民機客艙布局工效學量化設計模型

陳浩，龐麗萍，完顏笑如，*，方玉峰，2，郭司南，閔雨晨

（1.北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京100083； 2.中國航空工業集團有限公司，北京100028）

一直以來，人機工效在民機客艙總體設計中占據重要位置，特別是在面向系列化發展的民機客艙快速仿真設計系統研發過程中，滿足多機種客艙布局選型需求的客艙布局設計技術，與客艙輕量化建模［1］、虛擬仿真驗證［2］、客艙人機工效綜合評價［3］等共同構成了關鍵性支撐技術?？团摬季诌x型需要統籌乘客舒適度、安全管理、市場運營等涉及不同設計需求方的差異化訴求［4］，因此客艙布局設計應同時考慮舒適性、安全性和經濟性等工效學要求［5］。

對于舒適性，客艙布局應滿足乘客體驗舒適度要求。為此，Ahmadpour等［6］基于心理體驗、生理體驗、空間感體驗等8項心理特征對客艙布局與乘客體驗舒適度之間的關系進行了研究。Abbasov和Orekhov［7］討論了水陸兩棲飛機客艙設計中的人體工程學概念，指出有限空間下的乘客舒適性是最重要的客艙設計指標。Vink［8-9］、da Silva Menegon［10］及許松林［11］等的研究指出，客艙舒適性與客艙尺寸、客艙擁擠程度、座位個人空間、乘坐姿勢、座椅生物力學支撐、客艙美學及噪聲等因素密切相關。對于安全性，客艙布局需滿足適航條款［12］強制性規定，適航符合性要求在客艙布局設計中應得到滿足。祝雯生和余雄慶［13］將客艙布局設計知識與規范融入客艙布局設計幾何模型，開發了可自動生成布局方案的快速設計系統。廖慧君和張曙光［14］在利用參數化設計方法對翼身融合客機客艙進行設計時，將適航條款中關于應急出口、出口通道、艙內過道及廚房、盥洗室等的布置準則取為設計參數。潘立軍等［15］將過道寬度、最大并排座椅數、應急出口布置、應急撤離等作為客艙設計指標。此外，對于經濟性，則需考慮客艙布局與市場需求（如旅客周轉量）的適配性和航空公司的運營收益［16-17］。

綜上可見，現有研究明確了客艙設計的基本要求，指出了影響客艙工效學設計水平特別是舒適性水平的關鍵因素或指標，并且圍繞舒適性和適航安全性，利用仿真工具對部分種類機型開展了布局設計，取得了積極成效。另外，現有客艙布局設計研究多基于適航規范、設計手冊的描述性要求及設計人員的主觀經驗，系統性的量化表征計算方法應用較少［18］，對于平衡舒適、安全、經濟等各項競爭性要求的考慮也相對有限，從而制約了設計效率。此外，目前客艙布局研究多只針對特定 機 型［1，7］或 特 定 市 場 定 位［17，14-15］，少 有 適 用多種機型和市場定位的具有一定通用度的布局模型研究。為滿足系列化、多樣化、通用靈活的設計需求，本文面向工效學設計需求，開展了民機客艙布局量化設計模型研究。通過提取客艙舒適性設計特征參數、量化描述各特征參數之間的相互關系，同時兼顧適航安全性對應急出口布置及航班經濟收益等多方面要求，實現對客艙布局設計的數學建模，并基于多目標優化計算方法進行求解，以使模型可適用雙通道寬體干線客機、單通道窄體干線客機、支線客機等不同機種的布局計算。通過對比模型計算結果和現有成熟民機客艙布局方案，對模型的合理性進行了一定程度的驗證。本文模型研究有助于在概念設計階段為客艙布局的快速設計和多方案比較提供一種新的方法，同時也可為航空公司客艙布局選型提供定量化的輔助決策工具。

