封文春, 李偉, 張桐, 姚向茹

1.航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 機(jī)電系統(tǒng)研究所, 陜西 西安 710089;2.北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100083

為保證飛機(jī)迫降后乘員快速撤離，F(xiàn)AA、EASA和CAAC均在適航規(guī)章中明確要求，對于客座量大于44座的飛機(jī)，必須表明其最大乘坐量的乘員能在90 s內(nèi)在模擬的應(yīng)急情況下從飛機(jī)撤離至地面。對于這一點(diǎn)的符合性，必須按規(guī)定的試驗(yàn)準(zhǔn)則所進(jìn)行的實(shí)際演示來表明[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在1998年至2007年間，飛機(jī)發(fā)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(yīng)急撤離避免了可能受到的傷害[2]。應(yīng)急撤離演示是驗(yàn)證應(yīng)急撤離的重要手段，但是存在周期長、費(fèi)用高、有一定風(fēng)險(xiǎn)等缺點(diǎn)。自1969年起，制造商已進(jìn)行了超過20次的全尺寸撤離驗(yàn)證試驗(yàn)，牽涉到7 000多名自愿者和航空公司機(jī)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(yīng)急撤離演示取證期間發(fā)生一起嚴(yán)重的受傷事件，導(dǎo)致一名參試者癱瘓。利用計(jì)算機(jī)模擬應(yīng)急撤離是一種重要的手段，早在20世紀(jì)70年代FAA就開發(fā)了用于航空領(lǐng)域飛機(jī)應(yīng)急撤離的通用仿真系統(tǒng)(general purpose simulation system,GPSS)，至2009年共發(fā)表有8種飛機(jī)應(yīng)急撤離仿真模型[4]。

與應(yīng)急撤離演示試驗(yàn)相比，仿真具有模擬著火、煙霧等相對真實(shí)的撤離場景的優(yōu)勢，但不能準(zhǔn)確表達(dá)危險(xiǎn)環(huán)境條件下人員的行為，這也是應(yīng)急撤離仿真尚不能完全替代試驗(yàn)的關(guān)鍵。雖然已建立了多種疏散模型，如網(wǎng)絡(luò)流模型、流體動(dòng)力學(xué)模型、元胞自動(dòng)機(jī)模型和社會(huì)力模型等，但在模擬人的行為方面仍然存在不足。因?yàn)椋说幕緦傩允巧鐣?huì)性，而且具有思考和應(yīng)急應(yīng)變能力，不同社會(huì)背景的人員在應(yīng)急情況下的行為不同。而且民機(jī)乘客組成復(fù)雜，不同的人具有不同的知識(shí)背景、社會(huì)關(guān)系、心理素質(zhì)和身體條件，都會(huì)影響應(yīng)急情況下的反應(yīng)和行為。

本文根據(jù)民航飛機(jī)乘員特征和客艙特點(diǎn)，基于基本社會(huì)力模型，考慮乘員的社會(huì)背景、教育背景等社會(huì)屬性以及迫降后的不利姿態(tài)，重點(diǎn)關(guān)注乘員的競爭行為和恐懼心理，對基本社會(huì)力模型進(jìn)行修正，建立了具有一定社會(huì)屬性的民用飛機(jī)乘員應(yīng)急撤離仿真模型，并基于客艙應(yīng)急撤離半物理仿真試驗(yàn)環(huán)境，進(jìn)行了某大型客機(jī)應(yīng)急撤離試驗(yàn)，與仿真結(jié)果進(jìn)行了對比分析，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確度。

1 應(yīng)急撤離仿真模型

1.1 民用飛機(jī)應(yīng)急撤離特征

與人員聚集場所或建筑內(nèi)的疏散不同，民用飛機(jī)迫降后撤離具有5個(gè)顯著特征：①撤離時(shí)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(jī)乘員組成復(fù)雜，家庭背景、教育程度、社會(huì)關(guān)系、心理素質(zhì)等都會(huì)影響應(yīng)急情況下人員的行為；④迫降場景及可用應(yīng)急出口不可預(yù)知，客艙內(nèi)部和外部環(huán)境對撤離均有一定影響；⑤民機(jī)客艙是一個(gè)典型的“魚骨型”通道，在撤離過程中極易發(fā)生擁堵。

