航空母舰通道布置对疏散逃生性能的影响

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刘伯运1,周晓松2,闫书逸3 摘 要:[目的]航母逃生疏散过程复杂,难以量化。[方法]针对这一问题,发展了疏散人员行为模型的多用途理(MUPI)算法。基于EXODUS智能代 软件,对美国海军“萨拉托加”号航母的疏散逃生过程进行模拟,并对模1m拟结果进行灰关联分析。[结果]结果显示:逃生时间随出口宽度的增大而减小,当出口宽度小于 时,出口宽2m度对逃生时间的影响相对较大,而当出口宽度大于 时,改变出口宽度对逃生时间影响较小;增大出口宽度比3增大出口数量表现出更好的逃生效果;对于平均行走距离、最远行走距离和平均用时这 个指标,楼梯宽度的影响大于门宽和救生艇数目的影响。[结论]所做研究可为国产航母总布置设计提供参考。关键词:疏散逃生;多用途智能代理;EXODUS;灰色理论;航空母舰;舰船设计中图分类号:U662.2 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1673-3185.2018.02.001 Influence of carrier corridor configuration on evacuation performance LIU Boyun1,ZHOU Xiaosong2,YAN Shuyi3 1 College of Power Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China 2 National Academy of Defense Science and Technology Innovation,Academy of Military Sciences PLA China, Beijing 100071,China 3 The 92001th Unit of PLA,Qingdao 266000,China

Abstract:[Objectives] The aircraft carrier escape and evacuation process is complex and difficult to quantify.[Methods]To solve this problem,this paper develops an intelligent multi-purpose intelligent agent(MUPI)evacuation behavior model and simulates the evacuation process of aircraft carrier Saratoga on EXODUS,and the simulation results are verified by grey relational analysis.[Results]The following conclusions are obtained:escape time increases with the decrease of exit width when the exit width is less than 1 m;the influence of exit width on escape time is relatively large;when the exit width is greater than 2m ,changing the exit width has less effect on escape time;increasing the exit width has a better effect on average escape time than increasing the number of exits;for the three indicators of walking distance, distance travelled and average time taken,stair width has a greater effect than gate width or number of lifeboats.[Conclusions]The research findings of this paper can provide references for the layout design of domestic aircraft carriers. Key words: evacuation; multi-purpose intelligent agent (MUPI); EXODUS; grey-system theory; aircraft carrier;ship design

1 430033海军工程大学 动力工程学院,湖北 武汉2 100071中国人民解放军军事科学院 国防科技创新研究院,北京3 92001 266000中国人民解放军 部队,山东 青岛

0引言

航空母舰(以下简称“航母”)作为各国海上军事实力的象征,在海上作战中起着重要作用。作为一个超大型的海洋堡垒,其所能容纳的舰员数量巨大,在生命价值如此宝贵的今天,一旦发生紧急情况,如何更好地保证舰员的生命安全显得非常重要,所以对于现代航母来说,航母内的疏散逃生能力是一个非常重要的问题。随着航母逐渐成为海上霸主,针对航母的研究越来越多,其舱室布置和通道的设计研究越来越受到人们的重视。首先是在设计阶段开始考虑更多人的因素,增加了许多更加人性化的设计,之后再结合长期的航海实践经验总结对设计进行改动,但有关人机效能的航母通道布置研究并不多。张玉梅[ 1 ]总结了舰船人—机—环系统的典型特征,并根据技术体系划分,对我国舰船人—机—环系统工程未来的发展趋势进行了分析。王宇等[2]将引力搜索算法引入到模型中,从而形成了一套舱室分布设计方法,其将噪声、面积等所需要的参数作为输入,通过寻优即可得到设计方案[3]。本文将基于美国海军“萨拉托加”号(CV-60) EXODUS航母甲板舱室布置图,在 软件中进行疏3散逃生的模拟仿真。首先,设立 种不同的通道布置方案;然后对获得的数据结果进行模拟仿真;最后,对结果进行灰关联分析。

