杜紅兵， 張慶慶， 陳 晨

（中國(guó)民航大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，天津300300）

民航飛機(jī)客艙乘客應(yīng)急疏散仿真模型

杜紅兵， 張慶慶， 陳 晨

（中國(guó)民航大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，天津300300）

為了對(duì)我國(guó)自主研發(fā)的ARJ（advanced regional jet）支線(xiàn)飛機(jī)初始適航審定時(shí)的人員疏散全尺寸實(shí)驗(yàn)提供輔助性驗(yàn)證信息，模擬航空器內(nèi)人員逃生90 s驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，基于元胞自動(dòng)機(jī)理論和智能體建模思想，考慮乘客應(yīng)急心理狀態(tài)，根據(jù)不同行為特征賦予其角色，建立了包括子模型民航飛機(jī)客艙模型、乘客特征模型、乘客行為模型和乘客運(yùn)動(dòng)模型的民航飛機(jī)客艙乘客應(yīng)急疏散模型，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的模擬軟件CabinEvacu．以100座支線(xiàn)飛機(jī)為例，按照《運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)應(yīng)急演練人員年齡和性別比例的要求，進(jìn)行了在設(shè)定場(chǎng)景下的乘客應(yīng)急疏散仿真，結(jié)果表明：人員的平均逃生時(shí)間為68．7 s，與ETSIA（evacuation test simulation and investigation algorithm）模型的仿真結(jié)果具有較好的一致性．

民航飛機(jī)客艙；應(yīng)急疏散；仿真模型；心理特征；元胞自動(dòng)機(jī)

20世紀(jì)70年代初，美國(guó)聯(lián)邦航空局最早開(kāi)發(fā)了航空器人員疏散模型GPSS（general purpose simulation system），隨后開(kāi)發(fā)出的模型有STRATVAC、GA（gourary associate）、ARCEVAC、OOO（Oklaboma object orientated）、GASM（genetic algorithm based simulation model）、AvatarSim、VacateAir、DEM（discrete element method）、airEXODUS、MACEY（macey's risk assessment model）等［1］；近年又開(kāi)發(fā)了ETSIA（evacuation test simulation and investigation algorithm）模型［2］和AAMAS（autonomous agent and multi-agent model）模型［3］．2008年5月中國(guó)商飛成立后開(kāi)始了ARJ21和C919的研發(fā)，這些型號(hào)的民航飛機(jī)在進(jìn)入商用市場(chǎng)之前必須通過(guò)CCAR25-R4（《運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》第4次修訂版）中人員逃生的90 s驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，以滿(mǎn)足初始適航審定要求，因此，近幾年國(guó)內(nèi)學(xué)者也開(kāi)始了航空器內(nèi)人員應(yīng)急疏散仿真研究，開(kāi)發(fā)了CAEESS（civil aircraft emergency evacuation simulation system）模型［4］、AESS（aircraft evacuation simulation system）模型［5］和考慮乘客物理特性的模型［6］．目前，國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)的應(yīng)急疏散模型主要用于航空器初始適航審定人員逃生的90 s驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，但在研究乘客疏散時(shí)較少考慮個(gè)體心理特性對(duì)人員疏散行為的影響．

本文基于元胞自動(dòng)機(jī)（cellular automata，CA）理論，借鑒智能體建模思想，重點(diǎn)考慮智能體之間、智能體與環(huán)境之間的交互作用對(duì)模型的影響［7］，民航飛機(jī)應(yīng)急時(shí)，按乘客的心理狀態(tài)將其分為領(lǐng)導(dǎo)者、普通者和恐慌者3類(lèi)，考慮這些不同類(lèi)乘客的心理狀態(tài)對(duì)其疏散行為的影響，建立了民航飛機(jī)客艙乘客應(yīng)急疏散模型（civil aircraft cabin occupant emergency evacuation model，CACOEM），并開(kāi)發(fā)出仿真軟件CabinEvacu，以100座數(shù)量級(jí)的支線(xiàn)飛機(jī)為例，設(shè)定各種復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行重復(fù)模擬，計(jì)算出客艙內(nèi)人員逃生時(shí)的總疏散時(shí)間，為分析中國(guó)商飛正在進(jìn)行適航驗(yàn)證的ARJ21支線(xiàn)飛機(jī)的人員逃生90 s驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)提供參考．

