基于社會屬性的民機復雜群體應急撤離仿真與試驗研究

封文春, 李偉, 張桐, 姚向茹

1.航空工業第一飛機設計研究院 機電系統研究所, 陜西 西安 710089;2.北京航空航天大學 航空科學與工程學院, 北京 100083

為保證飛機迫降后乘員快速撤離，FAA、EASA和CAAC均在適航規章中明確要求，對于客座量大于44座的飛機，必須表明其最大乘坐量的乘員能在90 s內在模擬的應急情況下從飛機撤離至地面。對于這一點的符合性，必須按規定的試驗準則所進行的實際演示來表明[1]。據統計，在1998年至2007年間，飛機發生可控墜地事故造成8 759人死亡，3 176人受傷，77 249人未受到損傷，約90%的乘客通過應急撤離避免了可能受到的傷害[2]。應急撤離演示是驗證應急撤離的重要手段，但是存在周期長、費用高、有一定風險等缺點。自1969年起，制造商已進行了超過20次的全尺寸撤離驗證試驗，牽涉到7 000多名自愿者和航空公司機組人員，平均6%的全尺寸演示參試者受傷，主要是刮傷、擦傷和骨折[3]。在1991年10月26日MD-11應急撤離演示取證期間發生一起嚴重的受傷事件，導致一名參試者癱瘓。利用計算機模擬應急撤離是一種重要的手段，早在20世紀70年代FAA就開發了用于航空領域飛機應急撤離的通用仿真系統(general purpose simulation system,GPSS)，至2009年共發表有8種飛機應急撤離仿真模型[4]。

與應急撤離演示試驗相比，仿真具有模擬著火、煙霧等相對真實的撤離場景的優勢，但不能準確表達危險環境條件下人員的行為，這也是應急撤離仿真尚不能完全替代試驗的關鍵。雖然已建立了多種疏散模型，如網絡流模型、流體動力學模型、元胞自動機模型和社會力模型等，但在模擬人的行為方面仍然存在不足。因為，人的基本屬性是社會性，而且具有思考和應急應變能力，不同社會背景的人員在應急情況下的行為不同。而且民機乘客組成復雜，不同的人具有不同的知識背景、社會關系、心理素質和身體條件，都會影響應急情況下的反應和行為。

本文根據民航飛機乘員特征和客艙特點，基于基本社會力模型，考慮乘員的社會背景、教育背景等社會屬性以及迫降后的不利姿態，重點關注乘員的競爭行為和恐懼心理，對基本社會力模型進行修正，建立了具有一定社會屬性的民用飛機乘員應急撤離仿真模型，并基于客艙應急撤離半物理仿真試驗環境，進行了某大型客機應急撤離試驗，與仿真結果進行了對比分析，驗證了仿真模型的準確度。

1 應急撤離仿真模型

1.1 民用飛機應急撤離特征

與人員聚集場所或建筑內的疏散不同，民用飛機迫降后撤離具有5個顯著特征：①撤離時所有人員均承受了迫降過程中的緊張氣氛，具有一定的心理恐慌和較大的心理壓力，部分人員可能受傷；②客艙通道狹窄，人員密度大；③民機乘員組成復雜，家庭背景、教育程度、社會關系、心理素質等都會影響應急情況下人員的行為；④迫降場景及可用應急出口不可預知，客艙內部和外部環境對撤離均有一定影響；⑤民機客艙是一個典型的“魚骨型”通道，在撤離過程中極易發生擁堵。

在應急撤離過程中，個體的物理屬性決定乘客的反應速度和運動速度。社會屬性影響乘客的決策和對其他乘客決策的影響，進而影響個體行為。過去航空安全研究中忽略了社會職業與社會關系對乘客撤離行為的影響。標準90 s的應急撤離適航準則是在乘客互相之間社會無關、社會職業無限制的假設基礎上提出的，其大部分的試驗審查過程是基于個人獨立行為來進行的。在實際的應急撤離過程中乘客行為會被現場其他乘客以及各自旅行伙伴之間的社會關系和習慣所影響。同伴關系類型包括家庭成員關系、朋友關系、工作同事關系和其他社會性關系。在應急撤離試驗和仿真中，準確描述這些關系具有很大的難度。

