如圖14所示，多人疏散路線如圖15所示。

圖14 多人疏散場(chǎng)景Fig.14 Multiple evacuation scenarios

圖15 多人疏散路線Fig.15 Multiple evacuation processes

在多人疏散仿真中，疏散完成時(shí)可以瀏覽每一個(gè)工作區(qū)域人員的疏散情況，如區(qū)域C1人員的疏散情況如圖16所示。

圖16 區(qū)域C1人員的疏散情況Fig.16 Personnel evacuation situation in area C1

4 結(jié) 語(yǔ)

詳細(xì)分析了機(jī)艙布置特點(diǎn)以及疏散人員的屬性特點(diǎn)和行為模式，劃分了機(jī)艙環(huán)境結(jié)構(gòu)，定義甲板、走廊和樓梯為環(huán)境子空間。這些環(huán)境子空間具有不同的安全等級(jí)，根據(jù)這些子空間的連接情況與安全等級(jí)完成人員疏散的總體路徑規(guī)劃；采用Creo軟件繪制模型，采用Unity 3D軟件建立疏散仿真系統(tǒng)，模擬特定情況下各工作區(qū)域的機(jī)艙人員對(duì)路徑的選擇，生成路線圖，為機(jī)艙中人員的疏散方式提供參考。