飛機(jī)客艙安全疏散影響因素研究

李國(guó)輝，趙力增，王 穎

(公安部天津消防研究所，天津，300381)

飛機(jī)客艙安全疏散影響因素研究

李國(guó)輝*，趙力增，王 穎

(公安部天津消防研究所，天津，300381)

為提高和優(yōu)化民航客機(jī)安全疏散效率，選取出口個(gè)數(shù)、出口位置、出口寬度和過道寬度四個(gè)因素，基于steering模型構(gòu)建仿真模型，分析不同因素對(duì)疏散效率的影響。結(jié)果表明，前后出口疏散效率優(yōu)于中間出口，且出口大于3個(gè)時(shí),增加出口對(duì)疏散效率影響不顯著；出口寬度從50 cm增加到65 cm，疏散效率提升明顯，大于65 cm之后，對(duì)疏散影響不顯著；過道寬度設(shè)置為70 cm較為合理；客艙前后區(qū)域疏散時(shí)間差異明顯，前部疏散明顯快于后部；通過優(yōu)化客艙布局，設(shè)置合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，消除了過道和出口瓶頸，并顯著提升了客艙人員疏散效率。

安全疏散；飛機(jī)客艙；仿真建模；影響因素

0 引言

民航客機(jī)與汽車、火車等交通工具相比，所處環(huán)境復(fù)雜，一旦發(fā)生故障，會(huì)造成重大傷亡。飛行事故檔案局發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2000～2015年間，平均每年發(fā)生航空事故171起，死亡1110人?？蜋C(jī)從事故預(yù)警到發(fā)生的間隔非常短，在有限時(shí)間內(nèi)將乘客快速疏散到安全區(qū)域是飛機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一?？团摼哂锌臻g狹窄、人員密集、行動(dòng)受阻等特點(diǎn)。國(guó)際民航組織和中國(guó)民航局規(guī)定，飛機(jī)遇到緊急情況需緊急撤離時(shí)，人員應(yīng)在90 s內(nèi)撤離完畢[1](包括反應(yīng)時(shí)間和行動(dòng)時(shí)間)。人員疏散受客艙安全設(shè)施、結(jié)構(gòu)布局、乘客和機(jī)組人員行為、安全出口、過道寬度等因素影響。因此，研究飛機(jī)客艙在緊急情況下的疏散效率及影響因素具有重大實(shí)際意義，并可為我國(guó)大飛機(jī)客艙人員疏散設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

建筑領(lǐng)域的人員疏散研究已非常深入[2]，并發(fā)展出了多種人員疏散模型。民航客艙與普通建筑空間并無顯著差異，因此，建筑領(lǐng)域的人員安全疏散模型可應(yīng)用于民航客艙的安全疏散研究。評(píng)估民航客機(jī)疏散能力可通過疏散演練和模擬仿真兩種手段，但疏散演練難以多次實(shí)施，并且費(fèi)用較高，而仿真模擬可有效解決這一問題。因此，針對(duì)民航客艙疏散的研究主要采用模擬仿真手段，通過模擬仿真可反復(fù)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，從而達(dá)到最佳效果。

目前將成熟的人員疏散模型應(yīng)用于民航客艙已經(jīng)取得了一定成果。例如，張等[3]就利用火災(zāi)模擬軟件FDS和疏散仿真軟件Pathfinder結(jié)合研究飛機(jī)客艙的性能化防火設(shè)計(jì)，并針對(duì)疏散模型提出了優(yōu)化方案。付等[4]利用Pathfinder開展了波音飛機(jī)疏散模擬，通過優(yōu)化不同出口人員使用比例使疏散時(shí)間滿足90 s規(guī)定。這些研究主要從客艙人員布局角度提出優(yōu)化方案，屬于管理范疇，難以從根本上改善客艙人員疏散效率。

此外，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局和歐盟于1994年和2002年提出客艙人員疏散模型[5,6]。楊等[7]建立了民航客機(jī)疏散元胞自動(dòng)機(jī)模型。張等[8]基于性能化思想，提出了火災(zāi)疏散安全指數(shù)用于評(píng)價(jià)客艙人員疏散能力。俞等[9]基于集對(duì)分析，通過構(gòu)建人員疏散能力評(píng)估體系，建立了人員疏散評(píng)估模型。王等[10]建立了民航客艙安全疏散能力評(píng)估指標(biāo)，認(rèn)為客艙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)安全疏散影響最大。民航客艙內(nèi)部空間極其有限，人員疏散具有典型的競(jìng)爭(zhēng)延遲、單邊擁堵、交替前進(jìn)、有效逃生空間閑置等特征，因此選擇疏散仿真模型也應(yīng)滿足客艙的熱源疏散特征。付等[4]、呂等[11]分別利用Pathfinder對(duì)波音777和大型公交車進(jìn)行了仿真模擬，模擬結(jié)果能夠反映實(shí)際情況。且Pathfinder作為成熟的疏散仿真軟件，可將碰撞、障礙物、路徑選擇等行為進(jìn)行模擬，最大限度展現(xiàn)實(shí)際疏散狀況。

