航站楼恐怖袭击情景下疏散过程仿真研究

程 明副研究员 韩晓莲

(中国民航大学 安全科学与工程学院，天津 300300)

0 引言

机场恐怖袭击事件是近年民航业关注的重要问题。在我国爆炸、枪杀类袭击事件发生的可能性低，但恐怖分子选择刀斧等利刃作为施暴工具的可能性大[1]。3.1 昆明火车站暴恐袭击事件中，恐怖分子手持长刀肆意砍杀无辜群众，造成31 人死亡、141 人受伤[2]。在人群密集区域，发生刀斧砍杀类暴恐事件，极易造成短时间内人员大量伤亡，快速疏散人群可有效减少人员伤亡，所以有必要研究航站楼内刀斧砍杀类恐怖袭击发生时的旅客应急疏散。

在人员疏散模型中，社会力模型基于人员自身的驱动力建模，可以体现人员移动过程中的目的性和自驱性[3]，适用于开发人员疏散行为模型。Liu[4]基于社会力模型，考虑恐怖分子的攻击行为与行人疏散和避让行为之间的关系，建立恐怖袭击情景下的人员疏散模型；马占军等[5]考虑恐怖分子、行人、保安三者之间的交互作用，建立刀斧砍杀情景下人员疏散模型；吴敏等[6]构建爆炸情景下某机场航站楼的行人疏散模型，评估机场航站楼不同区域的风险等级；李天贝等[7]在社会力模型的基础上引入恐慌因子和各向异性因子，建立地震场景下的人员疏散模型；李辉鹏等[8]通过引入紧张程度改进社会力模型，建立考虑恐慌影响的高校食堂疏散模型。目前已建立的人为攻击情景下的人员疏散模型，未考虑恐怖分子在移动过程中对周围行人的影响，缺乏对恐怖分子出现位置、砍杀工具类型等影响因素的研究。目前已有的航站楼应急疏散研究，大多是基于单一行人智能体的人员疏散模型，缺乏人为攻击情景下多类型智能体交互的应急疏散研究。

因此，本文以某大型机场航站楼为例，基于社会力模型建立刀斧砍杀情景下航站楼人员疏散模型，引入最高聚集人数，研究人员数量及恐怖分子位置、数量、砍杀工具类型对人员疏散的影响，以期得到不同影响因素的作用机理及影响程度，为机场预防及应对刀斧砍杀恐怖袭击情景提供技术方案和数据依据。

1 模型构建

1.1 构建物理环境

以某大型机场航站楼四层值机大厅的国内值机局部区域X(面积约为8 600m2，约占四层值机大厅的1/5)为研究对象，设置比例尺“1m=2.03像素”，利用行人库模块中的墙、区域、服务等组件描绘值机大厅的墙、休息区域、值机区域、进出通道等物理环境，绘制完成后的2D物理环境仿真界面，如图1。

图1 2D物理环境仿真界面Fig.1 2D physical environment simulation interface

1.2 社会力模型

本文基于社会力模型构建刀斧砍杀情景下的人员疏散模型，将行人考虑成受力因子，社会力模型体现行人自驱力、行人之间的相互作用力和行人与障碍物之间的相互作用力[9]，如式(1)所示。

(1)

式中：

mi—行人i的质量，kg；

为行人指定期望运动方向和期望速度后，行人按照最短路线移动，但行人在运动过程中会主动避让行人和障碍物，符合现实情况。

(2)

式中：

τi—适应时间，s。

1.3 智能体类设计

1.3.1 行人参数及行为逻辑设计

(1)行人参数。行人分为成年男性、成年女性、老年男性、老年女性、儿童5类，参照国际通用标准，将这5类人员比例分别设置为40%、40%、4%、6%、10%，并分别设置其舒适速度和肩宽等参数[10]。

(2)行人行为逻辑。行人正常行为逻辑(如图2)，行人从航站楼出发厅门口进入，部分行人会先选择问询、等待再值机；部分行人会直接选择值机，值机分为人工值机和自助值机2部分，值机完成后，旅客到安检通道进行安检。

图2 行人正常行为逻辑Fig.2 The normal behavior logic of pedestrians

恐怖分子出现后行人行为逻辑(如图3)，首先判断行人是否存活，若死亡则停留在原地，否则保持正常活动；恐怖分子出现3min内，判断行人3m范围内是否存在恐怖分子，如存在则立即逃跑，否则保持正常活动；3min后，所有存活的行人开始疏散。

(3)恐怖分子j出现3min内，时刻判断行人i与恐怖分子j之间的距离：

(3)

