空港型國家物流樞紐應(yīng)急疏散能力建模分析

趙江利，仝新順

(1. 河南工學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003；2. 鄭州輕工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450002)

1 引言

空港型國家物流樞紐出現(xiàn)突發(fā)事件時(shí)，由于應(yīng)急反應(yīng)過激、心理壓力過大、人群行為難測，在應(yīng)急疏散過程中增大了危險(xiǎn)系數(shù)[1]，而應(yīng)急疏散屬于時(shí)刻發(fā)生動(dòng)態(tài)變化的過程，空港型國家物流樞紐中的應(yīng)急疏散預(yù)案、應(yīng)急指揮人員和疏散引導(dǎo)標(biāo)識(shí)都會(huì)對(duì)人群疏散產(chǎn)生影響[2]，需要通過仿真技術(shù)對(duì)空港型國家物流樞紐應(yīng)急疏散能力進(jìn)行分析，難以周全的考慮影響因素，很難對(duì)個(gè)體在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)的疏散行為進(jìn)行準(zhǔn)確模擬[3]，存在仿真精度低和開發(fā)難度大的問題。在上述背景下，對(duì)物流樞紐應(yīng)急疏散能力進(jìn)行建模分析，可以為應(yīng)急預(yù)案制定、應(yīng)急疏散管理提供有效的建議[4]。

吳桐雨等[5]提出基于多層復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的物流樞紐應(yīng)急能力分析方法，該方法通過Gephi分析工具分析節(jié)點(diǎn)物流運(yùn)行能力和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性，根據(jù)分析結(jié)果完成網(wǎng)絡(luò)聚合，結(jié)合聚類算法和t-SNE對(duì)物流樞紐應(yīng)急疏散能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果實(shí)現(xiàn)疏散能力分析，但是該方法沒有構(gòu)建物流樞紐應(yīng)急疏散模型，增加了分析所用的時(shí)間，存在分析效率低的問題。王威等[6]提出基于隨機(jī)模擬評(píng)價(jià)的物流樞紐應(yīng)急疏散能力分析方法，該方法將形成時(shí)間、速度、暢通可靠度、空間負(fù)荷裕度和時(shí)間負(fù)荷裕度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算優(yōu)勢權(quán)向量和自主優(yōu)勢量矩陣，通過隨機(jī)模擬技術(shù)獲得評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)應(yīng)的優(yōu)勝度陣矩，利用優(yōu)勝度矩陣對(duì)應(yīng)急疏散能力進(jìn)行分析，但是該方法沒有在應(yīng)急疏散模型的基礎(chǔ)上分析疏散能力，導(dǎo)致分析精準(zhǔn)度較低。張孝奎等[7]依據(jù)唐山地震環(huán)境危險(xiǎn)性構(gòu)建了防烈度地震、極罕遇地震和巨災(zāi)三種情景，規(guī)劃了唐山市中心城區(qū)地震應(yīng)急通道系統(tǒng)，分析了唐山市中心城區(qū)道路的震后通行能力，其規(guī)劃的安全性和合理性對(duì)城市防災(zāi)減災(zāi)工作具有重要意義，但是尚未解決其路徑規(guī)劃問題，獲得的分析結(jié)果與實(shí)際結(jié)果之間的誤差較大，存在分析效率低。

為了解決上述方法中存在的問題，提出空港型國家物流樞紐應(yīng)急疏散能力建模分析方法，創(chuàng)新性地在空港型國家物流樞紐應(yīng)急疏散模型的基礎(chǔ)上建立應(yīng)急疏散能力評(píng)價(jià)模型，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)空港型國家物流樞紐應(yīng)急疏散能力進(jìn)行分析。

2 基于Pathfinder的應(yīng)急疏散建模

2.1 確定所需安全疏散時(shí)間

Pathfinder疏散仿真環(huán)境可以為用戶提供三維可視化工具的分析結(jié)果，并提供圖形用戶界面的模擬執(zhí)行和設(shè)計(jì)。因此，使用Pathfinder疏散仿真軟件劃分3D幾何空間模型，獲得2D平面的導(dǎo)航網(wǎng)格，便于在導(dǎo)航網(wǎng)格中，用網(wǎng)格上的缺口描述障礙物。

