邮轮火灾动态蔓延情况下的最优疏散路径规划_张华军.pdf

第 卷 第 期 年 月中国安全科学学报 中文引用格式：张华军，刘洋，朱震宇，等 邮轮火灾动态蔓延情况下的最优疏散路径规划 中国安全科学学报，（）：英文引用格式：，（）：邮轮火灾动态蔓延情况下的最优疏散路径规划张华军副教授，刘 洋，朱震宇，陈泊宇，闫 密，罗 欣（武汉理工大学 自动化学院，湖北 武汉 ）中图分类号：.文献标志码：.资助项目：工信部高技术船舶专项资助（）。文章编号：（）；收稿日期：；修稿日期：【摘 要】为解决邮轮火灾应急疏散过程中，由于邮轮内部结构复杂、通道狭窄、人流量大导致人员难以短时间安全疏散的问题，应用基于火灾蔓延预测数据的 算法求解邮轮火灾的人员疏散路径。首先，根据 项目中的邮轮数据建立二维网络拓扑结构，定义网络中节点的 体积分数、烟雾可见度和温度 类指标的阈值，并基于火灾发生的地点和程度，模拟火灾动态蔓延的情况，实时判定疏散网络中各个节点的危险状况；然后，结合火灾蔓延的实时数据改进 算法，并求解人员的最优疏散路径；最后，使用同一邮轮作为模拟人员疏散的场景，模拟邮轮火灾动态蔓延情况下的人员疏散过程，分析人员疏散路径的可行性。结果表明：改进后的 算法所求路径能成功绕开网络中受火灾影响较大的危险节点，同时疏散规模为 人的时间比使用基本 算法所求的疏散时间缩短。【关键词】邮轮火灾；应急疏散；路径规划；火灾蔓延；算法 ，（，）：，中国安全科学学报第卷年：；引 言 随着海上邮轮企业的蓬勃发展，游客的人身安全问题不容忽视。大型邮轮由于其内部结构复杂、通道狭窄、人员众多、出口较少等特点，若发生火灾，容易导致疏散通道拥堵。此外，人员的疏散过程中有可能遇到受火灾影响严重的路段，这将对人员的生命安全造成威胁。因此，考虑火灾蔓延的人员疏散研究显得尤为重要。人员疏散路径的算法设计需要对疏散场景中的建筑物进行室内环境建模，一些学者先分割建筑物的所有区域，再选取其中心点构建网络模型。例如：等通过八叉树算法和凸包算法对建筑信息模型（，）中的所有区域进行分割，然后连接相连的区域中心点，最终自动构建网络模型。等在 软件中设置 各模块设施的功能和物理特征，将 转换为工业基础类（，）数据结构，通过解析 文件数据将不同区域的中心点连接生成几何网络图（，）。除了网络模型之外，还有部分学者利用网格模型进行人员疏散研究。建筑物模型的网络化与网格化可以简化疏散路径策略的研究过程，这为人员疏散算法的研究奠定了基础。火灾应急疏散情况下，疏散信息包括由建筑结构与消防器材位置构成的静态信息和由人员位置和路段风险构成的动态信息。近年来，很多种路径规划算法都被应用于不同场景下的疏散路径求解，例如：刘惠临等基于毒气负荷数据改进 算法求解了液氮泄漏事故场景的最优疏散路径，并指出应急疏散过程中规划引导能够有效较少人员伤亡。蒙盾等针对路段拥堵的疏散问题，通过改进 算法求解多层邮轮的最优疏散路径，改进后的算法模型能够减少疏散时间、提高疏散效果。贾进章等基于遗传蚁群算法求解单层建筑火灾最佳疏散路径，该算法显著提高了路径生成质量，缩短了路径生成时间。而对于火灾疏散下的场景，张明空等解释了采用传统动态路径优化算法存在的缺陷，如果算法仅考虑当前时刻火灾态势对各路段的影响，没有考虑火灾蔓延对人员疏散的影响，将会导致人员折返或被火灾波及。鉴于此，笔者通过模拟邮轮火灾蔓延的过程获取火灾数据信息，再结合数据改进基本的 算法，求解邮轮上人员的最优疏散路径，以此保障人员的生命安全，以期为邮轮火灾的应急疏散问题提供理论依据。室内环境建模 路径规划算法设计前需要建立建筑物模型，并将建筑物的空间信息处理成图形数据结构。