船舶人员疏散仿真模型

Σ 化系数，使得 pij = 1． Dij、Sij 分别代表此格点位置
的“动力场”和“静力场”吸引力值［12］； kD、kS 分别为 “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，nij 只有 2 个值 0 或 1，nij = 0 表示此刻格点（ i，j） 没有人，nij = 1 表示此刻该格点 被他人、墙壁或其他障碍物占据，个体不能进入．
第 32 卷第 7 期 2011 年 7 月
哈尔滨工程大学学报 Journal of Harbin Engineering University
doi： 10． 3969 / j． issn． 1006 － 7043． 2011． 07． 005
Vol． 32 №． 7 Jul． 2011
船舶人员疏散仿真模型
图 1 元胞视野示意 Fig． 1 Cellular＇s field of vision
根据“静力场”的定义可知行人都已明确出口 位置，则可假设每个行人可以准确判断其视野范围 内其他行人的首选运动方向． 如图 2（ a） 所示情况为 例，元胞 1 为此刻需要判断其运动方向的元胞，实线 箭头所指方向为其首选运动方向，虚线箭头所指方 向为其次选运动方向． 此刻，元胞 1、2、3、4 的首选运 动方向相同，而元胞 1 的次选运动方向上无人竞争， 则元胞 1 以概率 p 选择次选方向运动． 这个过程反 映了人员选择路线时的心理作用，虽然选择次选方 向增加了到达出口的距离，却避免了拥挤． 但情况若 如图 2（ b） 所示，次选运动方向上也有人竞争则元胞 1 仍选择首选运动方向为运动方向．
上、下、左、右 4 个方向运动． 模型网络单元内运动规
则在每个时间步有 2 个基本问题需要解决： 1） 路线
的选择问题； 2） 考虑摩擦力、冲撞力因素对个体运
动方向的影响修正首选方向，确定最终的运动方向．
1． 1． 1 路线选择
通常情况下行人的运动目标就是疏散出口，在
没有任何阻挡的情况下，行人会选择距离出口最近
1． 1． 2 视野拓展对路线选择的影响 图 1（ a） 为 CAEE 模型中的元胞视野示意图，图
1（ b） 所示为本模型中的元胞视野示意图，比较可知 本文中的元 胞 视 野 比“地 面 场 ”模 型 的 元 胞 视 野 拓 展了 8 个格点，在可以选择行走的 4 个方向上各拓 展了 2 个格点，通过拓展视野范围可以判断首选方 向的“拥挤程度”．
图 2 视野拓展改变行人运动方向示意 Fig． 2 Change of pedestrian’s movement direction caused
by veiw expansion
图 2 所示的情况仅为一种特定情况，视野拓展 后人员改变运动方向的规律为： 判断首选目标格点 的“拥挤程度”，若有 1 ～ 3 个行人也选择此目标格 点，且次选目标格点无人竞争，则此处行人以概率 p 选择次选目标格点； 若首选目标格点与次选目标格 点均有其他行人竞争或首选目标格点无人竞争则仍
模型奠定基础．
1． 1 网络单元内运动规则
CAEE 模型以元胞自动机更新规则为基础，将
甲板舱室平面进行均匀划分，每个网格或被墙壁或
其他障碍物占据、或被行人占据、或者为空． 模型中
每个元胞对应 0． 4 m × 0． 4 m 的空间，是密集人流中 的典型空间分配［9］． 此模型采用 VonNeumann 型邻 域［10-11］确定 人 员 可 选 择 运 动 方 向，即 人 员 只 能 向
陈淼，韩端锋
（ 哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）
摘 要：为了评估预测大型船舶的人员疏散能力，在元胞自动机理论的基础之上结合“地面场”模型和网络流理论同时 计及视野拓展对路线选择的影 响，排 斥 力、摩 擦 力 对 人 员 运 动 速 度 的 影 响，建 立 了 新 的 人 员 疏 散 的 二 维 微 观 离 散 模 型 CAEE 模型． 通过与 CAFE 模型比较在单出口房间内的人员疏散的规律，验证了 CAEE 模型的正确性，再用 CAEE 模型模 拟某个典型舱室环境下的人员疏散情况，预测了此环境下人员的疏散时间及堵塞现象发生的位置，发现拥挤人数． 最大 人员密度随时间的变化规律先增后减，而运动人员数量随时间的变化规律是先减后增，然后减少． 关键词：人员疏散； 元胞自动机； CAEE 模型； 人员行为； 网络单元 中图分类号：U662． 9 文献标识码：A 文章编号：1006-7043（ 2011） 07-0862-06
量化后与元胞自动机的理论相结合建立了数学模型
CAFE（ celluar automata with force essentials） ，但此模
型没有考虑人员的视野范围对路线选择的影响以及
多级出口环境下的人员疏散． 针对此情况，本文在
CAFE 模型的基础上，扩展了行人的视野范围，提出
可解决多级出口人员疏散的数学模型—CAEE 模型
·864·
ຫໍສະໝຸດ Baidu
哈尔滨工程大学学报
第 32 卷
选择首选目标格点作为目标格点．
1． 1． 3 排斥力、摩擦力的量化
此外还要考虑排斥力、摩擦力的影响确定最终
的运动方向． 本文采用宋卫国等的方法［4］，即将社
会力模型中的摩擦力、排斥力分类量化，用元胞自动
机的方法模拟出来． 当人与人或者人与墙有危险距
离的趋 向 时，出 现 排 斥 力，行 人 表 现 为 躲 闪、避 让［3］． CAEE 模型中的排斥力可分为 3 类： 1） 当两人
（ cellular automata with expanded ken essentials and
multi-level exits） ． 此外，船舶环境内的人员疏散对于
环境的要求主要与各层甲板平面的舱室结构，通道
布局形式有关． 基于此特点，建立二维仿真模型也可
有效地模拟人员疏散的过程，同时为建立三维仿真
的路线 运 动，这 就 是 出 口 吸 引 力 的 作 用． 由 此， Kirchner［12-13］引入“地面场”的概念．
