典型民用飛機人員疏散瓶頸規(guī)律

陳 琨, 馮振宇, 宋 娜

(中國民航大學(xué)適航學(xué)院民航航空器適航審定技術(shù)重點實驗室， 天津 300300)

隨著社會發(fā)展，飛機越來越成為人們遠距離出行的首選交通工具，然而為了實現(xiàn)更好的經(jīng)濟性，飛機客艙通常采用高密度的經(jīng)濟艙布局，出于安全性考慮，美國總統(tǒng)曾于2018年簽署《聯(lián)邦航空管理局法案》，要求美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)制定座椅寬度和座椅間距最低標準，雖然目前相關(guān)標準尚未出臺，但反映了現(xiàn)代飛機高密度、多障礙的客艙布局具有一定的安全隱患。因此，參照飛機客艙座椅和出口布局特點，開展模擬飛機客艙的應(yīng)急撤離試驗，建立疏散瓶頸可視化評估方法分析試驗結(jié)果，旨在通過激發(fā)疏散人員的不同心理狀態(tài)，研究在高密度、多障礙的典型飛機客艙環(huán)境下，人員疏散瓶頸以及影響規(guī)律，研究結(jié)果可為減少飛機客艙人員疏散瓶頸區(qū)域和瓶頸持續(xù)時間提供參考。

外國研究運輸類飛機應(yīng)急撤離試驗的機構(gòu)有美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)的CAMI(Civil Aerospace Medical Institute)實驗室[1]和英國的克蘭菲爾德大學(xué)安全事故調(diào)查中心[2]。目前應(yīng)急撤離試驗研究通過記錄撤離時間，分析心理因素對撤離效率的影響。Hasbrook[3]以飛機迫降事故研究人員應(yīng)急撤離的行為。美國安全運輸委員會(National Transportation Safety Board，NTSB)和FAA[4-5]通過疏散模擬試驗發(fā)現(xiàn)人員心理因素是影響人員的撤離時間的關(guān)鍵因素。Muir等[6-7]采取經(jīng)濟激勵的方式激勵人員在模擬試驗中競爭，發(fā)現(xiàn)撤離效率受到人員的競爭心理的影響，并且發(fā)現(xiàn)在較小的空間內(nèi)撤離時出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，但是并未深入的研究堵塞形成的規(guī)律。McLean[8-9]通過記錄人員個體穿過應(yīng)急出口的時間、前30名疏散對象累積疏散時間，發(fā)現(xiàn)人員的心理因素是影響翼上Ⅲ型出口的撤離效率的關(guān)鍵因素。Cassidy[10]開展應(yīng)急撤離試驗，分析發(fā)現(xiàn)獎金激勵會影響參試人員的心理特征。

從總撤離時間分析心理因素對應(yīng)急撤離效率的宏觀影響，無法進一步分析出人員疏散行為受心理影響的機理，從此角度出發(fā)，有研究者進一步通過研究疏散瓶頸來分析群體行為規(guī)律。Helbing等[11]以走廊環(huán)境下的緊急疏散，研究對沖行人流的疏散速度規(guī)律；Liao[12]研究瓶頸處的行人流的關(guān)鍵參數(shù)時空規(guī)律，分析瓶頸寬度的變化對瓶頸位置的影響，同時將瓶頸分析方法應(yīng)用于通道優(yōu)化設(shè)計，提高人員疏散效率[13]，局部設(shè)置障礙(如房間出口等)行人流的瓶頸規(guī)律的研究[14-16]，無障礙物[11]的走廊區(qū)域；兩交叉通道區(qū)域[16]，多數(shù)試驗場地空曠且障礙少，而針對撤離空間狹小的多障礙物密閉客艙環(huán)境的行人流瓶頸規(guī)律的研究較少。

