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海军舰船人员动态疏散路线
Francisco Peacute;rez-Villalonga1 , Javier Salmeroacute;n2 and R. Kevin Wood2
西班牙海军，国防部，Arturo Soria 287, 28033，西班牙马德里
海军研究生院，Monterey, CA, 93943, U.S.A.
摘要:提出了一种用于舰艇紧急疏散的“动态疏散路径系统”。该系统采用的动态信号可适应突发事件和机组人员的位置关于船的分布。利用网络结构的混合整数非线性规划模型优化了疏散过程。网络的节点表示分隔、闭包(例如：门，舱口和十字路口)，而弧代表各种类型的通道。目标函数集成了两个潜在的冲突因素:平均疏散时间和疏散后船舶的水密和气密完整性。利用一组混合整数线性逼近的问题，用启发式算法近似地求解该模型。以一艘西班牙护卫舰为例，使用设计者指定的标准“静态路线”，计算测试表明，动态系统可以减少平均疏散时间近23%，并可以提高船舶完整性的综合措施高达50%。此外，合理的设计改变了护卫舰的产量，是对船舶的一种实质性改进
关键词:疏散时间;船的完整性;多种商品流;非线性网络模型
1 介绍
军舰被遗弃是一件不太可能发生的事，但如果真的发生了，军舰很可能会沉没或起火。由于这一危险，船员应尽快撤离船内。然而，在撤离过程中，船员应尽量少开舱门、舱口和关闭其他舱门，以保持船舶的水密和气密完整性。本文介绍了一种可配置的信号系统，与现有的静态逃生方式相比，该系统可以减少船员的平均疏散时间，提高疏散后船舶的水密性和密封性。
路线
静态逃生路线是指在船只的通道上或上面所涂上或贴上的标志所指示的路线（走廊、楼梯)，引导撤离者到集合站，即离船前，这种路线系统是“信息非自适应”的。一个动态逃生路线系统(DERS)也会引导撤离者到集合站，但它将包含电子或机电信号，可以根据具体的损坏情况进行配置。例如，堵塞了通道，会为船员的实时分配关于这艘船的信息;这样的系统是“信息自适应的”，“通过将额外信息与适当的信号相结合，与静态路线相比，动态系统在减少疏散时间，从而提高船员安全方面具有明显的潜力。”
国际海事组织(IMO)为商船和客船制定了安全程序，以遵守国际海上人命安全公约(SOLAS)[14]。北大西洋公约组织(北约组织)最近制订了类似的规章，作为其海军舰艇守则的一部分(北约组织海军军备组[18];虽然这些规定对北约成员国来说不是强制性的，但至少有一个成员国，即英国，已经通过了[15]。文献摘录:
海军舰艇应充分设计、建造、装备、维护和提供设施，以便在所有可预见的紧急情况和损坏情况下，对所有已上船人员进行逃生、疏散和营救([18]，第85页)。疏散和疏散分析与疏散和疏散演示应确保疏散和疏散措施的有效性得到优化([18]，第88页)。
显然，海军舰艇目前使用的静态逃生路线系统是不协调的，通过这些规定，我们不认为在紧急情况下，DERS会优化逃生路线(尽管未来的研究可能会证明这是可能的)。相反，我们期望可以提前建立备选的路线配置。然后，给定(a)具体的应急情况，(b)船舶的损伤情况或预期损伤情况，(c)船员在船舶上的物理分布，船舶的损伤控制官将选择最适合该情况的疏散方案。或者，一个自动化系统也可以在损害控制官的监督下进行选择。信号可能由指向行进方向的发光(可能是电动的)箭头标志组成，并根据预先存储的最适合应急情况的设置来激活。
DERS特别适合海军舰艇，因为(a)这样的舰艇上的船员都受过良好的训练，并且非常熟悉自己的船舶，因此应该可以很容易地跟踪特殊信号，(b)与客轮上的乘客不同，海军舰艇上船员的位置在大多数情况下是相当准确的，并且(c)船舶的物理条件，在美国，由事故或敌对行动引起的“损害状况”应该比在商业船只上得到更好的定义，因为海军舰艇在建造时就考虑了广泛的损害控制。
我们提出的逃生方案将根据一个数学规划模型的解来确定逃生路线，该模型在给定的损坏情况和人员分布下，将平均疏散时间和“船舶完整性指数”的加权函数最小化。(为简单起见,我们使用“完整性”代替以后的“防水和密封完整性。”)船舶完整性是很重要的,因为(a)受损船停留的时间越长,越有机会船员获救,(b)如果船保持其完整性,它可能不会下沉,可以挽救和恢复服务,成本远低于建造新船。
加权目标函数的优点是它的最优解是“有效的”(即“非主导”或“帕累托最优”)。 Ehrgott [6]， 第24页，第68页)。求解不同权重的模型并不能
