考慮煙氣影響的海底隧道火災(zāi)人車混合疏散優(yōu)化模型

陳明仙

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院 安全與環(huán)境學(xué)院, 福建 福州 350007)

0 引言

海底隧道火災(zāi)是其運(yùn)營期需要防范的主要風(fēng)險(xiǎn)之一， 由于兼具地下工程、 水下工程和公路工程等多重屬性， 對疏散提出了更高的要求. 在火災(zāi)發(fā)生后， 部分區(qū)域交通阻塞， 人員棄車逃生， 車輛疏散和人員疏散需要同時(shí)開展， 火災(zāi)進(jìn)入人車混合疏散情景. 此時(shí)， 車內(nèi)外人員均受到以CO為代表的有毒有害煙氣影響， 此時(shí)的疏散不僅需要考慮車輛和人員疏散時(shí)間最短， 同時(shí)還要評估車內(nèi)外人員煙氣傷害是否超限， 否則應(yīng)急過程將中止， 人員受到傷害甚至死亡. 在這種特殊的交通工程中， 如何開展火災(zāi)情景下的人車混合疏散已成為一個(gè)急需解決的問題.

針對區(qū)域人車混合疏散問題， Nathan 等[1]進(jìn)行了島嶼區(qū)域海嘯人員和車輛疏散策略選擇模型的研究.

Chao等[2]進(jìn)行車輛行人混合交通流仿真. 劉毅等[3]分析地鐵空間受困人員疏散路徑選擇行為， 構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型確定主要影響因素. 宗欣露[4]提出基于蟻群算法和粒子群算法的人車混合疏散模型， 應(yīng)用于大型體育場及其周邊路網(wǎng)集成環(huán)境， 討論不同行人比例的人車混合疏散效果. 劉緬芳[5]討論校園人車混合交通流的特征， 基于元胞自動(dòng)機(jī)構(gòu)建疏散模型.

通過上述研究成果分析可知， 現(xiàn)有的疏散模型主要考慮了常規(guī)區(qū)域及空間內(nèi)人的行為、 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、 網(wǎng)絡(luò)流和危險(xiǎn)分區(qū)等因素， 而考慮火災(zāi)混合疏散情景階段動(dòng)態(tài)變化的有毒有害物質(zhì)影響(如CO、 煙氣等)的研究鮮見. 鑒于此， 本文結(jié)合海底隧道應(yīng)急特性， 以海底隧道路網(wǎng)應(yīng)急資源容許和人員傷害閾值容許為約束條件， 基于動(dòng)態(tài)情景信息構(gòu)建人車疏散時(shí)間最短的人車混合疏散優(yōu)化模型， 并設(shè)計(jì)改進(jìn)蟻群算法(ant colony algorithm， ACA)進(jìn)行求解. 仿真應(yīng)用表明， 該模型能夠?qū)崿F(xiàn)人車疏散路徑優(yōu)化和避免CO吸入超限， 提升海底隧道火災(zāi)疏散效率， 降低人員傷害.

1 模型構(gòu)建

在海底隧道火災(zāi)事故應(yīng)急疏散過程中， 經(jīng)過車輛疏散階段， 在二次事故、 交通流突變、 局部交通控制失效等因素影響下， 部分區(qū)域車輛陷入擁堵， 人員棄車逃生， 進(jìn)入“人車混合疏散”情景[6]. 在此過程中， 疏散路網(wǎng)可用度、 路徑CO濃度、 路徑擁堵程度、 疏散出口是否可用等情景要素信息動(dòng)態(tài)變化， 必須系統(tǒng)考慮. 因此， 對于海底隧道火災(zāi)事故中的人車混合疏散情景下的疏散問題， 除了考慮車輛、 人員應(yīng)急演變通用特征外， 還須考慮如何實(shí)現(xiàn)疏散過程時(shí)間最短， 滿足疏散過程海底隧道路網(wǎng)應(yīng)急資源容許度和人員傷害閾值等約束條件， 構(gòu)建基于動(dòng)態(tài)情景信息的人車混合疏散模型[4-5].