1 CACOEM模型的基本假設(shè)

基于CA理論［8］，對(duì)CACOEM模型的基本要素做如下假設(shè)：

（1）網(wǎng)格尺寸．依據(jù)《中國(guó)成年人人體尺寸》中的數(shù)據(jù)，以及密集人流中典型人員空間分配標(biāo)準(zhǔn)，模型將每個(gè)網(wǎng)格的尺寸設(shè)定為0．5 m×0．5 m．

（2）網(wǎng)格屬性．網(wǎng)格狀態(tài)為“空置”或“占據(jù)”．“占據(jù)”的主體為障礙物或乘客，一個(gè)網(wǎng)格僅能容納一個(gè)乘客；障礙物占據(jù)的網(wǎng)格其狀態(tài)始終都為“占據(jù)”．乘客占據(jù)的網(wǎng)格，一旦乘客離開(kāi)則該網(wǎng)格的狀態(tài)就由“占據(jù)”變?yōu)椤翱罩谩保恢挥小翱罩谩睜顟B(tài)的網(wǎng)格才可以被“占據(jù)”．

（3）乘客特性．考慮乘客性別、年齡及身體強(qiáng)壯度，分為強(qiáng)壯組（青壯年）與體弱組（老年人、孩童、孕婦、殘疾人、病患）．依據(jù)乘客心理狀態(tài)將乘客分為領(lǐng)導(dǎo)者、普通者、恐慌者3類(lèi)．

（4）時(shí)間步長(zhǎng)．所有乘客位置同步變更，刷新時(shí)乘客可移動(dòng)且只能移動(dòng)一個(gè)網(wǎng)格．研究表明，人的步行速度與人流密度有關(guān)，在緊急狀態(tài)下可以達(dá)到1．5 m／s［9］．在人員密度ρ較大的區(qū)域，不考慮乘客強(qiáng)壯度差異，采用平均速度1 m／s．文獻(xiàn)［10］建立了人員疏散移動(dòng)速度數(shù)學(xué)模型（式（1）），考慮了疏散時(shí)前后左右擁擠對(duì)人們啟動(dòng)加速度的影響．在客艙逃生環(huán)境下，移動(dòng)速度的影響因素與人員擁擠密度有關(guān)，因此其研究成果適用于本文的疏散模型．

式中：μj為考慮擁擠因素后的移動(dòng)速度；

μm為不考慮擁擠因素時(shí)的移動(dòng)速度；

α、β、γ分別為前后間距、左右間距以及其它影響因素對(duì)疏散速度的影響權(quán)重，參考文獻(xiàn)［10］有，

在仿真實(shí)驗(yàn)中，設(shè)支線(xiàn)飛機(jī)客座率為100%，據(jù)此設(shè)處于臨界擁擠密度狀態(tài)的人員密度

采取極值方法，得出μj與μm比值的取值范圍為0．475～1．011，用0．475和1．011的平均值0．743計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)，本模型中1個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)為

（5）可能的移動(dòng)方向．由于民航飛機(jī)客艙空間狹窄，不考慮乘客斜向移動(dòng)，模型在Moore型鄰域考慮乘客向前、后、左、右4個(gè)方向移動(dòng)．

2 CACOEM模型

模型由民航飛機(jī)客艙、乘客特征、乘客行為、乘客運(yùn)動(dòng)4個(gè)子模型組成，因飛行事故后果的復(fù)雜性和多樣性，暫不考慮飛行事故發(fā)生時(shí)的場(chǎng)景模擬．

2．1 民航飛機(jī)客艙子模型

民航飛機(jī)客艙子模型主要考慮客艙幾何構(gòu)造、可用艙門(mén)數(shù)及其位置和客艙區(qū)域劃分．

（1）客艙幾何結(jié)構(gòu)．根據(jù)客艙環(huán)境布局及客艙內(nèi)疏散通道的特點(diǎn)，將客艙平面進(jìn)行均勻網(wǎng)格劃分，設(shè)定每個(gè)網(wǎng)格為0．5 m×0．5 m，客艙中每個(gè)座椅占據(jù)1個(gè)網(wǎng)格，洗手間及障礙物占據(jù)多個(gè)網(wǎng)格，主通道只能單人通行．