在應(yīng)急撤離過程中，個(gè)體的物理屬性決定乘客的反應(yīng)速度和運(yùn)動(dòng)速度。社會(huì)屬性影響乘客的決策和對其他乘客決策的影響，進(jìn)而影響個(gè)體行為。過去航空安全研究中忽略了社會(huì)職業(yè)與社會(huì)關(guān)系對乘客撤離行為的影響。標(biāo)準(zhǔn)90 s的應(yīng)急撤離適航準(zhǔn)則是在乘客互相之間社會(huì)無關(guān)、社會(huì)職業(yè)無限制的假設(shè)基礎(chǔ)上提出的，其大部分的試驗(yàn)審查過程是基于個(gè)人獨(dú)立行為來進(jìn)行的。在實(shí)際的應(yīng)急撤離過程中乘客行為會(huì)被現(xiàn)場其他乘客以及各自旅行伙伴之間的社會(huì)關(guān)系和習(xí)慣所影響。同伴關(guān)系類型包括家庭成員關(guān)系、朋友關(guān)系、工作同事關(guān)系和其他社會(huì)性關(guān)系。在應(yīng)急撤離試驗(yàn)和仿真中，準(zhǔn)確描述這些關(guān)系具有很大的難度。

1.2 基本社會(huì)力模型

(1)

式中:mi表示個(gè)體i的質(zhì)量;vi表示個(gè)體i的移動(dòng)速度。

自驅(qū)力是個(gè)體在自身主觀意識(shí)作用下朝著期望位置移動(dòng)而對自己施加的力。在運(yùn)動(dòng)過程,個(gè)體根據(jù)周圍環(huán)境調(diào)整速度大小和方向,以保證最短路徑。自驅(qū)力可用(2)式表示

(2)

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

(3)

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

(4)

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

1.3 基于社會(huì)屬性的改進(jìn)

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

社會(huì)力模型使得群體疏散研究取得了很大的進(jìn)步。Ramos等[6]指出,社會(huì)力模型能夠成功地仿真大多數(shù)在步行動(dòng)力學(xué)中可以觀察到的典型現(xiàn)象。社會(huì)力模型能夠非常準(zhǔn)確地重現(xiàn)恐慌時(shí)人群行為,能夠很好地考慮恐慌情形群體間產(chǎn)生高壓力的特性[7-8]。雖然社會(huì)力模型能夠很好地描述總的群體效應(yīng),但人不是粒子,其基本屬性是社會(huì)性,個(gè)體行為和決策對撤離過程有至關(guān)重要的影響。

1.3.1 個(gè)體行為修正

個(gè)體行為主要取決于個(gè)體的焦躁和緊張程度,可使用(5)式來表示[9]

(5)

(6)

1.3.2 個(gè)體社會(huì)屬性修正

上述對個(gè)體期望速度的修正僅反映了焦慮情緒,實(shí)際上,個(gè)體的性別、年齡、受教育程度、事故經(jīng)歷等社會(huì)人口統(tǒng)計(jì)學(xué)變量與個(gè)體的思維方式和行為方式存在著一定的關(guān)系,在遭遇突發(fā)事件時(shí),會(huì)因個(gè)體社會(huì)屬性的差異,存在生理和心理方面的差異,進(jìn)而影響個(gè)體在疏散過程中的決策。本文通過引入社會(huì)屬性影響指數(shù)S修正期望速度,進(jìn)而修正自驅(qū)力。

在突發(fā)事件中,男性一般有著更快的反應(yīng)能力,女性往往更容易產(chǎn)生恐慌和焦慮情緒。男性相對于女性,在突發(fā)事件中能理智地選擇正確的方式[10]。文獻(xiàn)[11]通過問卷調(diào)查將個(gè)體的恐慌程度劃分為一級(jí)(低)、二級(jí)(中)、三級(jí)(高),男性在這3個(gè)級(jí)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(shí)要強(qiáng)于男性,且女性比男性更愿意主動(dòng)幫助他人,男性的競爭意識(shí)更為明顯,會(huì)更加關(guān)注自身的安全[12]。在大型商場疏散行為分析中,聽到警報(bào)后,“不知所措”的女性幾乎是男性的2倍?；谖墨I(xiàn)研究結(jié)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(shù)S1以女性為基準(zhǔn),即女性取1.0,男性取1.05。

