受损客轮中人员紧急疏散研究进展

[上海交通大学 上海 200240]

受损客轮中人员紧急疏散研究进展

□卢春霞 梁 玮[上海交通大学 上海 200240]

借鉴陆上紧急疏散研究成果，探讨客轮中突发事故时人员紧急疏散研究成果及进展。基于现有的有限的研究成果，IMO针对不同船型发布了不同疏散指南，给出总疏散时间组成部分和计算方法，对其安全性给予评价。最后本论文展望了受损客轮人员紧急疏散的未来研究方向，即动态网格化方法、疏散标识优化、模型完善和人员行为特性关系探究，希望改进IMO疏散指南及船员的相关培训。

受损客轮；紧急疏散；IMO疏散指南

引 言

近年来，全球游轮市场规模达百亿美元以上，每年增幅超过10%。上海市也明确提出振兴游轮经济的口号，据预测，未来3至5年，上海国际游轮市场的潜在客流量每年可达50多万。

随着游轮经济的发展和客轮的大型化，大量人群聚集在大型船舶的现象将越来越常见。而重大海难事故的频频发生，给许多的个人、家庭、组织、国家带来重大损失。特别是渡轮、游轮等以载客为主要功能的船舶一旦发生事故，就极有可能造成大量的人员伤亡，即使是在船舶性能良好、救生设备完善的情况下也不例外。如2012年1月13日晚发生在意大利附近海域的大型游轮“科斯塔·康科迪亚”触礁搁浅事故，造成船体渗水并倾覆，至少11人死亡，20多人失踪，事故震惊全球。

若措施得当规范，客轮事故后的紧急疏散能挽救大量的生命财产。因此，作为联合国负责航运安全和防止船舶污染海洋的的专门机构，国际海事组织(International Marine Organization，简称IMO)已经发布过一系列标准或指南，对海上生命安全做了详细规范，对客船事故中人群疏散的计算方法也进行了标准化。这些准则规范了人员疏散的建模条件和分析方法，但有待进一步实际验证和完善。

对船舶紧急疏散进行研究，集中于船舶疏散效率、乘客行为特点和解决疏散实证中存在的问题等方面，不仅能对乘客的疏散行为进行预测，为船员提供疏散培训资料，而且可以应用于实际的船舶疏散指挥，完善IMO规则。

一、国内外相关研究综述

航海事故与陆上建筑物内事故有一定的相似性，可以借鉴以往对于普通建筑物中突发事件人群疏散的研究成果，因此以下研究综述就陆上、船上的研究进展和成果分别讨论。

（一）陆上建筑中人群疏散研究

普通建筑物中人群疏散的相关研究通常分为宏观和微观两大类。微观研究是把每个个体作为建模和仿真对象，宏观研究是把整体人群作为建模和仿真对象，忽略个体间的差异。

宏观研究方面：Fruin曾提出宏观仿真模型，主要关注诸如通道长宽、走向等空间分配问题，在宏观模型中人群被合计为整体，用“流”、“平均密度”、“平均速度”、“平均面积”等宏观属性来标识，建立人群速度与人群密度的函数关系[1,2]。Henderson[3]、Helbing[4]、Hughes[5]等人采用流体力学研究成果，将人群抽象为连续介质，用流体中的物质守恒定律来计算人群的密度与速度、流量的关系；这种方法的优点在于简化了计算，但问题在于忽略了个体间的关联和交互。卢春霞根据激波理论来研究密集人群的一些基本特性，认为人群发生拥挤事故的点产生激波，引起群体性的骚动或混乱，激波范围扩大，事故加剧[6]。这一理论弥补了传统宏观研究忽略个体间交互的缺陷。

