客船人员疏散仿真模型的验证方法

李亚朋 蔡 薇 胡 敏 陈 祺

(江苏科技大学海洋装备研究院1) 镇江 212003) (武汉理工大学绿色智能江海直达船舶与邮轮游艇研究中心2) 武汉 430063) (中船邮轮科技发展有限公司3) 上海 200137)

0 引 言

国际海事组织(international maritime organization,IMO)下属机构海事安全委员会(maritime safety committee,MSC)在1999年发布第一版客船疏散分析指南MSC/Circ.909[1],用于辅助海上人命安全公约(safety of life at sea,SOLAS)对脱险通道的评估,而后经过多次修改,MSC在2016年通过《修订的新造和现有客船疏散分析指南》MSC.1/Circ.1533[2](后文简写为《指南》),于2021年强制执行.《指南》中给出了两种疏散分析的方法,简化方法和高级方法,前者基于宏观的水力网络模型,后者基于微观的疏散仿真模型.简化方法较容易使用,但当船舶布局形式变得复杂时,其评估结果的可信度会大大降低;高级方法需要建立船舶疏散空间的完整几何模型,赋予每个疏散个体不同的行为特征(如行走速度、反应时间等),因此能反映更真实的疏散过程,而且该方法对疏散过程和拥堵点的可视化呈现效果也更好.

在理论研究和实际工程中,一般更青睐运用仿真方法评估客船的疏散性能[3-7].评估过程中,可能需要构建一种新的仿真模型然后加以运用,或者直接使用一种现有的仿真软件.然而,许多研究在使用仿真工具时并未分析其在船舶领域的适用性,未经验证便将其应用于指南中的疏散仿真场景,这将对疏散性能的计算和评估结果产生直接的影响.

文中探讨了两类可以用于验证疏散仿真工具的场景,包括《指南》中对仿真工具提出的12个测试场景(Test 1～Test 12)和实船疏散试验项目SAFEGUARD[8-10]中的两个实船场景(SGVDS1 和SGVDS2),详细展现完整的验证过程,并对本文的研究进行讨论和总结.

1 IMO疏散《指南》中的测试场景

《指南》对疏散仿真工具提出了四个方面的验证需求.

1) 模块测试(component testing) 用于检验工具的各个组成部分是否按照预期运行,该部分包括七个测试Test 1～Test 7.

2) 功能测试(functional verification) 用于检验模型是否能实现其各项功能或任务,任务不同测试则不同,所以未规定具体测试,但要求测试过程应包含在该工具的技术文档中.

3) 定性测试(qualitative verification) 用于检验模型是否能够反映人在疏散中的典型行为或现象,该部分包括五个测试Test 8～Test 12.

4) 定量测试(quantitative verification),用于检验模型的预测结果与真实疏散演习的结果是否吻合,由于缺乏足够的试验数据,未规定具体的测试.

图1为Pathfinder对12个测试场景的仿真过程截图.

图1 Pathfinder对12个测试场景的仿真

Test 1 在走廊上维持设定的行走速度 一个人以1 m/s的行走速度通过长40 m、宽2 m的走道,则其所花的时间应是40 s.

Test 2 在上楼梯时维持设定的行走速度 一个人以1 m/s的行走速度通过长10 m、宽2 m的向上斜坡或楼梯,则其所花的时间应是10 s.

Test 3 在下楼梯时维持设定的行走速度 一个人以1 m/s的行走速度通过长10 m、宽2 m的向下斜坡或楼梯,则其所花的时间应是10 s.

Test 4 出口的流率不能超过1.33人/(m·s-1) 100个人从8 m×5 m的房间里逃生,出口1 m宽,位于5 m边的中间,则整个过程中出口的流率应不超过1.33 人/(m·s-1)(这里出口宽度是1 m,所以也可是1.33 人/s).

Test 5 在设定的反应时间之后才开始移动 10个人从8 m×5 m的房间里逃生,出口1 m宽,位于5 m边的中间,这10个人的反应时间服从在[10 s,100 s]上的均匀分布,则每个人应经过适当的反应时间才开始移动.

Test 6 在走过拐角时身体不穿过边界 20个人初始均匀分布在2 m×4 m的矩形中,他们需要经过一个拐角,则每个人的身体边界都不应与拐角的边界有重合(即不会出现穿墙现象).

Test 7 各年龄段人群的速度参数与《指南》中一致 将《指南》中男性、30～50岁年龄段的速度参数赋予给50个人,即在[0.97 m/s,1.62 m/s]上的均匀分布.则每个人应按照适当的行走速度移动.