為研究典型民用飛機客艙內(nèi)部人員疏散瓶頸規(guī)律，現(xiàn)參照適航規(guī)章要求及典型客艙座椅和過道的間距，設(shè)計模擬客艙疏散試驗平臺，按照飛機應(yīng)急撤離適航規(guī)章要求設(shè)置男女比例，考慮試驗安全問題，不對年齡比例進行嚴格的設(shè)置，僅通過問卷調(diào)查的方法篩選出運動能力有差異的參試人員，在兩組不同主過道寬度下分別采取獎懲機制激發(fā)出人員不同的心理狀態(tài)，通過圖像追蹤采集試驗數(shù)據(jù)，分析行人流的撤離軌跡，基于Voronoi圖建立疏散瓶頸可視化評估方法，分析行人流實時的速度、密度、流量，并研究心理因素對行人流的瓶頸規(guī)律的影響，依據(jù)試驗和分析結(jié)果，提出可能提高飛機內(nèi)部疏散效率的措施。

1 考慮心理因素的疏散模擬試驗

中國民用航空局適航規(guī)章[17]要求客座量超過44 座的飛機需要進行應(yīng)急撤離演示試驗，同時為了開展對客艙內(nèi)行人流的瓶頸規(guī)律的研究，依據(jù)波音737的客艙布局和CCAR·25-R4附錄J，設(shè)計出可裝載9排6列共54個參試人員的模擬客艙場景。模擬客艙布局及具體設(shè)計尺寸如圖1所示，主要分為座椅、主過道和客艙前部三部分。將主過道從左至右依次劃分為區(qū)域1至區(qū)域8。將9排座椅分為3個區(qū)域：第Ⅰ區(qū)、第Ⅱ區(qū)、第Ⅲ區(qū)。

圖1 模擬客艙布局Fig.1 Simulated cabin layout

試驗前，通過問卷調(diào)查的方式選取身體素質(zhì)良好的54名參試人員，其中：男性30人，占總?cè)藬?shù)的56%，女性24人，占總?cè)藬?shù)的44%[17]，年齡為(24±2)歲，身高(1.74±0.14)m。為模擬出人員撤離時不同的心理特征，通過獎懲機制激勵人員分別完成兩個主過道寬度下的競爭、合作模式的應(yīng)急撤離試驗。競爭模式：座椅區(qū)域內(nèi)每區(qū)前50%成功撤離的人員獲得獎勵，超過35 s未完成撤離試驗的人員接受懲罰；合作模式：所有參試人員在35 s內(nèi)完成撤離試驗，將全部獲得獎勵。模擬客艙的主過道寬度B分別設(shè)置為0.43、0.53 m，并且在每個主過道寬度下開展競爭、合作模式的撤離試驗，共完成4場應(yīng)急撤離試驗，如表1所示。

表1 應(yīng)急撤離試驗Table 1 Emergency evacuation test

模擬客艙不設(shè)置頂部，在其中央距離地面12 m處架設(shè)相機，如圖2所示。相機的分辨率為1 440×1 080像素，視頻圖像采集的幀速率為25 f/s。試驗過程圖如圖3所示。

圖2 試驗數(shù)據(jù)采集示意圖Fig.2 Schematic diagram of test data acquisition

圖3 應(yīng)急撤離試驗過程Fig.3 Emergency evacuation test process

2 行人流撤離軌跡研究

基于圖像軌跡追蹤技術(shù)，讀取試驗過程中每一幀圖像中人員兩肩紅色標簽的位置，從而得到整個撤離過程中每位人員撤離的軌跡數(shù)據(jù)，如圖4所示。4場撤離試驗的人員撤離軌跡沿主過道呈上下對稱的趨勢。

圖4 行人流撤離軌跡Fig.4 Pedestrian flow evacuation trajectory

進一步分析發(fā)現(xiàn)，撤離方向的左側(cè)人員撤離軌跡呈現(xiàn)左傾趨勢，右側(cè)人員呈右傾趨勢，距離應(yīng)急出口越遠，此趨勢越明顯。主要是因為人員進入主過道時擁擠程度增加，人員無法橫向自由移動，大多數(shù)只能跟隨前面的人員進行撤離。隨著行人流的疏散，合作模式的人員撤離軌跡呈現(xiàn)集中趨勢，主要是因為合作模式下人員合作意識強，更傾向于有序的完成撤離試驗。

行人流的軌跡研究發(fā)現(xiàn)[18]：行人移動必伴隨搖擺運動，移動速度越小，軌跡振動越明顯，此位置處也更容易形成瓶頸。對行人流的軌跡分析發(fā)現(xiàn)主過道內(nèi)振動明顯，即人員在主過道內(nèi)撤離時更易形成瓶頸。

