民機客艙危險狀況下乘員應急撤離預測研究

吳義兵，紀 乾，宋 娜，鄒田春，陳 琨

（中國民航大學天津市民用航空器適航與維修重點實驗室，天津300300）

1985年，英國空旅航空28M號班機空難，由于機組沒有開展有效的應急撤離造成55人死亡；1989年，沙特阿拉伯航空163號班機空難，因機組緊急逃生訓練不足導致全部成員301人死亡。這些災難性事故使得各國民航當局，如美國聯邦航空局FAA（Federal Aviation Administration）和英國民用航空局UK CAA（Civil Aviation Authority）著手開展應急撤離的研究工作。截止2004年，FAA對應急撤離適航條款進行了10次修訂，逐步明確適航要求和符合性方法。中國民用航空局在2011年發布了最新的適航規章CCAR-25-R4版，其中對飛機應急撤離的要求與歐美標準基本一致，條款中明確規定，對于客座量超過44座的飛機，需要進行應急撤離演示或分析表明最大乘座量的乘員能在90 s內在模擬應急情況下從飛機撤離至地面[1]。

應急撤離演示試驗存在較高的安全風險，且試驗費用昂貴，準備和組織耗時長，并且出于安全考慮適航當局要求的演示試驗是一種局限性較大的撤離演示性質的試驗。但由于危險狀況產生的恐慌心理特點，這樣的撤離試驗無法反映撤離人員在真實事故下的行為特征，為此，需要分析危險狀況下人員競爭的觸發機理，并借助計算機仿真對難以開展試驗的危險情況進行預測。

目前，國外研究機構已經提出了10余種仿真模型，FAA最早開發了人員疏散模型GPSS（General Purpose Simulation System Model）[2]，可以用來模擬 90秒撤離規則，但是沒有考慮到危險情況，難以模擬超越或競爭情況。此后，FAA又進一步開發了GA（Gourary Associates model）模型[3]，該模型中可以考慮火災危險和煙氣情況。英國格林威治大學開發的airEXODUS[4，5]，加拿大航空研究公司開發的DEM[6]（Discrete Element Method）模型以及美國紐約大學布法羅分校開發的VacateAir[7]等同樣能夠模擬適航要求的撤離演示試驗和對真實事故的撤離進行分析，美國韋恩州立大學研發的AvatarSim[8]采用社會力模型考慮恐慌情況下的乘員行為。但這些模型只是針對特殊的事故場景或特定的“全尺寸應急撤離演示試驗”進行驗證，撤離模型的有效性和準確性還有待進一步完善。

國內飛機應急撤離研究方面起步較晚，基礎較為薄弱，尚未開發出飛機應急撤離仿真模型[9]。國內民機型號偏少，導致應急撤離演示試驗數據不全面，缺乏對試驗數據與設計的相關性分析，難以有效地指導飛機客艙的應急撤離性能設計。

本文根據民機內部客艙設計及應急撤離適航要求，采用元胞自動機和智能體理論，構建了飛機應急撤離仿真模型。首先對飛機應急撤離演示試驗狀況進行仿真分析，然后考慮飛機迫降過程中多數情況會發生火災，將導致乘員恐慌加劇，此種危險狀況促使乘員迫切希望更加迅速地從飛機撤離，這可能造成擁擠、推搡等情況，一定程度上反而會減緩撤離速度。因此，為了研究危險狀況下的應急撤離人員行為，本文在仿真模型中引入競爭因子對客艙中撤離人員的競爭行為進行模擬，研究危險狀況對乘員應急撤離的影響，為真實應急撤離狀況的仿真提供技術支持。

1 飛機應急撤離仿真模型

1.1模型原理

在危險狀況下，乘員的年齡、性別、胖瘦等和客艙環境的亮度、濃煙、毒性等因素對對乘員的心理特征有不同程度的影響，而且乘員具有智能性，其心理特征更難把握，行為也更難仿真預測傳。所以，傳統的元胞自動機理論不能直接運用于應急撤離仿真，故需要對傳統的元胞自動機進行擴展，建立符合人員撤離機制的元胞自動機模型。

基于多智能體和元胞自動機應急撤離模型是在元胞自動機的基礎上建立起來的，表示元胞由于自身的特性無法表達人員的智能性及屬性之間的差異，因此引入多智能體理論。某一智能體（乘員）與周圍其他職能體和環境之間構成了局部狀態，根據這些狀態信息和其他智能體的目標進行判斷，實現智能體的愿望，并表現為乘員的移動行為，且這種行動能力受周圍其他智能體的各種屬性約束。

