吳義兵，紀(jì) 乾，宋 娜，鄒田春，陳 琨

（中國民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300300）

1985年，英國空旅航空28M號(hào)班機(jī)空難，由于機(jī)組沒有開展有效的應(yīng)急撤離造成55人死亡；1989年，沙特阿拉伯航空163號(hào)班機(jī)空難，因機(jī)組緊急逃生訓(xùn)練不足導(dǎo)致全部成員301人死亡。這些災(zāi)難性事故使得各國民航當(dāng)局，如美國聯(lián)邦航空局FAA（Federal Aviation Administration）和英國民用航空局UK CAA（Civil Aviation Authority）著手開展應(yīng)急撤離的研究工作。截止2004年，F(xiàn)AA對應(yīng)急撤離適航條款進(jìn)行了10次修訂，逐步明確適航要求和符合性方法。中國民用航空局在2011年發(fā)布了最新的適航規(guī)章CCAR-25-R4版，其中對飛機(jī)應(yīng)急撤離的要求與歐美標(biāo)準(zhǔn)基本一致，條款中明確規(guī)定，對于客座量超過44座的飛機(jī)，需要進(jìn)行應(yīng)急撤離演示或分析表明最大乘座量的乘員能在90 s內(nèi)在模擬應(yīng)急情況下從飛機(jī)撤離至地面[1]。

應(yīng)急撤離演示試驗(yàn)存在較高的安全風(fēng)險(xiǎn)，且試驗(yàn)費(fèi)用昂貴，準(zhǔn)備和組織耗時(shí)長，并且出于安全考慮適航當(dāng)局要求的演示試驗(yàn)是一種局限性較大的撤離演示性質(zhì)的試驗(yàn)。但由于危險(xiǎn)狀況產(chǎn)生的恐慌心理特點(diǎn)，這樣的撤離試驗(yàn)無法反映撤離人員在真實(shí)事故下的行為特征，為此，需要分析危險(xiǎn)狀況下人員競爭的觸發(fā)機(jī)理，并借助計(jì)算機(jī)仿真對難以開展試驗(yàn)的危險(xiǎn)情況進(jìn)行預(yù)測。

目前，國外研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)提出了10余種仿真模型，F(xiàn)AA最早開發(fā)了人員疏散模型GPSS（General Purpose Simulation System Model）[2]，可以用來模擬 90秒撤離規(guī)則，但是沒有考慮到危險(xiǎn)情況，難以模擬超越或競爭情況。此后，F(xiàn)AA又進(jìn)一步開發(fā)了GA（Gourary Associates model）模型[3]，該模型中可以考慮火災(zāi)危險(xiǎn)和煙氣情況。英國格林威治大學(xué)開發(fā)的airEXODUS[4，5]，加拿大航空研究公司開發(fā)的DEM[6]（Discrete Element Method）模型以及美國紐約大學(xué)布法羅分校開發(fā)的VacateAir[7]等同樣能夠模擬適航要求的撤離演示試驗(yàn)和對真實(shí)事故的撤離進(jìn)行分析，美國韋恩州立大學(xué)研發(fā)的AvatarSim[8]采用社會(huì)力模型考慮恐慌情況下的乘員行為。但這些模型只是針對特殊的事故場景或特定的“全尺寸應(yīng)急撤離演示試驗(yàn)”進(jìn)行驗(yàn)證，撤離模型的有效性和準(zhǔn)確性還有待進(jìn)一步完善。

國內(nèi)飛機(jī)應(yīng)急撤離研究方面起步較晚，基礎(chǔ)較為薄弱，尚未開發(fā)出飛機(jī)應(yīng)急撤離仿真模型[9]。國內(nèi)民機(jī)型號(hào)偏少，導(dǎo)致應(yīng)急撤離演示試驗(yàn)數(shù)據(jù)不全面，缺乏對試驗(yàn)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)的相關(guān)性分析，難以有效地指導(dǎo)飛機(jī)客艙的應(yīng)急撤離性能設(shè)計(jì)。

本文根據(jù)民機(jī)內(nèi)部客艙設(shè)計(jì)及應(yīng)急撤離適航要求，采用元胞自動(dòng)機(jī)和智能體理論，構(gòu)建了飛機(jī)應(yīng)急撤離仿真模型。首先對飛機(jī)應(yīng)急撤離演示試驗(yàn)狀況進(jìn)行仿真分析，然后考慮飛機(jī)迫降過程中多數(shù)情況會(huì)發(fā)生火災(zāi)，將導(dǎo)致乘員恐慌加劇，此種危險(xiǎn)狀況促使乘員迫切希望更加迅速地從飛機(jī)撤離，這可能造成擁擠、推搡等情況，一定程度上反而會(huì)減緩撤離速度。因此，為了研究危險(xiǎn)狀況下的應(yīng)急撤離人員行為，本文在仿真模型中引入競爭因子對客艙中撤離人員的競爭行為進(jìn)行模擬，研究危險(xiǎn)狀況對乘員應(yīng)急撤離的影響，為真實(shí)應(yīng)急撤離狀況的仿真提供技術(shù)支持。