1.2 基本社會力模型

(1)

式中:mi表示個體i的質量;vi表示個體i的移動速度。

自驅力是個體在自身主觀意識作用下朝著期望位置移動而對自己施加的力。在運動過程,個體根據周圍環境調整速度大小和方向,以保證最短路徑。自驅力可用(2)式表示

(2)

在密集的人群,個體之間會產生相互影響,包括心理排斥和物理力,個體之間的作用力用(3)式表示

(3)

在撤離過程中,個體通常會與障礙物保持一定的距離,個體與環境間的作用力用(4)式表示

(4)

式中:Aw為環境對個體i的作用力強度;diw為個體到環境的距離;ri為個體半徑;Bw為環境作用力的范圍;niw為由邊界指向個體i的法向方向;tiw為個體與環境之間的切向方向。

1.3 基于社會屬性的改進

社會力模型被提出后,有許多學者對其進行了改進,應用于不同的疏散場景,如分析狹窄過道處的“欲速而不達”效應、高密度行人中不耐煩行為與急躁行為等。

社會力模型使得群體疏散研究取得了很大的進步。Ramos等[6]指出,社會力模型能夠成功地仿真大多數在步行動力學中可以觀察到的典型現象。社會力模型能夠非常準確地重現恐慌時人群行為,能夠很好地考慮恐慌情形群體間產生高壓力的特性[7-8]。雖然社會力模型能夠很好地描述總的群體效應,但人不是粒子,其基本屬性是社會性,個體行為和決策對撤離過程有至關重要的影響。

1.3.1 個體行為修正

個體行為主要取決于個體的焦躁和緊張程度,可使用(5)式來表示[9]

(5)

(6)

1.3.2 個體社會屬性修正

上述對個體期望速度的修正僅反映了焦慮情緒,實際上,個體的性別、年齡、受教育程度、事故經歷等社會人口統計學變量與個體的思維方式和行為方式存在著一定的關系,在遭遇突發事件時,會因個體社會屬性的差異,存在生理和心理方面的差異,進而影響個體在疏散過程中的決策。本文通過引入社會屬性影響指數S修正期望速度,進而修正自驅力。

在突發事件中,男性一般有著更快的反應能力,女性往往更容易產生恐慌和焦慮情緒。男性相對于女性,在突發事件中能理智地選擇正確的方式[10]。文獻[11]通過問卷調查將個體的恐慌程度劃分為一級(低)、二級(中)、三級(高),男性在這3個級別的分布分別為80.7%、13.8%和5.5%,而女性則為58.5%、32.6%和8.9%,表明女性總體上較男性恐慌水平更高這一趨勢。但也有研究表明,女性的安全意識要強于男性,且女性比男性更愿意主動幫助他人,男性的競爭意識更為明顯,會更加關注自身的安全[12]。在大型商場疏散行為分析中,聽到警報后,“不知所措”的女性幾乎是男性的2倍。基于文獻研究結果和民航旅客男女組成比例(約13∶10),在本文中性別影響指數S1以女性為基準,即女性取1.0,男性取1.05。

隨著年齡的增長,經驗和知識的積累越多,在面對突發狀況時能更好地保持鎮定。研究表明,在各個年齡段中,50歲以上的乘客具有更好的特質焦慮評價,41～50歲的乘客有著最高的積極應對評價[13]。但是隨著年齡的增加,步行的頻率、速度和步長都會下降,在撤離過程中,年輕人的知覺、反應速度與動作靈活性會優于年長者。年齡在乘客疏散過程中造成影響的綜合應對得分隨年齡提升變化在2%左右[13]。本文年齡影響指數S2側重于經驗知識,因此以年輕人為基準,各年齡段的取值如表1所示。