室内环境模型可分为网络模型与网格模型，而现代的大型建筑具有规模大、内部结构复杂等特点，这就导致建筑网格化模型会产生大量的网格，将这些网格数据代入到路径规划搜索算法中会显著增加搜索时间，基于此，文中采用网络模型构建邮轮的室内环境模型。.邮轮数据集介绍 以欧洲 项目中的公开邮轮疏散数据集为基础，该项目提供了 层邮轮的计算机辅助设计（，）图纸，并且为不同区域的人员分配了不同的集合疏散区，以开展人员疏散试验。选取第 层邮轮的 图（图）数据构建疏散网络，作为后续人员疏散路径规划算法研究的基础。图 邮轮第 层空间结构 第 期张华军等：邮轮火灾动态蔓延情况下的最优疏散路径规划.疏散环境网络化 构建邮轮火灾网络化疏散模型，所有区域依据凹凸形状进行切割，并为切割的所有区域设置中心节点，判断不同区域间的连接关系，最后将相互连接的区域中心点相连。利用上述步骤生成疏散网络后，还需在疏散网络中定义火灾节点与出口节点。邮轮上的建筑材料一般是不可燃的，但存储区存放的人员所携带的行李具有较大的着火可能性，因此，假设火灾节点为存储区。另外，在该项目中人员逃生的出口为集合区域、，文中仅选用集合区域 作为出口来验证算法的可行性。通过网络化步骤得到第 层邮轮网络拓扑图，如图 所示，该邮轮疏散网络算法如下：（，）（）式中：为整个疏散网络；为疏散网络中节点的集合，其中，为疏散网络中所有节点的总数；为疏散网络中边的集合，；为疏散网络中边对应权重的集合。图 邮轮第 层网络拓扑 在图 中，节点 对应图 中集合区 的右侧入口；节点 对应图 中楼梯 上方与储物区的拐角处；其余节点都对应图 中各区域分割后的中心点和拐点。改进的 路径规划算法.基本 算法 算法常用于解决单源最短路径问题，是 算法的拓展，并结合了 算法中广度优先搜索与贪心算法的思想，用启发式函数（）来估计从每个节点 到目标节点相关的成本，使得该算法的计算速度大大提高。算法使用待搜寻节点的集合与已搜寻节点的集合记录疏散网络中节点是否被搜索，然后通过总代价（）函数决定下一个搜寻节点，（）函数可表示为：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：（）为当前节点到该节点相邻接节点的距离；和 分别为当前节点的横、纵坐标；和分别为邻接节点的横、纵坐标；（）为该节点的邻接节点到目标节点的距离；和 分别为目标节点的横纵坐标。.改进的 算法 在邮轮火灾应急疏散时，基本 算法求解的最短路径只考虑了疏散路径最短，没有考虑火灾产物对人身安全和人员移动速度的影响。因此，文中以人员疏散时间最短与人员疏散路径最安全为目标，改进基本 算法，以获得人员安全疏散的路径。该算法的流程如图 所示。改进的 算法包括 部分：第 部分，模拟火灾动态蔓延过程，获得火灾影响疏散网络节点的时间数据；第 部分，通过计算人员疏散速度，以疏散时间代替路径长度修改疏散网络每条边的权重，进而判断疏散网络中人员到达每个节点的时间与该节点前往相邻接节点的时间之和是否小于火灾影响该中国安全科学学报第卷年图 改进的 算法流程 节点的时间。改进的 算法需要以人员在网络边上的移动时间为该疏散网络边的权重，由文献调研可知：中国人性别、年龄、身高、体质量与人员速度的关系见表。表 人员疏散速度 性别年龄岁身高体质量速度（）男.女.男.女.男.女.男.女.为了保证所有人都能避开火灾并安全逃生，以表 中身高为.，体质量为 的女性作为参考，选取人员移动速度为 。疏散网络内人员通过每条边所需的疏散时间为。（）式中：为边 的长度，；为人员移动速度，为 。由式（）可计算各个节点到达相邻节点的时间，通过比较这些节点中火灾产物数值超标的时间与前往该节点的时间，从而选择出最佳的节点。.