隨著年齡的增長,經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的積累越多,在面對突發(fā)狀況時(shí)能更好地保持鎮(zhèn)定。研究表明,在各個(gè)年齡段中,50歲以上的乘客具有更好的特質(zhì)焦慮評價(jià),41～50歲的乘客有著最高的積極應(yīng)對評價(jià)[13]。但是隨著年齡的增加,步行的頻率、速度和步長都會(huì)下降,在撤離過程中,年輕人的知覺、反應(yīng)速度與動(dòng)作靈活性會(huì)優(yōu)于年長者。年齡在乘客疏散過程中造成影響的綜合應(yīng)對得分隨年齡提升變化在2%左右[13]。本文年齡影響指數(shù)S2側(cè)重于經(jīng)驗(yàn)知識(shí),因此以年輕人為基準(zhǔn),各年齡段的取值如表1所示。

表1 年齡影響指數(shù)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(shí)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(shí),在遇到突發(fā)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(xiàn)[15]對漳州古雷“4·6”事故居民疏散行為調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),在預(yù)疏散階段,接到疏散通知后學(xué)歷較高的人群在該階段表現(xiàn)更為冷靜和理性,并且會(huì)傳遞更多的疏散信息;在返程階段,學(xué)歷越高的居民按要求返程的占比越高。文獻(xiàn)[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(xué)歷的參照類別是研究生以上,回歸系數(shù)為正,說明表示學(xué)歷正向影響人們選擇“看周圍人反應(yīng)”的概率。初中及以下文化程度的乘客“看周圍人反應(yīng)”的發(fā)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(xué)(本科、?？?文化程度的這一比例為1.743倍。當(dāng)然,個(gè)體受教育程度并不是應(yīng)急情況下決定行為的唯一因素,還與社會(huì)經(jīng)歷、從事職業(yè)、社會(huì)背景等有關(guān)。本文以受過高中教育為基準(zhǔn),基于文獻(xiàn)[16]的模型分析結(jié)果,受教育程度影響指數(shù)S3取值如表2所示。

表2 受教育程度影響指數(shù)S3取值

乘坐頻率往往與乘客對乘坐的交通工具環(huán)境熟悉情況呈正相關(guān)關(guān)系。乘坐頻率越高的乘客,在突發(fā)事故發(fā)生時(shí),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(jù)文獻(xiàn)[17]中地鐵乘坐頻率與火災(zāi)爆炸事故應(yīng)急反應(yīng)的交叉表人數(shù)和占比設(shè)置等級(jí),乘坐頻率影響指數(shù)S4取值如表3所示。

表3 乘坐頻率指數(shù)S4的取值

在地鐵人員疏散心理行為調(diào)查及相關(guān)性研究中發(fā)現(xiàn),接受過專門安全教育的往往會(huì)按照疏散指示標(biāo)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(gè)體特征的非適應(yīng)性行為研究表明,乘客安全知識(shí)及疏散安全態(tài)度對地鐵乘客的非適應(yīng)性行為有顯著的負(fù)向作用,乘客的安全知識(shí)和疏散安全態(tài)度每提高1%,非適應(yīng)性行為發(fā)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(shí)演示和安全卡片,閱讀和觀看安全須知對個(gè)體的安全知識(shí)有一定的影響?；诤娇章眯刑攸c(diǎn),以無安全知識(shí)但閱讀安全卡片和觀看安全演示為基準(zhǔn),安全知識(shí)影響指數(shù)S5的取值如表4所示。

表4 安全經(jīng)驗(yàn)知識(shí)影響指數(shù)S5的取值

由于各因素的影響指數(shù)最終作用在乘客的疏散速度上,在影響指數(shù)設(shè)定時(shí),已經(jīng)歸一化,作為與疏散速度相乘的調(diào)整系數(shù)。因此多個(gè)影響指數(shù)可以通過加權(quán)算數(shù)平均或者加權(quán)幾何平均進(jìn)行計(jì)算。對上述各指數(shù)取平均,得到個(gè)體的社會(huì)屬性影響指數(shù)S:

(7)