1 飛機(jī)應(yīng)急撤離仿真模型

1.1模型原理

在危險(xiǎn)狀況下，乘員的年齡、性別、胖瘦等和客艙環(huán)境的亮度、濃煙、毒性等因素對對乘員的心理特征有不同程度的影響，而且乘員具有智能性，其心理特征更難把握，行為也更難仿真預(yù)測傳。所以，傳統(tǒng)的元胞自動(dòng)機(jī)理論不能直接運(yùn)用于應(yīng)急撤離仿真，故需要對傳統(tǒng)的元胞自動(dòng)機(jī)進(jìn)行擴(kuò)展，建立符合人員撤離機(jī)制的元胞自動(dòng)機(jī)模型。

基于多智能體和元胞自動(dòng)機(jī)應(yīng)急撤離模型是在元胞自動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上建立起來的，表示元胞由于自身的特性無法表達(dá)人員的智能性及屬性之間的差異，因此引入多智能體理論。某一智能體（乘員）與周圍其他職能體和環(huán)境之間構(gòu)成了局部狀態(tài)，根據(jù)這些狀態(tài)信息和其他智能體的目標(biāo)進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)智能體的愿望，并表現(xiàn)為乘員的移動(dòng)行為，且這種行動(dòng)能力受周圍其他智能體的各種屬性約束。

具體算法是基于多智能體理論，將參加競爭的人員的屬性轉(zhuǎn)換為競爭的概率，通過輪盤賭算法產(chǎn)生競爭成功的人員，其他人員則選擇次優(yōu)方向或者等待。

參加競爭人員i的競爭成功概率:

競爭中有可能會(huì)出現(xiàn)全部人員競爭不成功的現(xiàn)象，即所有人員均不能移動(dòng)，為了模擬這種現(xiàn)象，引入競爭因子μ，即參與競爭同一網(wǎng)格的人員均不成功的幾率。μ∈[0，1]，當(dāng) μ =0，撤離過程無競爭現(xiàn)象。若恐慌水平越高，對同一目標(biāo)點(diǎn)的競爭就越大，擁擠和排斥作用也越大，導(dǎo)致所有人競爭不成功的幾率就越大[10]。因此，競爭模型中的競爭因子，可以模擬危險(xiǎn)狀況對乘員造成的負(fù)面影響，從而開展危險(xiǎn)狀況下的仿真研究。危險(xiǎn)狀況下應(yīng)急撤離的客艙構(gòu)型和打開的應(yīng)急出口與演示試驗(yàn)狀況下的客艙構(gòu)型和打開的應(yīng)急出口一致。

1.2應(yīng)急撤離仿真流程

民機(jī)應(yīng)急撤離仿真建模是由人-機(jī)-環(huán)三個(gè)核心模塊構(gòu)成[11]，飛機(jī)的特性模塊處于基礎(chǔ)地位，首先依據(jù)客艙的布局設(shè)計(jì)特點(diǎn)，建立飛機(jī)客艙內(nèi)部的物理模型，在所建立的客艙物理模型基礎(chǔ)上，主要關(guān)注環(huán)境亮度、濃煙、毒性等因素來建立大氣環(huán)境場，基于CCAR-25-R4部應(yīng)急撤離適航條款要求的機(jī)組個(gè)數(shù)和旅客性別、年齡等比例設(shè)置好人群分布，再根據(jù)試驗(yàn)或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對撤離人員進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，具體參數(shù)包含反應(yīng)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速率、人員出口猶豫時(shí)間等，然后進(jìn)行撤離過程解算，輸出解算結(jié)果。最后，依據(jù)飛機(jī)應(yīng)急撤離性能的基本指標(biāo)，分析飛機(jī)的撤離性能[10]。

撤離仿真中用的是信息流傳播理論方法，首先對每位乘員進(jìn)行可移動(dòng)性判斷，然后進(jìn)行出口選擇，按照選擇的出口和周圍環(huán)境選擇移動(dòng)方向，通過乘員的當(dāng)前狀態(tài)及周圍環(huán)境計(jì)算移動(dòng)速度，更新乘員位置。如果多位乘員選擇同一個(gè)位置，將出現(xiàn)競爭，基于乘員自身屬性和一定的概率進(jìn)行選擇，競爭成功的乘員則移動(dòng)至新的位置，其他未競爭成功的乘員或等待或選擇其它備選方向。更新時(shí)刻再重復(fù)循環(huán)以上過程直至所有乘員撤離完畢。

