民機應急撤離實驗與仿真研究進展

彭浩軒，劉小川，白春玉，惠旭龍，牟讓科

(中國飛機強度研究所 結構沖擊動力學航空科技重點實驗室， 西安 710065)

0 引 言

隨著全球民航業(yè)的快速發(fā)展，航班數(shù)量和空域流量迅速增長，盡管民機運營中的安全事故發(fā)生概率總體呈現(xiàn)下降趨勢，但事故數(shù)量卻逐年上升。

出現(xiàn)緊急狀況時，軍機乘員有機會通過座椅彈射、跳傘、迫降撤離等方式脫離危險，但民航飛機只能通過迫降后進行應急撤離的方式疏散乘員。因此，應急撤離是民機發(fā)生事故時保障乘員安全的必經(jīng)環(huán)節(jié)，在伴隨有火災等災害的事故中，客艙人員安全且高效的撤離疏散尤為重要。

應急撤離是指飛機發(fā)生可生存事故后，在穩(wěn)定停泊的狀態(tài)下，乘客和機組人員按照規(guī)定程序快速撤離至地面安全位置的過程，具有歷時短、人員密集、環(huán)境復雜、影響因素眾多等特點。在這一過程中有多個不確定因素，如乘客的生理與心理特征、乘客對緊急情況的應對處理方式及能力、飛機撤離設備的可用性、撤離環(huán)境因素等，這些因素都會影響乘員的撤離活動及其效率。

1962年，A.H.Hasbrook等[1]最早開始對飛機應急撤離問題進行研究，通過整理49起飛機事故及66次全尺寸民機應急撤離適航演示試驗的資料，詳細分析了人員的撤離運動特征并提煉了應急撤離問題的一些重點研究因素，包括：座椅密度，主過道尺寸，出口數(shù)量、位置及尺寸，出口標識，打開出口需要的力量，以及可生存墜撞事故中的人為因素等。

在可生存飛機事故中，高效的應急撤離能夠使乘客和機組人員在事態(tài)失控前盡可能快速地遠離危險，是緊急情況下保護飛機乘員安全的重要途徑。根據(jù)國際民航組織(ICAO)1998-2007年間的飛機事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)，這些事故中約有90%的乘客通過應急撤離實現(xiàn)脫險[2]；通過對20世紀末十余年內(nèi)有人員傷亡的航空事故統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在事故發(fā)生后罹難的乘員中有近94.5%是因為未及時撤離而死于吸入過量有害煙塵或嚴重燒傷[3]。由上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)可見，若在飛機事故發(fā)生后盡可能快速、安全地完成人員疏散，可減少事故次生災害導致的傷亡人數(shù)，提高乘員生存率。由于飛機可生存事故中的應急撤離對乘員安全影響重大，因此，應急撤離成為民機安全性研究與適航審定的重點關注內(nèi)容之一。

為確保民航飛機具備較為可靠的應急撤離能力，美國、中國、英國等國的航空管理機構均通過適航條款對影響撤離效率的一些設計因素作了約束，如限制過道寬度、座椅排距等關鍵尺寸參數(shù)的取值，此外還規(guī)定新設計民機需要進行全尺寸應急撤離適航符合性演示試驗[4]，即“黃金90 s”撤離試驗。若在指定的撤離環(huán)境條件下于90 s內(nèi)完成撤離過程，新機型才有資格通過此項驗證。

基于上述背景，國內(nèi)外針對民機應急撤離開展了實驗與仿真研究。本文梳理了適航標準中有關民機應急撤離的要求，重點對應急撤離實驗、仿真相關研究方法及研究進展進行總結歸納，并對該問題的一些研究趨勢進行了展望。

1 適航標準對民機應急撤離的相關要求

中國民用航空局運輸類飛機適航標準CCAR-25-R4中明確規(guī)定，44座以上飛機須通過符合標準要求的應急撤離演示試驗表明其滿載乘員能在試驗開始后的90 s內(nèi)從原位置撤離至地面[5]。空客A380和ARJ21-700飛機全尺寸地面應急撤離適航演示試驗現(xiàn)場分別如圖1～圖2所示。

圖1 A380應急撤離適航演示試驗

圖2 ARJ21應急撤離適航演示試驗

為使應急撤離演示試驗具有典型代表性，適航標準從飛機應急照明、應急撤離設備、撤離出口、參試人員組成、機組指揮引導等方面對試驗作了系統(tǒng)規(guī)范[6]，其中對參試人員組成的要求如下：