Test 8 对向流中的人越多,疏散时间越长 在这个场景中,两个边长10 m的正方形房间由一条长10 m、宽2 m的通道连接,左边房间放置100个人,他们向右边房间移动,同时右边房间放置N人,他们向左边房间移动,这样两边的人群将逆向流动.N分别为0、10、50、100,分别记录4次实验中左边房间100人全部到达右边房间的时间,则随着逆流的增加(右边房间人数的增加),所记录的时间应增加.

Test 9 总出口宽度越短,疏散时间越长 1 000个人均匀分布在长30 m、宽20 m的大房间中,每个长边上都有两个宽1 m的出口,人群选择离自己最近的出口逃出房间.做两次实验,一次4个出口全开,一次只开2个出口,记录清空房间所需的时间,则由于总出口宽度减半,第二次的时间应大概是第一次的2倍.

Test 10 按照分配的路径(或出口)逃生 构建图1 Test 10的舱室区域,其中包括12个舱室,2个出口,15个人分布于左侧八个舱室,令其向较宽的主要出口移动;八个人分布于右侧四个舱室,令其向较窄的次要出口移动.观察这23个人的行走路径,则他们应按照分配的出口逃生.

Test 11 稳定的人群流通过楼梯时在楼梯底部会出现拥堵 在这个场景中,一间长8 m、宽5 m的房间与一个宽2 m的向上楼梯由一条长12 m、宽2 m的走道相连,150人均匀分布于房间中,他们需要依次走出房间、通过走道、走上楼梯.观察人群在各个位置的密度,则可以发现在房间的出口处将产生拥堵,人群流在走道上逐渐趋于稳定然后在楼梯底部再次产生拥堵.

Test 12 高密度的人群流通常比中等密度的人群流更慢 《指南》中对该测试未设置具体的测试场景.本文构建了一个长25 m、宽2 m的走道,N人均匀分布于走道[0 m,19 m]的区域内,人群向右移动,区域[19 m,21 m]作为密度(p/m2)和流率(p/s)的测量区域.分别设置N为40、80、120、160进行仿真实验,记录测量密度和流率,则当人群密度非常高时(N=160,密度大于4 人/m2),流率比中等密度时(N=120,密度约为3 人/m2)的流率小.

Pathfinder的模拟结果均符合预期,因此其通过了该项验证(在Pathfinder官网上,可查阅到该软件的开发者对《指南》中的Test 1～Test 11做了更加详细的测试).

2 SAFEGUARD项目中的实船疏散数据集

《指南》中提到了定量测试,即与实船疏散演习的数据进行比较,但由于数据缺乏,未强制要求进行该测试.欧盟第七框架计划(EU FP7)中的实船疏散试验项目SAFEGAURD(2009—2012)公开了两条船的试验数据集(SAFEGAURD Validation Data Sets,SGVDS1和SGVDS2),数据是根据在船上进行的集合演习得到,可考虑作为船舶疏散仿真工具的补充验证.

各个数据集提供了构建疏散场景及运行和验证仿真工具所需的所有信息,包括船舶几何(geometry)、人口参数(population)、反应时间分布(response time distribution)、到达曲线(arrival curves,反映疏散时间与到达集合站人数之间关系的曲线)、衡量指标(validation metric)、接受准则(acceptance criteria)等.验证的基本流程为:①根据AutoCAD dxf图纸文件构建船舶的舱室与通道;②根据人群的初始位置将其分布于船舶上的对应位置,设置合适的目标点、反应时间、年龄段等参数;将该场景仿真50次,每5次需要改变一次人群的部分参数;③得到50次仿真的整体到达曲线,根据衡量指标找出与试验数据吻合度最高的一次仿真;④对该仿真的整体到达曲线和各集合站到达曲线进一步计算衡量指标,检查各指标数值是否通过接受准则.

SGVDS主要使用到达曲线上的数据点(即某个到达人数对应的时间点)计算衡量指标,指标共有四个,分别为:

1) 欧式相对差(the euclidean relative difference,ERD) 用于评估模型数据和试验数据之间的距离,理论上可能取值的范围是[0,+∞],值为0表示模型数据与试验数据完全一致,计算公式见式(1).

2) 欧氏投影系数(the euclidean projection coefficient,EPC) 用于评估模型数据和试验数据之间的吻合程度,理论上可能取值的范围是(0,+∞],值为1表示吻合程度最好(但不能说明两者完全一致),计算公式见式(2).

3) 正割余弦(the secant cosine,SC) 用于评估模型和试验的到达曲线形状的相似程度,该指标利用了各曲线的一阶导数,理论上可能取值的范围是(0,1],值为1表示两者曲线形状完全一致,计算公式见式(3).

