1. 引言
随着经济的迅速发展和人民生活水平的日益提高，船舶逐渐成为贸易往来和休闲旅游所不可或缺的运输工具，船舶行业也随之日益兴盛，受到大众的广泛关注。然而近年来船舶的安全问题层出不穷，“东方之星”号、“世越”号等游轮的翻沉事故时有发生，造成了惨重的人员伤亡和巨大的经济损失，如何减少船舶安全事故造成的严重后果，已经成为各国研究的课题。
游轮、客轮和渡轮等大型船舶载客量大，船上人员未经专门的逃生训练，如遇沉船事故不能正确及时地应对，而导致众多人员伤亡。船舶的建造和运行过程所花费的物力成本和人力成本较大，造成巨大的经济损失。研究大型船舶的沉船问题与研究其它类型的船舶的沉船问题相比，更具代表性和可研究性，因其遇到问题会更加复杂，逃生更为困难，但提供的设备空间却更为充足，可实现技术发挥的范围更广；此外经研究设计获得的方案也更易投入实际应用，取得的效果也更为显著，因大型船舶具有较大的载客量和高昂的建造成本，若方案能成功应用，其规避的伤亡和损失也更大。因此以游轮、客轮和渡轮作为研究对象。以对沉船案例分析得的结论为基础，提出一种能自主逃生，且可维持人员生命体征的装置的初步的设计构想，并对设计方案所需的技术和原理进行探究和阐述。
2. 沉船事故分析
2.1. 沉船案例分析
2.1.1. “东方之星”号客轮沉船事故 [1]
2015年6月1日“东方之星”号客轮在南京驶往重庆途中突遇罕见强对流天气 [2]，在长江中游湖北水域沉没，该客轮载客数454人，成功获救12人，遇难442人。整个沉船过程为客轮在受到下击暴流袭击时，船舶突然侧倾，随后短时间内发生180度翻转，以至未向外发出求救信息及警报，客轮就已完全沉没(图1 )。
该沉船事故导致的死亡人数较高，主要有以下四个原因：其一，逃生通道较为狭窄，船体经改造后，原来每个客房内对着舷侧和中间走廊的两扇窗户，只留下对着中间走廊的一扇窗户，逃生通道数量锐减。此外，客房内的设计也较为不合理，窗户被床抵住，使得难以在短时间内从逃生口逃出，大部分的逃生口都作废。其二，事故发生后，乘客缺乏专业人士指引，船长没有提前制定并实行应急方案，未有效引导乘客逃生，使得许多乘客被困在客房内，或是慌忙乱跑，这增加了因窒息和其他原因而死亡的可能，并且其也没有向船外发出求救信息警报，拖慢了救援的时间。其三，事故发生时正值夜晚，船上的大部分乘客都被困在了空间狭小的客房内，没有充足的应急补给设备，而且该空间不密闭，极易被水淹没。其四，乘客大多数为老人和小孩，体力较差、行动不便，没有较好的逃生能力，要求其主动逃生十分困难，而且老人身体也相对较差，更容易被饿死或是窒息死亡。该事故的幸存者大部分在翻沉时位于甲板上、舱外船舷上，相对船内乘客逃生的机会更大，但是在逃生途中也因水下情况复杂而遇到了困难。
2.1.2. “世越”号客轮沉船事故
2014年4月16日“世越”号客轮在韩国全罗南道珍岛郡观梅岛西南方向海上发生浸水事故而沉没，该事故共造成296人死亡，142人受伤，8人失踪。沉船原因为船舶在行驶途中突然改向，船舶触礁，使得船体结构受到破坏，海水漫入而导致船舶翻沉(图2)。
该事故导致的死亡率较高，主要原因类似于“东方之星”号客轮的翻沉事故，也是由于缺乏指挥引导和应急设备，船内人员慌乱逃亡，船上没有充足的食物和氧气补给，且经改造后逃生通道过于狭小，不便于逃生，多数乘客被淹死。“世越”号搭载的乘客较为特殊，大部分为学生，安全意识淡薄，不具备自主逃生能力 [3]，同时又缺乏专人指引，因此伤亡率较高。而其他乘客对船体的结构和逃生通道的位置不熟悉，逃生过程受到严重阻碍，只能被迫救援。“世越”号沉没事故暴露出船员操作能力的缺乏、责任心缺失和应急处置不当的问题 [4]，这也说明靠人为指挥或操作来得以救援存在较大的随机性和不确定性。
2.1.3. 普吉岛沉船事故
2018年7月5日两艘载有127名中国游客的船只“凤凰”号和“艾莎公主”号游轮在返回普吉岛途中，突遇特大暴风雨，分别在珊瑚岛和梅通岛发生倾覆，该沉船事故共造成47人遇难。