（2）可用艙門(mén)數(shù)及其位置．依據(jù)CCAR25-R4對(duì)乘客逃生可用艙門(mén)數(shù)的設(shè)置要求，將可用艙門(mén)數(shù)設(shè)為總艙門(mén)數(shù)的一半，所以模型可用艙門(mén)數(shù)的7種位置組合見(jiàn)表1．

表1 可用艙門(mén)及其位置組合Tab．1 Available hatches and their location distribution

（3）客艙區(qū)域劃分．乘客選擇逃生路徑時(shí)，會(huì)考慮自身與艙門(mén)之間的距離、自己視野范圍內(nèi)的人數(shù)及障礙密度、對(duì)逃生路徑的熟悉程度．民航飛機(jī)客艙子模型依據(jù)該原則對(duì)客艙進(jìn)行區(qū)域劃分．

2．2 乘客特征子模型

通過(guò)對(duì)乘客性別和年齡的設(shè)定，達(dá)到改變乘客物理屬性的目的．通過(guò)對(duì)乘客類(lèi)型的設(shè)定，達(dá)到改變乘客社會(huì)屬性的目的．

將民航飛機(jī)應(yīng)急疏散過(guò)程中的每位乘客看成是1個(gè)Agent，將所有Agent劃分為A、B、C三類(lèi)．由于窄體單通道民航飛機(jī)中客艙機(jī)組對(duì)乘客的指揮作用并不明顯，模型把客艙機(jī)組看作具有領(lǐng)導(dǎo)者角色的乘客，而在寬體客機(jī)中需要考慮機(jī)組對(duì)乘客的疏導(dǎo)指揮作用．分析AASK數(shù)據(jù)庫(kù)（aircraft accident

statistics and knowledge database）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)［11］和飛行事故后的乘客經(jīng)歷［12］，以及心理狀態(tài)與行為關(guān)系的研究成果［13］，結(jié)合乘客年齡要素，認(rèn)為體弱組群體無(wú)法成為領(lǐng)導(dǎo)者Agent，將乘客Agent細(xì)分為10類(lèi)，見(jiàn)表2．

表2 乘客Agent類(lèi)型劃分以及相關(guān)特征描述Tab．2 Classification of occupants and their characterization

在仿真實(shí)驗(yàn)中，依據(jù)CCAR25-R4中關(guān)于應(yīng)急演練時(shí)人員的比例要求設(shè)定疏散人員比例，參考AASK數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)設(shè)定乘客的角色．

2．3 乘客行為子模型

（1）客艙勢(shì)能場(chǎng)計(jì)算

將乘客視為客艙二維空間內(nèi)一個(gè)具有質(zhì)量的點(diǎn)，目標(biāo)點(diǎn)（艙門(mén)、應(yīng)急出口）與障礙物（客艙內(nèi)壁、座椅等）之間產(chǎn)生了勢(shì)能場(chǎng)，乘客受到的吸引力F由乘客與可用艙門(mén)的距離以及人員密度造成的擁擠效應(yīng)決定，

式中：Rij單元格（i，j）的靜態(tài)場(chǎng)強(qiáng)值；

q為乘客位置坐標(biāo)；

L為乘客的移動(dòng)距離．

（2）優(yōu)先占位規(guī)則

根據(jù)占位權(quán)值確定優(yōu)先級(jí)：強(qiáng)壯度越大的乘客占據(jù)空位的優(yōu)先級(jí)越高；如果兩者強(qiáng)壯度相同，則根據(jù)設(shè)定的占位優(yōu)先級(jí)順序決定優(yōu)先級(jí)別．

（3）平均反應(yīng)時(shí)間

乘客的反應(yīng)時(shí)間受年齡、性別、經(jīng)驗(yàn)、人格特質(zhì)等多種因素的影響，由于不具備實(shí)驗(yàn)測(cè)定乘客反應(yīng)時(shí)間的條件，本文對(duì)此進(jìn)行了近似處理，選取乘客的平均反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)．文獻(xiàn)［14］根據(jù)AASK數(shù)據(jù)庫(kù)中飛行事故人員年齡、性別的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)不同年齡段的男女比例及平均反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)．對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均處理后，得到乘客平均反應(yīng)時(shí)間為1．628 s．

