考慮人車混行的煤炭碼頭著火安全應(yīng)急疏散仿真與應(yīng)用研究

賈幼磊，郭 享，劉春澤

(1.華能曹妃甸港口有限公司，唐山 063000；2.中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100101)

港口可能發(fā)生多種突發(fā)事件[1]，一旦發(fā)生，影響碼頭生產(chǎn)作業(yè)，危害在港人員的健康或生命安全。我國北方某煤炭下水碼頭作業(yè)貨物以蒙煤為主，夏天長時間堆存容易產(chǎn)生自燃，因此煤炭碼頭運營前需制定著火安全應(yīng)急疏散預(yù)案，而且需要提前演練，掌握疏散過程和時間，為煤炭自燃事件做好準(zhǔn)備。

港口堆場、碼頭作業(yè)繁忙，港內(nèi)道路人車混行、人流車流復(fù)雜且相互影響，難以簡單估算疏散時間，而僅依靠組織疏散演練費時并且影響生產(chǎn)。仿真技術(shù)為解決該問題提供了有效的途徑。系統(tǒng)仿真方法適用于求解考慮人車混行的復(fù)雜交通系統(tǒng)的問題，基于仿真模型能夠便捷地對疏散過程進(jìn)行模擬和預(yù)演。

目前對于港口突發(fā)事件的應(yīng)急疏散仿真研究的對象主要為客運碼頭，少見對煤炭碼頭著火安全應(yīng)急疏散的研究。例如，汪軍等[2]采用元胞自動機(jī)構(gòu)建了郵輪碼頭人員應(yīng)急逃生模型，并通過優(yōu)化疏散路線，研究了郵輪碼頭疏散口數(shù)量、寬度以及人員分布密度對人員疏散時間等的影響；Jackiva[3]利用仿真模型從策略層面對客運碼頭分階段關(guān)停、升級改造過程進(jìn)行提升；王志斌[4]等以安全事故頻發(fā)的客滾碼頭前沿區(qū)域作為研究對象，建立客滾碼頭前沿作業(yè)系統(tǒng)微觀仿真模型，分析碼頭前沿功能區(qū)布置及交通組織方案對客滾碼頭前沿作業(yè)評價指標(biāo)的影響。而對于行人和車輛的混行研究，則集中在交叉口等微觀仿真，缺少在大尺度、大范圍交通仿真的應(yīng)用。例如，崔鑫等[5]在元胞自動機(jī)的基礎(chǔ)上，引入社會力模型，將機(jī)動車、行人行為劃分為策略層及執(zhí)行層兩子模型，分別在不同交通狀態(tài)下對沖突區(qū)域的行人和車輛的運動進(jìn)行仿真研究；陳文曉[6]基于元胞自動機(jī)模型提出三維雙車道元胞自動機(jī)人車混合模型，并用于分析紅綠燈管制下的路口沖突。

針對當(dāng)前缺少對于煤炭碼頭著火安全應(yīng)急疏散研究的現(xiàn)狀，本研究使用AnyLogic仿真軟件，利用系統(tǒng)仿真方法具有的對求解復(fù)雜系統(tǒng)問題、模擬疏散過程的優(yōu)勢，提出了合理確定煤炭碼頭著火后人員和車輛應(yīng)急疏散時間、消防車進(jìn)場時間的方法。該方法重點構(gòu)建了考慮碼頭和堆場生產(chǎn)作業(yè)的全港道路的宏觀交通系統(tǒng)仿真模型，并在模型中考慮了人員和車輛在交叉口的混行，最后對不同區(qū)域著火后各區(qū)域人員和車輛疏散時間、消防車進(jìn)場時間進(jìn)行統(tǒng)計分析。結(jié)果表明可用于支撐煤炭碼頭著火安全應(yīng)急疏散預(yù)案的制定。

1 煤炭碼頭著火安全應(yīng)急疏散仿真模型構(gòu)建

本文構(gòu)建了考慮碼頭和堆場生產(chǎn)作業(yè)的全港道路的宏觀交通系統(tǒng)的仿真模型。該模型在模擬生產(chǎn)作業(yè)時能全面反映煤炭碼頭生產(chǎn)的真實情況，如人員和車輛的作業(yè)任務(wù)分配、作業(yè)時間等；在宏觀交通仿真模型中考慮人員和車輛在交叉口的混行和相互影響，以及理性的路徑選擇策略。模型對不同區(qū)域著火后的各區(qū)域人員和車輛疏散時間、消防車進(jìn)場時間進(jìn)行統(tǒng)計分析，并結(jié)合重點著火工況分析港口陸域和岸線作業(yè)人員和車輛的數(shù)量、疏散移動速度對疏散時間、進(jìn)場時間的影響。