1 民機客艙布局工效設計因素提取

為使民機客艙布局設計能為乘客提供舒適的飛行體驗、符合適航安全性要求，并為航空公司帶來良性市場收益，應對客機種類、市場定位（旅客服務定位）、執飛航線特點等布局設計影響因素［19-20］進行分析提取。

客機種類一般包括雙通道寬體干線客機、單通道窄體干線客機和支線客機，客機種類會對客艙尺寸、最大客座數、客艙截面布置、應急出口數量與布置等方面產生約束或限制。市場定位一般包括高端市場型、大眾市場型及二者兼顧型，市場定位決定了客艙分級方式（頭等艙、商務艙、高級經濟艙及經濟艙），影響到各級客艙座椅布置數量和密度。執飛航線特征一般包括飛行距離、飛行時長、客流量、上座率等，這些特征會影響航班收入、座椅密度及座椅排距。

結合上述分析，本文基于客機種類、市場定位、執飛航線特征，提出了民機客艙布局工效學量化設計模型關鍵設計參數（含模型常量與變量），構建了客艙邊界、人機空間耦合、適航安全性等約束條件，確定了舒適性、經濟性和安全性目標函數，經多目標優化遺傳算法（Multi-Objectives Genetic Algorithm，MOGA-II）計算獲得Pareto解，并篩選出最優布局方案。需要說明的是，本文所涉民機客艙為常規桶狀機身［15］，暫不涉及翼身融合等新概念客機客艙布局。

2 民機客艙布局量化設計模型構建

2.1 確定模型常量和變量

民機客艙一般依據市場需求進行分級布置［21］，其分級結構示意圖如圖1所示。通常客艙最多可按四級分艙布置，即頭等艙、商務艙、高級經濟艙和經濟艙，此外客艙還包括由廚房、盥洗室、艙門出口、通道及相應活動區域組成的空間，該空間可定義為活動艙段。各機種依據自身尺寸大小、市場定位、執飛任務等因素選擇客艙分級方案。為完整描述民機客艙布局工效學量化設計模型，還需定義相關的常量，如表1所示，該組常量值可根據機型號確定。

圖1 民機客艙分級結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of civil aircraft cabin classified structure

表1 民機客艙布局量化設計模型常量Tab1e 1 Constants of civi1aircraft cabin 1avout quantitative design mode1

本文基于適航規章［12］、飛機設計手冊［16］及市場既有布局選型用例，從人機工效學角度出發，根據客艙布局影響因素分析，同時考慮客艙空間設計的自適應性［22］（即設計方案具有可調性），提取了4類關鍵設計特征參數并定義為模型設計變量，包括艙段長度L、座椅排距X、座椅排數r和活動艙段長度Le。其中，L、X和r隨客艙等級作相應標記，如自頭等艙至經濟艙的艙段長度依次記為L1～L4；活動艙段長度Le則隨其布置位置作相應標記，如機首處記為Le1，機尾處記為Le2。

2.2 建立目標函數

客艙舒適性與座椅空間大?。?-11］密切相關，故本文采用座椅空間特征尺寸與人體特征尺寸的比值作為衡量各級客艙舒適性的量化指標，并將該比值定義為客艙舒適性系數。不同等級客艙的舒適性設計要求存在差異。其中，頭等艙和商務艙要求座椅空間允許座椅椅背能夠放平（或至少接近放平）以使乘客可平躺休息，即能夠提供充分的臥姿空間；高級經濟艙和經濟艙則要求座椅空間應能提供較充分的乘客腿部空間，即坐姿空間。為體現上述差異化設計要求，采用座椅排距X／人體身高l0作為頭等艙和商務艙舒適性的量化指標，采用座椅腿部空間長度lrm／人體足長lft作為高級經濟艙和經濟艙舒適性的量化指標。各級客艙的舒適性系數Ci如下：