表1 年齡影響指數S2的取值

大量研究表明,不同受教育程度的乘客在安全意識程度和疏散行為等方面存在差異,受教育程度越高,往往也有著更豐富的安全知識,在遇到突發情況下能保持頭腦冷靜,沉著思考,尋找最佳的疏散路線[14]。文獻[15]對漳州古雷“4·6”事故居民疏散行為調查研究發現,在預疏散階段,接到疏散通知后學歷較高的人群在該階段表現更為冷靜和理性,并且會傳遞更多的疏散信息;在返程階段,學歷越高的居民按要求返程的占比越高。文獻[16]通過Logistic回歸模型分析了受教育程度對人群疏散行為的影響:學歷的參照類別是研究生以上,回歸系數為正,說明表示學歷正向影響人們選擇“看周圍人反應”的概率。初中及以下文化程度的乘客“看周圍人反應”的發生比是研究生及以上文化程度的1.602倍,高中或中專文化程度的這一比例為5.506,大學(本科、專科)文化程度的這一比例為1.743倍。當然,個體受教育程度并不是應急情況下決定行為的唯一因素,還與社會經歷、從事職業、社會背景等有關。本文以受過高中教育為基準,基于文獻[16]的模型分析結果,受教育程度影響指數S3取值如表2所示。

表2 受教育程度影響指數S3取值

乘坐頻率往往與乘客對乘坐的交通工具環境熟悉情況呈正相關關系。乘坐頻率越高的乘客,在突發事故發生時,越容易避免疏散過程中的恐慌心理和盲目從眾行為[16]。根據文獻[17]中地鐵乘坐頻率與火災爆炸事故應急反應的交叉表人數和占比設置等級,乘坐頻率影響指數S4取值如表3所示。

表3 乘坐頻率指數S4的取值

在地鐵人員疏散心理行為調查及相關性研究中發現,接受過專門安全教育的往往會按照疏散指示標志選擇安全出口,這表明接受過專門安全教育的乘客更能夠選擇正確的出口,在疏散過程中做出正確的疏散決策[18]。基于地鐵乘客個體特征的非適應性行為研究表明,乘客安全知識及疏散安全態度對地鐵乘客的非適應性行為有顯著的負向作用,乘客的安全知識和疏散安全態度每提高1%,非適應性行為發生的可能性將分別降低0.48%和0.53%[19]。對于航空旅行來說,在每次飛行前均有安全知識演示和安全卡片,閱讀和觀看安全須知對個體的安全知識有一定的影響。基于航空旅行特點,以無安全知識但閱讀安全卡片和觀看安全演示為基準,安全知識影響指數S5的取值如表4所示。

表4 安全經驗知識影響指數S5的取值

由于各因素的影響指數最終作用在乘客的疏散速度上,在影響指數設定時,已經歸一化,作為與疏散速度相乘的調整系數。因此多個影響指數可以通過加權算數平均或者加權幾何平均進行計算。對上述各指數取平均,得到個體的社會屬性影響指數S:

(7)

影響指數是作為調整系數對乘員的初始期望疏散速度進行調整,而初始期望速度的變化導致自驅力的變化。引入社會屬性影響指數后,自驅力的表達式為

(8)

1.3.3 群體行為修正

在撤離過程中,由于人群密集,在群體的影響和壓力下,個體會放棄自我想法而采取與大多數人一致的行為,即從眾效應,也即跟隨行為,可通過在基本社會力模型中增加一項新的作用力模型來表示[20],即人員之間的跟隨力fi,fol。跟隨力可通過作用范圍影響因子α1,α2、自身速度影響因子α3、個體間距影響因子α4和同向行人影響因子α5來表示

(9)

式中,φ為強度系數,可取0.2。

作用范圍影響因子α1表示個體間距離小于某一固定值L時才會產生相互影響,α2為角度影響

自身速度影響因子α3是反映行人自由運動是否受限的參數,是根據個體當前運動速度能否達到期望速度來判斷運動是否受限,也即個體達到期望速度時不會跟隨他人運動。

(12)

式中,|vi|為個體i當前速度標量。

個體間距影響因子α4用來表示個體之間的距離對個體i跟隨行為的影響,當個體間距較近時,跟隨傾向越大,跟隨力越大;當個體間距離逐漸增大時,個體i的跟隨欲望不再強烈。

(13)