（4）行為對(duì)疏散速度的影響

空格占位競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，當(dāng)空格周?chē)丝蛿?shù)超過(guò)3個(gè)時(shí)，疏散延緩一個(gè)時(shí)間步．同時(shí)考慮乘客類(lèi)型（type）變量對(duì)于疏散的影響，設(shè)定空格周?chē)丝偷念?lèi)型值之和為T(mén)TS（type sum），臨界值為T(mén)TH（thresholds）．當(dāng)TTS＝TTH時(shí)，疏散正常；TTS＞TTH時(shí)，疏散加快；TTS＜TTH時(shí)，疏散延緩．模型中設(shè)定領(lǐng)導(dǎo)者的類(lèi)型值為3、普通者的類(lèi)型值為2、恐慌者的類(lèi)型值為1；設(shè)TTH的臨界值為6．

2．4 乘客運(yùn)動(dòng)子模型

（1）乘客移動(dòng)條件的判定

確定乘客Agent移動(dòng)位置的流程如圖1所示．

圖1 確定Agent移動(dòng)位置的流程Fig．1 Flow chart of determining agent movement position

（2）乘客移動(dòng)速度的設(shè)定

由式（2）可知，時(shí)間步長(zhǎng)為0．673 s．在人員密度較大的區(qū)域，不考慮乘客強(qiáng)壯度的差異，采用平均速度1 m／s；在人員密度小的區(qū)域（客艙艙門(mén)位置所在的縱向主干道），考慮乘客強(qiáng)壯度對(duì)于疏散速度的影響．依據(jù)文獻(xiàn)［15］對(duì)年齡與步速關(guān)系的研究成果，得到體弱組相對(duì)強(qiáng)壯組步速減少的百分比為48．75%．

（3）應(yīng)急出口流量對(duì)移動(dòng)速度的影響

設(shè)模擬仿真的客艙座位為100座，依據(jù)FAR25．807規(guī)定，其前部和后部均為A型艙門(mén)，中部為C型應(yīng)急出口．根據(jù)中國(guó)民航局適航司對(duì)應(yīng)急出口尺寸的規(guī)定，選取A型艙門(mén)規(guī)格為1 100 mm× 1 900 mm，C型應(yīng)急出口規(guī)格為850 mm× 1 550 mm，二者的單位面積流量比為1．586．僅考慮艙門(mén)差異情形時(shí)，近似認(rèn)為中部應(yīng)急出口的疏散時(shí)間是前、后部艙門(mén)疏散時(shí)間的1．5倍．

3 仿真算例及結(jié)果

3．1 仿真實(shí)例

基于CACOEM模型，應(yīng)用VC＋＋6．0開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)出仿真軟件CabinEvacu，仿真流程及程序結(jié)構(gòu)模塊分別見(jiàn)圖2和3所示．

圖2 疏散仿真流程Fig．2 Flow chart of evacuation simulation

圖3 程序結(jié)構(gòu)模塊Fig．3 Program structure block diagram

以窄體單通道100座支線(xiàn)飛機(jī)（例如CRJ900、EMB190、ARJ21等機(jī)型）的布局為仿真實(shí)例，CabinEvacu軟件的初始界面和運(yùn)行界面如圖4所示．

圖4 CabinEvacu仿真軟件的初始和運(yùn)行界面Fig．4 Initial and running interfaces of CabinEvacu

3．2 仿真結(jié)果

應(yīng)用軟件CabinEvacu，對(duì)前、中、后各有1個(gè)艙門(mén)打開(kāi)的情形（表1中E4）進(jìn)行了1 000次仿真．仿真過(guò)程中乘客類(lèi)型比例保持不變，乘客位置隨機(jī)變化，仿真結(jié)果見(jiàn)圖5．

