摘 要

客轮人员应急疏散行为研究是大、中型客轮应急疏散管理的重要辅助性工作。研究客轮人员在紧急情况下的疏散行为并利用仿真技术进行模拟，揭示客轮人员疏散过程中的一般规律，不仅能够促进客轮结构的合理设计，而且能够有效验证客轮人员应急疏散预案的科学性和合理性，并且可为客轮的人员应急疏散相关安全培训和演练提供指导性意见，为事故发生时客轮的人员应急疏散工作提供决策性参考。

博弈论是研究具有斗争或竞争性质现象的数学理论和方法，通过使用数学和逻辑学的方法来分析个体在群体中的运作规律。因此，本文基于博弈论，采用文献查阅、对比分析、数学建模等研究方法，对客轮人员在紧急情况下的行为决策进行了分析，首先基于博弈论建立了电梯和楼梯选择行为博弈模型以及出口选择行为、出口合作和竞争行为等博弈模型，然后设定场景对博弈模型进行了计算分析，最后将计算结果与基于Pathfinder仿真结果进行对比，验证了模型的有效性。从博弈模型计算结果和Pathfinder仿真结果均可看出客轮人员在应急疏散过程中的行为决策主要取决于该行为花费的时间，并且在电梯、楼梯的选择中，选择电梯、楼梯的人群比例与其疏散时间成反比；在出口的选择中，个体会优先选择距离自己较近、聚集人数较少并且障碍物较少的出口。

关键词：客轮；博弈论；疏散行为；Pathfinder

Abstract

The research of the personnel emergency evacuation behaviors is an important supporting work in the study of large and medium-sized passenger ship’s emergency evacuation management. Applying the simulation technology to research and simulate the evacuation behaviors of passengers on boat to reveal the general rules in the process of evacuation, which can not only promote the reasonable design of liner structure, verify the scientificity and rationality of passenger ship’s emergency evacuation plan effectively, but also provide guidance for the safety trainings and drills, as well as decision-making reference for the captain or other staff at the time of the accident.

Game theory is the mathematical theory or method to study the phenomenon which is in the nature of struggle or competition, it analyses individual operation rules in a group by using mathematics and logic methods. Therefore, this study based on game theory, using the literature review, comparative analysis, mathematical modeling and other research methods to analyze the emergency evacuation behavior of the liner’ passengers. Firstly, Establishes the game model of the choice between elevator and stair based on evolutionary game theory, and the game model of exports’ choice and exports’ behaviors including cooperation and competition based on classical game theory, then set the scene. Finally, this study calculates results based on game models and simulates by Pathfinder, compares the simulation results with the calculations to verify the validity of the models. From game models’ calculations and simulation results this study concludes that person’s evacuation behaviors of emergency evacuation in the process depend on the utility and the amount of time taking this behavior. Between the choice of elevators and stairs, the proportion of passengers who choose elevators or stairs is inversely proportional to the evacuation time. In the choice of exports, individuals give preference to the export which has closer distance and fewer obstacles, fewer people gathered in that export.