式中:Ci為常數,可取1 m;ri+rj為行人i與行人j模型半徑之和。

(14)

1.4 迫降不利姿態的影響修正

雖然適航規章要求的全機地面應急撤離演示要求飛機必須處于起落架放下的正常姿態下進行試驗,而且多數仿真模型也沒有考慮迫降后不利姿態的影響。但是,在大多數情況下,由于起落架故障、墜撞沖擊力或沖出跑道等原因,飛機迫降后并不一定處于正常姿態。迫降后的不利姿態會對個體的運動產生影響[21],主要給個體帶來重力分量以及運動的不適感。

飛機處于傾斜姿態,乘客會額外受到重力在傾斜方向上的分量,對個體運動的影響可通過傾斜力來表示

(15)

式中:g為重力加速度;θ為客艙地板平面與水平面的夾角大小;eθ為重力在飛機地板平面上的分量方向。

在飛機處于傾斜狀態下,因摩擦力減小及重力分量的作用,導致人行走步長明顯降低,步頻顯著減慢,步寬明顯增大,從而使人的行走速度與期望速度均大幅降低。德國勞氏船級社提出了船體橫傾或縱傾浮態下平均個體行走速度衰減比模型[22],廣泛應用于船舶疏散。由于船舶的橫傾和縱傾角度較大,而飛機迫降后的俯仰和滾轉角基本上都在±15°,所以本文僅參考該角度范圍內的衰減比系數。

式中:ψ為滾轉角;θ為俯仰角。

在傾斜姿態下,個體的期望速度為

(18)

經過上述修正后可得到基于社會屬性的社會力模型

(19)

修正后的社會力模型是個常微分方程,較難求出初值問題的解析解,在本文中利用改進的歐拉法進行數值求解。

2 應急撤離試驗環境

客艙應急撤離半物理試驗環境由客艙物理環境和測試系統組成。客艙物理環境是基于某大型客機建設的典型單通道“3-3”布局客艙,共19排座椅,2個翼上Ⅲ型出口和1個C型登機門,其余艙門和應急出口僅模擬外形,不具備開啟功能。艙門和應急出口進行了簡化,但模擬真實的打開方式和開啟力。為了便于試驗,滑梯為常打開方式,沒有與艙門開啟聯動。客艙地板以上按照飛機外形加工,地板以下通過六自由度平臺支撐,模擬飛機的運動姿態。艙內內飾按某大型客機設計,座椅為真實的航空座椅,行李艙、個人服務單元、應急照明、標牌標記等與真實飛機一致。

為了營造應急迫降場景和撤離的緊張氣氛,采用了舷窗視景系統,模擬飛機外部著火、機場跑道等。同時在客艙內部設置舞臺發煙裝置,模擬客艙出現煙霧情況。

測試系統由乘員軌跡跟蹤系統和生理參數測試系統組成。乘員軌跡跟蹤系統采用超寬帶脈沖定位技術(UWB),通過設置在艙內、艙外的基站和乘員佩戴的標簽實現參試人員在試驗中運動軌跡的記錄。生理參數測試系統采用無線腕帶式多通道生理傳感器,記錄參試人員的心率、脈搏、皮電等生理信號,通過試驗過程中生理參數的變化,分析參試人員的行為。

3 應急撤離仿真模型參數選取

(20)

式中,H為身高;個體體重mi和身高H可按國標《中國成年人人體尺寸》及仿真中男女性別比例進行選取。

不同性別、年齡人員的反應時間不同,AASK[24]統計得出的男性平均反應時間為1.49 s,女性為1.7 s,不同性別比例、年齡段的平均反應時間如表5所示。文獻中采用的反應時間為“弛豫時間”,結合應急撤離模型的參數選取經驗和AASK數據庫統計數據的規律,在本文的仿真中,個體反應時長按表6選取。

表5 AASK統計年齡、性別與平均反應時間

表6 應急撤離仿真模型中的反應時間

雖然在仿真中性別比例和年齡組成可以隨意設置,但為了與試驗對比,仿真中性別比例和年齡組成按照適航要求進行設置,即:①至少40%是女性;②至少35%是50歲以上的人;③至少15%是女性,且50歲以上。

