大型水面舰船工作空间通道通行能力仿真分析

王红瑀，廖 镇，周拓阳，邓 野，杨 超

(中国船舶工业综合技术经济研究院，北京 100081)

0 引 言

随着我国现代造船技术的发展，水面舰船大型化设计趋势愈加明显，舰载直升机、两栖步战车、气垫登陆艇以及先进武器的舰上使用，引起舰船内部工作人员数量的剧增，维护相关装备、系统正常运行的人员流动愈加复杂，其人员流动效率已成为舰船作战效能发挥的重要影响因素之一。大型水面舰船工作空间通道通行能力是指其通行设施所能疏导内部人员交通流动的能力，可作为通道负荷性能的一种量度，是舰船布局设计优劣与人员流动效率的体现，对舰船的作战能力、保障能力有着重要的影响。目前，常用的通行能力研究方法有理论分析法、实地测量法和计算机仿真法[1]。

理论分析法是以跟驰理论（Car Following，CF）为基础推导通行能力，它的核心是如何确定间距信息；实地测量法是进行实际通行能力的测量，根据测量数据建立流量-速度模型对通行能力进行估计；计算机仿真法是指通过计算机仿真技术，构建人员流动仿真模型，设计仿真实验，测算通行能力。针对大型水面舰船工作空间通道通行能力影响因素众多、缺乏大量实测数据的现状，利用计算机仿真法进行通行能力的研究更具优势。

1 舰船通道通行能力的涵义

1.1 通道通行能力影响因素

舰船工作空间通道是由不同类型的人员通行设施衔接而成的，属于舰船内部空间资源，充当联系舰船内部各功能区间之间、舰船内部与其外部空间之间的纽带作用。人员通行设施是指用于供人员行走的设施，其具体布设位置、衔接方式与规模参数等级会对人员流动产生直接影响，表现在不同人员通行设施组合提供的人员集散能力和效果不尽相同；其次人员在工作空间通道的流动特性影响通道的通行能力，不同属性的人员组合情况通过相同的通行设施所表现的流动特性也不一样。因此，影响舰船工作空间通道通行能力的因素主要包括通行人员组成条件与通道物理空间条件。

1）通行人员组成条件影响因素

人员在工作空间通道的流动特性影响通道的通行能力，影响人员流动特性的通行人员组成条件因素包括人员性别与人员年龄、人员体型尺寸、人员数量等。

2）通道物理空间条件影响因素

通道物理空间条件影响因素包括通道类型、通道设计尺寸。

通道类型主要包括横向通道与纵向通道两大类，横向通道是同一甲板层上人员通往目标地点的活动区域，具体形式有出入口、走廊通道等；纵向通道是连接不同甲板层高度的工作空间，解决人员通行过程中的高度差问题，其具体形式较横向通道多样，主要有楼梯、垂直悬梯与纵坡通道等。

通道设计尺寸指的是通道的几何空间尺寸数据，针对横向通道，与通行能力相关的设计因素有通道宽度、长度、高度；针对纵向通道，与通行能力相关的设计因素有通道宽度、长度、高度、倾斜角度、台阶数量、台阶高度、台阶深度等。

1.2 通道通行能力分析指标

工作空间通道通行能力分析的相关指标主要有通行时间与通行密度。通行时间：人员执行任务时通行时间（到达时间）是一项重要衡准，不仅需要考虑所流动的距离，还需要考虑影响其到达时间的所经过通行设施的设置，为避免个体执行任务影响整体水平的衡量，以平均通行时间与全部通行时间进行表征，平均通行时间Tave（s）是人员执行任务流动过程所使用的平均时间。

全部通行时间Tall（s）是所有人员执行任务流动过程中所使用的时间，Tall=max{Ti}i=1,···,Nc，其中Nc表示所需通行的人员数量。

通行密度：密度是指通行区域内某一单位面积的平均人员通过量，一般用区域人数与区域面积的比值来表示，由于人员流动密度是随着测试时间的长度而变化，以累计平均密度与累计最大密度进行表征。累计平均通行密度pave是人员执行任务流动过程中所经过区域内的平均密度；累计最大通行密度pmax是人员执行任务流动过程中所经过区域内的最大密度。

2 舰船通道人员流动特性分析

2.1 人员组成条件

1）性别和年龄

性别和年龄是人员所具备的直观的个体特征，直接影响人员个体的移动速度。由于海军生活条件艰苦且经常需要长期出海执行训练任务等原因，海军中男性占绝大多数，且年龄均分布在18～60岁之间[2]，本文考虑男性占比100%。

2）体型尺寸

人员流动过程中，体型尺寸是一个重要的考虑因素，其直接影响到区域内的人员密度。流动过程中人员碰撞的发生多在左右肩、前胸、后背4处部位，是人员身体在前后和左右2个垂直方向上尺寸最大的部位，因此，可以用肩宽和腹厚来描述人员的体型尺寸大小[2]。军事装备和设施的人机工程设计手册GJB/Z 131-2002中对舰（艇）人员人体尺寸数据进行了详细的统计，其具体腹厚和肩宽数据如表1所示[3]。