①均為身心狀態(tài)健康正常的人員；

②女性占比不低于40%；

③50歲以上人員占比不低于35%；

④50歲以上女性占比不低于15%；

⑤旅客攜帶3個真人大小的玩偶，以模擬不超過兩歲的嬰兒；

⑥擔任維護或操作飛機職務的正規(guī)機組人員、機械員和訓練人員不能充當旅客。

上述要求也常被用作建立民機應急撤離仿真模型的參考及輸入條件[7]。

除演示試驗外，標準還對飛機應急出口尺寸及位置、應急出口通道尺寸、應急撤離輔助設施(如充氣滑梯)、過道寬度、應急照明、民航應急預案等影響應急撤離效率的因素作出了限制與規(guī)定[8]，以保障應急撤離的實施。

由于每起民航可生存事故中的飛機狀態(tài)及災害情況各不相同，許多事故狀況難以在撤離試驗中統(tǒng)一進行安全且有效地模擬，因此現(xiàn)行的適航標準規(guī)定應急撤離演示試驗須在飛機機體完好、無危險災情的狀態(tài)下進行，未體現(xiàn)事故中可能出現(xiàn)的機身姿態(tài)傾斜、機體變形破壞、客艙內(nèi)部火災及有毒煙霧等復雜情況。

2 應急撤離的模擬實驗研究

民機事故現(xiàn)場情況具有復雜性與獨特性，這導致事故中的撤離過程難以被完整、準確地復現(xiàn)，為了解典型情況下各種設計參數(shù)對應急撤離結果的影響，研究中多采用替代實驗方法，即基于真實飛機客艙或模擬客艙環(huán)境，在弱化不可控事故因素的情況下使參試人員按照一定的要求進行“緊急撤離”實驗，采集并分析人員的撤離運動數(shù)據(jù)，從而研究人員應急撤離過程。

適航演示試驗能模擬新機型條件下的人員撤離過程，并提供具有研究價值的試驗數(shù)據(jù)，但是適航演示試驗成本高、周期長、參試人員多、協(xié)調(diào)難度大且有人員受傷風險。受上述因素限制，適航規(guī)章規(guī)定新機型只需要進行一次應急撤離演示試驗，但由于人員行為具有隨機性，一次試驗的結果并不能完全代表飛機應急撤離的性能，所獲取的信息也不足以滿足人員應急撤離研究的需要，因此國內(nèi)外研究人員還參考民機客艙環(huán)境，按需搭建了多個不同規(guī)模的應急撤離實驗設施，通過進行控制變量實驗，深入研究了多種因素對人員撤離運動的影響。

1974年起，美國聯(lián)邦航空局(FAA)和國家運輸安全委員會(NTSB)基于自行搭建的民機客艙模擬設施開展了多項人員應急撤離實驗，主要目的是研究客艙布局、撤離設施等要素對人員撤離的影響，主要結果為：出口寬度對人員總撤離時間影響比較顯著[9]；通過撤離滑梯從出口撤離到地面時，出口離地高度過低會大幅減少出口處的單位時間人員通過數(shù)量[10]。

1980年，英國克蘭菲爾德大學受英國航空管理局(CAA)和歐洲航空安全局(EASA)委托，開始研究客艙布局及內(nèi)外環(huán)境對人員撤離效率的影響規(guī)律。研究人員發(fā)現(xiàn)直線型過道設計和良好的客艙內(nèi)、外照明情況利于實現(xiàn)高效的人員撤離，并指出機組人員的合理指揮對提高撤離效率有較大幫助[11-12]。

2001年起，美國FAA的CAMI實驗室基于所搭建的單通道客艙模擬設施組織了192場人員應急撤離模擬實驗，結果表明撤離過程中的人為因素具有關鍵影響力，甚至能在一定程度上掩蓋其他因素的影響，故提出在研究其他因素的影響時應對人為因素加以控制[13-14]，如人員運動能力與積極性、出口選擇偏好等。此后，CAMI實驗室又在2015年對一架從美國空軍退役的C-124運輸機機身進行了改裝，使之成為可以模擬從窄體支線飛機到大型單通道窄體飛機尺寸范圍內(nèi)的多種運輸類飛機客艙的試驗驗證平臺“FlexSim”，如圖3所示。該平臺最多可容納120名乘客，設有頭等艙、盥洗室、廚房和乘客服務設施，并從外觀、尺寸及布置上高度還原了真實民機客艙環(huán)境[15]。