微观研究方面：微观研究注重高密度人群中每个个体的行为及其交互，通过场景重现的方法揭示人群流动特点。主要的微观模型有：1）元胞自动机模型(Cellular Automation，简称CA)，在简单的行为规则指导下迅速大规模模拟人群移动网络，建立微观行为变化和宏观人群交通流特征间的关系，运用统计方法对人群流动基本参数进行赋值，研究如人群速度、流量、密度等参数间的关系[7～10]。2）格子气(grid-gas)模型，视行人为移动于格子上的粒子，同样应用概率统计的方法研究步行系统[11～14]。3）磁力场模型(Magnetic Force Model)，将整个系统视为一个磁场，假设每个个体和障碍物为正极，行人的目的地为负极，每个个体身上都作用有两个力，一个来自于为避免与其他个体或障碍物碰撞而产生的加速度，另一个取决于磁场密度大小及行人间的距离，这两个力的综合作用决定了每个个体实时的速度矢量[15，16]。4）Helbing的社会力模型将行人视为相互作用的粒子，并认识到行人是具备思考能力和能对周围做出反应的个体[17]。这一研究成果对如何设计出口数量、通道宽度、群聚集区域等具体问题都有启发意义。此外，卢春霞对社会力模型作出了若干改进，指出了在极高密度下，挤压力对人群的影响[18]。

元胞自动机模型和社会力模型目前被广泛应用于人群疏散或行人交通的仿真软件中，如STEPS软件[19]（基于元胞自动机模型）、NOMAD软件[20]（基于社会力模型）和VISSIM软件[21]（基于社会力模型）。

国内对密集人群疏散的研究大多是从建筑安全的角度出发，着重研究在建筑物内发生紧急事故如火灾时人员的疏散问题，代表性的研究成果有：沈阳建筑工程学院建立的人员疏散行为数学模型即仿真[22]；武汉大学采用动力学分析来推导建筑物紧急疏散时速度与密度的关系，并对疏散时间进行数值模拟[23]；中国国家安全生产科学研究院对国内许多地铁里的人群疏散做了大量仿真，以引导乘客的快速进出[24，25]；中国科学技术大学的火灾科学国家重点实验室是国内研究紧急疏散的重要力量，在实证和仿真方面对目前主流的模型做了大量深入研究，如采用Helbing的社会力模型模拟了出口宽度、厚度和人员期望速度对疏散的影响[26]，采用元胞自动机模型分析出口及内部布局对疏散的影响[27]；北京化工大学安全管理研究所近年来在该领域也做了大量研究，如采用元胞自动机模型分析疏散过程中的冲突[28]。

（二）船舶上人群疏散研究

发生在客轮上的事故与发生在普通建筑物或陆上交通工具中的事故相比具有以下特殊性：大多数乘客对客轮结构及布置缺乏了解，对一般建筑物结构比较熟悉；在船上难以对乘客进行全面疏散演练，而一般建筑物可以经常进行安全疏散演习；船体一般有晃动和倾侧，严重影响行人逃生速度和方向，引起心理恐慌；船上的人群疏散需要其他救生设备来辅助离开水上环境，而不仅仅是逃出事故船体即可，而陆上建筑或交通工具只需逃离至事故建筑外部即可；在船上，人们对于事故的感知时间在白天和在夜晚有很大差别，例如IMO指出晚上的感知时间是白天的两倍，但这一差异在陆地的建筑物上并不显著；此外，船舶从发生事故开始到爆炸或沉没，有相当长的时间间隔，如SOLAS准则认为对于三层以上的客轮，允许的总疏散时间为80分钟，而陆上建筑的疏散没有这个特点，一般都很快倒塌，如地震，只有几十秒。因此，一旦船舶事故发生时，疏散措施得当，可以挽救绝大部分人的生命。基于客轮疏散的特殊性，目前对于航海事故的人群疏散研究远不及普通建筑物的人群疏散研究成熟，特别是国内对此类问题的研究成果相对较少。主要原因有：1）这类研究首先需要研究者对船舶有深刻的了解，包括船舶的力学结构、动力性能、安全航行等，而目前研究人群疏散的国内外学者和专家主要来自于交通、建筑、消防等领域，鲜有船舶或航海背景的，对相关国际规则也不熟悉；2）无论研究哪种人群疏散问题，首先需要的最基础数据有：针对该研究的人群的速度-密度关系、对事故的反应时间、心理影响等。由于客观条件限制，有关船舶的此类数据一直非常缺乏。