1 疏散人员行为模型 1.1 多用途智能代理

Artificial Intelligence,AI)领在人工智能( 域,代理具有多重含义,其通常被认为是一个具有解决问题能力的软件模块。如果在疏散模型中使用代理的概念,就能将行为模型从疏散模型中分离出来,这就意味着与传统方法相比,行为模型的复杂性仅增加了相对较小的工作量。本文定义了一multi-purpose个智能代理模块,并对智能代理( intelligent agent,MUPI )算法进行了多用途拓展。MUPI是一种模仿人类行为的人工智能引擎,可用于各种领域,如基于规则的行为系统。但要定义疏散人员所进行的合适的行为系统,需要定义大量的规则,所以缺乏适用性。Schmidt PECS本文基于 的 模型[4]定义了MUPI的属性和运行模型。PECS代表了人的身体状态(Physical status)、情绪状态(Emotional status)、性(Cognitive attributes)和 态(Social认知属 社交状 status)。这些属性用于在某些情况下进行决策和选择操作。由于人的行为被多种以复杂方式相互作用的影响因素决定,所以在人的行为建模的前2处理步骤中,将人的行为划分为 个主要类型:反1)。应行为和协商行为(图 反应行为可以简单地基于规则建模而不包括任何一种思考过程。本能行为、学习行为、驱动控制行为和情绪控制行为都包含在这种行为种类中,如果一个人被别人推了一下,他为了不摔倒会推回去,这就是一个典型的本能行为。与本能行为没有在经验上的忍受或学习信息不同的是,学习行为具有这些要素,如避火行为、上楼梯之前的判断行为,都可以归结为学习行为。驱动控制行为和情绪控制行为是更复杂的反应行为,他们要满足社交的、情绪的和人身体的愿望,驱动控制行为在人类进化过程中扮演着重要的角色。由于在情绪控制行为方面几乎没有相关的研究发现可以MUPI追溯,所以在 的构建中排除了情绪因素。协商行为不遵循预定义的静态规则,它用包含的紧急行为来解决问题。一些用于思考和推断种类的模型可以在构建这些行为中使用,推断行为和反思行为均属于协商行为种类,路径寻找和漫游机制也是基于协商行为进行选择。Schmidt 4 [ ]提出行为的选择是由动机的强烈程度决定的,人们总是选择动机最强的那种行为。然而大多数人MUPI的行为包含各种可能的行动,反映到 算法,故改变了行动选择机制,增加了激励向量,并结合它们产生最终的自我推进,这种改变让同时激活各种行动变得可能。

1.2 PYNAMICS——MUPI的物理模型

正如地球上存在的其他物体一样,疏散人员也受到物理规则的控制,他们不能超越某速度而且有可能与彼此或舱壁碰撞,模拟人行为的代理

算法必须遵守并反映这个物理规则。因此,发展PYNAMICS。在MUPI了计算物理反应的物理模型中,舰员的加速度由其自我推进力和与其他人相 PYNAMICS在 模型中使用牛顿定律: dvi ( t ) dxi ( t) (1) miai ( t )= f ()® t = ai ( t )® = vi ( t ) i dt dt式中: mi 为第i个人的质量; ai ( t ) 为第i个人在t时刻的加速度; fi ( t ) 为第 i个人在t时刻的作用力;vi ( t ) 为第i个人在t时刻的速度;xi ( t ) 为第i个人在t时刻的位移。决定模型适用性的点是习惯,我们将其描述为力,PYNAMICS模型中使用的合力方程由下式给出: å å å 2 fi ( t )= f + fij ( t )+ fib ( t )+ f ()-C t ( ) sp v式中:f 为疏散人员的自我推进力,其变化范围sp 30.3~66.6 N[2];Cv为 为速度保持力,是一种疏散人员速度的阻力比例项。一个人的最大速度由f 和 Cv 联合决定: sp

(3) v = f Cv max sp式(3)是当所有外力,如fij fibf都为0,并且加速0度也为 时推导得到的。fij 为疏散人员之间的相互作用力: =( ×( )+ )nij fij k rij - dij c ×D vji n + kt ×( rij - dij )Dvt t p p ji ij (4)式中:k 和 c 分别为物理弹性常数和物理损伤常p p

数;kt 为人员之间的距离常数;t 为时间;i j 分别为水平方向和竖直方向的分量;n为人员数量。

( )