pij = Nexp（ kDDij） exp（ kSSij） （ 1 － nij） ， （ 1）
Σ N =
p －1 ij
．
（ 2）
式中： pij表示人员向格点（ i，j） 运动的概率； N 是标准
前，国内在船舶人员疏散领域的研究较少，从相关领 域的研究现状看，模拟和预测不同环境下人员疏散情 况的模型主要有流体力学模型［2］、社会力模型［3］、元 胞自动机模型［4］． 由于用流体力学模型模拟人员疏散 的非线性运动轨迹很不灵活； 社会力模型运算效率 低，难以模拟大规模的疏散运动，而元胞自动机模型 计算效率高、方法灵活、方便工程应用，是研究人员疏 散较为理想的模型． 于彦飞［5］、刘绍波［6］等建立了新 的元胞自动机模型用于分析复杂民用建筑的人员疏 散能力； 王军［7］、方廷勇［6，8］等将元胞自动机模型与 火灾烟气模拟相结合对建筑内的火灾危险性进行了 评估，但这些模型过于简化，无法应用于船舶环境内．
国际海事组织（ IMO） 已将船舶设计阶段人员疏 散分析纳入所需解决的重要议事日程，其海上安全委 员会（ MSC） 在其 72 届会议（ 1995 年 5 月 19 日至 28 日） 上，要求： “凡 1999 年 7 月 1 日或以后建造的客 船，在其设计初期阶段应进行撤离分析工作”（ 《国际 海上人命安全公约》（ SOLAS） 第Ⅱ-2 /28-1． 3条） ［1］． 目
Abstract： In order to evaluate the evacuability of large passenger ships，a new two-dimensional microscopic scattered simulation model of pedestrian dynamics known as the CAEE（ cellular automata with expanded ken essentials and multi-level exits） model was set up． This was done on the basis of cellular automaton theory，combining the “floor field”model and network flow theory，considering the influence of visual field expansion on route selection and the influence of quantitative friction and repulsion force on pedestrian＇s speed． The effect between individuals and the effect between individuals and the ship were made clearer and more authentic by expanding the field of vision． At the same time，simulation of evacuation under an environment with multilevel exits was achieved by network flow． A comparison was made between CAEE model and actual passenger movement law in a room with one door，validating the model’s correctness． Furthermore，taking a typical cabin arrangement environment as an example，a trend was recorded by the CAEE model where the evacuation time and jamming position in the cabin was forecast． The change trend of the jammed passengers＇ number and the maximum passengers ＇ density was increased firstly and then decreased，and the change trend of moving passengers’number was decreased firstly then increased but decreased in the end． Keywords： personnel evacuation； cellular automaton； CAEE model； pedestrian behavior； network cell
第7 期
陈淼，等： 船舶人员疏散仿真模型研究
·863·
本文在元胞自动机理论的基础之上，根据船舶舱室的 布局特 点 建 立 适 用 于 船 舶 的 人 员 疏 散 理 论 模 型CAEE 模型，检验此模型的有效性，分析典型舱室环 境下的人群疏散规律．
1 建立 CAEE 数学模型
宋卫国等［4］将社会力模型中的摩擦力、排斥力
A simulation model of passengers’evacuation in ships
CHEN Miao，HAN Duanfeng
（ College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）
收稿日期：2010-04-19． 基金项目：高 等 学 校 博 士 学 科 点 专 项 科 研 基 金 资 助 项 目
（ 20102304110018） ； 中央高校基本科研业务费专项基金资 助项目（ HEUCF100105） ． 作者简介：陈 淼 （ 1983-） ，女，博 士 研 究 生，E-mail： chenmiao _1102 @ 163． com； 韩端锋（ 1966-） ，男，教授，博士生导师． 通信作者：陈淼．