在仿真過程中，首先通過三角形導(dǎo)航網(wǎng)格和A*搜索算法生成人員的出口運(yùn)動(dòng)路徑。在靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，A*搜索算法屬于有效求解段路徑的方法，可通過下述公式進(jìn)行描述

f(n)=g(n)+h(n)

(1)

式中，f(n)描述從初始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)n對(duì)應(yīng)的估價(jià)函數(shù)；h(n)表示到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)最佳路徑，節(jié)點(diǎn)n對(duì)應(yīng)的估計(jì)代價(jià)；g(n)表示從初始節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)n在狀態(tài)空間中對(duì)應(yīng)的實(shí)際代價(jià)。

設(shè)T1表示人員反應(yīng)動(dòng)作時(shí)間，為了描述災(zāi)難發(fā)生時(shí)，人員決定如何疏散到安全區(qū)域的決策時(shí)間以及心理活動(dòng)時(shí)間，構(gòu)建過程性公式如下

(2)

式中，H表示樓層高度；A0表示樓層面積。

設(shè)T2表示人員疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間，描述人員疏散到安全區(qū)域需要的時(shí)間，其計(jì)算公式如下

T2=0.68+0.081P0.73

(3)

式中，P表示樓梯能夠承擔(dān)的人數(shù)。

人員人身安全在突發(fā)事件發(fā)生到結(jié)束受到的威脅時(shí)間，即為可用安全疏散時(shí)間TH，其表達(dá)式如下

TH=T1+T2+TS

(4)

式中，TS表示將人員疏散到安全區(qū)時(shí)，可用安全疏散的剩余時(shí)間。

設(shè)TE表示人員在突發(fā)事件發(fā)生至疏散到安全區(qū)域所用的時(shí)間，即所需安全疏散時(shí)間，其計(jì)算公式如下

TE=TH+TS

(5)

2.2 確定人員運(yùn)動(dòng)模式

Parhfinder包括Steeing和SFPE兩種模式。SFPE模式在Parhfinder疏散仿真軟件中屬于流動(dòng)模型，人員的運(yùn)動(dòng)模式在該模型中不受到其他人員的影響，因此，人員在房間中的運(yùn)動(dòng)行為和運(yùn)動(dòng)速度可以通過SFPE模式確定，

1)運(yùn)動(dòng)過程中人員的加速度和最大速度。Steering模型的運(yùn)動(dòng)環(huán)境屬于三維三角網(wǎng)格，前進(jìn)方向的障礙物分布情況、人員密度和最大移動(dòng)速度都會(huì)影響人員移動(dòng)到下個(gè)網(wǎng)格的速度，因此在Steering模式中，設(shè)定閾值時(shí)，為了適應(yīng)新的形式，當(dāng)最近點(diǎn)與人員之間的路徑距離大于設(shè)定的閾值時(shí)，可以再生新的路徑，在運(yùn)動(dòng)過程中人員的加速度αmax和最大移動(dòng)速度Vmax之間的關(guān)系可通過下述公式進(jìn)行描述

αmax=2×Vmax

(6)

2)躲避規(guī)則、路徑搜索和人員移動(dòng)。Pathfinder是通過string pulling技術(shù)重新排列節(jié)點(diǎn)，對(duì)路徑進(jìn)行平滑處理，即基于狀態(tài)規(guī)則同步更新路徑，搜索運(yùn)動(dòng)軌跡用時(shí)最省點(diǎn)為轉(zhuǎn)向點(diǎn)中對(duì)轉(zhuǎn)向行為吸引力最大的網(wǎng)格，沿著路徑的人員搜索可以在每一步移動(dòng)到下一個(gè)網(wǎng)格，便于在遇到障礙物和交通堵塞的情況下，人們可以隨機(jī)應(yīng)變，由此，設(shè)第i個(gè)轉(zhuǎn)向點(diǎn)與人員所在網(wǎng)格點(diǎn)之間存在的矢量為Ptv，第二個(gè)矢量Sct由下一路徑網(wǎng)格點(diǎn)與人員所在網(wǎng)格點(diǎn)構(gòu)成，Sc描述搜索運(yùn)動(dòng)軌跡，其表達(dá)式如下