最优疏散路径规划 在邮轮应急疏散过程中，为了快速获得最优路径，认为受火灾影响的路段不会再转变为安全路段，且在危险路段上的人员疏散始终会受到火灾的影响，疏散时所有撤离人员遵循船员的指挥，按照给定的疏散路径进行疏散。图 中判断火灾到达节点的时间是否超过人员到达该节点的时间可采用下式：（）（），（）（）（）（）（）式中：为节点 到达节点 总共所需的时间，；为从发生火灾处的节点变为危险节点开始计时，直到节点 状态从安全节点变为危险节点所需的时间，。通过不断地从邻接节点找到最优的节点即可得到 的大小。（）为如果当前节点到邻接节点的时间不小于火灾到达该邻接节点的剩余时间，则这条边的权重用 替换，否则设置为人员前往这条路径所需要的时间。为了解决某个节点的相邻接路段火灾产物全部超标的问题，采用 代替，最终得到整条路径的权重，如果权重大于 ，则表示包含受火灾影响严重的路段。邮轮火灾蔓延的最优疏散模型.火灾蔓延模拟 为了获得各节点受到火灾影响的时间信息，通过火灾模拟完成火灾动态数值分析。结合项目给出的邮轮数据，利用 软件建立邮轮三维模型，如图 所示。图 软件建立的邮轮三维模型 时间 为节点 的火灾产物数值超标的时刻，为了求解 需要对火灾产物数值超标进行定义。火灾对人员生命安全产生影响的因素主要包括 体积分数、烟雾可见度、温度，这些因素均会降低人员的生理运动能力。若采取不安全的疏散路径，则第 期张华军等：邮轮火灾动态蔓延情况下的最优疏散路径规划会导致人员进入危险路段，以受到火灾产物的危害甚至导致人员伤亡。火灾中 体积分数、烟雾可见度和温度的数值对人员影响程度关系见表 表。表 对人体的影响程度 体积分数 人体反应症状.暴露 对人体影响不大.暴露 不舒服.后有死亡危险.后死亡表 温度对人体的影响程度 环境温度 人的忍受时间，表 烟雾可见度对人体的影响程度 烟雾可见度 对人员逃生速度的影响，.极高（.，）较高，）无影响 由表 表 中 体积分数、温度、烟雾可见度所属范围对人体的影响程度，定义疏散网络图中所有节点的状态。依据这 类指标所属范围，判断节点的状态，从而计算所有节点火灾产物超标对应的时间。危险节点 或（）.或 安全节点 且（）.且 （）式中：为疏散网络图编号为 的节点的实际状态；为烟雾可见度，；（）为 体积分数，；为环境温度，。基于上述定义和疏散网络图中所有节点的位置，在软件中的对应地方添加 传感器、温度传感器、烟雾可见度传感器，高度皆为.。火源位置对应节点，以中型火灾作为参考，设置火源功率为 ，模拟整个火灾过程（）。火灾发生第 时第 层邮轮火灾云图如图 所示。由式（）可以确定节点状态变更对应火灾产物的数值阈值，同时基于火灾模拟数据可以确定所有节点的，所有节点的 见表。表 火灾到达所有节点所需时间 节点 节点 表 包含所有节点状态变更时对应的时间，表示该节点不会发生变更并一直处于安全状态，由表 中的数据以及改进的 算法最终得到的疏散路径见表。表 所有节点前往出口的最优路径 节点 最优路径疏散时间，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.中国安全科学学报第卷年图 第 火灾对应的 体积分数、能见度和温度的热力分布 ，.模型验证 人员的社会力模型是目前常用的微观模型，软件中以社会力模型作为人员疏散模型，可进行人员疏散仿真试验。在 软件中还原邮轮的空间布局，同时设置火灾蔓延下的最优疏散路径与最短疏散路径人员疏散逻辑，完成人员疏散仿真。在软件中依据图 中的路段与节点设置疏散人员的位置并加入火灾模拟数据，通过逐渐增加疏散人数，分别使人员按照 类路径进行疏散对比试验，以此完成人员疏散仿真。