式中：

pj(t)—t时刻恐怖分子j所在位置；

qi(t)—t时刻行人i所在位置。

如果dij(t)≤3m，行人i停止正在进行的活动，向最近出口逃跑。

图3 恐怖分子出现后行人行为逻辑Fig.3 The behavior logic of pedestrians after terrorists appear

1.3.2 恐怖分子行为逻辑设计

当行人均匀分布在值机大厅内时，恐怖分子在航站楼内指定地点出现。

(1)t时刻恐怖分子j选择最近行人qij(t)作为目标，循环比较恐怖分子j和所有行人i的距离dij(t)，行人qij(t)与恐怖分子j的距离dij(t)最小。

(2)t时刻恐怖分子j的移动方向：

(4)

(3)当恐怖分子j与目标行人qij(t)的距离dij(t)小于攻击距离时，恐怖分子j发起攻击，根据恐怖分子使用的刀具类型和表1中刀具袭击参数，行人qij(t)受伤情况或重伤、或轻伤、或死亡。

表1 不同种类刀具袭击参数表Tab.1 Attack parameters with different types of knives

(4)攻击结束后，恐怖分子j继续搜寻目标，直至行人疏散完毕。

2 仿真方案设计

2.1 影响因素参数设计

2.1.1 人员数量

截至2021年9月27日为止，某大型机场年旅客吞吐量超过2 000万人次，估算2021年该大型机场年旅客吞吐量约为2 667万人次。参考美国联邦航空局(Federal Aviation Agency，FAA)建议的高峰小时客流量与年旅客量的比值关系，可算出2021年该大型机场高峰小时客流量为8 001人次/h[11]。高峰小时旅客离港客流量指值机大厅1h内办理值机、安检、联检等手续的旅客数量。本文只对区域X进行仿真，研究假设如下：

(1)高峰小时旅客离港客流量为高峰小时客流量的50%，即4 000人次/h。

(2)离港旅客均从航站楼四层办理值机手续。

(3)高峰小时国内航班旅客离港客流量占旅客离港客流量50%，区域X内的高峰小时旅客离港客流量的50%，即1 000人次/h。

由于离港旅客办理业务具有流动性和延续性，而且刀斧砍杀情景下人员疏散持续时间短，直接使用高峰小时旅客离港客流量设定仿真参数，误差较高。最高聚集人数是指航站楼各区内瞬时最高人数，根据已有研究[12]，按式(1)推算出区域X最高聚集人数，约为756人。

(5)

式中：

Q—区域X的最高聚集人数，人次；

Qg—区域X高峰小时旅客离港客流量，人次/h；

tz—离港旅客平均滞留时间，min，假设tz=30min；

ts—送客人员平均滞留时间，min，假设ts=20min；

a—值机区平均每名旅客送行人员数量，人次，a=0.2人次/旅客选取。

为研究不同水平客流量对刀斧砍杀情景下区域X人员疏散的影响，以区域X最高聚集人数756人为基准，分别设置570、760、960人3种客流水平。

2.1.2 砍杀工具类型

根据已有的标准及研究[13-16]，砍杀工具选取匕首、菜刀、砍刀3种刀具，设定不同刀具的袭击参数，见表1。

2.2 实验方案与设定

为研究人员数量A、砍杀工具类型B、恐怖分子数量C、恐怖分子位置D4个因素对刀斧砍杀情景下航站楼人员疏散的影响，设计4因素3水平正交实验，因素水平选择(见表2)，正交实验设计，见表3。正交实验法的因素为变量个数，水平为每个变量离散取值，每个变量的具体离散取值，见表2。

表2 因素水平表Tab.2 Factor level table

表3 L9(34)正交实验结果Tab.3 Results of the orthogonal experiment L9(34)

应对恐怖袭击事件的核心目标是减少人员伤亡。将被袭击总人数、死亡人数，作为评价恐怖袭击事件风险水平的指标。被袭击人数表示被恐怖分子攻击的行人总数，为死亡人数、重伤人数、轻伤人数的总和；死亡人数表示被恐怖分子攻击后，成为死亡状态的行人总数。

3 实验结果分析

3.1 仿真结果分析

依据表3中A1B1C1D1设置实验参数，运行模型后，行人开始进行问询、人工值机、自助值机等活动，当行人均匀分布在值机大厅时，恐怖分子在大门处出现，搜寻行人，锁定目标后，对行人进行砍杀，袭击结束后，再开始搜寻下一个目标，模型运行效果符合模型设定。

袭击时间少于3min时，将部分图形放大后发现，区域X存留人数随袭击时间出现阶梯性变化，说明在恐怖分子移动过程中，其周围3m之内的行人会立即逃跑；3min后，国内值机区域X的剩余行人全部撤离，区域X存留人数与袭击时间关系图变成一条平滑曲线，验证行人行为逻辑模型的有效性，如图4。

图4 区域X存留人数—袭击时间关系Fig.4 The relationship between the remaining population and the attack time in the area X