客艙安全性應符合適航規章對應急出口的型式、數量和布置的要求，并應進行90 s撤離的應急逃生仿真或試驗驗證?？紤]到民機客艙概念設計與快速輕量化仿真系統對設計效率的要求，本文選擇更便于量化描述的應急逃生距離作為衡量客艙安全性的指標。所有應急出口布置（包括機身艙門）確定后，便可計算各級座艙的逃生距離。可采用頭等艙乘客從其專屬的機首艙門逃生，而其他各級客艙乘客從距其最近的機身艙門或應急艙門逃生的方式進行計算。即機首機尾出口只需為一個方向的乘客提供逃生功能，而位于其他位置的出口則均需為其前后2個方向的乘客提供逃生功能。

以雙通道寬體干線客機為例，各級客艙出口對應的乘客總逃生距離如式（5）和式（6）所示，要求雙通道寬體干線客機總逃生距離的優化方向為最小化，如式（7）所示。

2.3 建立約束條件

2.3.1 邊界約束

邊界約束條件包括艙段總和約束、活動艙段長度約束和艙段座椅布置約束。

艙段總和約束要求各艙段及活動艙段長度總和恰等于客艙總長度，如下：

采用艙段座椅布置約束對艙段座椅布置（座椅排距和座椅排數）進行約束，要求座椅布置排數既不超出艙段長度限制，又能最大化利用客艙空間，如下：

2.3.2 人機空間耦合約束

本文中，人機空間耦合約束指座椅排距與人體尺寸、客艙空間尺寸的耦合關系，包括座椅排距約束、艙段長度與座椅排距適配關系約束2類，根據客艙分級和座椅布置方式不同，相關約束也有所區別。

頭等艙、高級經濟艙和經濟艙的座椅布置通常按傳統直列式布置（見圖1），因此座椅排距約束、艙段長度與座椅排距適配關系約束也一致，要求座椅腿部空間不得低于乘客足長，客艙前排預留嬰兒搖籃空間，故座椅排距約束、艙段長度與座椅排距適配關系約束分別為

商務艙座椅通常有3種布置方式，包括傳統直列式布置、蛇形交錯式布置和魚骨交叉式布置（見圖2），布置方式不同，座椅排距約束、艙段長度與座椅排距適配關系也需做出相應修正。

當商務艙座椅采用傳統直列式布置時，與經濟艙類似，座椅腿部空間長度應能容納前排座椅椅背最大后傾位置，座椅排距應接近第50百分位人體身高，從而使乘客可160°～180°平躺休息。當采用蛇形交錯式布置時，座椅腿部空間長度與座深之和為人體身高，且前后交錯對齊的座椅之間的間距不應低于適航規章規定的應急通道最小寬度［12，14］，即對于大于20座的客機，旅客過道寬度在任何一處不得小于380 mm（約15 in，離地板小于635 mm處）或510 mm（約20 in，離地板等于或大于635 mm處）。當采用魚骨交叉式布置時，座椅與飛機縱軸線之間產生夾角θ，布置時需考慮該夾角的影響。

結合上述分析，傳統直列式、蛇形交錯式、魚骨交叉式布置的商務艙座椅對應的座椅排距約束依次為

此外，各級客艙座椅排距應與其客艙等級相適配，即自經濟艙至頭等艙座椅排距逐步增加，如下：

2.3.3 適航安全性約束

適航規章不僅對旅客過道最小寬度作了規定，且對客艙應急艙門的布置數量和應急艙門處座椅排距也提出了要求［12］。雙通道寬體干線客機所有登機門均可作為應急艙門，單通道窄體干線客機除登機門外還會在經濟艙專設1或2對應急艙門，支線客機將客艙前（或后）部登機門和行李艙門作為應急艙門。各級客艙的旅客過道寬度應滿足：

圖2 民機商務艙座椅常見3種布置Fig.2 Three common layouts of business-class seats in civil aircraft