影響指數(shù)是作為調(diào)整系數(shù)對乘員的初始期望疏散速度進(jìn)行調(diào)整,而初始期望速度的變化導(dǎo)致自驅(qū)力的變化。引入社會(huì)屬性影響指數(shù)后,自驅(qū)力的表達(dá)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(gè)體會(huì)放棄自我想法而采取與大多數(shù)人一致的行為,即從眾效應(yīng),也即跟隨行為,可通過在基本社會(huì)力模型中增加一項(xiàng)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(gè)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(qiáng)度系數(shù),可取0.2。

作用范圍影響因子α1表示個(gè)體間距離小于某一固定值L時(shí)才會(huì)產(chǎn)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(yùn)動(dòng)是否受限的參數(shù),是根據(jù)個(gè)體當(dāng)前運(yùn)動(dòng)速度能否達(dá)到期望速度來判斷運(yùn)動(dòng)是否受限,也即個(gè)體達(dá)到期望速度時(shí)不會(huì)跟隨他人運(yùn)動(dòng)。

(12)

式中,|vi|為個(gè)體i當(dāng)前速度標(biāo)量。

個(gè)體間距影響因子α4用來表示個(gè)體之間的距離對個(gè)體i跟隨行為的影響,當(dāng)個(gè)體間距較近時(shí),跟隨傾向越大,跟隨力越大;當(dāng)個(gè)體間距離逐漸增大時(shí),個(gè)體i的跟隨欲望不再強(qiáng)烈。

(13)

式中:Ci為常數(shù),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(tài)的影響修正

雖然適航規(guī)章要求的全機(jī)地面應(yīng)急撤離演示要求飛機(jī)必須處于起落架放下的正常姿態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn),而且多數(shù)仿真模型也沒有考慮迫降后不利姿態(tài)的影響。但是,在大多數(shù)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(jī)迫降后并不一定處于正常姿態(tài)。迫降后的不利姿態(tài)會(huì)對個(gè)體的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響[21],主要給個(gè)體帶來重力分量以及運(yùn)動(dòng)的不適感。

飛機(jī)處于傾斜姿態(tài),乘客會(huì)額外受到重力在傾斜方向上的分量,對個(gè)體運(yùn)動(dòng)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(jī)地板平面上的分量方向。

在飛機(jī)處于傾斜狀態(tài)下,因摩擦力減小及重力分量的作用,導(dǎo)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(jí)社提出了船體橫傾或縱傾浮態(tài)下平均個(gè)體行走速度衰減比模型[22],廣泛應(yīng)用于船舶疏散。由于船舶的橫傾和縱傾角度較大,而飛機(jī)迫降后的俯仰和滾轉(zhuǎn)角基本上都在±15°,所以本文僅參考該角度范圍內(nèi)的衰減比系數(shù)。

式中:ψ為滾轉(zhuǎn)角;θ為俯仰角。

在傾斜姿態(tài)下,個(gè)體的期望速度為

(18)

經(jīng)過上述修正后可得到基于社會(huì)屬性的社會(huì)力模型

(19)

修正后的社會(huì)力模型是個(gè)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(jìn)的歐拉法進(jìn)行數(shù)值求解。

2 應(yīng)急撤離試驗(yàn)環(huán)境

客艙應(yīng)急撤離半物理試驗(yàn)環(huán)境由客艙物理環(huán)境和測試系統(tǒng)組成?？团撐锢憝h(huán)境是基于某大型客機(jī)建設(shè)的典型單通道“3-3”布局客艙,共19排座椅,2個(gè)翼上Ⅲ型出口和1個(gè)C型登機(jī)門,其余艙門和應(yīng)急出口僅模擬外形,不具備開啟功能。艙門和應(yīng)急出口進(jìn)行了簡化,但模擬真實(shí)的打開方式和開啟力。為了便于試驗(yàn),滑梯為常打開方式,沒有與艙門開啟聯(lián)動(dòng)?？团摰匕逡陨习凑诊w機(jī)外形加工,地板以下通過六自由度平臺(tái)支撐,模擬飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。艙內(nèi)內(nèi)飾按某大型客機(jī)設(shè)計(jì),座椅為真實(shí)的航空座椅,行李艙、個(gè)人服務(wù)單元、應(yīng)急照明、標(biāo)牌標(biāo)記等與真實(shí)飛機(jī)一致。

