船舶人员疏散建模：一种考虑摇摆与跌倒的改进启发式方法

《RELIABILITY ENGINEERING & SYSTEM SAFETY》：Modeling pedestrian evacuation in ships: an enhanced heuristic-based approach accounting for oscillation and falling

　　

## 摘要

客船运动，通常表现为由风、浪和流引起的周期性振荡（纵摇和/或横摇），对疏散过程中行人行为与人群动力学具有关键影响。剧烈振荡会严重阻碍移动甚至导致摔倒，从而增加踩踏和人员伤亡的风险。本研究考察了船舶运动参数——振荡方向、振幅和周期——如何影响行人疏散。我们首先通过分析斜坡上行人的期望速度，平衡重力、摩擦力和驱动力来分析。该模型随后被扩展用于模拟动态的船上条件，纳入了瞬时失重和超重加速度的影响。分析表明，船舶运动会降低期望速度。这一修正后的期望速度随后被整合进一种基于启发式的行人流量模拟模型中。此外，摔倒行为通过比较实时速度与最大可实现期望速度来进行建模。模拟结果表明，船舶运动降低了房间和走廊中的疏散效率。更大的振荡振幅和更短的周期会进一步延长疏散时间。将振荡方向从纵摇改为横摇可以部分缓解效率损失。关键是，过大的振荡会引发摔倒，极大地延长疏散时间。本研究增强了对船舶运动下疏散动力学的理解，并为制定大型客船有效的人群管理策略提供支持。

## 引言

由于运载量大、排放低和成本低，海运在运输行业中发挥着至关重要的作用。尽管在过去二十年中，船舶结构设计、运营实践、导航技术和海事法规取得了持续进步，但船舶在航行过程中仍然面临巨大风险。船舶事故时有发生，有时造成灾难性后果[1]。例如，2008年6月22日，"明星公主号"遭遇强大台风袭击后沉没，造成802人死亡[2]。2014年4月16日，"世越号"渡轮因进水翻船沉没，121人确认死亡，逾180人下落不明[3,4]。2025年6月4日，载有3000辆汽车的"晨星麦达斯号"货船发生失控火灾，船员被迫立即疏散并弃船。为减轻此类事件中的潜在损失并确保人员安全，制定有效的疏散策略变得至关重要。

要制定有效的疏散策略，首先需要研究人群动力学，以了解行人集体运动和决策行为背后的机制。对于陆地建筑，已有大量优秀研究从心理和行为角度分析了行人疏散[5]，运用了数学、计算机科学、交通与运输工程、统计物理学、社会学和心理学等领域的研究方法。疏散行为受到固有行人因素和外在环境条件两方面影响[6]，如压力水平、能见度、障碍物和地形结构。疏散过程中心理压力可能加剧，进而改变行人行为。例如，Helbing等人[7]在社会力模型中将期望速度作为压力程度的指标，揭示了"越快越慢"现象的特征。Pastor等人[8]进行了控制实验，通过改变是否允许推挤来建立压力水平，发现涉及推挤的竞争性出口导致疏散时间延长。外部因素如能见度也发挥关键作用。Isobe等人[9]通过实验研究了零能见度下的疏散动力学，观察到行人缓慢地寻找墙壁，然后沿墙壁用手触摸导航。Cao等人[10]表明，出口数量是缩短疏散时间的更为显著的因素，而非出口宽度。建筑物基础设施元素如障碍物也会显著影响疏散效率。Jiang等人[11]设计实验场景表明，在出口附近放置两个障碍物比放置一个或没有障碍物更有利于疏散流量。相反，Ding等人[12]在涉及短跨越障碍物的疏散实验中发现，跨越行为本身降低了疏散效率。Xu等人[13]利用社会力模型比较了出口前方移动障碍物和固定障碍物的效果，发现移动障碍物可以缓解"越快越慢"效应并减少整体疏散时间。在高层建筑疏散中，由于楼梯上速度可能较低，垂直移动往往构成总疏散时间的主要部分。Chen等人[14]进行了单列楼梯实验，在高密度下出现了走走停停波，但未观察到向上游或下游的传播。K?ster等人[15]发现上楼速度普遍低于下楼速度，与休息平台区域无关。Wang等人[16]在具有特定坡度的楼梯上组织实验，发现随着楼梯坡度增加，速度呈下降趋势。Li等人[17]在六个楼梯坡度范围为23°至33°的建筑中确认了类似的速度趋势。这些基于陆地疏散研究得出的见解为国际海事组织（IMO）制定客船和滚装船安全疏散分析指南提供了参考[[18], [19], [20], [21], [22]]。

船舶运动通过降低行走速度对疏散过程产生显著影响[[23], [24], [25], [26]]。反映这一关切，IMO建议开展大规模实验研究船舶运动条件下人员移动特征，旨在为指南提供有效数据[18,19]。因此，在此类条件下研究个人行走速度具有重要意义[27]。横摇和纵摇是两种最突出和最基本的运动模式，影响船舶稳定性并显著影响船上活动。Bles等人[28]使用液压系统研究了横摇（0°至15°）和纵摇（-20°至20°）对行走速度的影响，发现纵摇条件下速度可降低达35%。Lee等人[29,30]和Vanem与Skjong[31]采用走廊模拟器进行动态实验，观察到纵摇幅度在-10°至10°范围内时，行走速度降低10%至20%。Sun等人[32,33]使用倾斜船舶走廊模拟器进行的实验表明，在坡度小于10°的下坡行进中，人体行走速度增加，而在等效角度下，横摇对速度的影响通常小于纵摇。Wang等人[22]在训练船上进行行人行走实验，报告称船舶运动使正常行走速度降低3.8%至10.3%，快速行走速度降低3.7%至14.0%。同样，Fang等人[34]使用模拟器进行了多人倾斜实验，表明随着倾斜振幅增大，疏散时间增加。然而，由于实验设备限制，人体行走实验往往在理想化条件下进行，导致结果离散。因此，这些结果可能无法完全捕捉人体在任意倾斜角下的完整运动特征。

