基于Anylogic的民用飛機(jī)客艙應(yīng)急撤離仿真研究*

尹莉萍，方鵬亞，任淑紅

(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 航空發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)院，河南 鄭州 450046)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人民生活水平的提高以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,近年來(lái)民航業(yè)得到了迅速發(fā)展,民航客運(yùn)量逐年提升。民航客運(yùn)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展,使得突發(fā)事件增多,突發(fā)事件出現(xiàn)后機(jī)上乘客的應(yīng)急撤離情況引發(fā)人們的廣泛關(guān)注。而且,為了使乘客能夠有效地從飛機(jī)上安全撤離,FAR-25[1]、CCAR-25[2]和CS-25[3]都對(duì)乘客的應(yīng)急撤離提出了明確的要求,即“對(duì)客座量大于44座的飛機(jī),必須表明其最大乘座量的乘客能在90 s內(nèi)在模擬的應(yīng)急情況下從飛機(jī)撤離至地面”,因此為了完成飛機(jī)的適航認(rèn)證,提高應(yīng)急撤離效率,必須開展客機(jī)的應(yīng)急撤離研究。開展應(yīng)急撤離研究,可以采用試驗(yàn)和數(shù)值仿真兩種方法。試驗(yàn)法需要建立全尺寸的樣機(jī),組織人員開展應(yīng)急撤離試驗(yàn),周期長(zhǎng)、費(fèi)用高,據(jù)統(tǒng)計(jì),某型寬體客機(jī)進(jìn)行單次應(yīng)急撤離演示試驗(yàn)需要花費(fèi)約230萬(wàn)美元,試驗(yàn)參與人數(shù)超過(guò)4 000人,平均歷時(shí)3年[4],而且,模擬應(yīng)急狀態(tài)進(jìn)行撤離試驗(yàn)時(shí),試驗(yàn)人員很容易受傷。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,采用數(shù)值仿真的方法研究應(yīng)急撤離問(wèn)題不僅可以克服試驗(yàn)方法的缺點(diǎn),還可以通過(guò)合理設(shè)置人員分布、多次仿真等使結(jié)果更準(zhǔn)確,因此越來(lái)越多的學(xué)者采用數(shù)值仿真方法研究應(yīng)急撤離問(wèn)題[5],但其研究多關(guān)注應(yīng)急撤離總時(shí)間這一參數(shù),而未關(guān)注撤離過(guò)程中的人員密度變化,無(wú)法為應(yīng)急撤離方案的制定提供相應(yīng)的指導(dǎo),因此仍需開展應(yīng)急撤離仿真研究以反映全尺寸客艙乘員的應(yīng)急撤離情況。

本項(xiàng)目采用Anylogic軟件[6,7]開展客機(jī)應(yīng)急撤離仿真研究,建立某型客機(jī)客艙的應(yīng)急撤離模型進(jìn)行仿真,得出客艙乘員的應(yīng)急撤離過(guò)程和應(yīng)急撤離過(guò)程中乘員密度較大區(qū)域(即擁堵區(qū)域)位置以及滿員狀態(tài)下的應(yīng)急撤離總時(shí)間。研究結(jié)果不僅為飛機(jī)研制者進(jìn)行適航符合性驗(yàn)證和局方進(jìn)行適航審定提供參考,也能為機(jī)組人員制定應(yīng)急撤離方案和進(jìn)行實(shí)際的應(yīng)急撤離提供一定指導(dǎo),同時(shí)為火車、汽車等交通工具的應(yīng)急撤離研究提供一定的參考。

1 建模及仿真有效性驗(yàn)證

1.1 仿真模型建立

本文以中國(guó)南方航空179座的A321機(jī)型客艙為基礎(chǔ)建立飛機(jī)客艙應(yīng)急撤離仿真模型,進(jìn)行應(yīng)急撤離仿真研究。A321飛機(jī)是目前廣泛使用的單通道客機(jī),其前三排為公務(wù)艙,后面均為經(jīng)濟(jì)艙,共有四對(duì)出口,且出口分布相對(duì)較均勻。

以A321機(jī)型客艙分布為基礎(chǔ),結(jié)合Anylogic軟件中的行人庫(kù)模塊,基于智能體建模的方法建立客艙乘員應(yīng)急撤離仿真模型,如圖1所示。

圖1 A321機(jī)型客艙模型

通過(guò)流程建模庫(kù)定義乘客的行動(dòng)邏輯圖來(lái)模擬乘客登機(jī)、放行李、就座等待、應(yīng)急撤離的過(guò)程,并設(shè)置時(shí)間函數(shù)計(jì)算乘客的應(yīng)急撤離總時(shí)間。乘客的應(yīng)急撤離行為邏輯圖如圖2所示。其中,PedSource表示乘客從機(jī)艙口進(jìn)入,goToRowPutLuggage表示乘客放置其行李,goToSeat表示乘客就座,PedWait表示等待,PedGoTo表示疏散,PedSink表示結(jié)束。函數(shù)timeMeasureStart和timeMeasureEnd用來(lái)統(tǒng)計(jì)乘客的應(yīng)急撤離時(shí)間。