為了營造應(yīng)急迫降場景和撤離的緊張氣氛,采用了舷窗視景系統(tǒng),模擬飛機(jī)外部著火、機(jī)場跑道等。同時(shí)在客艙內(nèi)部設(shè)置舞臺(tái)發(fā)煙裝置,模擬客艙出現(xiàn)煙霧情況。

測試系統(tǒng)由乘員軌跡跟蹤系統(tǒng)和生理參數(shù)測試系統(tǒng)組成。乘員軌跡跟蹤系統(tǒng)采用超寬帶脈沖定位技術(shù)(UWB),通過設(shè)置在艙內(nèi)、艙外的基站和乘員佩戴的標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)參試人員在試驗(yàn)中運(yùn)動(dòng)軌跡的記錄。生理參數(shù)測試系統(tǒng)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(hào),通過試驗(yàn)過程中生理參數(shù)的變化,分析參試人員的行為。

3 應(yīng)急撤離仿真模型參數(shù)選取

(20)

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

不同性別、年齡人員的反應(yīng)時(shí)間不同,AASK[24]統(tǒng)計(jì)得出的男性平均反應(yīng)時(shí)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(yīng)時(shí)間如表5所示。文獻(xiàn)中采用的反應(yīng)時(shí)間為“弛豫時(shí)間”,結(jié)合應(yīng)急撤離模型的參數(shù)選取經(jīng)驗(yàn)和AASK數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的規(guī)律,在本文的仿真中,個(gè)體反應(yīng)時(shí)長按表6選取。

表5 AASK統(tǒng)計(jì)年齡、性別與平均反應(yīng)時(shí)間

表6 應(yīng)急撤離仿真模型中的反應(yīng)時(shí)間

雖然在仿真中性別比例和年齡組成可以隨意設(shè)置,但為了與試驗(yàn)對比,仿真中性別比例和年齡組成按照適航要求進(jìn)行設(shè)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(guān)于受教育程度、乘坐頻率等社會(huì)屬性,通過問卷調(diào)查獲得的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表7所示,問卷調(diào)查共回收有效數(shù)據(jù)673份,其中包括來自某機(jī)場航站樓登機(jī)口旅客的123份問卷。

表7 問卷調(diào)查人口統(tǒng)計(jì)學(xué)特征分布

關(guān)于是否閱讀安全卡片及觀看安全演示,文獻(xiàn)[25]給出了如圖1所示的調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果。其他社會(huì)力模型參數(shù)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(huì)力模型參數(shù)的選取

4 仿真與試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)工況

在應(yīng)急撤離試驗(yàn)環(huán)境共進(jìn)行了3類試驗(yàn),即單人試驗(yàn)、多人試驗(yàn)和群體試驗(yàn)。單人試驗(yàn)用于驗(yàn)證個(gè)體行走速度,多人試驗(yàn)用于驗(yàn)證個(gè)體間相互作用及速度衰減比,群體試驗(yàn)用于驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確度。

單人試驗(yàn)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(gè)試驗(yàn)對象以模擬艙內(nèi)的第40排座椅A為起點(diǎn),達(dá)到客艙右前艙門并觸碰艙門上的標(biāo)記為結(jié)束。試驗(yàn)按自由行走模式和快速撤離模式進(jìn)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(yàn)每次試驗(yàn)人員18名,隨機(jī)就座于模擬艙內(nèi)第38排至第40排的座位。試驗(yàn)人員需從座位處進(jìn)入過道并撤離至客艙前部的黃色標(biāo)記處,如圖2所示。群體撤離試驗(yàn)共招募人員90名,年齡分布在25～55歲,分為5組進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。

圖2 多人試驗(yàn)場景

群體試驗(yàn)共進(jìn)行了6次,人員分別為80名和96名,各進(jìn)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(yàn)過程中艙內(nèi)錄像截圖。

圖3 撤離過程中艙內(nèi)錄像截圖

4.2 應(yīng)急撤離試驗(yàn)

通過單人試驗(yàn)得到了不同運(yùn)動(dòng)模式及不同區(qū)域的運(yùn)動(dòng)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(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)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(shí)通過試驗(yàn)錄像,在跳下滑梯時(shí),表現(xiàn)出害怕恐慌情緒的女性要多于男性。試驗(yàn)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(tài)條件下撤離試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示,從圖中可以看出,滾轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shí),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(yàn)表明,在仿真模型中有必要加入迫降后不利姿態(tài)的影響。