保证所有有效解的生成;约束一个目标和优化另一个目标的技术可以帮助找到额外的有效解决方案(如， Ehrgott [6]， 第98到110页)。但是,我们的计算经验表明，加权的方法产生的有效解只在两个目标函数的权衡曲线(“有效边界”)上留下有限的界。因此，当需要建立一个适当的权衡时，决策者可以从作为分析师的我们提供的大量选项中进行选择。
对加权方法的一个潜在的反对意见是，它混合了不同单位的值(例如，罗森塔尔[23])。在我们的例子中，我们混合了时间单位和舰船完整性单位。前者可能被视为具有部分经济价值——努力使船保持漂浮状态以便能被打捞上来——而后者主要与拯救人员生命相关。然而，军事规划者一直在做这样的权衡，至少是含蓄地，我们的方法可以为规划者提供广泛的解决方案，让他们从中选择适当的权衡。如果另一艘船的计算结果在一个目标上表现出较大的跳跃，如果权重仅适度变化，可以考虑采用目标编程方法。
本文的其余部分如下。第二部分描述了船舶疏散过程并回顾了相关文献。第三部分解释了我们的建模假设，并给出了问题的数学公式。本节还描述了我们用来近似求解问题的启发式算法。第四部分给出了应用于一艘西班牙护卫舰的DERS模型在几种紧急情况下的计算结果。第五部分总结全文并给出结论。
2.船舶疏散和疏散模型
2.1态势感知和损伤信息
海军舰艇的指挥官通常会很好地了解舰艇的状态，包括人员的位置和舰艇的物理条件。三个概念是理解这一点的关键:
·由指挥官(CO)下令时的值班准备情况，或简称为“值班情况”，决定了哪些站有人值守以及值守到什么程度，根据船舶的组织条例草案(“值班、季节和港口条例草案”)。
也就是说，值班条件或多或少地决定了船员在船上的实际分布情况。典型的例子是在战斗期间和紧急情况下使用的“一般位置”和“和平时期巡航位置”。在总司令部，除了少数例情况，每个船员的位置都将被精确地知道，因为他们将在预先分配的战斗岗位上。在和平时期的巡航中，只有站岗值班的船员的位置才会被精确地知道，但是对于在睡眠区和食堂的船员人数应该会有很好的估计。
·准备就绪的物质条件，或简单来说“物质条件”，也由CO命令，定义进入船的不同区域的程度。所有的封闭都用一个字母标记，该字母根据订购的物质条件确定封闭是打开的还是关闭的(美国政府印刷局[27])。例如，物质条件斑马适用于作战行动，提供了最大程度的完整性，但在船上的可达性最低:标记为“X”、“Y”和“Z”的封闭在这种情况下都是关闭的。另一方面，当船舶没有明显的危险时，才适用物质条件X射线:只有标有“X”的封闭是关闭的。枷锁是一种中间条件，用于战时但非战斗情况，要求关闭“X”和“Y”封闭。实际上，物质条件决定了船舶在事故前的完整性水平。
·如果一艘船受到任何损坏，它的损坏控制官员会命令修理人员对损坏进行评估和报告，并设法扑灭火灾或阻挡漏水。目标是保持舰艇的战斗能力，并使最终返回港口成为可能。除了某些灾难性损坏的情况外，损管人员和CO应该对船舶的损坏有一个准确的估计，包括(a)哪些航道是否因损坏或修理工作受阻或部分受阻，以及(b)紧急的电台。
分析可能导致弃船的事件序列，在考虑上述三个概念的同时，我们确定了两个预先规划，在一般情况的疏散下，计划将适用：
·第一种情况，延迟弃船。
如果被导弹或鱼雷击中，或者其他情况，万一发生意外，船只可能不会立即放弃。船员将首先被命令到普通宿舍(海斯[11])。然后，损伤控制人员、修理小组和其他船员将评估损伤，并在可能的情况下开始损伤控制。在这个阶段,动态逃生路线可能是基于(a)损伤的位置和程度的损害控制官报告的修复情况,(b)准确了解船员的物理分布,众所周知大多数机组人员将在他们的确定位置(其他情况将取决于位置的控制的损害控制官,事实上,一些电台可能无法使用因为损坏或失火),(c)大多数封闭的已知状态。(一般的宿舍的物质条件，虽然损坏和损坏控制措施可能会改变一些封闭的状态。)在这种情况下，逃生路线将引导船员从已知位置出发，沿着未损坏的通道到达未损坏的集合站，并可能避免维修人员需要的路线撤离。
·第二种情况，立即弃船。
一艘船可能被鱼雷、导弹或其他武器严重损坏，几分钟甚至几秒钟之内，它的损伤就会很明显。在这种情况下，DERS将结合适用的值班和物质条件的最佳数据。DERS也可以包含一些关于实际损害的信息(例如，一艘受到水雷威胁的船，至少可以预料到水线以下会发生任何损坏。来自视觉观察）
案例1适用于大多数最终必须弃船的情况，我们看到，这个“标准案例”也将为选择接近最优的DERS疏散计划提供最准确的数据。
