基于maritimeEXODUS的郵輪高級撤離仿真分析

周鵬飛,陳 祺,王麗元,谷家揚,黃 昊

(1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院, 鎮江 212100)

(2.中船郵輪科技發展有限公司, 上海 200137)

(3.江蘇科技大學 海洋裝備研究院, 鎮江 212003)

隨著海洋旅游資源的深度開發,郵輪旅游成為國際旅游市場的重要組成部分[1].但近年來因火災和進水事故導致的遠洋客船動力失效、棄船或沉沒事故時有發生,郵輪的安全問題不容小覷.一旦發生事故,緊急疏散對保障船舶人員生命安全至關重要[2].根據IMO發布的技術通告[3],客船在設計階段應參考該指南進行撤離分析.指南提供了兩種分析方法:簡化撤離分析和高級撤離分析.簡化撤離分析通過船體的相關參數估算總撤離時間.但隨著船舶復雜程度的提高,簡化撤離越來越不能代表實際情況.高級撤離分析是指以計算機為基礎的模擬,把每一個乘員作為一個個體,詳細顯示船舶布局并顯示乘員與布局之間的相互作用.高級撤離分析需建立船舶的疏散仿真模型,與簡化撤離分析相比難度較大且耗費時間,但可以更好的表示復雜船舶的實際情況.

隨著計算機技術的發展,人員疏散仿真模型的研究逐漸完善,根據研究方法的不同可以分為宏觀模型、微觀模型、介觀模型3類[4].人員疏散微觀仿真模型是一種針對疏散個體建模并利用計算機仿真技術模擬個體行為規律的模型[5].國內外許多學者和團隊根據微觀模型開發出了用于仿真模擬的疏散軟件,可為郵輪進行高級撤離分析提供技術支持.

文獻[6]總結了能夠為船舶的高級疏散分析提供軟件支持的疏散平臺,如IMEX、AENEAS、EVI和maritimeEXODUS.EXODUS是英國格林威治大學火災安全工程協會(FSEG)開發的基于元胞自動機模型的疏散仿真軟件,maritimeEXODUS是針對船舶開發的版本,諸多學者采用此軟件展開數值仿真模擬研究.文獻[7]使用真實海洋平臺疏散實驗數據校核模型參數,并對比軟件maritimeEXODUS的計算結果,驗證仿真系統的可行性.文獻[8]利用實測的人員速度數據比較Exodus模擬的疏散時間,得出計算機模擬的結果具有較好的參考性.文獻[9]基于Pyrosim和maritimeEXODUS數值模擬結果,對比無火和有火兩種疏散場景,得到了火災對人員疏散安全性的影響機制.文獻[10]通過Exodus軟件模擬海洋平臺上的疏散情況,分析了疏散路徑對疏散時間和傷亡人數的影響.文獻[11]提出了一種標準化的疏散場景,并用maritimeEXODUS對定義的疏散場景進行模擬驗證.

目前,船舶的撤離仿真模擬中對于總撤離時間的計算分析較少,尤其是基于全船的人員撤離模擬.本文將以某郵輪為研究對象,使用maritimeEXODUS建立全船的疏散仿真模型,對事故狀態下的全船人員進行高級撤離的仿真模擬,開展由初始位置到集合站、集合站到救生艇(LSA)的撤離模擬及總撤離時間的計算分析,并對模擬過程中形成的擁擠區域提出優化方案.

1 撤離分析原理

1.1 撤離時間性能標準

根據文獻[3],總撤離時間為:

1.25(R+T)+2/3(E+L)≤n

(E+L)≤30 min

(1)

式中:R為響應時間,指人員對緊急狀況產生反應的時間;T為總移動時間,指船上所有人員從被通知的時間移動至集合站的時間.該時間從緊急情況的初始通知(例如警報)開始,以乘客接受狀況并開始朝集合站方向移動而結束.(E+L)為登乘及下水時間,指船上所有人員棄船所需的時間,從所有人員穿上救生衣集合后發出棄船信號時開始算起.對于客滾船,n=60;對于客滾船以外的客船,如果船舶的主豎區不超過3個,n=60,如果船舶的主豎區超過3個,n=80.性能標準見圖1.

