火灾环境下大型邮轮人员疏散时间不确定性分析方法研究

Due to the bulky size, complex structures, relatively closed area, higher passenger load for large cruise ships, great casualties and property losses will be caused by a fire. The treatment of evacuation time uncertainty is a critical issue for fire protection design of large cruise ships, which is focused on in this project. To improve the computational efficiency, a method for uncertainty analysis of evacuation time is proposed based on the central limit theorem, functional analysis operators and sparse polynomial chaos expansion, which can be used to quantify the uncertainty of evacuation time caused by the randomness in occupant response time, walking speed and the initial distribution of occupant load. Moreover, based on the proposed method, the impact of uncertain parameters on evacuation time can be quantified by combining with the coefficient of variation, and the relationship between the safety factor and the level of uncertainty associated with stochastic variables can also be examined. Furthermore, in order to identify the most appropriate evacuation route under uncertainty, a model of the evacuation route planning is constructed based on the hydraulics model with the combination of the Monte Carlo simulation and genetic algorithm, which can be used to plan the evacuation route under uncertain initial distributions of the occupant load for large cruise ships. The method for the combined quantification of evacuate time uncertainty with the consideration of stochastic human behavior and uncertain evacuation scenarios, and the model for the evacuation route planning can be achieved by this project, which can provide a theoretical basis for the risk assessment and fire protection design of large cruise ships.

大型邮轮体积庞大，结构复杂，区域封闭，载客量大，一旦发生火灾将会造成巨大的生命财产损失。人员疏散时间不确定性的处理是邮轮防火设计中的一个关键内容。本项目研究大型邮轮人员疏散时间不确定性分析方法。为提高不确定性分析的计算效率，本项目基于中心极限定理、泛函分析算子和稀疏多项式混沌展开提出人员疏散时间不确定性分析方法；研究响应时间、行走速度和人员荷载初始分布的不确定性共同影响下人员疏散时间的分布特性，结合变异系数量化参数的不确定性对其影响程度，考察安全系数随参数不确定性程度的变化规律；为找出不确定场景下最合适的疏散路径，基于“水力学”模型并结合Monte Carlo模拟和遗传算法建立不确定场景下人员疏散路径的规划模型，研究人员荷载初始分布不确定性下的疏散路径规划。本研究可提供人员疏散时间行为不确定性和场景不确定性的综合量化方法以及疏散路径的规划模型，从而为大型邮轮风险评估和防火设计提供理论依据。

大型邮轮被称为“海上移动的度假村”，载客量大，可燃物多，极容易发生火灾。而由于邮轮火灾的突发性和乘客行为的随机性，使得人员疏散时间具有较为显著的不确定性。为有效对邮轮进行防火设计，需要量化火灾情况下人员疏散时间的不确定性。本项目对倾斜条件下人员运动特征进行了实验研究，获得了倾斜条件下速度、密度及前向距离参数，揭示了它们之间的相互关系。基于多项式混沌理论建立了具有计算精度和效率的人员疏散时间不确定性分析模型，并研究了密度、自由行走速度和响应时间的不确定性作用下人员疏散时间的分布情况；在此基础上进一步研究了人员疏散时间安全系数的变化规律，结果表明安全系数并非常数，而是随着人员疏散时间可靠性概率的升高而增大，尤其在可靠性概率较高时，影响特别明显。基于多项式混沌展开方法和两阶段嵌套式的蒙特卡洛模拟方法及嵌套式的遗传算法提出了不确定条件下设计参数的优化模型，研究了不确定参数作用下出口间距和出口位置的优化，结果表明不确定性情况下最优的出口间距和出口位置随着人员疏散时间可靠性水平而变化，最大疏散距离的最小化所确定的最优值与其存在一定的出入。此外，考虑人员密度的影响提出了当量最短路径模型研究了典型客舱人员疏散路径的规划，结果表明当量最短路径方法明显优于传统的最短路径方法。为研究人员成功疏散的可靠性，提出了基于可靠性指数的人员安全疏散可靠性分析模型，比较了不同条件下火灾增长系数对人员成功疏散可靠性概率的影响，并研究了人员安全疏散可靠性概率对人员密度、出口流量系数、预动作时间、探测报警时间以及知识不确定性系数的敏感性。本项目研究成果可为我国大型邮轮火灾风险评估及防火设计提供理论依据和技术支撑。