4) 总集合时间百分差异(percentage difference of total assembly Time,% diff TAT) 用于衡量总集合时间的差异,与前面三个指标不同,该指标的计算仅需用到一个数据点(最后一个人到达的时间点),计算公式见式(4).

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:Ei为试验的第i个数据点;mi为模型的第i个数据点;n为数据点总数;s为光顺项,用于移除试验和模型数据的噪点,取值根据数据点总数确定;TE为试验的总集合时间;Tm为模型的总集合时间.

2.1 数据集SGVDS1

该数据集源自一艘客滚渡轮,船上总乘客数1 349人,总疏散人数1 014人,计入到达曲线中的人数480人(有些人起始和终止位置在同一个集合站,有些人没有被标记但仍然参与了演习,绘制到达曲线时需排除这些人),人群分布于酒吧、餐厅、零售店、座位区、集合站等区域,涉及三层甲板,总共四个集合站.该场景建模三维图见图2.

图2 SGVDS1客滚船疏散建模三维图

从50次仿真中选择整体到达曲线ERD值最小的一次仿真,对其整体和各集合站到达曲线进行进一步评估.各指标的接受准则为:ERD≤0.45;0.6≤EPC≤1.4;当s/n=0.05时,SC≥0.6;%diffTAT≤45.评估过程分两步:(1)对整体到达曲线计算ERD,EPC,SC和%diffTAT,当所有指标均满足接受准则时,才能进行接下来的评估;(2)分别对四个集合站的到达曲线计算ERD、EPC和SC,当12个值中的至少9个值满足接受准则时,评估通过.

Pathfinder对SGVDS1的验证结果见表1.可以看到其通过了第一步和第二步的评估,因此该模型通过了SGVDS1的验证.Pathfinder仿真的和SGVDS1试验的整体到达曲线见图3.Pathfinder只是勉强通过了评估(第二步中,刚好12个值中的9个满足条件),而且仿真与试验的曲线差别较大,其中的原因可能是:实际的演习中,大量未被标记的人也参与了集合过程,影响到计入到达曲线的人的集合,从而影响试验曲线;另外,各集合站的到达曲线的数据点较少,都只有不到200个.

表1 Pathfinder对SGVDS1的验证结果

图3 Pathfinder仿真曲线与SGVDS1试验曲线(整体)的比较

2.2 数据集SGVDS2

SGVDS2中的船舶是一艘大型邮轮,船上总乘客数2 292人,总疏散人数1 779人,计入到达曲线中的人数1 743人(需要排除本来就在集合站没有移动的人),人群分布于居住舱室、餐厅、休闲区、集合站等区域,涉及12层甲板,总共4个集合站,该场景建模三维图见图4.

图4 SGVDS2邮轮疏散建模三维图

相比SGVDS1,该数据集中各指标的接受准则更为严苛,为:ERD≤0.25;0.8≤EPC≤1.2;当s/n=0.03时,SC≥0.8;%diffTAT≤15.由于该数据集中的集合站也是4个,所以评估过程与SGVDS1完全一样.Pathfinder对SGVDS2的验证结果见表2.由表2可知:其通过了第一步和第二步的评估,因此该模型通过了SGVDS2的验证.Pathfinder仿真的和SGVDS2试验的整体到达曲线见图5.由表5可知:Pathfinder仿真得到的结果满足了所有指标的接受准则,而且仿真的和试验的到达曲线吻合度非常高.

表2 Pathfinder对SGVDS2的验证结果

图5 Pathfinder仿真曲线与SGVDS2试验曲线(整体)的比较

3 结 论

1) IMO仅要求进行其《指南》给出的验证,因此,即使没有验证SAFEGUARD数据集也能进行《指南》规定的疏散分析/评估;但后一项验证中的数据集是笔者目前已知的最为完整的且规模最大的实船演习数据集,这些数据集也得到了其他学者的认可[11-12],可以考虑作为船舶人员疏散仿真模型的补充验证场景.

2) 从《指南》中的验证场景来看,IMO并未要求船舶仿真工具具备不同于陆上仿真工具的功能或特性,因此不是一定需要用maritimeEXODUS、EVI或AENEAS等船舶专用软件才能进行《指南》规定的疏散分析,只要仿真工具通过适当的验证即可.

3) SAFEGUARD数据集给出了详细的疏散场景和验证过程,能够较好地支持新的船舶人员疏散仿真模型的验证.然而,由于实船试验的复杂性,如许多未被标记的乘客也参与了集合过程,可能使得数据集难以反映真实的疏散结果.