關于受教育程度、乘坐頻率等社會屬性,通過問卷調查獲得的統計結果如表7所示,問卷調查共回收有效數據673份,其中包括來自某機場航站樓登機口旅客的123份問卷。

表7 問卷調查人口統計學特征分布

關于是否閱讀安全卡片及觀看安全演示,文獻[25]給出了如圖1所示的調查統計結果。其他社會力模型參數的選取如表8所示。

圖1 出口同排乘客閱讀安全卡片和聽講解百分比

表8 其他社會力模型參數的選取

4 仿真與試驗

4.1 試驗工況

在應急撤離試驗環境共進行了3類試驗,即單人試驗、多人試驗和群體試驗。單人試驗用于驗證個體行走速度,多人試驗用于驗證個體間相互作用及速度衰減比,群體試驗用于驗證仿真模型的準確度。

單人試驗共招募人員24名,男10人、女14人,年齡25～50歲,身高150～180 cm,體重55～85 kg。每個試驗對象以模擬艙內的第40排座椅A為起點,達到客艙右前艙門并觸碰艙門上的標記為結束。試驗按自由行走模式和快速撤離模式進行撤離,以便研究快速撤離模式與自由行走模式的差異。

多人試驗每次試驗人員18名,隨機就座于模擬艙內第38排至第40排的座位。試驗人員需從座位處進入過道并撤離至客艙前部的黃色標記處,如圖2所示。群體撤離試驗共招募人員90名,年齡分布在25～55歲,分為5組進行重復試驗。

圖2 多人試驗場景

群體試驗共進行了6次,人員分別為80名和96名,各進行3次,按照適航要求的男女性別及年齡比例招募參試人員。圖3是全尺寸撤離試驗過程中艙內錄像截圖。

圖3 撤離過程中艙內錄像截圖

4.2 應急撤離試驗

通過單人試驗得到了不同運動模式及不同區域的運動速度如圖4所示,在直線段的期望速度約1.49 m/s,在快速撤離模式下,直線段的速度約2.86 m/s。試驗結果表明,仿真中選取的期望速度1.5 m/s是合適的,而最大期望速度2.5 m/s偏低。

圖4 行走速度試驗結果

試驗中所得男女行走速度如圖5所示。從圖中可以看出,在自由步行情況下,男女行走速度比較一致,但在快速撤離模式下,男性在各段速度均高于女性。同時通過試驗錄像,在跳下滑梯時,表現出害怕恐慌情緒的女性要多于男性。試驗表明,在仿真模型中加入性別修正是合適的。

圖5 撤離速度性別差異

不利姿態條件下撤離試驗結果如圖6所示,從圖中可以看出,滾轉角對自由行走撤離速度的影響較少,而對快速撤離速度影響較大,在-10°滾轉角下,最大期望速度降低至約2.25 m/s。俯仰角對自由行走速度和快速撤離速度均有影響,俯仰角為10°時,自由行走速度降低至約1.25 m/s,快速撤離速度降低至約2.20 m/s。試驗表明,在仿真模型中有必要加入迫降后不利姿態的影響。

圖6 不利姿態與行走速度的關系

基于多人試驗,得到不同滾轉角及俯仰角下平均速度及其衰減比如圖7～8所示。從圖中可以看出,滾轉角為5°時,整體速度的衰減比為0.948,滾轉角為10°時, 整體速度衰減比為0.859。傾角對疏散中個體速度的影響全部呈現出減速效果,且速度衰減比隨次序的變化規律并不明顯。基于試驗數據,擬合得到的速度衰減比系數為