3 基于Voronoi圖的時空分布圖研究

Zhang等[19]提出，基于Voronoi圖的測量法能夠處理試驗場景不規(guī)則、區(qū)域較小的場景的試驗數(shù)據(jù)，并且此方法可以獲得相對穩(wěn)定的測量結(jié)果，因此本文選取Voronoi圖對試驗數(shù)據(jù)開展分析工作。

使用Voronoi圖的過程中，使用一系列點來表示人員每一幀的軌跡坐標，其中每個點所占據(jù)的區(qū)域被稱為Voronoi元胞。例如i人員t時刻的坐標為(xi，yi)，占據(jù)的Voronoi元胞面積為ai，通過式(1)計算人員對應(yīng)的密度ρi；t時刻i人員的移動速度為vi(t)。

(1)

vi=vi(t)

(2)

本試驗中視頻為25 f/s，每兩幀的時間間隔為0.04 s，當(dāng)時間間隔取為0.04 s時，人員的速度波動過大，Steffen[20]在[t-Δt/2,t+Δt/2]時間間隔中，取Δt=0.44 s，為方便計算，本文時間間隔中取Δt=0.4 s。其中vi(t)的計算公式為

vi(t)={[xi(t+Δt/2)-xI(t-Δt/2)]2+

[yi(t+Δt/2)-yi(t-Δt/2)]2}/Δt

(3)

(4)

行人的流量通過式(5)計算：

Ji=viρi

(5)

3.1 主過道瓶頸時空分布規(guī)律研究

圖5 2-1試驗5 s時主過道的瓶頸區(qū)域Fig.5 Bottleneck area of the main aisle at the 5th second of the 2-1 test

繪制4場試驗主過道的瓶頸區(qū)域時空分布圖，如圖6所示。

圖6 主過道的瓶頸區(qū)域時空分布圖Fig.6 Space-time distribution map of the bottleneck area of the main aisle

試驗中主過道的瓶頸區(qū)域主要集中在2～20 s內(nèi)形成，且主要形成于區(qū)域2到區(qū)域8內(nèi)。圖6中藍色、紅色折線分別表示競爭、合作模式下主過道的瓶頸區(qū)域整體的消失趨勢。主過道內(nèi)形成瓶頸后，隨著撤離試驗的進行，競爭模式的瓶頸區(qū)域消失趨勢與撤離方向保持一致，由區(qū)域2到區(qū)域8隨撤離時間逐漸消失，而合作模式的消失趨勢為撤離方向的反方向。

分析圖6，合作模式下人員有秩序的完成撤離，呈現(xiàn)的瓶頸區(qū)域的消失趨勢穩(wěn)定。而競爭模式下，人員的競爭意識強，撤離過程中隨機性更大，尤其是主過道區(qū)域為0.53 m的撤離試驗。因此，2018年11月再次開展主過道寬度為0.53 m的撤離試驗3-1、3-2，如表2所示，并繪制主過道區(qū)域瓶頸的消失趨勢，如圖7所示。

對比撤離時間，發(fā)現(xiàn)3場主過道區(qū)域為0.53 m的撤離試驗基本相同；對比主過道區(qū)域的瓶頸消失的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)3-1、3-2試驗的區(qū)域2存在較明顯的瓶頸，其余區(qū)域瓶頸的消失趨勢均與1-1試驗保持一致，且瓶頸的消失的時間也較為一致，尤其是區(qū)域4、區(qū)域5、區(qū)域6。因此，通過本次實驗的開展，成功驗證了競爭模式的主過道區(qū)域的瓶頸消失趨勢與撤離方向基本一致。

表2 2018年撤離試驗Table 2 Emergency evacuation test in 2018

表3 總撤離時間Table 3 Total evacuation time

Aj=tj/T

(6)

it

(7)

表4 主過道的瓶頸頻率Table 4 Main aisle bottleneck frequency

對表4進一步分析發(fā)現(xiàn)，1-1試驗的主過道內(nèi)瓶頸的平均頻率最低，人員在主過道內(nèi)撤離順暢，能快速地進入客艙前部，但仍耗時30.4 s完成撤離；2-1試驗的平均頻率最高，對進入客艙前部的人員有一定程度的限制，但最終以最短撤離時間28 s完成試驗。兩場合作模式的撤離試驗中2-2試驗瓶頸的平均頻率較高，但最終兩組撤離試驗基本同時完成。因此，主過道內(nèi)瓶頸的頻率不能作為應(yīng)急撤離效率高低的衡量標準，需要進一步分析人員在客艙前部的撤離狀態(tài)對整個撤離試驗的影響。