该事故中的两艘游轮不同于前两个事故中的客轮，船舶的体积较小，甲板以上的船舶高度较低，仅有两层，同时密闭空间较少，绝大部分通过窗户对外敞开，而乘客也主要集中在空间较大的舱室，而不是分散在各个空间狭小的客房中，且该事故不是发生在夜晚，乘客有良好的逃生机会和能力，船舶在翻沉后发生爆炸、气体泄露、漏电、物体坠落等危险事故的可能性较小，因此逃生较为便利、危险系数小。该沉船事故造成人员伤亡的原因主要是乘客未穿救生衣，又缺乏专人指挥引导而落水死亡(表1)。
2.2. 人员伤亡原因归纳
通过上述案例分析，我们将案例中常见的造成人员伤亡的原因进行了归纳，得到如下十一条，其中前九条为直接造成人员伤亡的原因，后三条为间接伤亡原因(表2~3)。
Table 2. Casualty statistics—direct cause of death
表2. 人员伤亡统计——直接死亡原因
Table 3. Casualty statistics—indirect causes of death
表3. 人员伤亡统计——间接死亡原因
3. 逃生装置的设计
国内外现有的船舶逃生设备或装置主要是外挂式或独立式安全设备，包括救生船、救生圈、新型抗浸服、带防溅罩的充气救生衣和水下出口明明灯、辅助氧气系统、自携式水下呼吸装置、撞击能量衰减系统、应急出口照明系统、应急漂浮系统等(图3~4)。
Figure 3. Existing escape equipment or device—lifeboat
图3. 现有的逃生设备或装置——救生艇
Figure 4. Existing escape equipment or device—life buoy
图4. 现有的逃生设备或装置——救生圈
在已对沉船事故进行调研和对人员伤亡原因进行分析的基础之上，初步提出了智能救生设备的设想(图5)。
该设备是一个拥有封闭独立空间 [7]，能自动脱离船体实施逃生并可长时间维持人员生命体征的装置，其可适用于各种类型式样的船体和不同类型的人群，帮助船上人员安全、有效地逃生。
Figure 5. Sketch of intelligent life saving equipment
图5. 智能救生设备简图
其功能和逃生过程为当船舶发生翻沉事故时，船上人员能够方便、快速、有序地进入到该设备，并能在不同情况下顺利主动脱离主船体并进入水中，在脱离船体后，逃生舱室还要能够维持人员的短时间生存需求，并有充足的应急供给设备，方便实施救援。该逃生装置依靠气囊内化学物质爆炸膨胀产生的巨大推动弹射出主船体，进入水中保持漂浮和密闭状态。为实现动力弹射，需在装置和主船体间安装一个有助于装置脱离船体的系统，可根据需要调节装置和船体的联接关系，在正常情况下装置不会脱落，牢固地安装在船体上，而一旦发生危险，则该系统立即触发，使装置弹射出船体。而为实现装置在水中维持人员生命体征的目的，需在进入水中时保持水密，而漂浮时可适当通风，同时装置内配有基本的设施。
不同于船舶翻沉后主要依靠被动的传统营救方式，该主动逃生装置具备自主脱离船体的能力，形成一套完善的沉船主动逃生装置，相对更为便捷、及时和有效，极大地提升了时间的利用率，也尽可能地减少人员伤亡。
4. 结语
通过分析沉船事故导致人员伤亡的各项原因，可得出许多结论：首先，沉船事故造成人员伤亡的原因并不单一，往往是多种因素，包括直接和间接原因，共同作用所导致的。其次，若需减少沉船事故的人员伤亡，就必须解决应急补给、确保空间安全密闭和紧急引导的问题。再次，沉船逃生的关键在于确保乘客具有逃生的机会和能力，避免在船舶翻沉中受伤，甚至死亡。最后，救援工作能够顺利开展也需要船内人员集中在某一较为安全和密闭的区域，或是处在方便获得救援的位置，最好是集中位于脱离主船体的独立空间内，这样可减小其它危险和环境因素所带来的影响。
针对以上解决方案的分析，我们提出了新型的智能逃生设备的设想。船舶遇险翻沉后，乘客可根据系统指引进入此逃生设备中进行逃生。其功能为帮助乘客实现自主逃生，具体的运行过程是逃生装置自动脱离船体，弹射入水中，并能漂浮在水面。设备内装有应急补给设施，因而可保证乘客的生命安全，救援人员也可通过打捞水中漂浮的逃生装置，以进行救援工作。该设备化被动逃生为主动逃生，可大幅提高船上人员的生存几率
基金项目
国家级大学生创新创业训练计划资助+202010497044。