在已開展的研究中，部分研究成果通過評(píng)價(jià)提出了影響客艙疏散的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因素，但多停留在評(píng)估層面，缺少實(shí)證研究。大多涉及疏散仿真模擬的研究多是從不同出口人員分配角度開展，忽視了結(jié)構(gòu)因素與疏散效率的關(guān)系。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上充分考慮客艙結(jié)構(gòu)因素，并通過仿真模擬驗(yàn)證結(jié)構(gòu)因素與疏散效率的關(guān)系。

1 模型建立與疏散場(chǎng)景

1.1 疏散模型

Pathfinder是美國(guó)Thunderhead Engineering公司開發(fā)的人員疏散模擬軟件。Pathfinder模型既包括建筑的出口、房間等幾何尺寸，也對(duì)人體尺寸、行走速度、坐標(biāo)等人員屬性進(jìn)行了定義。Pathfinder可反映不同時(shí)刻人員所處的坐標(biāo)位置。

Pathfinder包含Steering和SFPE兩種人員行為模式。其中，Steering模式是基于一種Inverse Steering的行為理念，人員運(yùn)動(dòng)過程可自動(dòng)選擇最短路徑，并隨著位置、距離、周圍環(huán)境的變化而自動(dòng)更新路徑。同時(shí)，該模式考慮人員碰撞規(guī)避規(guī)則，沒有擁堵時(shí)，人員保持設(shè)定速度行走，一旦出現(xiàn)擁堵，速度降低或停止等候[2]。該行為模式能夠真實(shí)地反映緊急情況下人員疏散過程的擁擠過程和人員行為特點(diǎn)。該疏散模擬軟件已經(jīng)被大量研究人員采用，并在地鐵、商業(yè)綜合體、超高層建筑、體育場(chǎng)館等領(lǐng)域開展了大量研究，近幾年也開始應(yīng)用到民航客機(jī)。

研究對(duì)象選取國(guó)內(nèi)保有量最多的B737-800機(jī)型，客艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1。客艙設(shè)置171個(gè)座位，有四對(duì)安全出口，模型中考慮客艙滿員情景。

圖2為客艙人員疏散模型，人員屬性對(duì)疏散時(shí)間有較大影響[12]。模型重點(diǎn)考慮性別和年齡對(duì)疏散的影響。根據(jù)Galea對(duì)客艙人員疏散速度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，成年男性、成年女性、老年男性和老年女性的最大移動(dòng)速度分別為1.2 m/s、1.2 m/s、1.1 m/s和0.9 m/s，人員最大疏散速度照此取值[13]，運(yùn)動(dòng)過程中依據(jù)Steering模型，根據(jù)擁堵情況速度自動(dòng)調(diào)整。CCAR-25-R4規(guī)定，人員疏散應(yīng)急演練中人員構(gòu)成應(yīng)滿足：至少40%是女性；至少35%是50歲以上的人；至少15%是女性，且50歲以上。模型依據(jù)規(guī)定設(shè)置不同人員比例。

圖1 客艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局示意圖Fig.1 Structure layout diagram of aircraft cabin

圖2 客艙人員疏散模型與乘客分布圖Fig.2 Occupant evacuation model and passenger distribution

1.2 疏散場(chǎng)景

飛機(jī)客艙人員疏散受多因素影響，在設(shè)置疏散場(chǎng)景前，提出如下假設(shè)：飛機(jī)遇到事故已經(jīng)完成迫降；疏散開始時(shí)乘客均位于各自座位上；忽略打開安全帶時(shí)間；疏散開始，艙門即打開；只考慮人員通過安全出口疏散。

大量研究表明，建筑結(jié)構(gòu)、人員特性、火災(zāi)產(chǎn)物和安全管理等與安全疏散關(guān)系密切，其中建筑結(jié)構(gòu)因素包括疏散出口設(shè)置、最大安全疏散距離、疏散門和走道凈寬度等。其中，結(jié)構(gòu)因素可以從根本上改善疏散狀況?？团摽衫每臻g是固定的，最大安全疏散距離不是影響疏散的關(guān)鍵因素。因此，選取影響客艙疏散的四個(gè)結(jié)構(gòu)因素：出口個(gè)數(shù)、出口位置、出口寬度和過道寬度。