3.2 客艙前部瓶頸時空分布規(guī)律研究

人員從主過道撤離至客艙前部時，空間突然變大，對人員的移動速度的限制作用降低。例如，1-1試驗進行到3.6 s時，前部隔板拐角處人員呈現(xiàn)高密度，但是高速的撤離狀態(tài)，如圖8所示，在此情況下，人員集中的地方并不能稱為瓶頸。因此，需要在對人員密度限制的基礎(chǔ)上，增加對人員撤離速度的限制。

圖8 1-1試驗3.6 s的密度、速度時空分布圖Fig.8 Temporal and spatial distribution of density and velocity of 1-1 test at 3.6 seconds

分析4場試驗中客艙前部人員的撤離速度發(fā)現(xiàn)，1-2、2-1、2-2試驗的撤離速度均大于0.4 m/s，人員能順利通過此區(qū)域；而1-1的撤離速度較低，甚至低于0.1 m/s，呈現(xiàn)低速高密度的狀態(tài)，尤其在撤離后期，如圖9所示?；谠囼灁?shù)據(jù)的分析結(jié)果，當(dāng)客艙前部人員的密度大于6.5 m-2且速度低于0.4 m/s時，人員所處位置形成瓶頸。

圖9 1-1試驗21.6 s的密度、速度時空分布圖Fig.9 Temporal and spatial distribution of density and velocity of 1-1 test at 21.6 seconds

分別繪制模擬客艙內(nèi)4場試驗的瓶頸時空分布圖：撤離過程中，人員所處的位置形成瓶頸時，此位置處人員均呈現(xiàn)黃色；若未形成瓶頸，人員呈現(xiàn)藍色。分別截取4場試驗在8.6、13.4、19.2、22.0 s時刻的瓶頸時空分布圖，如圖10～圖13所示。

圖10中1-1試驗的瓶頸時空分布圖中，客艙前部，人員的無序性更強，極易形成瓶頸。當(dāng)撤離試驗進行到17.6 s時，客艙前部開始出現(xiàn)明顯堆積，有時會觀察到間歇性流動和瓶頸現(xiàn)象，此時，人員試圖比正常運動速度更快，傾向于快速完成撤離試驗以獲得獎勵，呈現(xiàn)出“快即是慢”的行人流運動特點。客艙前部的瓶頸區(qū)域主要集中于：兩隔板之間區(qū)域，尤其是人員前進方向左側(cè)隔板的拐角處；靠近右側(cè)的壁板的區(qū)域。

圖10 1-1試驗瓶頸時空分布圖Fig.10 Space-time distribution map of the bottleneck of 1-1 test

對2-1試驗的瓶頸時空分布圖分析，發(fā)現(xiàn)客艙前部的人員在撤離過程中有序性較強，如圖11所示。FAA在研究中發(fā)現(xiàn)人員在較寬的過道下進行試驗，撤離效率更高[23]。而本次試驗發(fā)現(xiàn)，1-1試驗中較寬的主過道雖然有利于人員快速撤離至客艙前部，但是隨著客艙前部人員的持續(xù)增加，又缺少及時的指揮疏散，極易形成瓶頸，從而降低整體的撤離效率，最終同為競爭模式且主過道較窄的2-1試驗率先完成撤離。因此，客艙前部良好的撤離秩序是影響整個試驗撤離效率的重要因素。

分析合作模式1-2、2-2試驗的整個撤離過程的瓶頸時空分布圖，客艙前部均未出現(xiàn)瓶頸，人員呈現(xiàn)一字排開且有秩序的完成撤離試驗，如圖12、圖13所示，且兩場試驗幾乎同時完成。