圖2 乘客的應(yīng)急撤離行為邏輯圖

1.2 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真過(guò)程中需要設(shè)置一系列參數(shù)來(lái)定義乘客屬性,本文通過(guò)性別、年齡、腰圍、行走速度等參數(shù)定義乘客,并將這些參數(shù)賦予到乘客智能體上。設(shè)置男女乘客各占50%,乘客行走速度為0.6 m/s～1.2 m/s,男性腰圍定義在71 cm～124 cm之間,女性腰圍定義在63 cm～116 cm之間。

1.3 模型有效性驗(yàn)證

本文結(jié)合克蘭菲爾德大學(xué)的應(yīng)急撤離試驗(yàn)數(shù)據(jù)開展仿真有效性驗(yàn)證?？颂m菲爾德大學(xué)采用B737-200的客艙模擬器開展應(yīng)急撤離試驗(yàn)研究,通過(guò)試驗(yàn)得出客艙行人撤離時(shí)間,可為仿真等提供參考。B737-200的客艙模擬器為B737-200經(jīng)濟(jì)艙的局部客艙模型,共有10排座位,每排6個(gè)座位,中間一個(gè)過(guò)道,據(jù)此建立的客艙仿真模型如圖3所示,并設(shè)置與試驗(yàn)參數(shù)完全一致的仿真參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖3 B737-200的局部客艙仿真模型

為了減小人員行走速度、腰圍直徑參數(shù)隨機(jī)性的影響,采取多次仿真取平均值的方法進(jìn)行比較研究。通過(guò)多次仿真得出應(yīng)急撤離平均時(shí)間為40 s,與試驗(yàn)得到的平均撤離時(shí)間40 s吻合,說(shuō)明該仿真方法是有效的,可以開展后續(xù)研究。

2 仿真及結(jié)果分析

2.1 應(yīng)急撤離總時(shí)間分析

仿真時(shí)通過(guò)時(shí)間函數(shù)得到客艙乘客應(yīng)急撤離的總時(shí)間,為了減少單個(gè)乘客行走速度的隨機(jī)誤差,采用多次仿真試驗(yàn)求平均值的方法得出該客艙布局下的應(yīng)急撤離總時(shí)間。通過(guò)多次仿真得到乘員應(yīng)急撤離平均總時(shí)間為77.41 s,說(shuō)明撤離時(shí)間符合適航規(guī)章中90 s的規(guī)定要求。

2.2 應(yīng)急撤離過(guò)程分析

通過(guò)仿真不僅能得到乘客的應(yīng)急撤離總時(shí)間,同時(shí)能夠得到乘客的應(yīng)急撤離過(guò)程動(dòng)畫,本文通過(guò)截取不同時(shí)刻的客艙乘員分布來(lái)表示乘員應(yīng)急撤離過(guò)程,撤離時(shí)間為20 s和50 s時(shí)客艙內(nèi)乘客分布分別如圖4和圖5所示。

圖4 撤離時(shí)間20 s時(shí)的乘客分布

圖5 撤離時(shí)間50 s時(shí)的乘客分布

由圖4和圖5可知:由于應(yīng)急狀態(tài)下乘客都通過(guò)離自己最近的出口撤離,因此造成各機(jī)艙口處人員富集,出現(xiàn)一定的擁擠現(xiàn)象;前部機(jī)艙口的乘客最先完成撤離、中前部次之、中后部和后部的乘客最后完成撤離,這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)前部機(jī)艙口撤離的乘客多為商務(wù)艙乘客,而商務(wù)艙過(guò)道較寬、座位間間距較大,乘員較少,中后部出口由于撤離人員較多且存在相向而行的乘員,造成一定的對(duì)抗局面,因此撤離過(guò)程緩慢、時(shí)間較長(zhǎng),后部因撤離人員較多而導(dǎo)致撤離時(shí)間偏長(zhǎng),這說(shuō)明在乘員較少、配載允許的情況下乘客可盡量向前坐,以減小后排乘客密度。

2.3 應(yīng)急撤離過(guò)程中乘員擁擠情況分析

通過(guò)人員密度參數(shù)對(duì)乘客的擁擠情況進(jìn)行定量評(píng)估。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析可知,中后部區(qū)域人員密度最大值最大,人員密度峰值達(dá)到了2.225人/m2,中前部次之,其人員密度峰值達(dá)到了2.005人/m2,后部和前部的人員密度值相對(duì)較低,都在2人/m2以下,說(shuō)明在應(yīng)急撤離時(shí)機(jī)組人員應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注中部的兩個(gè)機(jī)艙口附近區(qū)域,以免由于擁堵造成人員出現(xiàn)推搡踩踏現(xiàn)象而受傷,從而影響應(yīng)急撤離時(shí)間,降低應(yīng)急撤離效率。

3 結(jié)論

本文以A321客機(jī)為研究對(duì)象開展應(yīng)急撤離仿真研究,得到了應(yīng)急撤離總時(shí)間和應(yīng)急撤離過(guò)程等,其主要結(jié)論如下:

(1) 該客艙布局下滿員時(shí)的乘員應(yīng)急撤離總時(shí)間約為77 s。

(2) 不同機(jī)艙口的撤離時(shí)間不同,前機(jī)艙口撤離時(shí)間最短,其次為中前部、中后部,最后為后機(jī)艙口。

(3) 撤離過(guò)程中不同位置的乘客擁擠程度即人員密度不同,中后部人員密度最大,中前部次之,后部和前部人員密度相對(duì)較小。