情景一：過道寬度作為變量，出口個(gè)數(shù)(8個(gè))和寬度(60 cm)固定，見表1；情景二：出口個(gè)數(shù)和出口位置變化，過道寬度(60 cm)和出口寬度(60 cm)固定，見表1，其中2個(gè)出口考慮同側(cè)前后出口，3個(gè)出口考慮同側(cè)前中后出口，4個(gè)出口考慮同側(cè)出口均可用，6個(gè)出口保留前中后各兩個(gè)；情景三：考慮8個(gè)和4個(gè)出口時(shí)，出口寬度變化對(duì)疏散效率的影響，過道寬度(60 cm)固定，共14個(gè)場(chǎng)景，見表2。

表1 情景一和情景二疏散場(chǎng)景匯總

2 結(jié)果與討論

2.1 過道寬度與疏散效率的關(guān)系

B737-800機(jī)型為單通道窄體飛機(jī)，兩側(cè)各三列座位，緊急疏散時(shí)人員需要通過過道疏散至安全出口。以中間出口為界將客艙分為前后兩部分，客艙后部93人，客艙前部78人，見圖1。圖3為不同過道寬度時(shí)對(duì)應(yīng)的疏散時(shí)間，并給出了客艙前、后兩部

表2 情景三疏散場(chǎng)景匯總

分的疏散時(shí)間，其中后部時(shí)間為客艙整體疏散時(shí)間。

可以看出，客艙前部疏散時(shí)間明顯小于后部，且兩部分疏散時(shí)間變化趨勢(shì)有所區(qū)別?？团摵蟛浚布纯团撜w的疏散時(shí)間隨過道寬度的增大下降明顯；但過道寬度大于70 cm后，客艙前部疏散時(shí)間基本穩(wěn)定，結(jié)果并不是通常認(rèn)為的寬度越大疏散效率越高。這是因?yàn)槌隹趥€(gè)數(shù)相同而疏散人數(shù)不同時(shí)，后部受競(jìng)爭(zhēng)排隊(duì)行為影響，在過道出現(xiàn)擁堵的概率更大；客艙前部因人數(shù)較少，過道寬度大于70 cm后不再是造成人員停滯的關(guān)鍵因素，下文會(huì)進(jìn)一步分析。這一結(jié)果也說明，在進(jìn)行客艙過道設(shè)計(jì)時(shí)，并非一味增加過道寬度，而應(yīng)綜合考慮其他因素選取最佳過道寬度，避免造成空間浪費(fèi)。

圖3 客艙不同部位疏散時(shí)間結(jié)果Fig.3 Evacuation time of different positions in cabin

B737-800機(jī)型過道寬度通常設(shè)計(jì)為60 cm，機(jī)身內(nèi)部寬度約3.5 m，座位2.6 m，過道可調(diào)節(jié)范圍在1 m之內(nèi)。在設(shè)計(jì)過道時(shí)，結(jié)合仿真模擬結(jié)果，并同時(shí)兼顧座位上人員的舒適度，過道寬度的合理值為70 cm，此時(shí)客艙人員全部疏散完畢時(shí)間為70 s，小于90 s的規(guī)定。

2.2 出口數(shù)量和出口位置與疏散效率的關(guān)系

B737-800機(jī)型在兩側(cè)設(shè)置4對(duì)8個(gè)出口，但在緊急情況下容易出現(xiàn)一側(cè)艙門無法打開或部分艙門出現(xiàn)故障的情況。因此，有必要考慮疏散出口個(gè)數(shù)對(duì)人員疏散的影響。圖4為不同疏散出口個(gè)數(shù)情況下人員疏散時(shí)間的模擬結(jié)果。

可以看出，安全疏散出口為2個(gè)時(shí)，客艙前、后部分疏散時(shí)間分別為125 s和139 s，都大于90 s，不符合相關(guān)規(guī)定。安全疏散出口大于2個(gè)時(shí)，與圖3結(jié)果相似，客艙前部疏散時(shí)間小于后部，即客艙前部疏散效率優(yōu)于后部，布局有優(yōu)化空間。安全疏散出口大于2個(gè)時(shí)，無論是客艙前部還是后部，疏散時(shí)間隨出口個(gè)數(shù)字更多呈降低趨勢(shì)，但變化不明顯，說明疏散出口大于等于3個(gè)時(shí)，增加疏散出口個(gè)數(shù)不會(huì)顯著提升客艙的人員安全疏散效率。這是因?yàn)槿藛T疏散首先通過客艙過道到達(dá)安全出口，而過道寬度同時(shí)只能通過一股人流，這就決定了到達(dá)出口的人數(shù)只有一股人流，在目前出口位置固定的情況下，增加出口個(gè)數(shù)，整體疏散效率提升不大。