1.1 仿真流程

仿真流程詳見圖1。

圖1 仿真流程Fig.1 Simulation process

1.2 模型假設(shè)

將各區(qū)域(如堆場、碼頭前沿、辦公樓)、設(shè)施(如轉(zhuǎn)接塔、采樣塔、變電站等)、設(shè)備(如翻車機(jī)、堆取料機(jī)、裝船機(jī)等)的人員車輛作業(yè)位置抽象為分散的作業(yè)點，且人員和車輛根據(jù)其作業(yè)時間特點、作業(yè)位置范圍隨機(jī)分配作業(yè)點。不同工況的著火范圍以區(qū)域劃分，每個著火區(qū)域都包括多個著火點，每個著火點與作業(yè)點分別對應(yīng)。

1.3 功能劃分

模型功能包括：人員車輛生成、人員車輛作業(yè)模擬、著火場景生成、路徑選擇、路上移動模擬、統(tǒng)計分析。

(1)人員車輛生成功能：在模型運行的初始時刻，根據(jù)人員和車輛不同屬性(類型、區(qū)域、作業(yè)位置、作業(yè)時間等)的數(shù)量比例，在模型中按比例生成人員和車輛并設(shè)定其屬性；(2)人員車輛作業(yè)模擬功能：在模型運行計算過程中，在人員和車輛的作業(yè)時間內(nèi)為其動態(tài)隨機(jī)分配作業(yè)任務(wù)及作業(yè)點；(3)著火場景生成功能：預(yù)熱期后隨機(jī)設(shè)定著火時間；根據(jù)著火工況設(shè)定著火點；設(shè)定禁行區(qū)域；(4)路徑選擇功能：包括正常作業(yè)時的路徑選擇算法和著火后應(yīng)急疏散的路徑選擇算法。正常作業(yè)時，根據(jù)人員和車輛的位置、目標(biāo)作業(yè)點位置選擇最短路徑；著火后疏散時，首先考慮安全因素，人員和車輛要向背離著火點方向進(jìn)行疏散，避免疏散路徑穿過禁行區(qū)域，其次結(jié)合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、疏散方向，人員和車輛就近選擇疏散點并選擇最短移動路徑；(5)路上移動模擬功能：模擬人員和車輛沿指定路徑在路網(wǎng)上的移動過程，并考慮基本運動規(guī)則，如控制速度以符合道路限速、車輛選擇最不繁忙的車道、車輛車道并線及避讓規(guī)則、行人和車輛檢測間距并減速以避碰等；(6)統(tǒng)計分析功能：統(tǒng)計某區(qū)域著火后各區(qū)域人員和車輛中最后撤離至指定疏散點的時間，作為人員和車輛的疏散時間；統(tǒng)計消防車到達(dá)著火區(qū)域內(nèi)指定著火點的時間，作為消防車進(jìn)場時間；對以上2個指標(biāo)進(jìn)行分析。

1.4 煤炭碼頭生產(chǎn)作業(yè)模擬

根據(jù)煤炭碼頭實際生產(chǎn)作業(yè)時人員和車輛的組織方式模擬生產(chǎn)作業(yè)。在模型中，僅在作業(yè)人員和車輛的規(guī)定作業(yè)時間內(nèi)，按照所屬作業(yè)類型、在指定作業(yè)區(qū)域的分配作業(yè)點進(jìn)行作業(yè)。

作業(yè)類型包括運行、維修、輔助、辦公。“運行”、“辦公”類人員在規(guī)定作業(yè)時間開始前從指定作業(yè)區(qū)域中隨機(jī)分配作業(yè)點，作業(yè)過程中不移動，直到規(guī)定作業(yè)時間結(jié)束；“維修”、“輔助”類人員在規(guī)定作業(yè)時間開始前從指定區(qū)域中隨機(jī)分配作業(yè)點，隨機(jī)作業(yè)一段時間后，重新分配作業(yè)點作業(yè)，如此循環(huán)往復(fù)直到規(guī)定作業(yè)時間結(jié)束。

