杜紅兵， 張慶慶， 陳 晨

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

民航飛機客艙乘客應(yīng)急疏散仿真模型

杜紅兵， 張慶慶， 陳 晨

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

為了對我國自主研發(fā)的ARJ（advanced regional jet）支線飛機初始適航審定時的人員疏散全尺寸實驗提供輔助性驗證信息，模擬航空器內(nèi)人員逃生90 s驗證實驗，基于元胞自動機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客艙模型、乘客特征模型、乘客行為模型和乘客運動模型的民航飛機客艙乘客應(yīng)急疏散模型，并開發(fā)了相應(yīng)的模擬軟件CabinEvacu．以100座支線飛機為例，按照《運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)》對應(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．

民航飛機客艙；應(yīng)急疏散；仿真模型；心理特征；元胞自動機

20世紀(jì)70年代初，美國聯(lián)邦航空局最早開發(fā)了航空器人員疏散模型GPSS（general purpose simulation system），隨后開發(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月中國商飛成立后開始了ARJ21和C919的研發(fā)，這些型號的民航飛機在進(jìn)入商用市場之前必須通過CCAR25-R4（《運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)》第4次修訂版）中人員逃生的90 s驗證實驗，以滿足初始適航審定要求，因此，近幾年國內(nèi)學(xué)者也開始了航空器內(nèi)人員應(yīng)急疏散仿真研究，開發(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，國內(nèi)外開發(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驗證實驗，但在研究乘客疏散時較少考慮個體心理特性對人員疏散行為的影響．

本文基于元胞自動機（cellular automata，CA）理論，借鑒智能體建模思想，重點考慮智能體之間、智能體與環(huán)境之間的交互作用對模型的影響［7］，民航飛機應(yīng)急時，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，考慮這些不同類乘客的心理狀態(tài)對其疏散行為的影響，建立了民航飛機客艙乘客應(yīng)急疏散模型（civil aircraft cabin occupant emergency evacuation model，CACOEM），并開發(fā)出仿真軟件CabinEvacu，以100座數(shù)量級的支線飛機為例，設(shè)定各種復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行重復(fù)模擬，計算出客艙內(nèi)人員逃生時的總疏散時間，為分析中國商飛正在進(jìn)行適航驗證的ARJ21支線飛機的人員逃生90 s驗證實驗提供參考．

1 CACOEM模型的基本假設(shè)

基于CA理論［8］，對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，一個網(wǎng)格僅能容納一個乘客；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，一旦乘客離開則該網(wǎng)格的狀態(tài)就由“占據(jù)”變?yōu)椤翱罩谩?；只有“空置”狀態(tài)的網(wǎng)格才可以被“占據(jù)”．

（3）乘客特性．考慮乘客性別、年齡及身體強壯度，分為強壯組（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．

（4）時間步長．所有乘客位置同步變更，刷新時乘客可移動且只能移動一個網(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速度數(shù)學(xué)模型（式（1）），考慮了疏散時前后左右擁擠對人們啟動加速度的影響．在客艙逃生環(huán)境下，移動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速度；

μm為不考慮擁擠因素時的移動速度；

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

在仿真實驗中，設(shè)支線飛機客座率為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計算時間步長，本模型中1個時間步長為

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

2 CACOEM模型

模型由民航飛機客艙、乘客特征、乘客行為、乘客運動4個子模型組成，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)生時的場景模擬．

2．1 民航飛機客艙子模型

民航飛機客艙子模型主要考慮客艙幾何構(gòu)造、可用艙門數(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，將客艙平面進(jìn)行均勻網(wǎng)格劃分，設(shè)定每個網(wǎng)格為0．5 m×0．5 m，客艙中每個座椅占據(jù)1個網(wǎng)格，洗手間及障礙物占據(jù)多個網(wǎng)格，主通道只能單人通行．

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

表1 可用艙門及其位置組合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，會考慮自身與艙門之間的距離、自己視野范圍內(nèi)的人數(shù)及障礙密度、對逃生路徑的熟悉程度．民航飛機客艙子模型依據(jù)該原則對客艙進(jìn)行區(qū)域劃分．

2．2 乘客特征子模型

通過對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．通過對乘客類型的設(shè)定，達(dá)到改變乘客社會屬性的目的．