圖3 美國CAMI實驗室“FlexSim”平臺[15]

國內(nèi)關于民機乘員應急撤離問題的研究開始的相對較晚，相關實驗研究積累也不夠系統(tǒng)，研究主要面向44座以上運輸類飛機研制及適航取證的需求。此外，國內(nèi)部分高?；谙嚓P課題研究需要，通過搭建人員應急撤離簡易實驗環(huán)境開展人員撤離實驗研究。

2012年，西北工業(yè)大學李占科等[16]基于模擬民機客艙座位布局的實驗環(huán)境開展了實驗研究，重點關注大型客機過道寬度對人員應急撤離時間的影響，獲得了當過道寬度在一定范圍內(nèi)(19、20.5、24和27 ft)變化時對撤離時間影響不顯著的實驗結果，其中1 ft=0.304 8 m。

2017年，中國民航大學研究團隊通過搭建如圖4所示的簡易客艙環(huán)境模擬設施，進行了“合作”與“競爭”兩種行為模式下的多場人員撤離實驗，基于高空攝像視頻采集并分析了撤離過程中的人員運動數(shù)據(jù)，得到兩種行為模式下平均總撤離時間接近，但人員密度-速度分布及最擁擠位置差異明顯的結論，為人員應急撤離仿真模型的參數(shù)標定與模型驗證提供了數(shù)據(jù)支持[17]。

圖4 簡易客艙環(huán)境模擬設施[17]

從全機應急撤離適航演示試驗，到基于客艙艙段平臺的撤離實驗，再到簡易模擬客艙環(huán)境撤離實驗，構成了規(guī)模由大到小、真實度由高到低、實施難度由難到易三個層級的應急撤離實驗方法體系，為多種因素影響下的民機乘員應急撤離問題研究、數(shù)值仿真建模及驗證提供了實驗數(shù)據(jù)和參考資料。

3 應急撤離的數(shù)值仿真研究

客艙或模擬客艙環(huán)境下的應急撤離實驗在反映人員撤離運動及行為特征，提供研究需要的實驗數(shù)據(jù)等方面發(fā)揮著重要作用，但參試人員的受傷風險卻不容忽視。通過對1972-1991年間19次適航演示試驗的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，參試人員中的受傷人數(shù)約占總?cè)藬?shù)的4.5%，甚至出現(xiàn)過參試者嚴重受傷導致癱瘓的事故[18]。此外，出于對參試人員安全的考慮，一些在真實事故中具有重要影響的因素難以在撤離實驗中體現(xiàn)，如火災、機體變形等。鑒于應急撤離實驗存在上述不足之處，隨著計算機技術的快速發(fā)展，有研究人員開始尋求通過數(shù)值仿真手段進行人員應急撤離問題研究。

飛機客艙乘員應急撤離可被抽象為人-機-環(huán)境多因素耦合作用下的系統(tǒng)模型[19]，其主要組成部分有：

(1) 人員屬性模型：描述乘員個體的性別、年齡、腰圍等生理屬性，鎮(zhèn)靜、緊張、惶恐等心理屬性，以及國籍、文化背景、受教育程度等社會屬性；

(2) 人員行為模型：描述疏散過程中群體和個體的行為模式與規(guī)則，如群體跟隨移動模式、個體最短路徑移動規(guī)則等；

(3) 人員運動模型：描述個體運動的數(shù)學模型，包含人員的反應時間、移動速度等運動參數(shù)；

(4) 疏散環(huán)境模型：描述客艙座位、通道、出口(艙門)、人員等要素的信息，如狀態(tài)、位置和尺寸；

(5) 災害模型：描述火災、墜撞沖擊等事故災害特征及影響，如火災煙霧濃度分布、墜撞機體變形情況等。

上述各部分之間的典型作用關系如圖5所示。

圖5 人員應急疏散系統(tǒng)模型

構建人員應急疏散仿真系統(tǒng)模型的核心問題，是建立能夠合理描述人員動態(tài)移動過程且可以與人員屬性、環(huán)境等因素交互的人員運動模型。截至目前，研究人員已提出多個能在一定程度上反映人員疏散運動特征的計算機仿真模型，按各自運行機制的連續(xù)性或離散性分為連續(xù)型模型和離散型模型。連續(xù)型模型的代表有磁場力模型[20]和社會力模型[21]，是基于連續(xù)的物理方程而建立；離散型模型的代表有排隊網(wǎng)格模型[22]和元胞自動機模型[23]，是通過在離散的計算時空間中設置一系列演化規(guī)則而構建的。