最短路径与改进的路径对比情况如图 所示，设置疏散路径为最短路径与保证安全下的最快路径，选取所有人员的总疏散时间和火灾节点邻接路段上的残留人数作为评价模型好坏的 个指标。图 中虚线路径表示采用基本 算法搜索的节点 前往节点 的最短路径，而实线路径表示基于火灾模拟数据，利用改进 算法得到的搜索路径。对比 类路径可以看出，改进后的路径不仅考虑了火灾的影响还能成功地绕开火灾节点。另外，基于火灾模拟数据所求的疏散路径也考虑火灾蔓延的情况，在节点 火灾产物数值超标之前，即节点 的风险水平未发生变化之前，节点处的人员能按照该路径安全抵达节点，同时保证疏散路径时间相对最短。由改进 算法得到的表 中的其他节点疏散路径也均第 期张华军等：邮轮火灾动态蔓延情况下的最优疏散路径规划图 节点 节点 的 类路径 能避开火灾的影响，成功抵达出口。人员总数为 时，采用 类疏散路径所需的疏散时间如图 所示。由图 可以看出，人员总数为 时采用最短路径所需的时间略少。人员总数为 和 时绕开火灾的路径所耗费疏散时间比最短路径逐渐减少，这表明绕开火灾的路径在长度上虽然比最短路径更长，但是对所有人群的总体疏散时间影响不大，且人数较多的时候疏散时间更少。这是因为采用最短路径不仅会忽略火灾蔓延对疏散带来的影响，还会忽略人群拥堵的问题。疏散人数 时，火灾节点的邻接路段人数变更如图 所示。图 中人员总数为 时，在 时 图 类疏散路径的疏散时间 刻进行疏散，火灾邻接路段为与节点 相互连接的路段。当所有人员采用最短路径疏散时，在 内火灾邻接路段的总人数会显著增加，在 内总人数会逐渐减小，而在 之间存在两端人数变化差异极小的折线，这是因为某个路段发生拥堵，导致其他路段上的人员难以行动而造成的。当所有人员采用文中提出的绕开火灾的路径疏散时，从 内所有火灾节点邻接路段上的人员全部撤离完毕，并且其他路段上的人员不会前往这些存在危险的路段。图 疏散总人数 时火灾邻接路段剩余人数变更情况 ，结 论 ）火灾蔓延情况下最优疏散路径规划算法求解的路径能使疏散人员绕开受火灾蔓延影响较大的危险节点。）当疏散人数为 时，采用最优疏散路径规划算法获取的路径所需疏散时间仅需 ，比基本的算法得到的疏散时间减少 。）当疏散人数为 时，采用最优疏散路径规划算法可使火灾节点相连路段上的人员疏散时间减少 。在实际运用时，可提前进行重点区域火灾模拟，做好应急疏散方案。参 考 文 献胡敏 大型邮轮布局特征及疏散建模应用研究 武汉：武汉理工大学，：，：，：中国安全科学学报第卷年 ，：.何梦男，付瑜玲，陈诚，等 基于元胞自动机的应急疏散最短路径优化算法 中国安全科学学报，（）：，（）：曹祥红，李欣妍，魏晓鸽，等 基于 混合算法的应急疏散路径动态规划 电子与信息学报，（）：，（）：，：刘惠临，沈非 基于毒性伤害指标的疏散路径规划模型 中国安全科学学报，（）：，（）：蒙盾，胡卓，张华军 基于改进 算法的多层邮轮疏散系统仿真系统仿真学报，（）：，（）：贾进章，李雪娇 基于遗传蚁群算法的单层建筑火灾疏散路径规划研究 中国安全生产科学技术，（）：，（）：张明空，胡小兵，王静爱 考虑火灾动态扩散过程的高层建筑疏散路径研究 中国安全科学学报，（）：，（）：，：胡玉玲，王飞跃，刘希未 基于 方法的高层建筑火灾中人员疏散策略研究 自动化学报，（）：，（）：朱书敏 基于火灾双区模型的建筑人员疏散复合模拟研究 长沙：中南大学，：，：叶成豪，刘月婵，孙超，等 考虑火灾产物影响条件下的人员疏散仿真研究 中国安全科学学报，（）：，（）：黄有波，吕淑然 建筑火灾仿真工程软件：从入门到精通 北京：化学工业出版社，：作者简介：张华军（），男，湖北武汉人，博士，副教授，主要从事智能控制与多目标优化研究。：。