(7)

式中，θt表示沿弧線的切向量與Ptv、Sct間矢向量構(gòu)成的夾角。

設(shè)Dc為躲避規(guī)則既定閾值，其表達(dá)式如下

(8)

式中，Dcs表示為了躲避障礙物和其他疏散人員，當(dāng)前人員的合適距離；vcuur表示當(dāng)前人員的移動(dòng)速度；Dcw表示開始運(yùn)動(dòng)時(shí)人員的理想距離。

設(shè)tc表示人員躲避碰撞所用的時(shí)間，其計(jì)算公式如下

(9)

式中，Dh表示當(dāng)前人員與其他疏散人員或障礙物之間的最短距離。

當(dāng)確定了用時(shí)最短路徑時(shí)，該時(shí)刻位置變化導(dǎo)致人員運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生變化的過程可通過下述進(jìn)行描述

(10)

(11)

(12)

式中，Δt表示時(shí)間步長。

(13)

采用Pathfinder疏散仿真軟件根據(jù)上述人員所在的網(wǎng)格位置分析結(jié)果構(gòu)建空港型國家物流樞紐應(yīng)急疏散模型，如圖1所示。

圖1 空港型國家物流樞紐應(yīng)急疏散模型

3 應(yīng)急疏散能力分析方法

根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建原則和設(shè)計(jì)原理，從空港型國家物流樞紐應(yīng)急疏散的全過程出發(fā)[8]，構(gòu)建疏散能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖2所示。

圖2 物流樞紐應(yīng)急疏散能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

空港型國家物流樞紐應(yīng)急疏散能力分析以風(fēng)險(xiǎn)管理和風(fēng)險(xiǎn)因素分析為主要研究內(nèi)容，以模糊理論和概率統(tǒng)計(jì)等理論為基礎(chǔ)，對(duì)空港型國家物流樞紐中發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)事故的嚴(yán)重性和可能性進(jìn)行度量，根據(jù)度量結(jié)果通過相應(yīng)的措施達(dá)到間接創(chuàng)造效益、降低風(fēng)險(xiǎn)的目的。

疏散能力評(píng)價(jià)存在一定的隨機(jī)性和模糊性。空港型國家物流樞紐應(yīng)急疏散能力建模分析方法采用集值統(tǒng)計(jì)方法對(duì)疏散能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

設(shè)m表示空港型國家物流樞紐應(yīng)急疏散能力評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)，U為疏散能力評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)成的集合，其表達(dá)式如下

U={μ1，μ2，…，μi，…，μm}

(14)

共有n個(gè)專家參與疏散能力評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值的確定，構(gòu)成集合P

P={P1，P2，…，Pj，…，Pn}

(15)

(16)

式中

(17)

(18)

其中

μimin=min(αi1，αi2，…，αin)

(19)

μimax=max(βi1，βi2，…，βin)

(20)

根據(jù)上述，分析疏散能力評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重可通過下式進(jìn)行計(jì)算

(21)

在空港型國家物流樞紐應(yīng)急疏散能力分析過程中，考慮到專家從事行業(yè)的工齡、職稱和學(xué)歷等情況，設(shè)kj表示專家對(duì)應(yīng)的權(quán)重，滿足下式

(22)

此時(shí)應(yīng)急疏散能力評(píng)價(jià)指標(biāo)μi對(duì)應(yīng)的權(quán)重，可通過下式計(jì)算得到

(23)

歸一化處理求得的應(yīng)急疏散能力評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)值，獲得應(yīng)急疏散能力評(píng)價(jià)指標(biāo)μi的最終權(quán)值

(24)

通過上述計(jì)算過程，獲得各指標(biāo)在國家物流樞紐應(yīng)急疏散能力評(píng)價(jià)體系中的權(quán)值向量W=(w1，w2，…，wi…，wni)。

通過線性加權(quán)結(jié)果對(duì)空港型國家物流樞紐發(fā)生突發(fā)事件的風(fēng)險(xiǎn)Z進(jìn)行計(jì)算

(25)

式中，F(xiàn)ij代表的針對(duì)應(yīng)急疏散能力評(píng)價(jià)指標(biāo)μi，第j個(gè)專家給出的風(fēng)險(xiǎn)值。