圖4 疏散時(shí)間與出口個(gè)數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between evacuation time and exit number

需要注意，疏散出口為4個(gè)時(shí)，客艙前部疏散時(shí)間比3個(gè)出口有所增加，這是因?yàn)榭团撉安砍隹诶寐瘦^低，當(dāng)3個(gè)出口時(shí)，中間出口出現(xiàn)擁堵，前部人員自動(dòng)選擇客艙前端出口，從而提高了前部疏散效率；而4個(gè)出口時(shí)，客艙前部人員通過前、中兩個(gè)出口，前端出口利用效率又降低，導(dǎo)致前部?jī)蓚€(gè)出口利用率不均衡，疏散時(shí)間增長(zhǎng)。

2.3 出口寬度與疏散效率的關(guān)系

CCAR-25-R4規(guī)定了七類型號(hào)應(yīng)急出口，寬度從41 cm～106.6 cm不等。對(duì)于客座多于110座，在機(jī)身兩側(cè)應(yīng)保證一個(gè)出口為61 cm或更大。本場(chǎng)景考慮出口寬度從50 cm～80 cm，模擬結(jié)果見圖5。

圖5 疏散時(shí)間與出口寬度的關(guān)系Fig.5 Relationship between evacuation time and exit width

出口寬度從50 cm～65 cm變化時(shí)，客艙總疏散時(shí)間隨出口寬度增加而減小，寬度對(duì)疏散效率影響顯著；出口寬度從65 cm～80 cm變化時(shí)，疏散時(shí)間變化不大，說明此時(shí)寬度的增大對(duì)疏散效率提升不明顯。這是因?yàn)?，?dāng)疏散出口寬度過小時(shí)，疏散效率受出口寬度控制，出口處人員密度較大，出口寬度不能滿足過道人流量的通行能力，因此，增大出口寬度可大幅提升疏散效率；而當(dāng)出口寬度大于65 cm之后，疏散效率受過道寬度控制，出口寬度可滿足過道人流量的通行能力，但人員在過道出現(xiàn)擁堵和排隊(duì)等候現(xiàn)象，此時(shí)再增大出口寬度不會(huì)明顯提升疏散效率。

分析可知，疏散出口寬度越大對(duì)疏散效率的提升不再顯著，出口寬度越大，對(duì)艙門的受力和封閉性要求越高，因此結(jié)合圖5，疏散出口寬度設(shè)計(jì)為65 cm較為合理。

對(duì)比8個(gè)出口和4個(gè)出口的模擬結(jié)果，兩者總體疏散時(shí)間區(qū)別不大，特別是疏散出口寬度大于65 cm后，兩條時(shí)間曲線幾乎重合。

2.4 優(yōu)化客艙布局后的疏散結(jié)果

通過對(duì)不同結(jié)構(gòu)因素分析可知，客艙前后兩部分人員疏散效率存在差異，如果提升客艙后部疏散效率可有效提高客艙的整體疏散效率。因此，要想提升客艙整體疏散效率，應(yīng)對(duì)客艙人員布局進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，調(diào)整后客艙前后人員基本一致。為了驗(yàn)證提出的結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性，優(yōu)化后將疏散出口寬度設(shè)置為65 cm，過道寬度設(shè)置為70 cm。圖6為調(diào)整后的客艙人員疏散模型，通過仿真模擬得到了客艙人員疏散時(shí)間。其中，8個(gè)出口同時(shí)可用時(shí)客艙人員全部疏散完畢用時(shí)66 s，4個(gè)出口可用時(shí)全部疏散完畢用時(shí)71 s。與圖3～圖5只改變一個(gè)參數(shù)的仿真結(jié)果相比，疏散時(shí)間大大降低，疏散效率提升顯著，說明提出的優(yōu)化方案合理。

圖6 優(yōu)化后的客艙人員疏散模型與乘客分布圖Fig.6 Optimized occupant evacuation model and passenger distribution

3 結(jié)論

針對(duì)民航飛機(jī)緊急情況安全疏散問題，利用Pathfinder軟件對(duì)客艙進(jìn)行了模擬仿真，分析客艙人員的疏散規(guī)律，得到了人員安全疏散效率與客艙結(jié)構(gòu)因素之間的關(guān)系。主要結(jié)論如下：