物理力的正常分量由与重叠距离 rij - dij 成

比例的弹力和与相对速度成比例的损伤力组成,而切向分量是滑动摩擦力。 fib 为疏散人员与边界间的相互作用力,与 fij 类似但系数不同,不同3)。的系数可以代表不同属性的边界,如木和钢(图=[k ×( - fib ri dib )+ c ×D vn]nib + b b i k ×( ri - dib )×( vt × tib )tib bt (5) 互作用产生的所有外力向量来决定,其速度则由加速度决定,然后再决定位移和位置。这些计算2)。结果在以下决策过程中被使用(图 式中:k 为人员与舱壁之间的距离常数;k 为人b bt员与舱壁间距离随时间变化的量;c 为疏散人员b

乘积系数。从船舶与人员鞋底接触的斜面中得到的力 f

与 mgsinθ 成正比,而表面与鞋底之间的摩擦力在

一定程度上则和 mgsinθ 保持平衡,因此假设: f =( 1 - μ')mgsinθ其中,0 < μ' < 1 ,为滑差损失系数,它反映了斜面

和鞋底的接触状态。

2 仿真结果

本节将比较不同出口宽度下的逃生时间。仿10m 100真舱室为边长为 的正方形,舱室中有 个5 1平均分布的舰员,如图 所示。表 示出了出口

0.8,0.9,1.0,1.2,1.5,2.0,2.5 3.0 m宽度分别为 和时的仿真结果。 表1 不同出口宽度下的逃生时间Table 1 Evacuation time for different exit widths 6 7图 和图 所示为最后一个人的逃生时间和平均逃生时间随出口宽度的变化关系。由图可1m见,当出口宽度小于 时,出口宽度对逃生时间2m的影响相对较大,而当出口宽度大于 时,发现改变出口宽度对逃生时间的影响较小。究其原因,发现实际上主要受舱室内舰员拥向门口速率的影响,当此速率大于门口挤出速率时,门宽越大越好,但当此速率小于门口挤出速率时,门口宽度再加宽就影响很小或是根本无影响了。1 2m 2 1m此外,还对 个 宽出口和 个 宽出口2 2的仿真结果进行了比较。表 所示为 种工况下最后一人的逃生时间和平均逃生时间的仿真结果。结果表明,1 2m个 的出口的逃生效果更好。不同舱室配置下逃生时间的不同可以帮助设计师选择更为合适的舱室配置。

3 基于EXODUS的疏散逃生模拟

为解决船舶疏散逃生问题,Maritime EXODUS软件应运而生,旨在为实际船舶遇险后的疏散逃生方案和处理提供建议。该软件由格林威治大学Fire Safety Engineering Group,火灾安全工程组( FSEG EXODUS )开发,属于 整套软件的一部分。该全套软件主要用于仿真模拟大量人员在各种环境中的疏散逃生和人员流动。EXODUS通常适用于人员众多的船舶,如客船等。对于其逃生路径更复杂、通道更窄的航母,其与客船最主要的差异就是人。航母上的舰员都是经过航海训练的、有纪律、有组织的专业水兵,而客船上的人则是毫无航海体验的、缺乏组织训练的业余游客。所以用EXODUS解决航母逃生疏散问题偏于安全。

3.1 几何布置

在本次人机效能疏散逃生模拟中,以“萨拉托2 3加”号航母第 层和第 层的局部甲板舱室布置为例,分析其疏散逃生性能,以及将如何优化基于人机效能航母通道的疏散逃生能力。EXODUS将甲板布置图导入 软件。由于本模拟仅研究舱室布置和通道对疏散逃生能力的影响,所以将舱室内部设施均简化为障碍物形式。0.5×0.5在通道和舱室内布置 个节点。确定楼梯的各项参数(楼梯类型选择软件默认的普通楼180°,单列楼梯共10梯):其与水平面的夹角为 个0.7 m、高 2.7 m,建立楼梯下端和节台阶,楼梯宽点的连接。选取舱室门位置的左右相邻节点,设置为门节点。设置门的属性,本次模拟中设置的2门共有 种属性:默认普通舱室门和水密门。在

1 PECS图 模型图Fig.1 PECS model diagram

图4 斜面上的力Fig.4 Force of the inclined plane

图3边界和疏散人员之间的相互作用Fig.3 Interaction between boundary and evacuee

2 PYNAMICS的疏散人员模型[2]图Fig.2 Evacuee model for PYNAMICS[2]

图5 舱室配置Fig.5 Room configuration 10m 10m

图6 最后一人逃生时间Fig.6 Evacuation time of the last person 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 00 Width2of exit 4

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