1.1 目標(biāo)函數(shù)

基于情景演變過程分析， 海底隧道人車混合應(yīng)急疏散是一個(gè)涉及到人員傷害、 疏散時(shí)間、 疏散路徑等因素的復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化問題， 其總目標(biāo)為疏散總體安全成本最小， 即在煙氣不超限的前提下， 自由疏散車輛、 自由疏散人員整體疏散時(shí)間最短. 車輛疏散時(shí)間最短目標(biāo)和人員疏散時(shí)間最短目標(biāo)公式如下.

(1)

(2)

1.2 約束條件

在人車疏散過程中， 疏散分區(qū)隨著情景演進(jìn)擁堵狀況動(dòng)態(tài)變化， 此背景下的不同疏散方案均應(yīng)考慮路徑是否可用(處于非擁堵狀態(tài))， 且路徑流量不可超過路網(wǎng)的承載能力， 才能保證疏散的持續(xù)進(jìn)行. 通過路徑長度和給定行人(車輛)疏散速度計(jì)算路徑(i,j)的疏散時(shí)間和保證路徑(i,j)實(shí)際行人(車輛)流量低于路徑承載能力的約束條件[4, 7]如下式.

(3)

(4)

同時(shí)， 疏散情景過程要求所有疏散車輛內(nèi)人員、 自由疏散人員的CO攝入量不超過閾值. 對所有攝入的煙氣傷害不超限， 且在滿足其他約束時(shí)最低， 則一方面確保人員傷害最低， 另一方面使疏散過程可繼續(xù)[8]. CO攝入不超限的約束條件如下式.

(5)

式中：rij為路徑上人員單位時(shí)間CO攝入量, cm3·(m3·s)-1；Rz基于美國工業(yè)衛(wèi)生協(xié)會(huì)ACGIH的化學(xué)物質(zhì)閾限值標(biāo)準(zhǔn)， 考慮疏散行為、 暴露時(shí)間等因素[9]， 按下式計(jì)算.

(6)

為滿足人車疏散要求， 應(yīng)對不同區(qū)域的車輛進(jìn)行個(gè)性化誘導(dǎo)， 動(dòng)態(tài)更新路網(wǎng)信息， 避開擁塞路段； 對不同區(qū)域的人員進(jìn)行誘導(dǎo)， 充分運(yùn)用人通和車通， 考慮不同擁塞程度對于疏散速度與時(shí)間的影響， 使車輛、 人員所選路線在約束條件下的總疏散成本最低.

2 模型求解

ACA具有魯棒性好、 分布式計(jì)算、 收斂快等優(yōu)點(diǎn)， 對多目標(biāo)約束下的路徑優(yōu)化有很好的適應(yīng)性和應(yīng)用效果. 海底隧道人車混合疏散路徑尋優(yōu)過程與蟻群路徑尋優(yōu)過程有高度的相似性， 可根據(jù)海底隧道特點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)， 發(fā)揮其解決動(dòng)態(tài)組合優(yōu)化問題的優(yōu)勢. 基于ACA算法對啟發(fā)式信息中的螞蟻與出口的距離、 疏散過程中路徑人車流量影響等因素進(jìn)行改進(jìn)， 可提高尋優(yōu)效率與算法性能， 使其更符合模型特性， 更具針對性.

2.1 禁忌規(guī)則

在人車混合疏散過程中， 各節(jié)點(diǎn)間的連接由海底隧道的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)決定， 此時(shí)路網(wǎng)乃非復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)， 為避免仿真蟻尋徑失敗， 應(yīng)設(shè)計(jì)新的禁忌規(guī)則. 同時(shí)， 在車輛疏散中， 由于部分區(qū)域擁塞， 螞蟻應(yīng)避開該部分路段與節(jié)點(diǎn)， 可用路網(wǎng)規(guī)模變小， 因此， 允許螞蟻有限制地重復(fù)訪問已訪問節(jié)點(diǎn).

2.2 啟發(fā)式信息

考慮海底隧道的特殊結(jié)構(gòu)， 在人車混合疏散過程中， 螞蟻路徑選擇除需考慮疏散路徑長度， 還需考慮路徑CO濃度、 路徑疏散流量、 螞蟻與出口距離等要素[4, 10-11].