Key words: Liner; Game theory; Evacuation behavior; Pathfinder

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究内容 3

1.4 研究方法及技术路线 4

1.4.1 研究方法 4

1.4.2 技术路线 4

第2章 博弈论和客轮应急人群疏散行为特点 6

2.1 博弈论简介 6

2.1.1 博弈论要素及分类 6

2.1.2 演化博弈论 7

2.2 客轮应急人群疏散特点 8

2.2.1 紧急疏散时人群心理 8

2.2.2 客轮应急人群疏散特点 8

第3章 基于博弈论的人员疏散行为模型 10

3.1 影响人员疏散行为因素 10

3.2 自主决策-从众策略行为模型 10

3.3 自主决策人员应急疏散行为模型 11

3.3.1 电梯、楼梯选择行为模型 11

3.3.2 出口选择行为模型 13

3.3.3 出口合作、竞争行为模型 15

第4章 基于Pathfinder的客轮人员应急疏散行为仿真与模型验证 17

4.1 Pathfinder简介 17

4.2 基于Pathfinder的出口选择行为疏散仿真 18

4.2.1 出口距离不同时的人员疏散行为仿真 18

4.2.2 出口不同聚集人数时的人员疏散行为仿真 18

4.2.3 出口分布障碍物时的人员疏散行为仿真 19

4.2.4 折返行为仿真 19

4.3 博弈论人员应急疏散行为模型计算分析与Pathfinder仿真验证 20

4.3.1 基于博弈论模型的人员应急疏散行为比例计算 20

4.3.2 基于Pathfinder的客轮人群应急疏散过程仿真 22

第5章 结语 25

5.1 总结 25

5.2 展望 25

参考文献 26

致 谢 28

第1章 绪论

1.1 研究背景

随着经济的快速发展，海上旅游逐渐升温，根据国家《2014年交通运输行业发展统计公报》，2014年全年城市客运系统运送旅客1315.66亿人，比上年增长2.5%；2015年11月，我国水路客运量为0.2亿人，同比增长2.7%。水上旅游业的蓬勃发展在促进航运经济的同时，客轮安全事故也屡有发生。客轮是一种以载客为主要功能的船舶,船上人员众多,尤其是大中型客轮载客量可高达上千人, 一旦发生事故，容易导致巨大的人员伤亡和财产损失。如2015年6月1日，从南京驶往重庆的客轮“东方之星”轮在长江中游湖北监利水域发生翻沉事故，造成442人遇难的惨案，震惊了全世界。有关事故统计见表1.1。

有效疏散是客轮发生事故时减少人员、财产损失的重要保证。客轮作为作业于水上的特殊建筑物，出现危险事故时，可能会由于船体破损进水使船舶受力不均导致摇晃、倾斜等，加剧人群恐慌，严重影响船舶疏散效率。SOLAS规定三层以上客轮允许总疏散时间为80min，期间还包括搭乘救生设备入水时间，可见船舶对人员安全疏散效率要求极高。经相关调查，影响船舶内部疏散效率的主要因素是旅客的疏散行为，因此只有详细地分析紧急情况下旅客疏散行为规律才能更好地优化船舶逃生出口的位置，周围设备的设置地点，帮助旅客更快更安全的疏散。博弈论是一种比较成熟、基于人性的分析方法，它能真实地反映人群在博弈中的利己行为，因此本文引入了博弈论的分析方法，将其运用到客船紧急疏散情形中，可以详细、切合实际地分析人群处于紧急情况下的疏散行为，有利于对人群疏散行为规律的研究。

表1.1 近年客轮事故

1.2 国内外研究现状

早在上个世纪初，国外就开展了有关人群紧急疏散行为的研究，并取得大量成果。苏联艺术科学院建筑研究所研究人员在上世纪三十年代开始研究密集人群流动特点，发现人群移动速度与人群中人员密度成反比。对行人流的详尽研究始于Fruin^[1]，他在1971年的博士论文中，详细介绍了行人流的速度、密度、个人需要占有的面积、流量等因素之间的关系。Henderson^[2]认为行人的运动行为类似于气体或流体的流动，最早提出了人员疏散流体力学模型这一宏观模型，该模型将人群看成一个整体，研究整个人群的疏散过程，虽然为后来很多研究提供了基础，但是忽略了个人特性，与真实疏散过程相比，存在较大偏差。Helbing^[3]等人在1995年提出了一种微观连续模型，考虑人群自我驱动力，人与人之间的作用力以及人与其他障碍物之间的作用力，利用牛顿第二定律，建立社会力模型，这种模型在世界范围内得到广泛应用。建立模型需要考虑众多影响因素，Erica Kuligowski^[4]重点研究了火灾疏散模型中人群心理决策主要应考虑的因素，以及这些因素对疏散过程的具体影响，该研究对后来调查问卷的设计提供了很好的帮助。随着科技的进步，关于人群疏散的研究也越来智能化，Ibrahim^[5]将陆上交通中的监控、交流、路径设置等智能系统应用到人群疏散模型中，为该领域的研究提供了新思路。