圖7 滾轉姿態各次序個體速度統計及其衰減比

圖8 俯仰姿態下各次序個體速度統計及其衰減比

與勞氏船級社的衰減系數相比，滾轉姿態和仰角姿態下基本一致，而俯角姿態下所得衰減比系數略微較大。

4.3 試驗與仿真對比

4.3.1 單人仿真與試驗

撤離時間的對比如圖9所示，最大誤差出現在10°俯仰角，為5.2%。從圖中可以看出，與試驗數據相比，仿真更加穩定，數據點更集中。

圖9 單人撤離仿真與試驗對比

4.3.2 多人仿真與試驗

多人試驗撤離時間的對比如圖10所示，各工況的最大誤差為5.0%。在大傾斜角度下對不同個體的影響不同，10°傾斜角時試驗獲得的撤離時間分布較大，而仿真結果則較為穩定。

圖10 多人仿真與試驗結果對比

4.3.3 群體仿真與試驗

群體試驗的撤離時間與仿真結果的對比如表9所示。從表中數據可以看出，仿真與試驗結果比較接近，最大誤差6.25%。

表9 群體撤離仿真與試驗對比

各出口的撤離人數試驗及仿真對比如表10所示。表中D表示前登機門，前E表示沿航向前翼上應急出口，后E表示沿航向后翼上應急出口。從表中數據可以看出，雖然仿真結果更符合客艙人員分布情況，但與試驗存在較大的差異。在試驗中，參試人員更情愿從前登機門撤離，而不是選擇就近出口撤離，這與試驗中參試人員的心理狀態有關，因為在其內心認為這是地面試驗，沒有緊迫感，更愿意選擇更容易跨出的登機門，而不選擇尺寸相對較小的翼上應急出口。在S4試驗中，由于是第一次試驗，參試人員基本上按就坐區域附近出口撤離。在S5試驗中，由于熟悉了試驗環境，試驗中有36,37和39排(參考圖2)的人員從前登機門撤離，在S6試驗中，幾乎翼上應急出口前的所有人員均從前登機門撤離(共7排，42人)。相對來說，仿真更符合應急情況下就近選擇應急出口的原則。

表10 各出口撤離人數仿真與試驗對比

4.3.4 與全機應急撤離演示試驗的對比

ARJ21-700型客機是我國已完成適航取證投入運營的國產支線噴氣客機。ARJ21-700飛機進行的全機地面演示試驗中，所有人員在57 s內撤離完畢。根據ARJ21-700飛機應急撤離地面演示試驗客艙結構建立仿真場景。

雖然適航規定了參試人員的性別和年齡比例，但無法獲得ARJ21-700應急撤離演示試驗參試人員的具體信息，為避免人員組成及人體尺寸參數對數據的影響，仿真中人員按適航要求的范圍隨機生成，通過多次仿真進行統計分析，結果如圖11所示。

圖11 ARJ21-700仿真與試驗結果對比

從圖中可以看出，本文的仿真結果與試驗結果吻合較好，誤差2.15 s，相對誤差3.7%。

5 結 論

1) 基于基本社會力模型，從個體行為、個體社會屬性、群體行為等方面修正了仿真模型，并通過試驗獲得了不同性別在撤離時速度的差異；在快速撤離模式下，男性在各階段速度均高于女性，全程平均速度男性為2.01 m/s，女性為1.80 m/s。在步行模式下，男女在各階段速度比較一致；

2) 針對迫降后的不利姿態，修正了仿真模型，具備不利姿態仿真能力；并通過試驗驗證了不同姿態對自由行走速度和快速撤離速度的影響，說明在仿真模型中加入不利姿態修正是合適的；

3) 基于動態應急撤離試驗環境，開展了單人試驗、多人試驗和群體試驗，基于多人試驗數據，獲得了飛機不利姿態的速度縮減比系數，為仿真模型的不利姿態修正提供了可靠的數據；

4) 由于缺乏競爭機制和緊張心理，在試驗中，參試人員對應急出口的選擇具有隨意性。相對來說，仿真更符合應急情況下就近選擇應急出口的原則；但從另一方面來說，所建仿真模型尚不能真實模擬人員的心理，仿真在某種程度上是群體行為的一種統計；

5) 通過單人試驗、多人試驗、群體試驗以及全尺寸應急撤離演示試驗的對比，表明所修正的社會力模型能夠比較準確地模擬民機應急撤離，仿真誤差滿足工程需要。