1) 螞蟻與出口距離影響. 在人車混合疏散過程中， 人車的疏散出口主要包括隧道左線、 右線和服務(wù)隧道的出入口共6個(gè)， 為使螞蟻能快速找到出口、 減少尋徑不確定性， 將螞蟻與第n個(gè)出口的距離引入啟發(fā)式信息， 使螞蟻的搜索更具方向性， 加快收斂過程.

2) CO濃度. 人車混合疏散階段需分別考慮車輛內(nèi)人員和步行疏散人員的CO濃度傷害情況， 計(jì)算車輛和人員在疏散過程的煙氣傷害， 螞蟻優(yōu)先選擇CO濃度低的路徑， 減少傷害.

3) 路段長度及擁堵程度對于人、 車疏散效率的影響. 除考慮路徑長度對路徑選擇的影響外， 同時(shí)考慮該路徑擁堵程度對路徑選擇的影響. 路徑(i,j)上第k個(gè)疏散個(gè)體的疏散時(shí)間與擁堵程度成正比， 即路段擁堵程度越高， 其疏散速度越低， 則疏散時(shí)間越長.

對于模擬車輛或行人的螞蟻， 啟發(fā)式信息均為：

(7)

式中：ηij為路徑(i,j)上的啟發(fā)式信息；k為疏散出口的個(gè)數(shù)；Dij為車輛、 行人在疏散路徑(i,j)上的危險(xiǎn)值；dk為車輛、 行人位置與出口k的距離.

2.3 轉(zhuǎn)移規(guī)則

螞蟻的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移概率按照下式計(jì)算.

(8)

對于分別代表疏散人員和車輛的螞蟻， 確定Wk應(yīng)分別考慮路徑可用性， 在人車混合疏散階段， 人通車輛無法通行， 且部分車通和車道已阻塞不可用， 代表車輛螞蟻只能訪問可用車行疏散網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)； 對于代表自由疏散人員的螞蟻， 人通和車通均可使用， 即可使用全部疏散路網(wǎng)[11-12].

2.4 信息更新策略

當(dāng)螞蟻k從節(jié)點(diǎn)i轉(zhuǎn)移到節(jié)點(diǎn)j后， 路徑(i,j)上的信息素增量按下式進(jìn)行更新[7, 12]：

τij(t+1)=(1-ρ)τij(t)+Δτij(t)

(9)

(10)

3 人車混合疏散案例仿真

結(jié)合翔安海底隧道火災(zāi)案例， 應(yīng)用人車混合疏散模型進(jìn)行仿真. 翔安海底隧道是中國大陸地區(qū)第一條海底隧道， 長6.05 km， 雙向6車道， 左右雙行車通道并設(shè)有中間應(yīng)急保障通道， 共設(shè)12處人行橫通和5處車行橫通， 橫通間距300 m[13]. 基于隧道應(yīng)急信息監(jiān)控、 應(yīng)急交通誘導(dǎo)和應(yīng)急處置的需要， 建立較為完備的應(yīng)急系統(tǒng)： 設(shè)置了國內(nèi)最大斷面的泡沫-水噴霧聯(lián)用滅火系統(tǒng)， 在隧道左側(cè)壁頂部以25 m為間隔設(shè)置自動(dòng)噴淋設(shè)施， 與火災(zāi)探測器聯(lián)動(dòng)開啟； 隧道右側(cè)壁每隔50 m設(shè)置消防箱. 假設(shè)一輛客車在隧道中部62號(hào)消防箱處發(fā)生自燃， 當(dāng)車輛疏散未完全達(dá)到預(yù)定目標(biāo)， 則火災(zāi)演變至人車混合疏散情景， 2號(hào)車通堵塞， 車輛無法通行.

3.1 構(gòu)建簡化OD路網(wǎng)

根據(jù)翔安海底隧道的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)， 由左線、 右線、 應(yīng)急保障通道、 人通、 車通和出口構(gòu)建疏散網(wǎng)絡(luò). 為使模型運(yùn)算方便， 將疏散網(wǎng)絡(luò)簡化為：

G=(V,E,f)

(11)

式中：V是由疏散起始點(diǎn)、 過程點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)構(gòu)成的集合；E是疏散路徑網(wǎng)絡(luò)化的節(jié)點(diǎn)連接邊；f是V×V上的映射.