圖11 2-1試驗瓶頸時空分布圖Fig.11 Space-time distribution map of the bottleneck of 2-1 test

圖12 1-2試驗瓶頸時空分布圖Fig.12 Space-time distribution map of the bottleneck of 1-2 test

圖13 2-2試驗瓶頸時空分布圖Fig.13 Space-time distribution map of the bottleneck of 2-2 test

2-1、2-2試驗的瓶頸時空分布圖中，人員在主過道區(qū)域內(nèi)瓶頸規(guī)律雖然不一致，但是均易形成瓶頸，且在客艙前部均保持有秩序的撤離狀態(tài)，而競爭模式的2-1試驗較先完成撤離。因此，需要對模擬客艙內(nèi)的試驗開展進一步的研究，確定心理因素是否會對行人流量產(chǎn)生影響，是否會影響整體的撤離效率。

3.3 流量時空分布規(guī)律研究

撤離初期，如圖14所示，模擬客艙的前半部分流量大，后半部分流量小。4場試驗的主過道區(qū)域內(nèi)人員的流量基本一致；而客艙前部區(qū)域內(nèi)，競爭模式1-1、2-1試驗中人員的流量較大。此時，競爭模式下較強的競爭心理使得客艙前部的人員能夠更快速地撤離。

圖14 4 s流量時空分布圖Fig.14 Time-space distribution map of traffic at 4 seconds

撤離中期，主過道區(qū)域內(nèi)競爭模式下人員的流量更大，人員的競爭意識更強，更希望快速通過主過道以完成撤離試驗，獲得獎勵，而合作模式下人員呈現(xiàn)“一字排開”等待撤離的狀態(tài)；在客艙前部，容易出現(xiàn)瓶頸的1-1試驗的人員流量最低，而同為競爭模式的2-1試驗的人員流量較高，如圖15所示。

圖15 15 s流量時空分布圖Fig.15 Time-space distribution map of traffic at 15 seconds

撤離后期，如圖16所示，主過道區(qū)域內(nèi)人員流動速度Ji普遍提高至0.3 m/s；客艙前部，合作模式人員流量與撤離中期基本一致，1-1試驗中人員流量略降低，且無序性更強，而2-1試驗中人員流量略微提高。

圖16 22 s流量時空分布圖Fig.16 Time-space distribution map of traffic at 22 seconds

對撤離試驗的全過程分析發(fā)現(xiàn)，競爭模式下人員的競爭心理更強，無序性也更強：在空間狹小的主過道內(nèi)撤離時，競爭模式更有利于人員疏散；人員在客艙前部撤離時，當(dāng)人員數(shù)量得到控制時，人員的競爭心理可以提高整體的撤離效率，而人員數(shù)量持續(xù)增且不能及時指揮疏散時，人員較高的競爭意識反而降低整體的撤離效率。

根據(jù)瓶頸的形成和演化規(guī)律、流量時空分布規(guī)律，從客艙布局優(yōu)化設(shè)計的角度分析，可得出以下結(jié)論：

(1)合理的主過道寬度設(shè)計，可保證人員在客艙前部有秩序的撤離。

(2)采用大尺寸的艙門以及配置高撤離率的滑梯，能夠加快應(yīng)急出口撤離率，可降低客艙前部區(qū)域由于競爭出現(xiàn)瓶頸的概率。

(3)有針對性的優(yōu)化機組應(yīng)急撤離處置程序，如：適當(dāng)增強人員的競爭意識、維持客艙前部內(nèi)人員秩序，可充分利用大尺寸的應(yīng)急出口，且防止過度擁擠，從而提高整體的撤離效率。

4 結(jié)論

將高密度、多障礙物的客艙環(huán)境作為研究對象，依據(jù)典型客艙布局搭設(shè)試驗平臺，并在搭設(shè)的模擬客艙試驗平臺上，分別在兩組主過道寬度下開展54人的競爭、合作模式的應(yīng)急撤離試驗，整個過程通過攝像機記錄。

(1)設(shè)計的試驗方法有效地激發(fā)出不同的群體撤離行為。

(2)利用Voronoi圖建立了模擬客艙內(nèi)行人流撤離軌跡的分析方法，可識別高密度、多障礙物的客艙環(huán)境下競爭與合作模式下不同的瓶頸規(guī)律，為優(yōu)化應(yīng)急撤離處置程序、客艙布局設(shè)計和仿真模型的驗證提供參考依據(jù)。