指定作業(yè)區(qū)域，一般可分為翻車機(jī)、堆場、碼頭前沿、全場機(jī)械、辦公區(qū)等。在模型中的以下設(shè)施和設(shè)備位置設(shè)置了作業(yè)點：翻車機(jī)、堆場各區(qū)塊、堆取料機(jī)、水泵、污水處理、變電所、轉(zhuǎn)接塔、采樣塔、碼頭岸線、裝船機(jī)、道路清掃點、辦公樓、倉庫、消防站等。

規(guī)定作業(yè)時間，包括白天、晚上、全天、倒班。其中倒班一般為三班兩運轉(zhuǎn)，要求在規(guī)定時間進(jìn)行換班，以保證該崗位全天有人在崗。

通過對生產(chǎn)作業(yè)的模擬，實現(xiàn)著火時人員和車輛在港內(nèi)的隨機(jī)分布。

1.5 交叉口人車混行通行規(guī)則

在模型中，通過將人員視作特殊的“車輛”智能體，將港內(nèi)人員和車輛并入同一道路系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一考慮，進(jìn)而實現(xiàn)車輛和人員既在各自道路上行駛，又考慮了在通過交叉口時的相互影響。

考慮到疏散時的復(fù)雜情形，當(dāng)車輛和人員需要通過交叉口時，按照以下順序判斷：(1)若人員或車輛與交叉口內(nèi)當(dāng)前移動人員、車輛無沖突，可直接通行；(2)若與交叉口內(nèi)當(dāng)前人員、車輛發(fā)生沖突，則需要等待，且遵循“先等待先通過”的規(guī)則，先到的人員或車輛優(yōu)先通過交叉口。

1.6 建模工具及步驟

本仿真模型的構(gòu)建使用AnyLogic仿真軟件。該軟件具有如下特點；

(1)支持現(xiàn)有所有建模方法(離散事件、基于智能體、系統(tǒng)動力學(xué))進(jìn)行模型開發(fā)，并且可以將這三種方法任意組合。還可以使用多樣的可視化建模語言，如過程流程圖、狀態(tài)圖、行動圖、存量及流量圖等；(2)可將流程圖轉(zhuǎn)換為具有3D和2D圖形的交互式影像，以直觀的方式將模型呈現(xiàn)給涉眾；通過添加直觀的導(dǎo)航和控件，使模型具有交互性；(3)提供了特定行業(yè)的工具庫，可以快速、便捷地建立仿真模型。如流體庫、軌道庫、行人庫、道路交通庫、物料處理庫等；(4)允許在模型中使用GIS地圖，并將其用于供應(yīng)鏈及物流網(wǎng)絡(luò)或是其他需要將位置、道路、路徑、區(qū)域等信息考慮在內(nèi)的模型系統(tǒng)；將模型元素放置在地圖上后，元素可根據(jù)實際空間數(shù)據(jù)沿道路和路徑移動；(5)具有豐富的實驗框架，如蒙特卡洛實驗、敏感性分析實驗、參數(shù)變化實驗、仿真優(yōu)化實驗等。

研究人員應(yīng)用AnyLogic在很多領(lǐng)域開展疏散研究，如機(jī)場[7]、火車站[8]、地鐵[9]、游輪[10]等。

應(yīng)用AnyLogic進(jìn)行建模研究，應(yīng)遵循以下步驟：(1)需求分析；(2)模型架構(gòu)；(3)仿真試驗設(shè)計；(4)實體對象屬性設(shè)計及開發(fā)；(5)作業(yè)流程設(shè)計及開發(fā)；(6)仿真試驗開發(fā)實現(xiàn)；(7)進(jìn)行仿真試驗，統(tǒng)計、分析數(shù)據(jù)。

2 應(yīng)用實例

結(jié)合國內(nèi)北方某煤炭下水碼頭實際情況，構(gòu)建著火安全應(yīng)急疏散仿真模型，研究以下問題：(1)不同區(qū)域著火時港內(nèi)作業(yè)人員和車輛的疏散時間，以及消防車進(jìn)場滅火時間；(2)針對重點區(qū)域著火工況，開展敏感性分析，研究在港作業(yè)人員和車輛數(shù)量、疏散移動速度、疏散時間和進(jìn)場時間的影響。

2.1 輸入?yún)?shù)

