基于 CAFE的客（滾）船人員疏散模型及仿真研究

韓天緒

摘 要：船舶人員疏散研究對突發事件發生時人員安全疏散性能具有重要意義。在分析現有人員疏散模型方法和理論基礎上，基于 CAFE 建立客（滾）船人員疏散模型，并以實例進行仿真。結果表明：本文建立的模型能夠更加迅速、安全地進行旅客疏散工作。

關鍵詞：客滾船;人員疏散;CAFE模型

中圖分類號：U692? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）05-0057-02

1 概述

客（滾）船有一定的載貨能力，同時載有大量的旅客，具有高效率、適應能力強、周轉快等優點，符合國家交通規劃和發展戰略，但營運風險性也隨之增加。因此，在突發事件發生時，合理有效的人員疏散是人員生命財產安全的根本保障。

目前，船舶人員疏散模型通常參考已有的疏散模型理論方法構建初始模型，再運用社會力或元胞自動機知識，根據船舶內部構造或外部環境特征對模型加以優化。吳坎坷[1]在Multi Grid模型基礎上，運用概率原理，構建在正浮情況下客船樓梯通道處旅客疏散模型，預估疏散時間與疏散人員數量的聯系;廖守衡[2]在社會力模型的基礎上，分析了在客船傾斜情況下的旅客疏散，研究了客船傾斜角度和出口寬度對旅客疏散結果的作用;陳淼等[3]在Agent理論基礎上，著重分析疏散流程內個體綜合特征，構建客船疏散模型。通過綜合考慮，本文在 CAFE 模型的基礎上對元胞自動機模型進行優化，建立客（滾）船人員疏散模型。

2 客（滾）船人員疏散模型的構建

2.1客（滾）船人員疏散CAFE （cellautomata with forces essentials） 模型

CAFE 模型以元胞自動機理論為基礎，將排斥力及摩擦力量化，將數據輸入元胞自動機模型中，對人員疏散的受力狀態進行研究，使其能夠反映出碰撞、閃避及接觸程度等情況。在模型中，假設元胞選擇靜止不動狀態的概率是 r ，選擇運動的概率是：

p=（1-r）/m? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：m 為參與競爭行為的行人數，r為排斥率，其在不同競爭情況下取值不同。

模型采用概率的方法量化摩擦力，為了量化摩擦力，引入摩擦概率 f ，其表示出現摩擦行為的行人均選擇靜止不動的概率，那么當前考慮的行人選擇運動的概率則為：

p=（1-f）/m? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：m為產生相互摩擦的行人數f 為摩擦概率，其中 f的取值不同，表示所受摩擦力情況不同。

2.2人員疏散的移動規則

客（滾）船人員疏散模型是在 CAFE 模型的基礎上，拓展元胞的視野范圍，模型采用Von Neumann 型鄰域確定元胞可能的運動方向，提出可解決多級出口環境下的行人疏散，模型網絡單元內運動規則在每個時間步需要處理如下兩個問題。

2.2.1路線選擇

在客（滾）船人員疏散仿真研究中，假設疏散環境在沒有任何阻塞的狀態下，在出口吸引力的作用下，最靠近出口的路徑會優先考慮。進而，在仿真建模中，引入“地面場”的概念。

Pij=Nexp（kD Dij ）exp（kS Sij ）（1-nij ）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

N=∑Pij-1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式中：Pij 為人員向格點 （i，j）? 運動的概率N 為標準化系數，使得∑Pij =1Sij 、 Dij 分別為此格點位置 “靜力場”及“動力場”吸引力值。kD、kS 分別是“動力場”和“靜力場”吸引力影響系數。-nij表示格點 （i，j）? 在時刻 t 的狀態。其中，nij? 只有2個值0或1，nij=0 表示此格點? （i，j） 沒有人，nij=1 表示此刻該格點已被障礙物占據，個體不能進入。

2.2.2視野拓展對路線選擇的影響

客（滾）船人員疏散模型將艙室進行均等分割，分割成一個個網格，疏散模型的更新規則以元胞自動機理論為基礎，采用 Von.Neumann 型鄰域來確定元胞可選擇的運動方向，也就是人員向上、下、左、右4個方向運動。

對于 Von.Neumann 型鄰域，其定義為：

N（i，j） ={（k，l）∈L‖k-i├|+|l-j|≤r}? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