圖1 性能標準

如果計算的總撤離時間大于允許的總撤離時間,在設計階段應通過適當修改影響撤離系統的布置來糾正,以達到可接受的總撤離時間.

1.2 撤離時間收斂衡準

由于撤離過程具有概率特性,模型預計和現實中測量的移動時間是一個隨機的數量,每一場景均應進行總共至少500種不同的模擬.但該方法最大的缺陷是需要過多的計算來確定移動時間[12],若使用適當的方法確定收斂,可減少模擬的最小數量.

(2)

2 疏散模型和場景設計

2.1 疏散模型構建

郵輪的上部結構按防火分區規劃劃分為6個主豎區,設有9個乘客集合站和3個船員集合站,分別位于3甲板、4甲板和5甲板,其中4甲板是登乘甲板.

采用疏散模擬軟件maritimeEXODUS對目標郵輪進行建模,郵輪的3D模型如圖2.該郵輪共有16層甲板,由底層甲板至頂層甲板分別為B甲板、A甲板、0～14甲板.

圖2 目標郵輪的3D模型

各甲板之間通過樓梯連接,人員使用樓梯完成甲板間的移動.以4甲板為例,根據樓梯組所在的肋位,樓梯組所在區域從船艉至船艏依次為STAIR0、STAIR60、STAIR120、STAIR160、STAIR220、STAIR270和STAIR340,如圖3.

圖3 郵輪模型中樓梯區域

2.2 模擬場景設計

MSC.1/Circ.1533技術通告規定了郵輪高級撤離的典型基準場景及相關參數設置.分析時應至少考慮4種場景:夜晚基本撤離、白天基本撤離、夜晚次級撤離、白天次級撤離.其中,基本撤離場景對乘客按照初始位置到集合站、集合站到救生艇(LSA)的流線進行撤離模擬,所有撤離通道和樓梯均能正常使用;而次級撤離場景以基本撤離場景為基礎,進一步研究基本撤離場景中最長個人集合時間的主豎區,并在在模擬時將該主豎區內使用的容量最大的一整套樓梯視為不可使用.對于所有場景,除人員響應時間和初始位置不同,具有隨機特性外,人員數量相同.人口組成如表1.撤離模擬中郵輪共有6 538人,其中乘客共5 246人,船員共1 292人.

表1 人員組成

在夜晚撤離場景中,人員的初始分布情況:艙內乘客以最大鋪位量計已滿員,2/3船員在船艙內.對于剩余的1/3船員,50%應初始位于服務處所,25%應位于應急站,25%應初始位于集合站并以與撤離者相反的方向朝該集合站指定的最遠客艙前進,一旦到達該客艙,模擬中將不再考慮這些船員,認為其撤離結束.每個主豎區內的乘客和相反方向船員的比例相同.

在白天撤離場景中,人員的初始分布:乘客占據了公共處所最大容量的75%.船員的分布:1/3的船員初始位于船員起居處所(船艙和船員日間處所),1/3的船員初始位于公共處所,剩下的1/3分布:50%的船員應位于服務處所;25%的船員應位于應急職責位置;25%的船員應初始位于集合站并以與撤離者相反的方向朝該集合站指定的最遠客艙前進;一旦到達該客艙,模擬中將不再考慮這些船員,認為其撤離結束.每個主豎區內的乘客和相反方向船員的比例相同.

按照上述夜晚場景和白天場景的人員初始分布區域和人員組成,隨機導入乘客和船員,各甲板的人員分布情況如表2.夜晚場景下人員主要分布在居住處所,公共處所只有少部分船員分布.白天場景下人員主要分布在公共處所,居住處所只有船員分布,人數相對較少.