案例2是“后备案例”，如果船只在很少或没有警告的情况下受到撞击，将使用这种案例。例如，在1982年的马岛战争中，阿根廷巡洋舰ARA General Belgrano号在被英国潜艇的鱼雷击中后仅几分钟就沉没了。（Woodward [28]149 到163页)。在第一枚鱼雷爆炸之前，贝尔格拉诺将军既没有探测到潜艇，也没有探测到鱼雷。然而，即使在这种情况下，DERS也会利用部分信息，具体来说，(a)机组人员分布的完整或部分图像，这取决于值班条件;(b)每个封闭的状态不受影响，这取决于物质条件。例如，Belgrano将军在被击中时正处于监视状态(Armada Argentina[1])，因此，其船员的实际分布应该已经有一些信息。
即使在情况2中信息不完整，DERS也可能比静态系统提供更好的逃生路线。通过增加传感器来识别无法通行或损坏的通道，并确定每个隔间的确切人数，该系统可以在所有情况下做出同样好的反应。
2.2船舶疏散模型
对任何建筑物的居住者的疏散过程。建筑、飞机、客轮、海上平台，甚至为某一地理区域的居民，都已被模拟采用两种基本方法的文献:
- 优化模型为撤离人员搜索最优路线，撤离人员通常被视为单一的、同质的个体，在这种个体中，个人行为可以被忽略。这些模型是典型的线性或非线性程序，可以看作是网络流且带有约束的模型(例如： Chalmet等人[2]， Chiu等[3]和Choi等人[4])。
- 离散事件模拟考虑了个体的运动和不确定行为，试图现实地反映在疏散过程中做出的决定。(如，消防安全工程集团[7]，Taaffe等。[26])。
我们选择优化模型，因为海军舰艇训练有素的船员可以预测其移动的方向。优化模型更有利于提供我们所期望的规定性的、疏散路线的解决方案。然而，我们的优化模型，即使是简化的线性化形式，也比[2]-[4]中的模型要复杂得多。特别是，疏散人员不是同质的，因为在疏散时，在一个特定隔间内的机组人员必须作为一个群体遵循单一的疏散路线。这意味着我们的模型需要多个体流结构，而不仅仅是单一个体结构。此外，组的建模需要使用二进制流变量，再加上每个集合站的容量约束，意味着线性化的模型并不比“多背包问题”更容易解决。多重背包问题是NP-hard (Karp[16])，因此我们的模型实际上是一个难以解决的非线性整数编程模型。
下一节发展船舶疏散过程的优化模型(a)船舶的水密和气密完整,(b)调整有关运动的数据，疏散同质人口的速度，(c)明确纳入诸如密封盖,阻塞通道的物体和对抗性的运动(“反向流”)的维修人员,和(d)确定每组机组人员的疏散路线。
3.数学模型与算法
3.1概述和准备工作
我们通过来自技术和施工图的定向网络H = (N, a)表示船舶的“布局框架”:这是“DERS网络”。节点表示间隔、封闭和通道的交叉点，弧表示疏散者可能使用的通道以及行进方向。源节点表示“弃船”时船员所在的舱室。船员弃船的集合站，表示“集合节点”。
每个舱室的乘客（即一组），在H定义的多人流模型中，定义为单独的单位。每个集合节点通过一个人造弧连接到一个超级汇聚点，该汇聚点对每组人员的需求都是一个单位。这代表了一个合理的假设，即一个组中的所有成员将遵循相同的路径并到达相同的集合站(模型将选择哪个集合站)。对这些集合站弧的联合容量限制——每组人应用一个从“组”到“组中成员人数”的转换因子——代表了集合在那里的成员人数的上限和下限。上限反映了设在集合站的救生艇的有限容量，也可能反映了那里救生衣的有限数量;下界反映了正确管理救生艇所需的最少船员人数。(在高度准备的情况下，每个船员可以先穿上充气救生衣。在这种情况下，每个集合站的救生衣供应将变得无关紧要，但救生艇的容量将继续限制任何疏散行动。
该模型试图最小化一个目标函数，该函数合并了由疏散指数T和船舶完整性指数I表示的两个目标。指数T反映了所有机组人员的平均疏散时间，而指数I则反映了为帮助疏散而打开的封闭设施的数量。这两个目标在一定程度上是相冲突的，水密或气密门可能会加速疏散，但也可能会降低船舶的完整性。一旦打开，封闭可能不会关闭(“重新密封”)，原因如下所述，一个开放的关闭会降低完整性，因为它增加了船舶的体积导致浸水或火灾损坏。
该模型是一个具有底层网络结构的非线性、混合整数规划的模型，很难精确求解，主要有两个原因:
bull;撤离人员g组穿越弧的速度Sgij (i, j)大约取决于同时穿越弧的撤离人员总数。我们对客船采用国际海事组织推荐的速度函数，但没有年龄或性别校正(国际海事组织[13];参见图1)
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