圖6 不利姿態(tài)與行走速度的關(guān)系

基于多人試驗(yàn),得到不同滾轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角為5°時(shí),整體速度的衰減比為0.948,滾轉(zhuǎn)角為10°時(shí), 整體速度衰減比為0.859。傾角對疏散中個(gè)體速度的影響全部呈現(xiàn)出減速效果,且速度衰減比隨次序的變化規(guī)律并不明顯?；谠囼?yàn)數(shù)據(jù),擬合得到的速度衰減比系數(shù)為

圖7 滾轉(zhuǎn)姿態(tài)各次序個(gè)體速度統(tǒng)計(jì)及其衰減比

圖8 俯仰姿態(tài)下各次序個(gè)體速度統(tǒng)計(jì)及其衰減比

與勞氏船級(jí)社的衰減系數(shù)相比，滾轉(zhuǎn)姿態(tài)和仰角姿態(tài)下基本一致，而俯角姿態(tài)下所得衰減比系數(shù)略微較大。

4.3 試驗(yàn)與仿真對比

4.3.1 單人仿真與試驗(yàn)

撤離時(shí)間的對比如圖9所示，最大誤差出現(xiàn)在10°俯仰角，為5.2%。從圖中可以看出，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，仿真更加穩(wěn)定，數(shù)據(jù)點(diǎn)更集中。

圖9 單人撤離仿真與試驗(yàn)對比

4.3.2 多人仿真與試驗(yàn)

多人試驗(yàn)撤離時(shí)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(gè)體的影響不同，10°傾斜角時(shí)試驗(yàn)獲得的撤離時(shí)間分布較大，而仿真結(jié)果則較為穩(wěn)定。

圖10 多人仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

4.3.3 群體仿真與試驗(yàn)

群體試驗(yàn)的撤離時(shí)間與仿真結(jié)果的對比如表9所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，仿真與試驗(yàn)結(jié)果比較接近，最大誤差6.25%。

表9 群體撤離仿真與試驗(yàn)對比

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

表10 各出口撤離人數(shù)仿真與試驗(yàn)對比

4.3.4 與全機(jī)應(yīng)急撤離演示試驗(yàn)的對比

ARJ21-700型客機(jī)是我國已完成適航取證投入運(yùn)營的國產(chǎn)支線噴氣客機(jī)。ARJ21-700飛機(jī)進(jìn)行的全機(jī)地面演示試驗(yàn)中，所有人員在57 s內(nèi)撤離完畢。根據(jù)ARJ21-700飛機(jī)應(yīng)急撤離地面演示試驗(yàn)客艙結(jié)構(gòu)建立仿真場景。

雖然適航規(guī)定了參試人員的性別和年齡比例，但無法獲得ARJ21-700應(yīng)急撤離演示試驗(yàn)參試人員的具體信息，為避免人員組成及人體尺寸參數(shù)對數(shù)據(jù)的影響，仿真中人員按適航要求的范圍隨機(jī)生成，通過多次仿真進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖11所示。

圖11 ARJ21-700仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

從圖中可以看出，本文的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，誤差2.15 s，相對誤差3.7%。

5 結(jié) 論

1) 基于基本社會(huì)力模型，從個(gè)體行為、個(gè)體社會(huì)屬性、群體行為等方面修正了仿真模型，并通過試驗(yàn)獲得了不同性別在撤離時(shí)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(tài)，修正了仿真模型，具備不利姿態(tài)仿真能力；并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了不同姿態(tài)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(tài)修正是合適的；

3) 基于動(dòng)態(tài)應(yīng)急撤離試驗(yàn)環(huán)境，開展了單人試驗(yàn)、多人試驗(yàn)和群體試驗(yàn)，基于多人試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得了飛機(jī)不利姿態(tài)的速度縮減比系數(shù)，為仿真模型的不利姿態(tài)修正提供了可靠的數(shù)據(jù)；

4) 由于缺乏競爭機(jī)制和緊張心理，在試驗(yàn)中，參試人員對應(yīng)急出口的選擇具有隨意性。相對來說，仿真更符合應(yīng)急情況下就近選擇應(yīng)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(shí)模擬人員的心理，仿真在某種程度上是群體行為的一種統(tǒng)計(jì)；

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