表2 人員的初始分布

模擬中船員共1 292人,初始位于集合站并以與撤離者相反方向撤離的船員共108人,到達指定位置后,模擬將不再考慮這些船員.因此模擬結束后,最終撤離到LSA的人員共6 430人.除了觀察乘客撤離情況的108位船員外,其余船員與乘客的撤離方式一致,撤離開始后由初始位置撤離至集合站,集合完成后撤離至LSA.

3 疏散模擬的結果分析

3.1 各場景的撤離時間

3.1.1 基本撤離場景

通過maritimeEXDOS軟件建立郵輪數值仿真模型,對船上人員進行高級撤離模擬.模擬結束后,統計各層甲板內人員最后離開的時間作為該甲板的撤離時間,其中3、4、5為集合甲板,在撤離過程中,非集合甲板的人員均需離開初始甲板,撤離至集合甲板集合.除108位反向撤離的船員外,所有人員在集合甲板內完成集合后再進行下一步撤離,集合甲板完成撤離的流動人口數量較大,因此集合甲板的撤離時間較長.同時4甲板為登乘甲板,集合完成后的人員需撤離至登乘甲板內的救生艇后完成撤離,因此登乘甲板的撤離時間最長.白天和夜晚基本撤離場景中各層甲板人員的撤離情況如表3.

兩種場景下3、4、5甲板的撤離時間均較長,夜晚場景下3、4、5甲板的撤離時間分別為2 246.98、2 350.67、1 515.77 s,白天場景下3、4、5甲板的撤離時間分別為1 391.14、1 725.67、1 395.08 s.相較于白天基本撤離場景,夜晚基本撤離場景由于人員反應時間較長,各甲板人員撤離時間均大于白天基本撤離場景.

根據人員完成撤離的時間,繪制基本撤離場景的基本撤離曲線圖,如圖4.夜晚場景中,在撤離前的16 min人員處于集合階段,16 min后人員逐步撤離至LSA,40 min左右人員均完成撤離.而白天場景中人員的反應時間較短,在9 min左右便完成集合,9 min后人員逐步撤離至LSA,29 min左右人員均完成撤離.

圖4 基本場景的撤離曲線

圖5 4甲板STAIR270處的樓梯組

基本撤離場景中各個主豎區的集合時間見表4.夜晚基本撤離場景中,主豎區5內的人員集合時間最長,用時最多的人員初始位于11甲板,該區域為客艙,夜晚場景中人員集中在客艙區域,且位于主豎區5內的人員普遍使用STAIR270處的樓梯撤離,人數較多.白天基本撤離場景中,主豎區2內的人員集合時間最長,用時最多的人員初始位于10甲板,該區域為餐廳,白天場景中人員分布較多,且餐廳內的桌椅布置較多,會影響人員的撤離速度.

表4 各主豎區的集合時間

基本撤離場景中集合時間最長的人員均位于上層甲板的人員密集處.分析原因如下,郵輪上層甲板多為娛樂觀光設施和客艙,在白天和夜晚場景均有大量人員分布,人員集中撤離會影響撤離效率,同時,上層甲板與集合甲板間的距離較遠,因此集合時間較長.

3.1.2 次級撤離場景

根據兩種基本撤離場景的模擬結果,夜晚基本撤離場景中產生最長個人集合時間的為主豎區5,該主豎區內使用容量最大的為4甲板STAIR270處的20、24號樓梯組,根據次級撤離場景的設置規則,在進行夜晚次級撤離模擬前,應將該樓梯組所在的整套樓梯均設置為不可使用,如圖7.

白天基本撤離場景中產生最長個人集合時間的為主豎區2,該主豎區內使用容量最大的為5甲板STAIR60處的37、38號樓梯組,同理,在進行模擬前,應將該樓梯組所在的整套樓梯均設置為不可使用,如圖6.夜晚次級撤離和白天次級撤離各甲板的人員疏散情況見表5.