(1)人員。人員正常工作移動速度(步行)為5 km/h，疏散時移動速度(跑步)為10 km/h。其中，辦公區(qū)內(nèi)的人員距離疏散點較近，通過實地測量，其疏散時間取為0.8 min。作業(yè)人員配置詳見表1。

表1 作業(yè)人員配置Tab.1 Worker configuration in simulation

(2)車輛。正常作業(yè)時，車輛在碼頭前沿和堆場閘口內(nèi)區(qū)域的行駛速度為20 km/h，其他道路為40 km/h。應(yīng)急疏散時，考慮到交叉口的人車混行，車輛和消防車的行駛速度均設(shè)為40 km/h。

作業(yè)車輛僅有“輔助”類型，作業(yè)區(qū)域包括堆場、碼頭前沿、翻車機(jī)、辦公區(qū)，作業(yè)位置包括堆場堆區(qū)及設(shè)施、碼頭前沿設(shè)施、翻車機(jī)、道路清掃。全天作業(yè)的車輛有50輛，僅在白天作業(yè)的有4輛。

(3)作業(yè)區(qū)域和疏散區(qū)域。作業(yè)區(qū)域的基本情況詳見表2。疏散區(qū)域有4塊：堆場陸側(cè)疏散點、堆場海側(cè)疏散點、新辦公區(qū)疏散點和老辦公區(qū)疏散點。作業(yè)區(qū)域和疏散區(qū)域的位置詳見圖2。

表2 作業(yè)區(qū)域信息Tab.2 Operation area information

圖2 作業(yè)區(qū)域和疏散區(qū)域分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of operation area and evacuation area

2.2 試驗設(shè)計

試驗工況1-1～1-9針對問題1(疏散時間和進(jìn)場時間統(tǒng)計分析)，詳細(xì)情況見表3，輸入?yún)?shù)詳見2.1節(jié)。試驗工況2-1～2-8針對問題2(敏感性分析)，以區(qū)域4作為著火重點研究區(qū)域，工況情況詳見表4；人員疏散速度基準(zhǔn)值為10 km/h，人員數(shù)量配置基準(zhǔn)值詳見表1，車輛疏散速度基準(zhǔn)值為40 km/h，車輛數(shù)量配置基準(zhǔn)值詳見2.1中(2)節(jié)，其他輸入?yún)?shù)詳見2.1節(jié)。在預(yù)熱期(2 h)后隨機(jī)確定火災(zāi)發(fā)生的時間。

表3 疏散時間和進(jìn)場時間統(tǒng)計分析試驗工況Tab.3 Evacuation and approach time statistic and analysis experiment design

表4 敏感性分析試驗工況Tab.4 Sensitivity analysis experiment design %

2.3 結(jié)果與分析

(1)疏散時間和進(jìn)場時間。工況1-1～1-9的消防車進(jìn)場時間詳見表5，人員和車輛平均疏散時間、最大時間和對應(yīng)區(qū)域詳見表6。消防車進(jìn)場時間受消防站與起火位置距離的直接影響，平均為3.27 min。其中翻車機(jī)區(qū)域距離消防站最遠(yuǎn)，進(jìn)場時間最長，為5.17 min。此外，進(jìn)場時間還受平面布置的影響，作業(yè)人員與車輛的疏散會阻礙消防車進(jìn)場。區(qū)域5(工況1-5)距離消防站的路程比區(qū)域1(工況1-1)和區(qū)域3(工況1-3)距離消防站的路程要長，但是該情況下進(jìn)場時間更短，正是因為在工況1-1和1-3，消防車要從閘口進(jìn)入堆場，而人員和車輛的疏散過程會在交叉口處與消防車進(jìn)場相互阻礙。

表5 不同著火工況下的消防車進(jìn)場時間統(tǒng)計Tab.5 Statistic of fire engine approach time under different fire condition min

表6 不同著火工況下的疏散時間統(tǒng)計Tab.6 Statistic of evacuation time under different fire condition min

不同著火工況下車輛和人員的平均疏散時間分別為2.88 min和15.43 min，最大疏散時間分別為6.28 min和25.22 min。雖然著火工況與疏散時間最長區(qū)域之間不一定有明確的因果關(guān)系(如著火工況1-9和區(qū)域2)，但是疏散人員、車輛和消防車在同一港內(nèi)道路系統(tǒng)內(nèi)通行且相互影響，具有最長疏散時間的區(qū)域是系統(tǒng)特性的體現(xiàn)，既是瓶頸又是可優(yōu)化的切入點，尤其是反復(fù)出現(xiàn)的區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域8，應(yīng)引起注意。