以上兩類人員運動模型均可用于實現(xiàn)民機乘員的應急撤離仿真，但各有優(yōu)、劣勢。連續(xù)型模型的優(yōu)勢是可以較為真實地模擬人員個體位置、速度以及人群密度等狀態(tài)參數(shù)，劣勢是計算效率較低、對仿真場景變換比較敏感；離散型模型的優(yōu)勢是計算效率高、對不同撤離仿真場景通用性較好，劣勢是對撤離中的人員個體運動及人群間相互作用描述得不夠真實準確。在進行民機乘員應急撤離仿真研究時，應按照具體研究需求選用合適的人員運動模型。

20世紀70年代起，隨著計算機技術的快速發(fā)展，民機應急撤離仿真研究得以廣泛開展，國外多家研究機構基于不同人員運動模型開發(fā)了共十余種人員應急撤離仿真程序及軟件[17]，例如英國格林威治大學基于排隊網(wǎng)格模型開發(fā)的Air-Exodus軟件(仿真界面如圖6所示)，可用于預測民機應急撤離適航驗證試驗總撤離時間，也能在一定程度上模擬火災等事故環(huán)境的影響。

圖6 飛機應急撤離仿真軟件“Air-Exodus”界面[17]

受民機新型號研制及適航取證需求的牽引，國內(nèi)研究人員先后開展了多項民機應急撤離仿真建模與研究工作。馬智[24]通過元胞自動機模型進行了民機應急撤離仿真研究，但仿真結果未經(jīng)實驗驗證；李杰、張煒等[25-26]在行人流問題研究基礎上，基于民機環(huán)境約束下的元胞自動機模型實現(xiàn)了民機應急撤離仿真，并結合Delmia軟件進行了三維可視化撤離演示；張玉剛等[27-28]使用Visual C++面向?qū)ο缶幊谭椒òl(fā)展了基于元胞自動機模型的民機應急撤離仿真系統(tǒng)(CAEESS)，通過典型客艙布局進行了計算驗證，應用于多型民機和不同客艙布置條件下的應急撤離仿真分析；徐進津[29]基于含智能體的元胞自動機模型，開發(fā)了飛機乘客緊急疏散仿真軟件Evacu-Simulation；張青松等[30-31]將基于計算流體動力學(CFD)的火災動力學仿真與民機應急撤離仿真相結合，模擬了雙層民機可生存事故后發(fā)生火災情況下的人員撤離，通過分析不同出口選擇方案下的仿真結果，對適航驗證試驗方案及航空公司運營策略給出了建議，體現(xiàn)出仿真方法在研究危險災害對民機乘員撤離影響方面的優(yōu)勢；杜月娟[17]、吳義兵[32]基于社會力模型開發(fā)了人員應急撤離仿真程序，使用簡易客艙環(huán)境人員撤離實驗數(shù)據(jù)對仿真模型參數(shù)進行了標定，并驗證了所得仿真程序的合理性；潘立軍等[33]基于適航符合性進行了翼身融合布局客機的客艙設計，并進行了應急撤離仿真分析，形成了符合適航標準的382座客艙布置方案。

綜合來看，民機應急撤離的一個顯著特點是人群密集參與，因此仿真的難點在于如何考慮撤離環(huán)境中人員的個體、群體行為特點以及心理特性。早期的人員疏散仿真主要通過將人群的運動抽象為宏觀流動[34](流體模型),或是把人員看作按擬定的規(guī)則運動、無需反應時間的機械個體(如元胞自動機)以實現(xiàn)運動模擬[23]。為了較真實地反映實際撤離中人員的狀態(tài)，體現(xiàn)個體對周圍環(huán)境的判斷、撤離路線的選擇、心理情緒變化等行為，智能體技術逐漸被應用于民機應急撤離等人員疏散模擬[4]。通過將智能體技術與元胞自動機等模型相結合，目前已在一定程度上實現(xiàn)了應急撤離仿真中個體行為的智能化，如基于環(huán)境信息的實時目標出口選擇與撤離路線規(guī)劃，考慮乘客恐慌情緒影響等[7,27,29,35-43]。