表1 舰（艇）人员人体测量数据（mm）Tab. 1 Warship personnel anthropometric data（mm）

2.2 人员组成条件速度分布

综合人员流动特性影响因素可知不同性别、年龄的人员速度不同[4]，国际海事组织（IMO）海上安全委员会（MSC）给出了人员速度与年龄、性别的关系[5]，如图1与表2所示。

表2 人员速度与年龄、性别的关系Tab. 2 The relationship between personnel speed and age and gender

图1 人员速度与年龄、性别的关系Fig. 1 The relationship between personnel speed and age and gender

由中华人民共和国人口普查统计结果[6]可获知18～60岁之间不同年龄段对应的男性人员数量比例数据，如图2所示。结合表2给出的不同年龄段男性速度，求解人员组成条件速度分布参数，如图3所示。

图2 不同年龄段男性人员数量比例Fig. 2 Proportion of male in different age groups

图3 人员组成速度分布比例Fig. 3 Personnel composition speed distribution ratio

3 舰船通道人员流动仿真模型构建

3.1 人员流动仿真技术

人员流动仿真技术是通过人员流动仿真模型来模拟现实系统，可对人员流动设施规划、管理方案的实施效果进行分析，从而根据仿真结果的分析提出相应的改善建议。人员流动仿真技术是近年来仿真领域研究的热点之一，与机动车流动仿真研究相比，人员流动仿真研究起步较晚，主要是因为人员流动仿真比机动车流动仿真更加复杂，体现在以下几个方面：人员流动不像机动车流动那样受速度、车道及通行规则的限制；人员流动具有随机性，变速及转向比机动车更加灵活；人员之间的相互关系更为复杂。

目前，根据人员流动仿真模型对人员行为描述细节程度的不同，人员流动仿真模型可以分为宏观模型、中观模型和微观模型[7]。宏观模型在仿真过程中把人员视作为可以连续流动的介质来进行仿真；微观模型则是将人员视作能够相互影响、相互作用的粒子；而中观模型则是融合了宏观模型和微观模型的特点。

通过文献研究，了解到基于不同的仿真模型，专门用于模拟人员流动的仿真软件已有20多种[4]，其中具有代表性的有PAXPORT，NOMAD，Building EXODUS，Steps，Simwalks，Anylogic，VISSIM，Legion等。这些软件分别用于正常条件下或紧急条件下的人员流动仿真等方面，并在二维或三维显示上各有特色，在人员流动组织与规划、通行设施设计与通行能力评估等领域得到了广泛的使用。Legion是英国Legion Limited公司开发的人员流动仿真软件，是世界范围内应用最广泛、功能最强大、模拟过程最精确的仿真系统之一，以人员个体流动为基本模拟机制，从定量分析的角度计算环境中人员之间以及人员与障碍物之间的相互作用。

作为一种基于微观人员流动仿真模型的技术，Legion是建立在人员个体行为与特征的基础之上，通过对人员实际行为特征的调查与研究建立的仿真模型，并在平台中加以运用。Legion仿真平台的主要特点有：1）基于个体行为的仿真模型，人员流动过程中具有思考和对周围环境作出反应的能力，用力学模型模拟人员行走过程中的拥挤动力学，在行为发生前考虑周围环境（如通行设施和障碍物等）与人员之间、人员个体同其他个体之间的相互作用和影响；2）空间平面采用矢量连续空间解析，而非网格解析，能够更精确地模拟人员流动行为，如复杂方向的交叉追赶、避障等；3）采用最小努力原则，仿真模型中的实体在选择下一步行动时，试图在最大程度上降低自身的不满意度，其不满意度是由行动受挫等一些可能降低速度的生理、心理方面的因素所造成的。

3.2 仿真条件的设定

采用Legion仿真平台作为舰船通道人员流动分析的工具，主要以横向直行走廊通道为例进行工作空间通道通行能力仿真分析方法的说明。平、纵断面的长度与宽度是直行走廊通道的主要设计内容参数，即通道的长度、宽度与高度。通道高度只需满足人员能够通行的需求，大于通行人员身高，并不影响人员有效流动空间，对人员通行状况不产生直接影响；通道长度视舱室布置状况设置，通道宽度则直接影响人员通行状况，通道宽度较窄人员相互之间的干扰较大，通道较宽可减少人员摩擦提高通行量，但浪费船体设计的有限空间。因此，将直行走廊通道宽度作为本分析的考察因素，研究其与人员通行状况的关系。