(2)敏感性分析。車輛和人員疏散平均時間對數(shù)量和疏散速度的敏感性分析結(jié)果詳見圖3，結(jié)果受碼頭平面布置特點、人員車輛應(yīng)急疏散路徑和疏散點設(shè)置的影響。港內(nèi)作業(yè)車輛數(shù)量變幅-20%～+40%、人員數(shù)量變幅-40%～+40%時，平均疏散時間變幅隨港內(nèi)車輛及人員數(shù)量變幅變化均勻；疏散速度變幅-20%～+40%時，平均疏散時間變幅隨疏散速度變幅變化均勻；數(shù)量或速度變幅在±40%時疏散時間變幅為±20%左右，數(shù)量或速度變幅±20%時疏散時間變幅在±10%左右。此時作業(yè)人員和車輛數(shù)量、疏散速度是影響疏散時間的主要因素，且二者影響程度相近。

此外，減小車輛數(shù)量40%只減少疏散時間10%，增大車輛疏散速度40%只減少疏散時間12%，增大人員疏散速度40%只減少疏散時間7%，此時車輛和行人在疏散過程中相互影響的效果加劇并成為主要因素，人員和車輛數(shù)量、疏散速度成為較次要的因素。

3 結(jié)論

(1)基于系統(tǒng)仿真技術(shù)，使用AnyLogic仿真軟件，提出了合理的確定煤炭碼頭著火后人員和車輛應(yīng)急疏散時間、消防車進(jìn)場時間的方法。構(gòu)建了考慮碼頭和堆場生產(chǎn)作業(yè)、人員和車輛在交叉口混行的全港道路宏觀交通系統(tǒng)仿真模型，對不同區(qū)域著火后各作業(yè)區(qū)域人員和車輛疏散時間、消防車進(jìn)場時間進(jìn)行統(tǒng)計分析，并結(jié)合重點著火工況分析作業(yè)人員和車輛的數(shù)量、疏散速度對疏散時間、消防車進(jìn)場時間的影響。以國內(nèi)北方某煤炭下水碼頭著火應(yīng)急疏散為實例進(jìn)行應(yīng)用，結(jié)果表明該方法和模型能夠很好的分析碼頭車輛和人員疏散時間、消防車進(jìn)場時間，以及疏散方案的瓶頸，能夠用于支撐煤炭碼頭著火安全應(yīng)急疏散預(yù)案的制定；(2)結(jié)合實例分別對不同著火工況下的各區(qū)域人員和車輛的疏散時間、消防車進(jìn)場時間進(jìn)行統(tǒng)計分析。仿真試驗表明，在該碼頭消防車平均進(jìn)場時間3.27 min，最大5.17 min；車輛疏散平均時間2.88 min、最大時間6.28 min；行人疏散平均時間15.43 min、最大時間25.22 min；區(qū)域1、2、8的疏散時間在各工況中較長，可能成為瓶頸或優(yōu)化的重點。消防車進(jìn)場時間還證明，作業(yè)人員和車輛的疏散過程與消防車的進(jìn)場過程會相互影響、阻礙；(3)對實例的重點著火區(qū)域進(jìn)行敏感性分析，可知：受碼頭平面布置特點，與人員車輛應(yīng)急疏散路徑和疏散點設(shè)置的影響，在港內(nèi)作業(yè)車輛數(shù)量變幅-20%～+40%，人員數(shù)量變幅-40%～+40%，以及人員和車輛疏散速度變幅-20%～+40%時，作業(yè)人員和車輛數(shù)量、疏散速度是影響疏散時間的主要因素，且二者的影響程度相近；在車輛數(shù)量變幅-40%、車輛和人員疏散速度變幅+40%時，車輛和行人在疏散過程中的相互阻礙是影響疏散速度的主要因素；(4)在規(guī)劃設(shè)計階段，針對某一煤炭碼頭平面布置方案應(yīng)用本方法確定著火后人員和車輛應(yīng)急疏散時間、消防車進(jìn)場時間，可以從著火安全應(yīng)急疏散的角度，實現(xiàn)對不同方案的比選，或分析方案的瓶頸并有針對性地進(jìn)行優(yōu)化。