1.3飛機(jī)應(yīng)急撤離模型

本文以民用運(yùn)輸機(jī)為例，建立應(yīng)急撤離模型，依據(jù)典型飛機(jī)構(gòu)型特點(diǎn)，采用兩對C型出口加兩對翼上III型出口，如圖1所示。現(xiàn)實(shí)客艙布局簡化如下，客艙中座椅、廚房、衛(wèi)生間等物理模型簡化使用二維四方網(wǎng)格表示，網(wǎng)格大小為0.5 m×0.5 m.考慮出口處有撤離滑梯的存在，同時(shí)只能有一人通過，所以將登機(jī)門和服務(wù)門出口簡化為一個(gè)網(wǎng)格寬度，與乘員網(wǎng)格大小一致；應(yīng)急出口和過道寬度簡化為一個(gè)網(wǎng)格寬度，前后翼上應(yīng)急出口處無障礙過道寬度簡化為兩個(gè)網(wǎng)格寬度。座椅前后方向簡化為兩個(gè)網(wǎng)格，左右方向簡化為一個(gè)網(wǎng)格。圖2給出了客艙布置簡化模型，飛機(jī)客艙旅客量174人。

圖1 飛機(jī)客艙平面布置

圖2 客艙布置簡化模型

2 飛機(jī)應(yīng)急撤離仿真分析

2.1應(yīng)急撤離性能評價(jià)指標(biāo)

本文采用撤離總時(shí)間 TTotal（Total Evacuation Time）、最 優(yōu) 性 能 統(tǒng) 計(jì) OPS（Optimal Performance Statistic）來對比分析四種不同工況下的撤離性能[10]。

其中，OPS表示客艙布局的合理程度，是由英國格林威治大學(xué)防火工程研究所FSEG（Fire Safety Engineering Group）提出，OPS計(jì)算公式如下：

式中：n為撤離可用出口數(shù)量；EETi為出口i最后一位乘客撤離時(shí)間（s）；TTotal為總撤離時(shí)間（s），即MAX[EETi]

且總撤離時(shí)間滿足：

式中：

TExitPrep=出口準(zhǔn)備時(shí)間，等于演示開始直至首位撤離人員到達(dá)地面或到達(dá)翼上出口平臺(tái)的時(shí)間間隔

飛機(jī)的OPS只要低于某一數(shù)值即可認(rèn)為撤離是理想的，而這個(gè)數(shù)值可以任意設(shè)定，F(xiàn)SEG認(rèn)為OPS低于0.1即可認(rèn)為撤離性能是理想的。

本文針對打開機(jī)身前后部登機(jī)門和同側(cè)翼上Ⅲ型出口的客艙構(gòu)型，如圖3所示，分別進(jìn)行應(yīng)急撤離演示狀況和危險(xiǎn)狀況下的應(yīng)急撤離仿真分析。

圖3 Ⅲ型出口布置

2.2演示試驗(yàn)狀況下應(yīng)急撤離仿真

通過進(jìn)行演示試驗(yàn)狀況下的仿真，獲得應(yīng)急撤離時(shí)間分布圖，圖4是1 000次仿真統(tǒng)計(jì)總撤離時(shí)間與頻率的分布，表1是演示試驗(yàn)狀況下撤離總時(shí)間與乘員出口準(zhǔn)備時(shí)間的統(tǒng)計(jì)。由圖4和表1可知，此種狀況下1 000次撤離仿真的均值為84.42 s，符合CCAR25部應(yīng)急撤離要求。出口準(zhǔn)備時(shí)間為撤離開始至首位撤離人員到達(dá)地面的時(shí)間，1 000次仿真結(jié)果的平均值為13.87 s.