表5 次級撤離場景的撤離情況

圖6 5甲板STAIR60處的樓梯組

同理,次級撤離場景中,夜晚場景和白天場景中各層甲板的撤離情況見表5,完成撤離的時間分別為2 387.50、1 818.67 s.根據人員撤離時間繪制次級基本撤離場景曲線,如圖7.

圖7 次級場景的撤離曲線

3.2 撤離時間的計算分析

按照收斂衡準的要求對每個場景應分別進行50次模擬,模擬數據見表6,其中,登乘時間E為發出棄船信號人員由集合站撤離至LSA的移動時間.

表6 4種場景的模擬數據

救生艇降放時間按SOLAS[13]最低下降速度考慮,S=0.4+0.02H=0.738 m/s(其中H=16.9 m).降放時間L為16.9/0.738=23 s.4種場景中E+L的最大值為1 368.67 s.

由式(3)可得Tlim的值為2 880 s,其中(E+L)要求取最大值30 min.由式分別判斷4種場景是否滿足收斂衡準,見表7.根據計算結果,4種場景均滿足衡準,根據撤離時間收斂衡準,符合性能標準的總移動時間值T為移動時間的最大值,因此根據表6移動時間T為1 246.81 s.

表7 收斂衡準判定

(3)

根據性能標準對總撤離時間進行校核,其中每個人員穿上救生衣的時間假設為10 s,因此人員的響應時間和總移動時間(R+T)為1 256.81 s.4種疏散場景中,登乘及下水時間(E+L)的最大值為1 368.67 s,滿足式(2)的要求,因此(E+L)可按式(1)取最大值30 min.根據式(1),得到疏散模擬的總撤離時間見式(4).疏散模擬的總撤離時間小于性能標準要求的80 min,因此滿足要求.

1.25(R+T)+2/3(E+L)=2 771′=46′11″<80′

(4)

3.3 擁擠區域分析

區域內局部人員密度在長時間段內超過4人/每平方米,則視為擁擠;擁擠區域的持續擁擠時間大于模擬的總集合時間的10%,則應認為是影響重大[5].maritimeEXODUS軟件可顯示人員密度超過4人/每平方米且擁擠持續時間超過總集合時間10%的區域,如圖8中的深色區域.綜合考慮4種模擬場景,顯著擁擠區域的形成主要有3種情況.

圖8 D3集合站處的顯著擁擠區域

(1) 軟件內人員在撤離過程中均選擇最近的路徑,若某一區域內人數較多,人員可能會出現集中選擇相同的路徑撤離,且撤離過程中不會改變路徑,因此容易在出口、樓梯或走廊位置發生擁擠.這種情況在人員集合完畢后撤離到LSA的過程中最容易發生.集合完畢后的大量人員均由集合站開始撤離,各個集合站附近均會出現因人員集中撤離而形成的擁擠情況.其中,D3集合站在四種撤離場景中均出現了不同程度的擁擠.該集合站位于3甲板,D3集合站內的人員在集合完成后普遍選擇圖8的樓梯組,且由于走廊比較狹窄,人員集中在樓梯附近的走廊處,造成嚴重的擁擠情況,如圖8.

(2) 軟件內集合站需關聯LSA來完成人員由集合站撤離至LSA的過程,而關聯順序會決定人員選擇LSA的優先級.若優先關聯的LSA在登乘過程中發生擁擠,便會影響到后續乘客的撤離,造成第二次擁擠,形成長時間的擁擠情況.因此在人員集合完畢后由集合站移動至LSA區域的過程中會形成顯著擁擠區域,如圖9.在圖中,集合站優先關聯LSA4,人員優先撤離至LSA4并在此處形成擁擠,LSA4處的擁擠對該處走廊以及撤離至LSA6的人員產生影響,造成第二次擁擠.