为完善疏散实验结果，已开发了若干适用于倾斜船舶的人体运动模型。这些模型主要利用连续模拟工具系统地分析船舶倾斜对人员移动的影响。Kang等人[35]采用改进的社会力模型模拟船舶倾斜下的疏散，纳入了推挤行为的影响。他们发现，虽然推挤行人比例降低会缩短疏散时间，但频繁推挤会显著增加疏散时间。Chen等人[36]建立了考虑行人摩擦和排斥的元胞自动机模型，模拟了行人相互作用对疏散的影响。其结果支持在行人疏散场景中"越快越慢"效应。Ma等人[37]提出了一种扩展的元胞自动机（CA）模型，模拟表明当船舶横摇幅度超过20°时会发生致命事件。Fang等人[38]通过引入对抗重力的自调节力扩展了社会力模型，从而研究了倾斜甲板上的疏散效率。其工作揭示，运动速度并非效率的唯一决定因素，倾斜角也发挥关键作用。随后，Fang等人[39]开发了一种新颖的双层社会力模型（2L-SFM）来研究横摇条件下的行人疏散。他们表明，随着横摇幅度增大，行人更显著地受到船舶运动影响，导致疏散时间指数级增加。Arshad等人[27]采用数据驱动技术，对历史行走速度数据进行聚类以生成场景，并纳入调整方案以考虑船舶横摇对疏散规划中乘客速度的影响。总体而言，这些研究表明船舶疏散模型在模拟动态条件下的人员疏散方面能力不断增强。然而，乘客运动行为与动态船舶运动之间的关系仍未得到完整表征。

在风、浪和流的影响下，船舶表现出周期性振荡运动（纵摇和/或横摇）。这些振荡的振幅和周期会显著影响行人行走行为。Guo等人（2025a）利用六自由度船舶运动平台研究了横摇和纵摇振幅以及运动周期对个人行走速度的影响。其实验表明，随着振荡振幅增大和周期减小，行走速度下降。值得注意的是，当振幅超过7.5°时，速度出现显著下降。然而，导致速度下降的振幅增大/周期减小的内在机制未被充分探索，同时纵摇和横摇运动的共同效应也未加以考察。本研究通过分析作用于行人身上的重力、摩擦力和驱动力，分析了行人行走速度与动态船舶运动之间的关系。我们提出，振荡振幅增大降低了行走面上的正压力，从而削弱了可用的摩擦力。同时，振荡周期缩短加剧了失重和超重感，两者均削弱了前进所需的推进力。基于这一受力分析，建立了推进力与行人期望速度之间的关系。在此基础上，我们开发了一种基于启发式的模型来模拟动态运动船舶上的疏散场景。该模型还通过将行人的实时行走速度与给定摩擦极限下可持续的最大速度进行比较来纳入摔倒行为。单出口房间疏散的模拟表明，横摇/纵摇振幅增大和周期减小均对疏散效率产生负面影响。有趣的是，横摇和纵摇角度的共同效应表现出最小的额外影响。在走廊疏散中，振幅增大和周期减小也降低了给定密度下的行走速度。此外，发现剧烈的波动会阻碍在逆流情况下稳定车道的形成。此外，摔倒会显著延长疏散时间，甚至可能导致行人无法逃生。本研究的发现为在恶劣风浪条件下运营的船舶制定有效疏散策略提供了有价值的见解。

本文其余部分组织如下：第2节分析压力、摩擦力、驱动力以及期望速度之间的关系。第3节开发了一个模型来描述船舶运动与行人行走之间的关系。第4节展示了船舶不同位置处的模拟结果。最后，第5节对研究进行总结。

## 分节片段

### 斜面上的受力分析与速度选择

在风、浪和流的影响下，船舶表现出周期性振荡运动。船舶振荡角度（横摇和/或纵摇）、运动周期和运动振幅等因素可能影响行人步态动力学。为研究船舶运动条件下的行人流，第一步是分析个体在固定斜坡上的自由行走速度。这种方法便于随后将运动周期纳入分析。

在具有固定倾角的斜坡上……

### 船舶运动下的基于启发式的模型

本节中，我们提出了一种改进的基于启发式的模型，建立在Moussa?d等人[40]的工作之上。该模型纳入了期望行走速度与船舶运动之间的关系，以及行人摔倒现象。

在行走状态下，模型假设行人在[γ??γc, γ?+γc]范围内选择一个运动方向γ，其中γ?为目标方向，γc为视野角。对于该范围内的每个可能方向γ，行人i评估……

### 模拟结果

船舶疏散模型考虑两种主要场景：公共区域（如餐厅）和通道。船舶事故发生时，大多数行人从公共区域疏散至安全区域，主要穿越甲板走廊。为模拟此过程，场景简化如下（图5）：(i)一个10米长、10米宽的房间，一面墙中央有一个1.5米宽的出口。(ii)一个10米长、3米宽的走廊，采用周期性边界条件建模。

周期性边界
结论
本研究提出了一种扩展的基于启发式算法的模型，用于模拟船舶疏散期间的人群流动，该模型纳入了船舶运动和行人跌倒的影响，以评估紧急疏散能力。至关重要的是，在船舶运动下期望的行人速度与原始启发式模型中假设的平坦表面上的恒定值不同。准确表征船舶运动因素的影响——包括振荡方向（纵摇和/或横摇）、幅值以及
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