該結(jié)果與ETSIA仿真結(jié)果［16］的對(duì)照見(jiàn)表3．由表3可見(jiàn)，CAOEM與ETSIA仿真結(jié)果的平均疏散時(shí)間基本一致，而方差相差較多，說(shuō)明具有不同心理特征的乘客位置變化后對(duì)疏散結(jié)果的影響顯著．

圖5 前、中、后各1個(gè)艙門(mén)打開(kāi)情形的仿真結(jié)果Fig．5 Simulation results of occupant emergency evacuation with three hatches opened in front，middle，and rear areas，respectively

表3 CAOEM與ETSIA的仿真結(jié)果對(duì)照Tab．3 Comparison of simulation results between CAOEM and ETSIA

仿真軟件可追蹤典型特定Agent的運(yùn)行軌跡，研究其逃生時(shí)的一些個(gè)體特性以及少數(shù)個(gè)體形成的群體行為特征［17］．仿真過(guò)程中4個(gè)時(shí)刻的人員疏散仿真情形見(jiàn)圖6．

圖6 4個(gè)時(shí)刻的人員疏散仿真場(chǎng)景Fig．6 Four stages of occupant evacuation simulation

4 結(jié)束語(yǔ)

分析了民航飛機(jī)客艙乘客應(yīng)急逃生時(shí)心理特征對(duì)其行為的影響，將心理狀態(tài)差異導(dǎo)致的行為差異體現(xiàn)在仿真程序中，構(gòu)建了客艙人員疏散仿真模型，開(kāi)發(fā)了民航飛機(jī)客艙內(nèi)乘客逃生仿真軟件CabinEvacu．在保持乘客類(lèi)型比例不變、乘客位置隨機(jī)變化的情形下，對(duì)100座支線(xiàn)飛機(jī)可用艙門(mén)的7種位置組合各進(jìn)行了1 000次仿真，并與ETSIA模型的仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)照，表明個(gè)體心理特征對(duì)疏散結(jié)果的影響顯著．

用CACOEM模型可實(shí)現(xiàn)民航飛機(jī)應(yīng)急人員逃生的多場(chǎng)景、無(wú)限次重復(fù)模擬，可與未來(lái)中國(guó)民航局適航司按照適航標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行的ARJ21的人員逃生實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)照分析，進(jìn)而完善并提升模型的實(shí)用性，建立更可靠的航空器人員應(yīng)急疏散評(píng)價(jià)體系．

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（中文編輯：秦萍玲 英文編輯：蘭俊思）

Occupant Evacuation Simulation Model during Civil Aircraft Emergency

DU Hongbing， ZHANG Qingqing， CHEN Chen
（College of Safety Science and Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China）

A computer simulation to verify occupant evacuation within 90 s during aircraft emergency can supply beneficial information for the full-scale evacuation experiment in the initial airworthiness certification of the advanced regional jet（ARJ）developed by China．Based on cellular automata and multi-agent theory，a civil aircraft cabin occupant emergency evacuation model（CACOEM）was established．In the model，considering their psychology in an emergency circumstance of aircraft，occupants were classified into different roles according to their distinctive features of behavior；four sub-models，i．e．，civil aircraft cabin model，occupants'characteristics model，occupants'behavior model，and occupants'movement model were involved．In addition，simulation software CabinEvacu was developed and applied to the regional commercial aircrafts with 100 seats．According to the requirements on passenger age-sex proportion in Transport Aircraft Airworthiness Standards：Transport Category Airplanes（CCAR25-R4），1000 times of occupant emergency evacuation simulations were made in a scenario where three hatches are opened in front，middle，and rear areas，respectively．The results show that the average evacuation time is68．7 s，which is consistent with the result obtained by the evacuation test simulation and investigation algorithm（ETSIA）．

aircraft cabin；emergency evacuation；simulation model；psychological characteristics；cellular automata

V223．2；X949

A

0258-2724（2016）01-0161-07

10．3969／j．issn．0258-2724．2016．01．023

2014-11-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51304217）

杜紅兵（1967—），男，教授，博士，研究方向?yàn)閼?yīng)急救援、人為因素等，電話(huà)：022-24092264，E-mail：hongbin_du＠sina．com

杜紅兵，張慶慶，陳晨．民航飛機(jī)客艙乘客應(yīng)急疏散仿真模型［J］．西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，51（1）：161-167．