2.2.3人員移動過程中作用力的影響

在客（滾）船人員疏散模型構建過程中，還需要考慮排斥力和摩擦力的存在，分析其對人員運動方面的影響。通過以上的分析，本文將運用社會力模型理論，對其進行量化，再通過元胞自動機模型進行模擬。

人群密集時，排斥力的作用往往小于摩擦力，在進行摩擦力和排斥力的量化時，可考慮用概率的方法量化出來：

Pr=（1-e-βV）/（1+e-βV）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

Pf=θPr? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2-7）

式中：Pr? 、Pf? 分別為由于排斥力和摩擦力引起的行人停止運動的概率，V代表相對運動速度，β∈[0，∞]? 為硬度系數，依賴于行人對物理沖突的承受極限。

2.3 劃分人員疏散的網絡單元

船舶在突發情況下進行人員疏散時，旅客會首先從各艙室內向外匯合，由走廊流向指定位置，一般情況下，此位置即旅客的疏散終點處為船舶內部的集合站，客（滾）船人員疏散模型運用網絡流理論模擬疏散場所，利用網絡單元將疏散場所內的建筑物表示出來，各網絡單元內運用門或開門相連。最后此模型的疏散場所可表示為由獨立網絡單元相連而成的網絡。

旅客從危險級別較高的節點匯入級別較低的節點，最后匯入疏散終點，完成疏散目標。依據上面提及的分析方法，如圖1所示，

2.4 模型檢驗

本文建立的模型針對旅客的視野范圍進行優化，拓展旅客視野，從而解決多級出口環境下的行人疏散。對客（滾）船人員疏散模型和 CAFE 模型在 12m×12m 的單一疏散終點的場地內進行模擬對比，在場地配置方面，疏散出口的寬度為 0.8m，疏散時共計200個元胞進行疏散，將每個元胞看作為單一人員，其中疏散時所定的數據參數如表1所示。

如圖2所示，通過記錄連續出去的2名元胞的疏散時間差，以及此時間差出現的頻率，發現了客（滾）船人員疏散模型與 CAFE? 模型在連續出去元胞的疏散時間差冪律分布圖中，二者在同一個級數上相互吻合。由于客（滾）船人員疏散模型與 CAFE 模型的連續人流的規模分布滿足同級冪率分布關系，證明客（滾）船人員疏散模型也能較為準確的仿真出旅客的疏散運動。

3 人員疏散仿真試驗及結果分析

本文疏散場地擬選取渤海翡珠號客（滾）船NO.7層甲板層，現以NO.7甲板層一主豎區內疏散為例進行演示。如圖3所示。

仿真的外界環境為靜水狀態，船體未做橫搖或者縱搖運動，對內部旅客的疏散運動沒有產生任何影響，內部環境設定為未發送火災等危險狀況，當旅客完成疏散目標后，不會影響本層沒有完成疏散目標的旅客。

在疏散過程的開始階段，所有旅客均勻分布在71個艙室中，當仿真指令下達以后，每位旅客均已1m/s的速度向疏散終點開始疏散。根據查閱相關文獻，在突發情況下行人運動的平均速度可以達到 1.5m/s，則一個時間步大約為0.27秒。本文取行人較密集狀況下的平均行走速度 1m/s ，此刻一個時間步所代表的真實時間為0.5秒。 疏散過程如圖4所示。

4 結論

旅客在疏散過程中的行為特征比較復雜，增加了仿真模擬的難度。本文運用元胞自動機理論并基于 CAFE 模型構建的客（滾）船人員疏散模型，經過與 CAFE 模型相比較在單個疏散終點場地內的行人疏散規律，驗證了客（滾）船人員疏散模型，較為真實的模擬了疏散過程，助于找到最優疏散路線，以期更安全、更迅速地進行客（滾）船人員疏散。

參考文獻：

[1]吳坎坷.客船樓梯處人員疏散模型研究[D].大連：大連海事大學，2011.

[2]廖守衡.客船傾斜狀態下人員疏散模型研究[D].大連：大連海事大學，2010.

[3]陳淼，韓端鋒，于洋等.基于Agent的艦船人員疏散模型研究[J].計算機工程與科學，2013，35（4）：163-166.