式中：Q為單通道窄體干線客機經濟艙應急艙門對數，一般取Q為1或2。

3 民機客艙布局量化設計模型計算

3.1 算例選取與模型參數設置

以執飛不同類別航線的機型為參照，分別選取B777-300ER、B737-800和新舟700（MA700）作為遠程航線、中程航線和短程航線的對照機型。

設定3種參照機型的客艙均依據市場較常見的兩艙布局方式分為商務艙-經濟艙，且商務艙和經濟艙座椅均采用傳統直列式布置，應急艙門按適航規章要求布置。算例對照機型客艙布置基本信息如表2所示，表中剖面布置如“2-3-2”表示客艙設2條旅客過道，兩側靠舷窗位置各設2列座椅，中間設3列座椅；雙通道寬體干線客機所有機身艙門均可作為應急出口，無專設應急艙門。

對于模型常量取值，人體身高和足長采用GB／T 10000—1988［23］并取50百分位，以滿足盡可能多的乘客群體的舒適性需求；選定客機座椅型號尺寸；設定平均客座率與平均票價。民機客艙布局量化設計模型涉及的參數及其參考取值如表3所示。需要說明的是，本文中的模型常量取值采用開放化設計，可依據實際設計需求進行調整。

表2 三種算例對照機型客艙布置基本信息Tab1e 2 Basic information of cabin 1avout for air1iner tvpes of three examp1es

表3 三種算例的模型常量及其取值Tab1e 3 Mode1constants and their va1ues for three examp1es

3.2 多目標優化計算結果

多目標優化或多學科優化（Multi-Discipline Optimization，MDO）方法是飛行器設計中常用的建模計算方法［24］。本文基于modeFRONTIER軟件平臺，采用多目標優化遺傳算法（MOGA-II）開展模型計算，設置迭代代數為100，定向交叉率為0.5，選擇率為0.05，變異率為0.1，DNA串變異率為0.05。

由3個目標函數構成正交向量集，則3個算例求解得到的Pareto前沿均沿三維曲面分布，如圖3所示，每一個設計點（即圖中綠色圓點）代表一個設計方案。

圖3 三種算例Pareto前沿Fig.3 Pareto front of three examples

4 討 論

4.1 設計方案優選與模型驗證

依據Pareto法則［25-26］，對算例所有可行設計方案進行統計分析，給出設計變量座椅排數和座椅排距的最優備選方案，進而篩選出客艙布局最優設計方案。

以雙通道寬體干線客機商務艙座椅排數為例，如圖4所示，在所有可行設計方案中占比最高的商務艙座椅排數設計方案依次為0排、2排、3排、1排、7排（分別對應座椅數量0個、14個、21個、7個、49個），共占比79.29%，依照Pareto法則，上述5種方案可作為商務艙座椅排數最優備選方案。同理，可給出雙通道寬體干線客機商務艙座椅排距、經濟艙座椅布置數量和經濟艙座椅排距的最優備選方案，以及單通道窄體干線客機和支線客機算例的設計變量最優備選方案，詳見表4。

按照表4對各算例所有可行設計方案進行篩選。雙通道寬體干線客機算例篩選出103個最優設計方案，占雙通道寬體干線客機算例所有設計方案的18.43%；單通道窄體干線客機和支線客機算例分別篩選出173個（占比21.65%）和51個（占比6.82%）最優設計方案。3種機型算例的最優設計方案（座椅排數和座椅排距）分布如圖5所示。

圖4 Pareto圖：雙通道寬體干線客機商務艙座椅排數最優備選方案Fig.4 Pareto chart：optimal alternatives of business-class seat row number for dual-aisle wide-body airliner

表4 三種算例對照機型客艙布局最優備選方案Tab1e 4 Optima1a1ternatives of cabin 1avout for air1iner tvpes of three examp1es