發(fā)展飛機乘員應急撤離仿真模型及軟件可以輔助運輸類飛機客艙布局設計與優(yōu)化、適航驗證等工作，避開應急撤離實驗中的人員受傷風險。由于仿真研究手段具有低成本、低安全風險、便于改進等優(yōu)勢，在目前已開展的應急撤離相關研究中，數(shù)值仿真研究數(shù)量顯著多于實驗研究，但仿真方法在真實性、通用性、智能性等方面還有進一步提高的空間。

4 總結與展望

隨著國家大型民機研制的推進以及民航市場的不斷發(fā)展，業(yè)界對相關民機技術和運營安全的要求也越來越高。其中，應急撤離作為保障民機乘員安全的重要方式，圍繞其開展的研究已經(jīng)產(chǎn)生了較為顯著的成果及應用價值，同時也有許多發(fā)展提升的空間。

適航驗證方面，當前適航標準以“全尺寸飛機地面應急撤離90 s演示試驗”為民機應急撤離能力的驗證手段，演示試驗考慮了人員生理屬性、環(huán)境照明條件、機組指揮引導、人員攜帶嬰孩等影響因素，并對其作了相應規(guī)定。出于參試人員安全、試驗可重復性等方面的考慮，該試驗在狀態(tài)完好的真實飛機上進行，未模擬火災、有毒煙霧等事故場景。未來可基于具有大帶寬、低延時特性的5G通信網(wǎng)絡，應用虛擬現(xiàn)實(VR)、增強現(xiàn)實(AR)、混合現(xiàn)實(MR)等技術[44]提高撤離演示試驗真實感，如基于AR技術[45]的事故情景實時3D顯示等。

實驗研究方面，不論是研究各種因素影響下的人員應急撤離，還是建立并驗證民機乘員應急撤離仿真模型，都離不開充足實驗數(shù)據(jù)的支持。根據(jù)應急撤離實驗數(shù)據(jù)等資料分析并提取不同因素影響下的人員行為模式及關鍵運動參數(shù)，用于構建較為真實的民機乘員應急撤離模型。從國內(nèi)民機發(fā)展需求角度考慮，未來遠程寬體客機乃至翼身融合布局客機等新機型的發(fā)展都需要滿足適航標準對應急撤離能力的要求，但目前國內(nèi)缺乏針對這些客艙布局的模擬撤離實驗研究。

仿真研究方面，目前已有的人員疏散仿真模型可以體現(xiàn)人員的動態(tài)移動過程和一些智能行為，已被應用于人員疏散動態(tài)模擬、疏散時間預測和環(huán)境因素影響分析，但還有改進提升的空間。擁有不同國籍、文化背景、受教育水平等社會屬性的人員在緊急情況下的心理及行為特點具有差異性，以歐美人群為樣本的研究結果可能不適用于國內(nèi)乘員的撤離仿真建?！，F(xiàn)有仿真模型中的人員運動規(guī)則是根據(jù)實驗結果或調(diào)研報告人為設置的，智能程度低，而隨著人工智能技術的發(fā)展，可以使用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的智能體建模等方法，通過基于實驗數(shù)據(jù)的深度學習[46]等手段發(fā)展更加真實、通用、智能的民機乘員應急撤離仿真模型。

5 結束語

研究民機乘員的應急撤離問題有助于深入了解應急撤離過程中的人員行為特征和多種因素對人員撤離的影響方式及規(guī)律，為民機安全設計、客艙布局設計與優(yōu)化、適航驗證等工作提供支持，有利于提高民機應急撤離的效率，降低可生存事故的傷亡率，更好地保護乘員的安全。

本文從民機應急撤離問題的背景出發(fā)，由相關適航要求、實驗研究和仿真研究三個方面展開，對該問題研究的主要發(fā)展脈絡、現(xiàn)狀及進展進行了分析總結，并結合未來民用航空發(fā)展需求和5G等新技術應用展望了民機應急撤離研究的部分發(fā)展趨勢，以供參考。