3.2 极差分析

表4显示不同因素对被袭击总人数、死亡人数、疏散时间的影响情况和统计分析结果，通过比较各种指标下不同因素的极差均值R，可以得出多因素对被袭击总人数的影响程度排序如下：C>D>B>A，恐怖分子数量对被袭击总人数的影响最大，其次是恐怖分子位置、砍杀工具类型、人员数量，以被袭击总人数为衡量标准的高风险水平组合为A3B3C3D1。各个因素对死亡人数的影响程度排序如下：B>C>D>A，砍杀工具类型对死亡人数的影响最大，其次是恐怖分子数量、恐怖分子位置，最后是人员数量；以死亡人数为衡量标准的高风险水平组合为A3B3C3D1。各个因素对疏散时间的影响程度排序如下：A>B>D>C，人员数量对疏散时间的影响最大，其次是砍杀工具类型、恐怖分子位置和恐怖分子数量，疏散时间最长的组合为A3B2C1D3。

表4 极差均值分析Tab.4 Range analysis

3.3 方差分析

3.3.1 被袭击总人数方差分析

4个因素的显著性水平P<0.05，即均对被袭击总人数有显著影响，且恐怖分子数量的影响最为显著，见表5。调整后R2=0.892，接近于1，说明该模型对数据的拟合程度较高。

各因素与被袭击总人数、死亡人数的关系趋势图，按照因素的影响水平从小到大排列(如图5)。若以被袭击总人数最少和死亡人数最少为最优结果。图5表明被袭击总人数和死亡人数指标均和因素A、B、C呈正相关关系。被袭击总人数和死亡人数均在恐怖分子从区域X中心位置出现时行人数量最低，在恐怖分子从大门处和电梯处出现时行人数量较高，其原因为恐怖分子开始砍杀后，行人会向大门处和电梯处逃跑，恐怖分子阻碍行人逃生路径。以被袭击总人数和死亡人数为指标，高风险组合为人员数量为960人、砍杀工具为砍刀、恐怖分子数量为3人、恐怖分子从大门处出现，与极差分析结果相符。

3.3.2 死亡人数方差分析

表6显示，4个因素的P<0.05，即均对死亡人数有显著影响，且砍杀工具类型的影响最为显著。调整后R2=0. 897，接近于1，说明该模型对数据的拟合程度较高。

表6 死亡人数方差分析Tab.6 The variance analysis of the number of deaths

3.3.3 疏散时间方差分析

表7表明，4个因素的P<0.05，即均对疏散时间有显著影响，且人员数量影响最为显著。调整后R2=0.580，该模型对数据的拟合程度并不理想，说明疏散时间除受到人员数量、砍杀工具类型、恐怖分子数量、恐怖分子位置4个因素的影响，还受到其他因素的影响。疏散时间最长的组合为人员数量为960人、砍杀工具为菜刀、恐怖分子数量为1人、恐怖分子从电梯处出现，与极差分析结果相符。

表7 疏散时间方差分析Tab.7 The variance analysis of the evacuation time

图6为各因素与疏散时间指标的关系趋势图，以疏散时间最短为最优结果。从图6中可以看出，疏散时间和人员数量呈正相关关系，和恐怖分子数量呈负相关关系，这是因为恐怖分子数量越多，因恐怖分子提前疏散的人数越多，恐怖分子出现3min后同时疏散的人数越少，行人疏散时间也随之减少。在砍杀工具为菜刀时，疏散时间最长；恐怖分子从电梯处出现时，疏散时间最长。

图6 疏散时间指标与各因素关系Fig.6 The relationship between the indicator of the evacuation time and each factor

4 结论

利用模拟仿真工具构建某大型机场局部区域X的人员疏散模型，通过正交实验，分析人员数量、砍杀工具类型、恐怖分子数量、恐怖分子位置4个影响因素对被袭击总人数、死亡人数、疏散时间的影响。结论如下：

(1)人员数量、砍杀工具类型、恐怖分子位置、恐怖分子数量均对被袭击总人数、死亡人数、疏散时间有显著影响。对被袭击总人数影响最大的是恐怖分子数量；对死亡人数影响最大的是砍杀工具类型；对疏散时间影响最大的是人员数量。

(2)以被袭击总人数和死亡人数为指标，高风险组合为人员数量为960人、砍杀工具为砍刀、恐怖分子数量为3人、恐怖分子从大门处出现。该情景下，恐怖分子从大门处开始砍杀，被袭击总人数和死亡人数最多，应增加值机大厅大门处的警力。

(3)恐怖分子数量和砍杀工具类型为刀斧砍杀情景下航站楼人员疏散的关键影响因素。随着我国民航业快速发展，航站楼内人员数量增多将是大概率事件。机场管理方应增加航站楼内关键地点的警力，在值机大厅大门处加强对刀斧利刃的排查力度，防止恐怖分子团伙作案造成重大影响，同时需要预防发生拥挤、踩踏等次生灾害。

(4)应对刀斧砍杀事件的目标是尽量减少人员伤亡，但在疏散时间过长的情景下，影响因素作用变得更复杂，应进一步研究。