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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