根據(jù)計(jì)算得到的風(fēng)險(xiǎn)值Z構(gòu)建應(yīng)急疏散能力評(píng)價(jià)模型φ

(26)

利用應(yīng)急疏散能力評(píng)價(jià)模型φ，分析物流樞紐應(yīng)急疏散能力。

4 仿真研究

為了驗(yàn)證空港型國家物流樞紐應(yīng)急疏散能力建模分析方法的整體有效性，在Mulan平臺(tái)中對(duì)空港型國家物流樞紐應(yīng)急疏散能力建模分析方法進(jìn)行測試，以某空港型國家物流樞紐建設(shè)方案和編制采購相關(guān)報(bào)告為數(shù)據(jù)來源，測試環(huán)境為：固態(tài)硬盤：256GB；內(nèi)存：4GB；操作環(huán)境：Windows1.0；主頻：1.00GHz；處理器：Intel(R)Core(M)m3-7Y30。

將應(yīng)急疏散空間關(guān)聯(lián)度和風(fēng)險(xiǎn)度量精準(zhǔn)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)采用空港型國家物流樞紐應(yīng)急疏散能力建模分析方法(方法1)、基于多層復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的物流樞紐應(yīng)急能力分析方法(方法2)和基于隨機(jī)模擬評(píng)價(jià)的物流樞紐應(yīng)急疏散能力分析方法(方法3)進(jìn)行測試。

方法1、方法2和方法3應(yīng)用后，應(yīng)急疏散空間關(guān)聯(lián)度對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 三種方法的分析時(shí)間

由圖3中的數(shù)據(jù)，可知隨著物流樞紐中應(yīng)急事件的不斷增加，三種方法分析物流樞紐應(yīng)急疏散能力所用的時(shí)間隨之增加，但方法1所用的分析時(shí)間低于方法2和方法3所用的分析時(shí)間，因?yàn)榉椒?在分析物流樞紐應(yīng)急疏散能力之前采用Pathfinder疏散仿真軟件構(gòu)建了空港型國家物流樞紐應(yīng)疏散模型，使其網(wǎng)格化，在空港型國家物流樞紐應(yīng)疏散模型的基礎(chǔ)上對(duì)應(yīng)急疏散能力進(jìn)行分析，縮短了分析所用的時(shí)間，提高了方法1的分析效率。

方法1、方法2和方法3的風(fēng)險(xiǎn)度量精準(zhǔn)度如圖4所示。

圖4 三種方法的分析精準(zhǔn)度

分析圖4可知，對(duì)物流樞紐應(yīng)急疏散能力進(jìn)行分析時(shí)，方法1獲得的分析精準(zhǔn)度在多次迭代中遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于方法2和方法3獲得的分析精準(zhǔn)度，因?yàn)榉椒?在空港型國家物流樞紐應(yīng)急疏散模型的基礎(chǔ)上采用集值統(tǒng)計(jì)方法對(duì)樞紐應(yīng)急疏散能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果完成空港型國家物流樞紐應(yīng)急疏散能力的分析，提高了分析結(jié)果的精準(zhǔn)度。

5 結(jié)束語

1)在空港型國家物流樞紐中人員大量集散，如果應(yīng)急疏散能力較差，發(fā)生突發(fā)事件時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，因此提出空港型國家物流樞紐應(yīng)急疏散能力建模分析方法，其應(yīng)急疏散空間關(guān)聯(lián)度最高可達(dá)94%，縮短了分析所用的時(shí)間。

2)在應(yīng)急管理系統(tǒng)中應(yīng)急疏散受到較高的重視，應(yīng)急疏散過程中的風(fēng)險(xiǎn)度量精準(zhǔn)度一直保持在80%-96%之間，提高了總體分析精準(zhǔn)度，為空港型國家物流樞紐的安全運(yùn)行提供了保障。

3)物流樞紐在各大城市中相繼建設(shè)并投入使用，為了在未來激烈的經(jīng)濟(jì)競爭中抓住機(jī)遇，應(yīng)該積極地將現(xiàn)代物流理論應(yīng)用于現(xiàn)代物流體系的建設(shè)中。