对于航海事故中人群紧急疏散，通常涉及建模、仿真以及实验等研究方法。目前，韩国和欧洲一些科研院所对于船舶人群疏散的建模及仿真研究成果较为突出。韩国船舶和海洋工程研究所(KRISO)对于航海事故中的人群疏散进行建模仿真，将人的心理因素加入事故生存能力评估模块。这类人群疏散模型将影响疏散的因素分为四类，即几何(Geometrical)、人数(population)、环境(Environmental)、程序(Procedural)[29]。Dongkon Lee、Hongtae Kim等人分析了海洋、船舶的特殊环境对乘客行为的影响，并将结果量化后添加到传统的人群疏散模型中，使之适用于航海事故[30]。随后这几位学者又应用IMEX模型，分别对个体和事故进行建模，并用一个智能体(Intelligent Agent)将两个模型集成，使之成为具有人工智能性质的综合模型[31]。格林威治大学的消防安全工程组创建了EXODUS疏散模型[32]，用于对火灾的人群疏散进行仿真，近年来该模型被扩展到航海领域，与人类行为学模型进行结合，对航海事故进行专门的模拟。挪威学者Erik Vanem等人对一艘客轮的不同的疏散场景进行仿真，以评估不同情况下的风险系数[32]。与Helbing的模型类似，上述模型均未考虑船员与乘客对船体结构的熟悉度不同而导致的行为差异以及人与人之间的情感关系及其对行为的影响等因素。

除建模、仿真方法之外，实验对于研究船舶疏散也有重要作用：其一，船舶疏散的真实数据可以作为重要依据，为进一步分析乘客的疏散特点、逃生率、疏散效率等提供真实的数据支持，提高仿真模型的真实度；其二，用实验法研究船舶疏散也可以作为独立的方法，用以评价客船的逃生路线的效率，基于真实情景寻找疏散瓶颈和人员行为特点，对新造船和现有客船的结构、管理等影响疏散的因素提出建议；其三，仿真方法存在一定的局限性，即便是考虑了诸多宏观、微观因素对人群行为的影响，其结果与真实值之间仍有一定差异，并且对于现实中一些不可知因素(如人的心理、情感、视觉假象等)无法预测。因此，利用实验法研究客轮疏散能弥补仿真的不足，具有一定现实意义。

在基于实验的客轮疏散研究方面，日本国际海事研究机构Katuhara等人对一艘抛锚船只设定了疏散路径，并测量出了在不同性质的通道的不同行人速度和对应的人群密度[33，34]。Koichi Yoshida等人设计了一套较为科学的模拟疏散的实验方法，即选择一种特定船型，在其疏散关键节点处多次进行不同倾斜角度、不同事故现场的模拟疏散，用大量的数据进行疏散变量与疏散速率之间的函数拟合，并比较各环境变量对整体疏散效果的影响，为提高船舶疏散效率提供有效数据支持[35]。上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院的卢春霞等已经在这方面做了尝试，针对具体客轮，实际观察结合仿真，研究了正常情况下客轮疏散规律[36，37]。

二、IMO MSC船舶疏散指南

根据各成员国提交的疏散研究成果，IMO 先后发布了针对不同船型的疏散分析标准。在正式的疏散分析指南颁布、实施前，通常先通过相应的临时指南。IMO发布的MSC/Circ系列指南如表1所示。

尽管不同的标准针对的船型不同，但SOLAS公约将船舶的紧急疏散时间统一设定为由感知事故时间A(Awareness time)、运动到疏散地点所需时间T(Travel Time)、搭乘救生船并入水所需时间E+L(Embarkation and Launching Time)三个部分组成，如图1所示，并使用如下公式作为对疏散各个阶段的时间控制标准：

其中n表示允许最长总疏散时间。

表1 IMO MSC/Circ系列指南

人员对事故的感知时间A因船型、海域环境、光线、通讯设备等条件不同而不同，但近似服从正态分布。IMO MSC.1/Circ.1238为了简化问题、明确要求，对成员国提供的历史数据进行整理后，对A、E+L进行明确规定：

