基于 CAFE的客（滚）船人员疏散模型及仿真研究

韩天绪

摘 要：船舶人员疏散研究对突发事件发生时人员安全疏散性能具有重要意义。在分析现有人员疏散模型方法和理论基础上，基于 CAFE 建立客（滚）船人员疏散模型，并以实例进行仿真。结果表明：本文建立的模型能够更加迅速、安全地进行旅客疏散工作。

关键词：客滚船;人员疏散;CAFE模型

中图分类号：U692            文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）05-0057-02

1 概述

客（滚）船有一定的载货能力，同时载有大量的旅客，具有高效率、适应能力强、周转快等优点，符合国家交通规划和发展战略，但营运风险性也随之增加。因此，在突发事件发生时，合理有效的人员疏散是人员生命财产安全的根本保障。

目前，船舶人员疏散模型通常参考已有的疏散模型理论方法构建初始模型，再运用社会力或元胞自动机知识，根据船舶内部构造或外部环境特征对模型加以优化。吴坎坷[1]在Multi Grid模型基础上，运用概率原理，构建在正浮情况下客船楼梯通道处旅客疏散模型，预估疏散时间与疏散人员数量的联系;廖守衡[2]在社会力模型的基础上，分析了在客船倾斜情况下的旅客疏散，研究了客船倾斜角度和出口宽度对旅客疏散结果的作用;陈淼等[3]在Agent理论基础上，着重分析疏散流程内个体综合特征，构建客船疏散模型。通过综合考虑，本文在 CAFE 模型的基础上对元胞自动机模型进行优化，建立客（滚）船人员疏散模型。

2 客（滚）船人员疏散模型的构建

2.1客（滚）船人员疏散CAFE （cellautomata with forces essentials） 模型

CAFE 模型以元胞自动机理论为基础，将排斥力及摩擦力量化，将数据输入元胞自动机模型中，对人员疏散的受力状态进行研究，使其能夠反映出碰撞、闪避及接触程度等情况。在模型中，假设元胞选择静止不动状态的概率是 r ，选择运动的概率是：

p=（1-r）/m                                          （1）

式中：m 为参与竞争行为的行人数，r为排斥率，其在不同竞争情况下取值不同。

模型采用概率的方法量化摩擦力，为了量化摩擦力，引入摩擦概率 f ，其表示出现摩擦行为的行人均选择静止不动的概率，那么当前考虑的行人选择运动的概率则为：

p=（1-f）/m                                               （2）

式中：m为产生相互摩擦的行人数f 为摩擦概率，其中 f的取值不同，表示所受摩擦力情况不同。

2.2人员疏散的移动规则

客（滚）船人员疏散模型是在 CAFE 模型的基础上，拓展元胞的视野范围，模型采用Von Neumann 型邻域确定元胞可能的运动方向，提出可解决多级出口环境下的行人疏散，模型网络单元内运动规则在每个时间步需要处理如下两个问题。

2.2.1路线选择

在客（滚）船人员疏散仿真研究中，假设疏散环境在没有任何阻塞的状态下，在出口吸引力的作用下，最靠近出口的路径会优先考虑。进而，在仿真建模中，引入“地面场”的概念。

Pij=Nexp（kD Dij ）exp（kS Sij ）（1-nij ）                               （3）

N=∑Pij-1                                                                   （4）

式中：Pij 为人员向格点 （i，j）  运动的概率N 为标准化系数，使得∑Pij =1Sij 、 Dij 分别为此格点位置 “静力场”及“动力场”吸引力值。kD、kS 分别是“动力场”和“静力场”吸引力影响系数。-nij表示格点 （i，j）  在时刻 t 的状态。其中，nij  只有2个值0或1，nij=0 表示此格点  （i，j） 没有人，nij=1 表示此刻该格点已被障碍物占据，个体不能进入。

2.2.2视野拓展对路线选择的影响

客（滚）船人员疏散模型将舱室进行均等分割，分割成一个个网格，疏散模型的更新规则以元胞自动机理论为基础，采用 Von.Neumann 型邻域来确定元胞可选择的运动方向，也就是人员向上、下、左、右4个方向运动。