目前，通道设施的设计内容参数一般依据人员人体尺寸进行，军事装备和设施的人机工程设计手册GJB/Z 131-2002给出了舰（艇）人员人体尺寸数据[3]，最大肩宽469.4 mm，最大腹厚221.4 mm，考虑人员着衣修正量，站姿人员工作空间宽度最小值取为510 mm。除此之外，考虑人员通行负荷携带情况与现役水面舰船具体设计情况，舰船通用规范GJB 4000-20000组舰船总体与管理中规定主通道的净高度不得小于1 900 mm，宽度不宜小于1 000 mm（1 000 t以上的舰艇宜大于1 200 mm）[8]；单行路线通道宽度应不小于700 mm，双行路线通道宽度不宜小于1 000 mm，即走廊通道宽度最小取为700 mm。通过实际调研，舰船内部直行走廊通道宽度的常用取值有：800 mm，900 mm，1 000 mm，1 100 mm，1 200 mm，1 400 mm，1 500 mm，1 800 mm，2 000 mm，2 100 mm，2 200 mm，2 400 mm，3 200 mm，3 500 mm，因此，仿真测试方案设置的直行走廊通道长度为20 000 mm，宽度D取值依次为：700 mm，800 mm，900 mm，1 000 mm，1 100 mm，1 200 mm，1 400 mm，1 500 mm，1 800 mm，2 000 mm，2 100 mm，2 200 mm，2 400 mm，3 200 mm，3 500 mm。

3.3 仿真结果的分析

分析通行人员拥挤效应显著的情况，依据IMO给出的3.5人/m2拥挤情况判别条件确定仿真测试方案中的人员数量。为减少偶然误差，在相同仿真测试条件下选择进行多次独立重复实验，输出每一横向走廊通道宽度条件下运行的10次仿真结果，得到不同指标的均值（x）和标准差（SD），如表3所示。

表3 通行时间仿真结果数据Tab. 3 Travel time simulation result data

检验通道宽度取值变化对4个分析指标是否有显著影响，进行单因素方差分析，分析结果如表4所示。对于平均通行时间Tave，方差分析结果F（1 4，135）=30.186，P=0.000；全部通行时间Tall，方差分析结果F（14，135）=175.531，P=0.000；累计平均密度pave，方差分析结果F（14，135）=80.253，P=0.000；累计最大密度pmax，方差分析结果F（14，135）=4.856，P=0.000，显著性均小于0.05，说明通道宽度对4个分析指标均有显著性影响。

表4 通道宽度与分析指标数据方差分析结果Tab. 4 The variance analysis results between channel width and analysis of indicators data

为进一步量化通道宽度取值与4个分析指标之间的关系，采用回归分析方法进行定量分析。首先计算通道宽度取值与分析指标之间的Pearson相关系数，如表5 所示。相关性检验结果分别为r(Tave) = -0.776，r(Tall) = -0.811，r(pave) = -0.930，r(pmax) = -0.468，说明通道宽度与平均通行时间Tave、 累计最大密度pmax具有中度负相关性，与全部通行时间Tall、累计平均密度pave具有高度负相关性。

表5 通道宽度与分析指标数据相关性检验结果Tab. 5 The correlation test results between channel width and analysis of indicators data

应用曲线估计分析通道宽度与分析指标之间的关系，结合散点图和拟合曲线可知：三次曲线能够较好地拟合通道宽度与平均通行时间Tave、全部通行时间Tall、累计平均密度pave、 累计最大密度pmax之间的关系。图4表示通道宽度与平均通行时间Tave、全部通行时间Tall的曲线，图5表示通道宽度与累计平均密度pave、 累计最大密度pmax的曲线。通道宽度与4个分析指标的回归模型参数估计值如表6所示。

表6 通道宽度与分析指标数据回归分析结果Tab. 6 The regression analysis results between channel width and analysis of indicators data

图4 通道宽度与通行时间关系曲线Fig. 4 The correlation curve of channel width and travel time

图5 通道宽度与通行密度关系曲线Fig. 5 The correlation curve between channel width and traffic density

回归分析结果表明平均通行时间Tave与通道宽度之间的三次函数关系显著（R2=0.933），依据三次曲线参数估计结果得到平均通行时间Tave与通道宽度之间的关系式为：

全部通行时间Tall与通道宽度之间的三次函数拟合结果（R2=0.974），关系式为：

累计平均密度pave与通道宽度之间的三次函数拟合结果（R2=0.980），关系式为：

累计最大密度pmax与通道宽度之间的二次函数拟合结果（R2=0.419）关系式为：

4 结 语

传统的通行能力研究多是基于理论分析与实际测量的方法，分析结果不能有效地反馈至工作空间通道的设置方案上，人员流动仿真技术的发展为工作空间通道通行能力的测试提供了可视化的工具。本文采用人员流动仿真技术，基于舰船通道人员流动特性分析结果构建舰船通道人员流动仿真模型，以横向直行走廊通道为例模拟分析通行设施设置参数变化时内部人员的流动情况，分析结果表明通道宽度与平均通行时间Tave、 全部通行时间Tall、累计平均密度pave之间的关系呈等3次函数关系；与累计最大密度pmax之间的关系呈二次函数关系，相比于平均通行时间Tave、全部通行时间Tall、累计平均密度pave三个分析指标，累计最大密度pmax的函数拟合效果较弱（R2=0.419），主要原因是累计最大密度为人员流动过程中所达到的最大密度，受人员流动过程中的干扰因素较多，时变性较强，其数值基本维持在承载人员密度3.5人/m2左右。