圖4 總撤離時(shí)間分布（1000次仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果）

表1 演示試驗(yàn)狀況下仿真結(jié)果

通過多次重復(fù)應(yīng)急撤離仿真，得到飛機(jī)撤離的總體性能OPS.由圖5可知，撤離點(diǎn)主要落在第一象限和第三象限。撤離點(diǎn)落在第一象限，說明撤離十分理想且總撤離時(shí)間低于90 s，滿足適航要求。撤離點(diǎn)落在第三象限，說明撤離較理想且總撤離時(shí)間低于90 s，即使撤離過程不是很理想，撤離時(shí)間還是低于90 s，滿足應(yīng)急撤離適航要求。圖6給出了此種狀況撤離包線，顯示了撤離效率的上下限，撤離初期，撤離效率提升空間有限；撤離末期，撤離效率可以通過提高乘務(wù)員管理能力等措施進(jìn)一步提高，具有一定提升空間。

圖5 撤離性能分析圖

圖6 撤離包線（1000次仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果）

2.3危險(xiǎn)狀況下應(yīng)急撤離仿真

通過進(jìn)行危險(xiǎn)狀況下的應(yīng)急撤離仿真，獲得應(yīng)急撤離時(shí)間分布圖，由圖7和表2可知，此種狀況下1000次撤離仿真的均值為96.15 s，超出了適航要求的90 s總撤離時(shí)間，與演示試驗(yàn)狀況下相比，平均撤離時(shí)間增加13.89%；撤離時(shí)間最小值和撤離準(zhǔn)備時(shí)間，兩種狀況下無明顯變化；需要關(guān)注的是，演示試驗(yàn)狀況下的撤離時(shí)間最大值為92.64 s，而危險(xiǎn)狀況下撤離時(shí)間最大值為118.64 s，最大撤離時(shí)間增加28%.這說明危險(xiǎn)狀況下的應(yīng)急撤離與演示試驗(yàn)截然不同，危險(xiǎn)狀況導(dǎo)致乘員加劇恐懼和緊張，乘員試圖增大期望速度，但由于飛機(jī)客艙構(gòu)型狹小，沒有更多空間使乘員加速，導(dǎo)致出現(xiàn)擁擠、推搡等情況，乘員的平均移動(dòng)速度反而會(huì)減小，在一定程度上降低了撤離效率，對應(yīng)急撤離造成重大影響，呈現(xiàn)“快即是慢”的現(xiàn)象[10]。這也驗(yàn)證了許多飛機(jī)應(yīng)急著陸事故中，雖然飛機(jī)全尺寸演示驗(yàn)證試驗(yàn)滿足適航要求，但在實(shí)際情況中，特別是伴隨危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)，撤離時(shí)間往往大于90 s，造成較多的人員傷亡。

圖7 總撤離時(shí)間分布（1000次仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果）

表2 危險(xiǎn)狀況下仿真結(jié)果

圖8給出了飛機(jī)撤離的總體性能OPS.撤離點(diǎn)分布比較分散，大部分位于第四象限和第三象限，少數(shù)散落于第一象限。落在第四象限的撤離點(diǎn)說明撤離仿真試驗(yàn)的撤離時(shí)間超過90 s，并且撤離的過程不理想；落在第三象限的撤離點(diǎn)說明撤離試驗(yàn)的撤離時(shí)間雖低于90 s，但撤離的過程也不理想；落在第一象限的撤離點(diǎn)說明撤離時(shí)間低于90 s，撤離的過程很理想。圖9給出了此種狀況下的撤離包線，同樣可以看出撤離后期撤離效率還是有一定提升空間。

圖8 撤離性能分析圖

圖9 撤離包線（1000次仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果）

3 結(jié)束語

本文建立了基于多智能體和元胞自動(dòng)機(jī)的民機(jī)客艙應(yīng)急撤離模型，進(jìn)行應(yīng)急撤離仿真分析，通過引入乘員之間的競爭因子，模擬危險(xiǎn)狀況下乘員的撤離情形，對比兩個(gè)狀況下的乘員撤離時(shí)間，進(jìn)而研究危險(xiǎn)狀況對乘員撤離造成的影響，研究結(jié)果表明：

1）演示試驗(yàn)狀況下的應(yīng)急撤離總時(shí)間低于90 s，理論上符合應(yīng)急撤離適航要求，OPS結(jié)果表明客艙布局合理，撤離性能較為理想。

2）考慮危險(xiǎn)狀況下的人員競爭，平均總撤離時(shí)間增加為96.15 s，超出了適航要求的90 s總撤離時(shí)間。危險(xiǎn)狀況下的總撤離時(shí)間最大值遠(yuǎn)大于演示試驗(yàn)總撤離時(shí)間最大值，在競爭激烈的情況下，撤離效率較低，這也與加拿大航空局通過撤離實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論相一致[12]，較好地說明了人員疏散中“快即是慢”的典型現(xiàn)象。

3）通過建立飛機(jī)應(yīng)急撤離模型對兩種狀況下乘員撤離進(jìn)行仿真，結(jié)果表明通過合理設(shè)計(jì)應(yīng)急撤離程序，提高了乘務(wù)員乘客管理能力、運(yùn)動(dòng)能力以及協(xié)作能力等，可以進(jìn)一步提升撤離效率。

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