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

statistics and knowledge database）的統(tǒng)計數(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)為體弱組群體無法成為領(lǐng)導(dǎo)者Agent，將乘客Agent細(xì)分為10類，見表2．

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

在仿真實驗中，依據(jù)CCAR25-R4中關(guān)于應(yīng)急演練時人員的比例要求設(shè)定疏散人員比例，參考AASK數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計數(shù)據(jù)設(shè)定乘客的角色．

2．3 乘客行為子模型

（1）客艙勢能場計算

將乘客視為客艙二維空間內(nèi)一個具有質(zhì)量的點，目標(biāo)點（艙門、應(yīng)急出口）與障礙物（客艙內(nèi)壁、座椅等）之間產(chǎn)生了勢能場，乘客受到的吸引力F由乘客與可用艙門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)場強值；

q為乘客位置坐標(biāo)；

L為乘客的移動距離．

（2）優(yōu)先占位規(guī)則

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

（3）平均反應(yīng)時間

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

（4）行為對疏散速度的影響

空格占位競爭時，當(dāng)空格周圍乘客數(shù)超過3個時，疏散延緩一個時間步．同時考慮乘客類型（type）變量對于疏散的影響，設(shè)定空格周圍乘客的類型值之和為TTS（type sum），臨界值為TTH（thresholds）．當(dāng)TTS＝TTH時，疏散正常；TTS＞TTH時，疏散加快；TTS＜TTH時，疏散延緩．模型中設(shè)定領(lǐng)導(dǎo)者的類型值為3、普通者的類型值為2、恐慌者的類型值為1；設(shè)TTH的臨界值為6．

2．4 乘客運動子模型

（1）乘客移動條件的判定

確定乘客Agent移動位置的流程如圖1所示．

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

（2）乘客移動速度的設(shè)定

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

（3）應(yīng)急出口流量對移動速度的影響

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，中部為C型應(yīng)急出口．根據(jù)中國民航局適航司對應(yīng)急出口尺寸的規(guī)定，選取A型艙門規(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．僅考慮艙門差異情形時，近似認(rèn)為中部應(yīng)急出口的疏散時間是前、后部艙門疏散時間的1．5倍．

3 仿真算例及結(jié)果

3．1 仿真實例

基于CACOEM模型，應(yīng)用VC＋＋6．0開發(fā)工具開發(fā)出仿真軟件CabinEvacu，仿真流程及程序結(jié)構(gòu)模塊分別見圖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座支線飛機（例如CRJ900、EMB190、ARJ21等機型）的布局為仿真實例，CabinEvacu軟件的初始界面和運行界面如圖4所示．

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

3．2 仿真結(jié)果

應(yīng)用軟件CabinEvacu，對前、中、后各有1個艙門打開的情形（表1中E4）進(jìn)行了1 000次仿真．仿真過程中乘客類型比例保持不變，乘客位置隨機變化，仿真結(jié)果見圖5．

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

圖5 前、中、后各1個艙門打開情形的仿真結(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的運行軌跡，研究其逃生時的一些個體特性以及少數(shù)個體形成的群體行為特征［17］．仿真過程中4個時刻的人員疏散仿真情形見圖6．

圖6 4個時刻的人員疏散仿真場景Fig．6 Four stages of occupant evacuation simulation

4 結(jié)束語

分析了民航飛機客艙乘客應(yīng)急逃生時心理特征對其行為的影響，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，開發(fā)了民航飛機客艙內(nèi)乘客逃生仿真軟件CabinEvacu．在保持乘客類型比例不變、乘客位置隨機變化的情形下，對100座支線飛機可用艙門的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)行了對照，表明個體心理特征對疏散結(jié)果的影響顯著．

用CACOEM模型可實現(xiàn)民航飛機應(yīng)急人員逃生的多場景、無限次重復(fù)模擬，可與未來中國民航局適航司按照適航標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行的ARJ21的人員逃生實驗進(jìn)行對照分析，進(jìn)而完善并提升模型的實用性，建立更可靠的航空器人員應(yīng)急疏散評價體系．

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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

國家自然科學(xué)基金資助項目（51304217）

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

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