(1) B737-800客艙內(nèi)過道寬度對(duì)疏散效率影響明顯，但并非越寬越好，應(yīng)結(jié)合人員布局和出口寬度綜合考慮?；谀M結(jié)果和B737-800機(jī)型的結(jié)構(gòu)尺寸，過道寬度設(shè)置為70 cm較為合理。

(2) 對(duì)比不同數(shù)量疏散出口的模擬結(jié)果，在保證一側(cè)艙門可用的前提下，疏散出口大于3個(gè)時(shí)，對(duì)疏散效率提升不顯著。

(3) 疏散出口寬度在50 cm～65 cm內(nèi)變化時(shí)，增大寬度對(duì)疏散效率影響顯著，當(dāng)大于65 cm時(shí)再增大出口寬度，對(duì)疏散效率影響不顯著。因此，綜合考慮，客艙出口寬度宜設(shè)置為65 cm。通過確定合適的出口寬度和過道寬度可顯著消除瓶頸，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)疏散策略。

(4)客艙前后兩個(gè)區(qū)域人員疏散時(shí)間差異明顯，且不隨其他參數(shù)的變化而變化。通過優(yōu)化客艙人員布局，并將過道寬度和出口寬度分別設(shè)置為70 cm和65 cm，疏散時(shí)間降低到66 s，明顯提升了客艙疏散效率。

[1] 中國(guó)民航局. CCAR-25-R4. 運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S],2001.

[2] 牟瑞芳, 等. 熟悉環(huán)境條件下的公共場(chǎng)所人員疏散仿真模型研究[J]. 中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2015, 11(5): 181-186.

[3] 張青松, 等. 飛機(jī)客艙性能化防火設(shè)計(jì)方法研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2014, 14(28):311-315.

[4] 付陽陽, 等. 基于Pathfinder軟件的飛機(jī)人員疏散模擬[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 15(5):189-194.

[5] Marcus JH.A review of computer evacuation models and their data needs[R]. P.L. Sarozek Annual Int Aircraft Cabin Safety Symp and Tech Conf, Scsi, 1994: 282-300.

[6] Galea ER, et al. A survey of aircraft evacuation models, related data and the role of evacuation modeling in aircraft certification[R]. Verres Project, GMA2/200/32039, 2002

[7] 楊永剛, 等. 民航客機(jī)乘員應(yīng)急疏散仿真研究[J]. 安全與環(huán)境工程, 2014, 21(3): 70-75.

[8] 張青松, 等. 基于火災(zāi)疏散安全指數(shù)的飛機(jī)客艙防火設(shè)計(jì)[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 41(7): 1165-1170.

[9] 俞峰, 李榮鈞. 基于集對(duì)分析的飛機(jī)客艙安全疏散能力評(píng)估[J]. 消防科學(xué)與技術(shù), 2012, 31(4):425-427.

[10] 王燕青, 周紅月. 民機(jī)客艙安全疏散能力模糊綜合評(píng)價(jià)[J]. 中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2011, 7(9):165-169.

[11] 呂偉, 等. 城市單層大型公交車乘客疏散風(fēng)險(xiǎn)分析[J]. 中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 24(10):151-156.

[12] 張培紅, 等. 中青年人群對(duì)于地鐵站疏散標(biāo)識(shí)的決策行為模擬分析[J]. 中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2007, 3(5):20-23.

[13] Galea ER, et al. Methodology and procedure for the introduction of aircraft evacuation simulation to the aircraft certification process[R]. Verres Project, GMA2/200/32039,2003.

Influence factors of safety evacuation of aircraft cabin

LI Guohui, ZHAO Lizeng, WANG Ying

(Tianjin Fire Research Institute of Ministry of Public Security, Tianjin 300381, China)

The study explores the factors that influence the evacuation efficiency and considers the difference of evacuation between the cabin area front and rear simultaneously. Four key factors including number of exits, exit position, exit width, and aisle width are considered, and an evacuation model is established based on the steering behavioral model. It shows that when the number of exits is over 3 the effect on the evacuation efficiency induced by the number of exits is not significant; the exit width can significantly affect the evacuation efficiency when the exit width changes from 50 cm to 65 cm; the aisle width can be set as 70 cm; the evacuation time has significant difference between the cabin area front and rear. The evacuation bottleneck can be eliminated and the evacuation efficiency can be improved by optimizing the cabin layout.

Safety evacuation; Aircraft cabin; Simulation; Influence factor

2016-07-11；修改日期：2016-10-09

李國(guó)輝(1985-)，男，助理研究員，博士，主要從事公共安全和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究。

李國(guó)輝，E-mail: liguohui@tfri.com.cn

1004-5309(2016)-00239-06

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.04.13

X936;X932

A