即，A在白天约为5分钟，在夜晚，由于人员多处于休息状态，光线条件也没有白天好，因而时间加倍，约为10分钟。

图1 总疏散时间计算方法

MSC/Circ.1033将人群汇合时间独立计入疏散时间中，即

T与E+L有部分重合——在一些乘客尚未到达疏散地点时，已有部分乘客开始搭乘救生船入水了。

一般在事故发生1.25(A+T)后，乘客下水的过程已完成1/3，E+L满足：

船舶从发生事故的时刻开始，便发生着一系列变化——如碰撞、搁浅等事故导致船只的破损，同时伴随着沉没风险，如事故是火灾，还伴随火灾带来的焚烧、灼热、爆炸等各种危险，因此在船舶允许最长总疏散时间结束前，乘客的实际疏散过程应当完成，这样才能确保疏散安全，尽可能减少船舶事故带来的损失。允许疏散时间同样基于消防小组的火灾分析。一般对于多于三层的客轮，允许总疏散时间：n≈80(min)

公约对各变量的测量和记录方法做了规定，并对不同情况分别统计得出通道宽度、乘客密度、乘客年龄性别等各变量之间的关系；规定了疏散过程的阶段划分、疏散时间的计算方法，并通过统计得出各阶段的安全时间范围。

然而，该计算方法各变量值均由IMO根据成员国提交的数据估测得出，而事实上不同人种、船型、水域条件的数据差异较大。因此，IMO仍然需要大量的受损客轮中人员紧急疏散的研究成果和实验数据，来验证并修订相关规则。

三、展望

结合国内外对客轮紧急疏散的研究进展来看，未来的研究趋势将向如下几方面发展：

1.原有疏散模型进一步完善。对船上人员的宏观建模及仿真常基于元胞自动机模型，未来可在原IMO分类的基础上，将被疏散人员进一步区分为船员和乘客。因为大部分乘客都是第一次乘坐游轮、不熟悉船舶结构、甚至不会游泳，而船员则相反，不仅熟悉船舶，职业道德也促使其在发生事故时可以担当疏散信息链中的“活体疏散标识”，所以，在紧急疏散时，这是两类完全不同的人群，未来应对其分别建模，完善原有模型。

2.被疏散人员行为特性关系。与陆上紧急疏散最大的不同之处在于，船上人们的行走严重受制于船舶的倾斜或摇晃。IMO考虑了这一影响因素，但只是将行走速度乘以同一个影响因子，而没有考虑不同的倾斜度或摇晃度。因此，必须对速度——倾斜度关系进行详实的实验研究，采集船舶上人群疏散或移动的基础数据并进行统计分析，完善SOLAS数据库和IMO相关内容，为船舶设计及疏散提供一定的指导。

虽然船舶事故很难避免，但若乘客具备必要的自救常识，船员对疏散的指挥、引导得当，就能最大限度地降低事故损失，挽救生命财产。因此，研究客轮疏散规律、效率及乘客的行为特点，发现并改善疏散中存在的问题，为特定类型的船舶选择优化的疏散解决方案，对于提高海难生还率起着重要作用，也是客轮疏散研究的主要方向。

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Research Progress in Emergency Evacuation for Damaged Passenger Ships

LU Chun-xia LIANG Wei
(Shanghai Jiao Tong University Shanghai 200240 China)

Based on the research results of on-land evacuation, this paper discusses the research results and progress of emergency evacuation in passenger ships.Based on existing limited research results, IMO approves different evacuation guidelines regarding different ship types, including the composition and calculative methods of evacuation time and safety evaluation.Finally, the paper looks into the future of the research of emergency evacuation for damaged passenger ships-dynamic grid technique, optimization of evacuation signs, improvement of models and relationship of human behavior, hoping to improve IMO guidelines and related crew training.

damaged passenger ships; evacuation; IMO evacuation guidelines

F294

A

1008-8105(2012)03-0039-05

2011−06−30

国家自然基金项目（90924005）.

卢春霞（1968−）女，博士，上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院副教授；梁玮（1987−）男，上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院硕士研究生.

编辑 何 婧