具體算法是基于多智能體理論，將參加競爭的人員的屬性轉換為競爭的概率，通過輪盤賭算法產生競爭成功的人員，其他人員則選擇次優方向或者等待。

參加競爭人員i的競爭成功概率:

競爭中有可能會出現全部人員競爭不成功的現象，即所有人員均不能移動，為了模擬這種現象，引入競爭因子μ，即參與競爭同一網格的人員均不成功的幾率。μ∈[0，1]，當 μ =0，撤離過程無競爭現象。若恐慌水平越高，對同一目標點的競爭就越大，擁擠和排斥作用也越大，導致所有人競爭不成功的幾率就越大[10]。因此，競爭模型中的競爭因子，可以模擬危險狀況對乘員造成的負面影響，從而開展危險狀況下的仿真研究。危險狀況下應急撤離的客艙構型和打開的應急出口與演示試驗狀況下的客艙構型和打開的應急出口一致。

1.2應急撤離仿真流程

民機應急撤離仿真建模是由人-機-環三個核心模塊構成[11]，飛機的特性模塊處于基礎地位，首先依據客艙的布局設計特點，建立飛機客艙內部的物理模型，在所建立的客艙物理模型基礎上，主要關注環境亮度、濃煙、毒性等因素來建立大氣環境場，基于CCAR-25-R4部應急撤離適航條款要求的機組個數和旅客性別、年齡等比例設置好人群分布，再根據試驗或統計數據對撤離人員進行參數設置，具體參數包含反應時間、運動速率、人員出口猶豫時間等，然后進行撤離過程解算，輸出解算結果。最后，依據飛機應急撤離性能的基本指標，分析飛機的撤離性能[10]。

撤離仿真中用的是信息流傳播理論方法，首先對每位乘員進行可移動性判斷，然后進行出口選擇，按照選擇的出口和周圍環境選擇移動方向，通過乘員的當前狀態及周圍環境計算移動速度，更新乘員位置。如果多位乘員選擇同一個位置，將出現競爭，基于乘員自身屬性和一定的概率進行選擇，競爭成功的乘員則移動至新的位置，其他未競爭成功的乘員或等待或選擇其它備選方向。更新時刻再重復循環以上過程直至所有乘員撤離完畢。

1.3飛機應急撤離模型

本文以民用運輸機為例，建立應急撤離模型，依據典型飛機構型特點，采用兩對C型出口加兩對翼上III型出口，如圖1所示。現實客艙布局簡化如下，客艙中座椅、廚房、衛生間等物理模型簡化使用二維四方網格表示，網格大小為0.5 m×0.5 m.考慮出口處有撤離滑梯的存在，同時只能有一人通過，所以將登機門和服務門出口簡化為一個網格寬度，與乘員網格大小一致；應急出口和過道寬度簡化為一個網格寬度，前后翼上應急出口處無障礙過道寬度簡化為兩個網格寬度。座椅前后方向簡化為兩個網格，左右方向簡化為一個網格。圖2給出了客艙布置簡化模型，飛機客艙旅客量174人。

圖1 飛機客艙平面布置

圖2 客艙布置簡化模型

2 飛機應急撤離仿真分析

2.1應急撤離性能評價指標

本文采用撤離總時間 TTotal（Total Evacuation Time）、最 優 性 能 統 計 OPS（Optimal Performance Statistic）來對比分析四種不同工況下的撤離性能[10]。

其中，OPS表示客艙布局的合理程度，是由英國格林威治大學防火工程研究所FSEG（Fire Safety Engineering Group）提出，OPS計算公式如下：

式中：n為撤離可用出口數量；EETi為出口i最后一位乘客撤離時間（s）；TTotal為總撤離時間（s），即MAX[EETi]

且總撤離時間滿足：

式中：

TExitPrep=出口準備時間，等于演示開始直至首位撤離人員到達地面或到達翼上出口平臺的時間間隔

飛機的OPS只要低于某一數值即可認為撤離是理想的，而這個數值可以任意設定，FSEG認為OPS低于0.1即可認為撤離性能是理想的。

本文針對打開機身前后部登機門和同側翼上Ⅲ型出口的客艙構型，如圖3所示，分別進行應急撤離演示狀況和危險狀況下的應急撤離仿真分析。

圖3 Ⅲ型出口布置

2.2演示試驗狀況下應急撤離仿真

通過進行演示試驗狀況下的仿真，獲得應急撤離時間分布圖，圖4是1 000次仿真統計總撤離時間與頻率的分布，表1是演示試驗狀況下撤離總時間與乘員出口準備時間的統計。由圖4和表1可知，此種狀況下1 000次撤離仿真的均值為84.42 s，符合CCAR25部應急撤離要求。出口準備時間為撤離開始至首位撤離人員到達地面的時間，1 000次仿真結果的平均值為13.87 s.

