乘員折返行為對船舶疏散效率影響的計算分析

房斯明，劉正江，王新建，周翔宇

(大連海事大學 航海學院，遼寧 大連 116026)

近些年來不時發生的客滾船舶海難事故，使得航運業逐漸關注客滾船舶的人員疏散問題，2016年，國際海事組織海上安全委員會在其第96次會議上發布了《新造客船和現有客船疏散分析修訂指南》(以下簡稱《指南》)[1]，旨在鼓勵成員國利用《指南》中所提供的場景和參數開展疏散實驗，分析疏散結果和評估疏散過程，優化現有的客船布置，為船舶人員疏散提供更有效的建議和科學的指導。相對于陸地和建筑物而言，船舶人員疏散的研究起步較晚[2]，相關的研究局限于人員速度、疏散路徑和船舶布置等方面，較少考慮人員行為對疏散過程的影響[3-4]。針對這一問題，以大連海事大學教學實習船“育鯤”輪為研究對象，在疏散過程中加入不同比例的人員折返行為，仿真模擬分析對疏散效率的影響。

1 實驗參數設置

1.1 折返人員比例設置

由于大型船舶的乘客往往都是臨時性人員，對所乘坐的船舶構造不熟悉，因無法找到正確安全出口而出現折返行為；同時，逃生者會因遺留貴重物品或與親人走散，也會出現折返現象；船員作為疏散過程中的領導者，會因為組織或業務上的需求與行人流方向產生不協調的行為，也可將其列為折返行為。根據其他領域緊急情況時人員疏散行為調查的結果顯示，約有25%的人員可能會因為貴重物品選擇折返，約有84%的人會選擇折返救助家人[6-7]。而相比較其他交通領域內的人員疏散，船上人員因為乘坐時間長，攜帶物品多和有固定居住艙室等特點，折返人員的比例往往高于地鐵等其他交通工具，因此，將折返比例分別設置為10%、20%、30%、40%和50%。

1.2 實驗場景介紹

以大連海事大學教學實習船“育鯤”輪的游步甲板為主要研究區域，其作為連接學員房間最近的一層擁有外部走道的甲板，除了包含學生餐廳、教室等公共區域，還包含若干船員艙室，是全船疏散過程中最重要的一層甲板，游步甲板布置見圖1。由于該層甲板通常會聚集較多的人員(吃飯、上課、開會等)，考慮其布置的特殊性，在該層考慮折返行為能比較客觀地反映出對船舶整體疏散的影響[8]。

游步甲板上餐廳一和餐廳二最大容納人數分別為104人和103人，2個教室容納人數分別為36人。出口1、2、3處的樓梯可通往救生艇甲板，因此，在游步甲板的疏散實驗中，以這3個樓梯為出口，穿過樓梯即視為從該層疏散成功，其中出口1、2是單跑樓梯，寬度為80 cm；出口3是剪刀式樓梯，寬度為180 cm。

采用《指南》提出的場景case 2，此時人員主要分布于公共區域內，并且需要全船疏散。

1.3 模型參數設置

考慮船舶的定員問題，結合實際的船舶實習人員男女比例，假設疏散場景總人數155人，包含140名男生和15名女生。人員年齡段分布在18～25歲，依據《指南》指導的速度公式(1)、(2)得到女生的速度范圍在[1.3 m/s,1.385 m/s]區間內，男生速度范圍在[1.53 m/s,1.6 m/s]區間內，且均按照正態分布。

圖1 游步甲板布置

speed(male)=

(1)

speed(female)=

(2)

人員有初始位置分布于2個餐廳100人、2個教室35人，以及舷外20人。當正常疏散時，人員直接走向出口，而折返行為需要返回至折返區域后再進行疏散。考慮到實驗的真實性和人員安全問題，將折返區域設置在空間較大的餐廳區域，折返區域是一個半徑為1 m的圓，位于餐廳一和餐廳二交界處，具體人員分布和行人流向見圖2。

圖2 實驗人員分布和主要行人流向

圖2中給出的虛線箭頭為主要的行人流向。不同折返比例下各房間的正常疏散人員和折返人員數量見表1。

表1 不同折返比例下的各位置折返人員的數量

2 結果與分析

(3)

(4)

(5)