圖5 三種算例客艙布局最優設計方案Fig.5 Optimal design schemes of cabin layout for three examples

結合市場成熟布局方案，對最優設計方案進行驗證。以雙通道寬體干線客機為例，某航空公司執飛北京至洛杉磯的B777-300ER兩艙布局方案為：商務艙座椅排數8排（對應50座）、座椅排距60 in，經濟艙座椅排數30排（對應261座）、座椅排距32 in。該方案中，商務艙和經濟艙座椅數量均在模型雙通道寬體干線客機算例的最優設計方案范圍內，而商務艙座椅排距僅超出最優設計方案范圍（最大52 in）4 in，經濟艙座椅排距僅低于最優設計方案范圍（最小36 in）4 in。此外，將該市場方案的各目標函數值與算例最優設計方案對比，發現市場方案的舒適性、安全性和經濟性均處于最優設計范圍的中位水平。上述分析表明，民機客艙布局工效學量化設計模型可為雙通道寬體干線客機機型提供較可行的一組客艙布局最優方案，且其中近半數方案較現有市場成熟方案具有一定設計優勢，并可能產出更佳的設計效益。同理，結合單通道窄體干線客機和支線客機市場成熟布局方案對模型開展驗證，可得到相似結論。

4.2 設計優化途徑

基于各算例Pareto解，分別研究各算例設計變量對目標函數的重要度，從而可進一步獲得各類機型客艙布局設計的優化途徑。

仍以雙通道寬體干線客機為例，如圖6所示，對于經濟性指標的優化，商務艙座椅排數重要度最高（35.1%），表明雙通道寬體干線客機客艙經濟性優化途徑應優先考慮增加商務艙的座椅排數。對于舒適性指標的優化，經濟艙座椅排距重要度最高（49.9%），即表明客艙舒適性優化途徑應優先考慮增大經濟艙座椅排距。對于安全性指標的優化，同樣有商務艙座椅排數重要度最高（40.7%）、經濟艙座椅排數其次（30.1%），表明客艙適航安全性優化需考慮減少各級客艙的座椅排數。

同理，可給出單通道窄體干線客機和支線客機經濟性、安全性、舒適性指標的優先優化途徑，即對各設計目標最重要的設計變量。3種機型客艙布局設計優先優化途徑匯總如表5所示（括號中數值為各項最重要設計變量的重要度）。對于民機客艙布局工效學設計，舒適性指標的優化主要取決于經濟艙座椅排距；經濟性（或安全性）指標的優化主要取決于座椅排數，其中雙通道寬體干線客機對應商務艙座椅排數，單通道窄體干線客機和支線客機對應經濟艙座椅排數；經濟性指標優化與安全性指標優化存在較明顯的沖突性。

圖6 雙通道寬體干線客機算例設計變量對設計目標重要度分析Fig.6 Analysis of variables importance to design objectives for dual-aisle wide-body airliner example

表5 三種算例對照機型客艙布局設計優先優化途徑Tab1e 5 Prior optimization approach of cabin 1avout design for air1iner tvpes of three examp1es

5 結 論

本文對早期概念設計階段的民機客艙布局量化設計方法開展了研究，構建了民機客艙布局工效學量化設計模型，得出結論如下：

1）與傳統的基于適航規范、設計手冊等描述性要求及設計人員主觀經驗所開展布局設計的方法相比，民機客艙布局工效學量化設計模型有助于快速提供多種滿足客艙舒適性、安全性、經濟性等多樣化工效學指標的量化設計方案，并給出各指標的進一步優化途徑，從而有利于節省客艙設計時間、提高設計效率。

2）民機客艙布局工效學量化設計模型的常量參數（如客艙尺寸、座椅型號與尺寸、人體尺寸等）均采取開放化設計，可根據設計要求靈活調整，使得客艙布局設計更具自適應性，從而有助于滿足民機型號系列化發展的市場需求。

3）民機客艙布局工效學量化設計模型能夠為多種機型的客艙設計與選型提供量化決策支持，為改善決策支持質量，仍需結合深度市場調研和具體工程需求，進一步優化模型參數設置，從而獲得更為精確的計算結果。