根據(jù)隧道內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)， 獲取各路徑上的CO濃度、 擁塞程度、 流量等動(dòng)態(tài)信息. 為簡化函數(shù)計(jì)算， 構(gòu)建簡化交通起止點(diǎn)的路網(wǎng)(origin destination， OD). 其中， 人、 車輛出口共有6個(gè)， 即左線、 右線和應(yīng)急通道的兩端， 當(dāng)發(fā)生局部擁塞或CO超限時(shí)， 可能導(dǎo)致部分出口不可用. 用數(shù)字表示海底隧道各節(jié)點(diǎn)， 用帶圈數(shù)字表示各相鄰節(jié)點(diǎn)形成的路段， 如圖1所示.

圖1 簡化OD路網(wǎng)Fig.1 Simplified OD road network

3.2 模擬疏散

結(jié)合前人研究成果， 根據(jù)海底隧道特點(diǎn)， 設(shè)置蟻群參數(shù)[7-8, 14-15]：m=30，Ncmax=100，α=0.9，β=0.6，ρ=0.8. 設(shè)定車輛疏散速度vv=4.5 m·s-1， 人群疏散速度vp=1.8 m·s-1.

運(yùn)用MATLAB9.5平臺(tái)編制模型求解程序， 運(yùn)算可得海底隧道其他各核心區(qū)域的人、 車疏散方案如圖2、 表1所示.

圖2 核心區(qū)域的疏散誘導(dǎo)路徑圖Fig.2 Evacuation guidance route of core region

表1 疏散路徑信息表

3.3 結(jié)果分析

從圖2和表1可看出， 疏散核心區(qū)域內(nèi)人、 車誘導(dǎo)路徑累計(jì)攝入值均在閾值范圍內(nèi). 其中， 模擬人群的螞蟻在路徑計(jì)算時(shí)共避開了閾值超限路徑共8 834次； 車輛疏散路徑避開了擁塞的2號(hào)車通. 同時(shí)， 模擬車輛的螞蟻在路徑計(jì)算時(shí)共避開了閾值超限路徑共829次. 與傳統(tǒng)靜態(tài)式的疏散方案相比， 不同區(qū)域上的車輛和人員并未全部選擇就近出口， 也未同時(shí)選擇同一出口， 避免了同一路徑或同一出口的擁堵情景， 保證了人員的健康和疏散過程的有序進(jìn)行.

將模型輸出的核心區(qū)域疏散方案進(jìn)行對比分析可知 ， 雖然區(qū)域間隔并非很大， 但由于路徑長度、 路徑上CO濃度和路徑擁堵的約束， 對不同區(qū)域選取了不同的路徑和出口， 保證了約束的有效性.

4 結(jié)語

1) 在海底隧道火災(zāi)人車疏散情景中， 結(jié)合海底隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 確定以車內(nèi)外人員煙氣不超限、 車流和人流不超路徑容許載荷為約束條件， 構(gòu)建疏散時(shí)間最短、 總疏散安全成本最低的優(yōu)化模型.

2) 基于模型需求和海底隧道人車疏散情景要素， 對啟發(fā)式信息中的螞蟻與出口的距離、 疏散過程中路徑人車流量影響等因素進(jìn)行改進(jìn)， 確定算法的其他規(guī)則要素， 提高尋優(yōu)效率與算法性能.

3) 仿真算例結(jié)果在實(shí)現(xiàn)疏散時(shí)間最短的同時(shí)， 避開了閾值超限路徑和車輛擁塞通道， 對不同區(qū)域選取了不同的路徑和出口， 避免人員煙氣傷害超限， 使疏散過程有序進(jìn)行.

4) 人車混合疏散應(yīng)急決策過程中， 疏散路徑優(yōu)化除文中的影響因素外， 還需考慮應(yīng)急指令傳遞、 接收和執(zhí)行等因素， 后續(xù)研究將納入這些因素.