圖9 LSA處的顯著擁擠區域

(3) 登乘過程中由于人數較多,容易在LSA附近形成長時間的擁擠情況.因此人員在登乘救生艇時在LSA附近會形成顯著擁擠區域,如圖9.

3.4 優化方案分析

基于撤離過程中人員在集合站和LSA附近出現的擁擠情況比較嚴重,為了避免擁擠情況影響撤離時間或引發人員踩踏事故,對擁擠情況比較嚴重的區域提出優化方案.由于人員撤離進入LSA時需排隊等待,在LSA附近形成的擁擠區域不可避免.因此本節針對4種撤離場景中普遍出現擁擠的D3集合站,提出3種優化方案.

方案1:集合完畢后,引導D3集合站的人員撤離至LSA,避免出現大量人員集中使用同一樓梯的情況.

方案2:更改D3集合站附近的布置,在滿足其它設備、功能布置的條件下,增加樓梯處的走廊寬度,由0.5 m增加至1 m;移動該走廊處餐桌的位置,保證走廊的寬度達到1 m.

方案3:同時考慮方案1和方案2.

針對優化后的模型,分別對夜晚次級撤離場景進行模擬,優化前和優化后的擁擠區域如圖10～13.方案1、3的擁擠區域面積和擁擠時間均相應減小,方案2的擁擠區域面積雖然沒有減小,但是擁擠的時間大幅下降,如表8.

表8 優化后的模擬數據

圖10 優化前與方案1的擁擠區域對比

圖11 優化前與方案2的擁擠區域對比

圖12 優化前與方案3的擁擠區域對比

圖13為每分鐘內完成撤離的人數的模擬流量.優化后的撤離時間和擁擠時間均有了明顯的縮短,其中方案3的優化效果最好,與優化前相比,撤離時間和擁擠時間分別減少了14.5%和55.9%.方案1、2對總撤離時間的優化效果差別不大,與優化前相比分別減少了13.7%和12.6%,但方案1對擁擠時間的改善更為明顯,相比于優化前減少了52.5%;而方案3與方案1、2相比,優化效果的提升較小,考慮到總撤離時間滿足要求,不必更改郵輪的布置,因此,可采納方案1來改善擁擠情況,提高撤離效率.

圖13 優化后的模擬流量

4 結論

(1) 采用maritimeEXODUS軟件對郵輪全船進行數值建模,相對于簡化撤離,可以得到郵輪船上人員撤離時間和流量,直觀地顯示人員撤離細節和郵輪擁擠區域,為郵輪的高級撤離分析提供了另外一種技術路線,供郵輪設計人員參考.

(2) 根據數值仿真結果,郵輪疏散模擬的總撤離時間滿足規范要求,擁擠區域對總撤離時間的影響較小,因此不必對郵輪的布置進行更改.

(3) 人員容易在出口、樓梯、走廊和LSA處形成擁擠,尤其人員集合完畢后由集合站撤離至LSA的過程中,集合站人數較多,大量人員同時由集合站撤離,會出現集中選擇同一樓梯撤離的情況.在使用率較高的樓梯處,若走廊或出口的寬度較小,擁擠情況會更加嚴重.對人員進行有效引導的優化方案效果顯著,且不必更改郵輪的布置,可采納該方案來改善擁擠情況,提高疏散效率.

(4) 仿真軟件的模擬具有局限性,人員在撤離時選擇路徑后便不會改變,容易形成擁擠.人員由集合站撤離至LSA時需按照LSA與集合站的關聯順序,集中在優先關聯的LSA附近,容易形成擁擠且造成第二次擁擠,降低撤離效率.因此在撤離過程中需加強LSA附近人員的引導,避免人員因排隊進入救生艇形成的擁擠區域,影響撤離通道內正在撤離的人員而造成第二次擁擠.后續研究可進一步完善人員撤離模型.