表2 不同折返比例下的實驗結果

為了更加細致地對比不同折返人員比例對疏散時間的影響，根據不同折返比例下的實驗數據，繪制未疏散人數和疏散時間的曲線見圖3。

圖3 不同折返比例在各時刻未疏散的人數

當無人員折返時，該層甲板的疏散時間t0%為51.5 s，此時未疏散人數與疏散時間曲線接近于一條直線，說明疏散效率比較穩定。加入人員折返行為后，疏散時間、人均疏散時間和人均擁堵時間都相較于正常疏散有明顯的增大。當有10%人員折返時，疏散時間t10%比t0%增加了82.5%；當折返人員增加至30%以上時，疏散時間t40%較t30%再次有一個大的增加量(21.7 s)。當折返人員比例為50%時，此時未疏散人數與疏散時間再次接近一條直線，這種情況下由于折返人員數量較多，當他們再次到達出口時，正常疏散人員已經完成疏散，所以疏散效率再次穩定，但是相比于無折返行為，疏散效率降低了約56.5%。

由于船尾處的出口1距中間的公共區域比較遠，根據就近選擇出口原則，只有少量位于舷邊走廊的人會選擇該出口進行疏散，大多數人還是選擇較近的出口2、3為疏散出口，導致在出口2、3的附近產生嚴重的擁堵現象。為了更好地描述各時刻的擁堵情況，以出口2、3附近走廊上的人數為參數，構建出口2和3附近的走廊人數隨時間變化的見圖4。

圖4 各折返比例下出口2和出口3附近走廊內的人數

當走廊區域人數越多，表明擁堵程度越嚴重。相比較出口3，出口2距離人數較多的餐廳更近，且通往出口2的走廊和樓梯(即出口)寬度更窄，所以當正常疏散至10 s左右時，出口2附近擁堵較為嚴重，此時會有部分疏散者為了避免擁堵等待而選擇出口3進行疏散，導致擁堵現象蔓延到出口3周圍，見圖4a)。但由于出口3作為主通道，其樓梯寬度是其他出口樓梯的2倍，因此，其走廊內的人員數量下降速度明顯比出口2走廊處快，擁堵現象也在較短時間內得以緩解。

當折返人員加入后，由于運動方向的不一致，會使得2個出口處的擁堵現象變得更加嚴重，且持續時間更長。當折返人員比例達到30%及以后，不僅在出口2處有很大的疏散壓力，見圖4d)、e)、f)，出口3附近的走廊人數也急劇增加，并且隨著折返人員比例增加，該處擁堵的持續時間也隨之增加。圖4e)表明，當折返人員比例為40%時，出口3的峰值人數達到了48人，是無折返時峰值的2倍，也是幾種情況中最大值，同時出口2處的峰值也達到了幾種情況中的最大值，為56人，比無折返時增加了24%。通過分析圖4f)，當折返比例為50%時，擁堵的嚴重程度比40%折返時有所緩和，此時折返人數眾多，疏散人員為了避開在走廊區域內的人數，從而選擇穿過教室或繞行舷邊走廊，同時也解釋了在這種情況下，表2所示的疏散時間的增加量(t50%-t40%)也比其他相鄰情況少的現象。

3 實驗優化

圖5 優化后的布置和新增行人流向

表3 優化后的實驗結果

優化后的布置加入折返行為后，疏散效果得到改善，根據實驗數據，繪出不同時刻下各比例折返實驗中成功疏散人數的曲線見圖6。

在分析中，加入不同比例下的正常疏散人數基準線，發現當成功疏散人數未達到正常疏散人數時，優化后的曲線斜率明顯大于優化前，說明疏散速率較之前有明顯加快；而當正常疏散的人員都已成功疏散后，疏散曲線接近平行，說明優化后，對這部分人員的疏散效率沒有太大影響。

隨著折返比例增加，優化布置后的疏散時間隨之減少，尤其當折返比例為40%時，優化后的疏散時間減少量最多，為37.5 s，見圖6e)，且人均擁堵時間比30%時還縮短了0.51 s。這是由于優化前出口2、3附近的擁堵最嚴重，而優化后減輕了出口2、3的疏散壓力，從而縮短了人均擁堵時間，緩解了擁堵程度。

圖6 布置優化前后的各折返比例下的實驗結果

4 結論

在船舶疏散中加入人員折返行為后，實驗模擬的疏散過程更加貼近現實。同時發現疏散效率并不是隨著折返比例的增加而降低，而是當折返比例達到40%時，出口處的擁堵現象最為嚴重，疏散效率最低。通過觀察實驗過程，在適當的位置處新增出口后，疏散效率明顯提高，各項疏散指標均有較大的優化。

實驗沒有充分考慮船舶運動狀態(橫搖、縱搖等)對人員的影響，這將在以后的工作中進一步完善。