对于 Von.Neumann 型邻域，其定义为：

N（i，j） ={（k，l）∈L‖k-i├|+|l-j|≤r}                                  （5）

2.2.3人员移动过程中作用力的影响

在客（滚）船人员疏散模型构建过程中，还需要考虑排斥力和摩擦力的存在，分析其对人员运动方面的影响。通过以上的分析，本文将运用社会力模型理论，对其进行量化，再通过元胞自动机模型进行模拟。

人群密集时，排斥力的作用往往小于摩擦力，在进行摩擦力和排斥力的量化时，可考虑用概率的方法量化出来：

Pr=（1-e-βV）/（1+e-βV）                                        （6）

Pf=θPr                                                          （2-7）

式中：Pr  、Pf  分别为由于排斥力和摩擦力引起的行人停止运动的概率，V代表相对运动速度，β∈[0，∞]  为硬度系数，依赖于行人对物理冲突的承受极限。

2.3 划分人员疏散的网络单元

船舶在突发情况下进行人员疏散时，旅客会首先从各舱室内向外汇合，由走廊流向指定位置，一般情况下，此位置即旅客的疏散终点处为船舶内部的集合站，客（滚）船人员疏散模型运用网络流理论模拟疏散场所，利用网络单元将疏散场所内的建筑物表示出来，各网络单元内运用门或开门相连。最后此模型的疏散场所可表示为由独立网络单元相连而成的网络。

旅客从危险级别较高的节点汇入级别较低的节点，最后汇入疏散终点，完成疏散目标。依据上面提及的分析方法，如图1所示，

2.4 模型檢验

本文建立的模型针对旅客的视野范围进行优化，拓展旅客视野，从而解决多级出口环境下的行人疏散。对客（滚）船人员疏散模型和 CAFE 模型在 12m×12m 的单一疏散终点的场地内进行模拟对比，在场地配置方面，疏散出口的宽度为 0.8m，疏散时共计200个元胞进行疏散，将每个元胞看作为单一人员，其中疏散时所定的数据参数如表1所示。

如图2所示，通过记录连续出去的2名元胞的疏散时间差，以及此时间差出现的频率，发现了客（滚）船人员疏散模型与 CAFE  模型在连续出去元胞的疏散时间差幂律分布图中，二者在同一个级数上相互吻合。由于客（滚）船人员疏散模型与 CAFE 模型的连续人流的规模分布满足同级幂率分布关系，证明客（滚）船人员疏散模型也能较为准确的仿真出旅客的疏散运动。

3 人员疏散仿真试验及结果分析

本文疏散场地拟选取渤海翡珠号客（滚）船NO.7层甲板层，现以NO.7甲板层一主竖区内疏散为例进行演示。如图3所示。

仿真的外界环境为静水状态，船体未做横摇或者纵摇运动，对内部旅客的疏散运动没有产生任何影响，内部环境设定为未发送火灾等危险状况，当旅客完成疏散目标后，不会影响本层没有完成疏散目标的旅客。

在疏散过程的开始阶段，所有旅客均匀分布在71个舱室中，当仿真指令下达以后，每位旅客均已1m/s的速度向疏散终点开始疏散。根据查阅相关文献，在突发情况下行人运动的平均速度可以达到 1.5m/s，则一个时间步大约为0.27秒。本文取行人较密集状况下的平均行走速度 1m/s ，此刻一个时间步所代表的真实时间为0.5秒。 疏散过程如图4所示。

4 结论

旅客在疏散过程中的行为特征比较复杂，增加了仿真模拟的难度。本文运用元胞自动机理论并基于 CAFE 模型构建的客（滚）船人员疏散模型，经过与 CAFE 模型相比较在单个疏散终点场地内的行人疏散规律，验证了客（滚）船人员疏散模型，较为真实的模拟了疏散过程，助于找到最优疏散路线，以期更安全、更迅速地进行客（滚）船人员疏散。

参考文献：

[1]吴坎坷.客船楼梯处人员疏散模型研究[D].大连：大连海事大学，2011.

[2]廖守衡.客船倾斜状态下人员疏散模型研究[D].大连：大连海事大学，2010.

[3]陈淼，韩端锋，于洋等.基于Agent的舰船人员疏散模型研究[J].计算机工程与科学，2013，35（4）：163-166.