圖4 總撤離時間分布（1000次仿真統計結果）

表1 演示試驗狀況下仿真結果

通過多次重復應急撤離仿真，得到飛機撤離的總體性能OPS.由圖5可知，撤離點主要落在第一象限和第三象限。撤離點落在第一象限，說明撤離十分理想且總撤離時間低于90 s，滿足適航要求。撤離點落在第三象限，說明撤離較理想且總撤離時間低于90 s，即使撤離過程不是很理想，撤離時間還是低于90 s，滿足應急撤離適航要求。圖6給出了此種狀況撤離包線，顯示了撤離效率的上下限，撤離初期，撤離效率提升空間有限；撤離末期，撤離效率可以通過提高乘務員管理能力等措施進一步提高，具有一定提升空間。

圖5 撤離性能分析圖

圖6 撤離包線（1000次仿真統計結果）

2.3危險狀況下應急撤離仿真

通過進行危險狀況下的應急撤離仿真，獲得應急撤離時間分布圖，由圖7和表2可知，此種狀況下1000次撤離仿真的均值為96.15 s，超出了適航要求的90 s總撤離時間，與演示試驗狀況下相比，平均撤離時間增加13.89%；撤離時間最小值和撤離準備時間，兩種狀況下無明顯變化；需要關注的是，演示試驗狀況下的撤離時間最大值為92.64 s，而危險狀況下撤離時間最大值為118.64 s，最大撤離時間增加28%.這說明危險狀況下的應急撤離與演示試驗截然不同，危險狀況導致乘員加劇恐懼和緊張，乘員試圖增大期望速度，但由于飛機客艙構型狹小，沒有更多空間使乘員加速，導致出現擁擠、推搡等情況，乘員的平均移動速度反而會減小，在一定程度上降低了撤離效率，對應急撤離造成重大影響，呈現“快即是慢”的現象[10]。這也驗證了許多飛機應急著陸事故中，雖然飛機全尺寸演示驗證試驗滿足適航要求，但在實際情況中，特別是伴隨危險發生時，撤離時間往往大于90 s，造成較多的人員傷亡。

圖7 總撤離時間分布（1000次仿真統計結果）

表2 危險狀況下仿真結果

圖8給出了飛機撤離的總體性能OPS.撤離點分布比較分散，大部分位于第四象限和第三象限，少數散落于第一象限。落在第四象限的撤離點說明撤離仿真試驗的撤離時間超過90 s，并且撤離的過程不理想；落在第三象限的撤離點說明撤離試驗的撤離時間雖低于90 s，但撤離的過程也不理想；落在第一象限的撤離點說明撤離時間低于90 s，撤離的過程很理想。圖9給出了此種狀況下的撤離包線，同樣可以看出撤離后期撤離效率還是有一定提升空間。

圖8 撤離性能分析圖

圖9 撤離包線（1000次仿真統計結果）

3 結束語

本文建立了基于多智能體和元胞自動機的民機客艙應急撤離模型，進行應急撤離仿真分析，通過引入乘員之間的競爭因子，模擬危險狀況下乘員的撤離情形，對比兩個狀況下的乘員撤離時間，進而研究危險狀況對乘員撤離造成的影響，研究結果表明：

1）演示試驗狀況下的應急撤離總時間低于90 s，理論上符合應急撤離適航要求，OPS結果表明客艙布局合理，撤離性能較為理想。

2）考慮危險狀況下的人員競爭，平均總撤離時間增加為96.15 s，超出了適航要求的90 s總撤離時間。危險狀況下的總撤離時間最大值遠大于演示試驗總撤離時間最大值，在競爭激烈的情況下，撤離效率較低，這也與加拿大航空局通過撤離實驗得到的結論相一致[12]，較好地說明了人員疏散中“快即是慢”的典型現象。

3）通過建立飛機應急撤離模型對兩種狀況下乘員撤離進行仿真，結果表明通過合理設計應急撤離程序，提高了乘務員乘客管理能力、運動能力以及協作能力等，可以進一步提升撤離效率。

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