李國輝，趙力增，王 穎

(公安部天津消防研究所，天津，300381)

飛機客艙安全疏散影響因素研究

李國輝*，趙力增，王 穎

(公安部天津消防研究所，天津，300381)

為提高和優(yōu)化民航客機安全疏散效率，選取出口個數(shù)、出口位置、出口寬度和過道寬度四個因素，基于steering模型構建仿真模型，分析不同因素對疏散效率的影響。結果表明，前后出口疏散效率優(yōu)于中間出口，且出口大于3個時,增加出口對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，對疏散影響不顯著；過道寬度設置為70 cm較為合理；客艙前后區(qū)域疏散時間差異明顯，前部疏散明顯快于后部；通過優(yōu)化客艙布局，設置合理的結構參數(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；飛機客艙；仿真建模；影響因素

0 引言

民航客機與汽車、火車等交通工具相比，所處環(huán)境復雜，一旦發(fā)生故障，會造成重大傷亡。飛行事故檔案局發(fā)布的統(tǒng)計數(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從事故預警到發(fā)生的間隔非常短，在有限時間內將乘客快速疏散到安全區(qū)域是飛機設計的難點之一?？团摼哂锌臻g狹窄、人員密集、行動受阻等特點。國際民航組織和中國民航局規(guī)定，飛機遇到緊急情況需緊急撤離時，人員應在90 s內撤離完畢[1](包括反應時間和行動時間)。人員疏散受客艙安全設施、結構布局、乘客和機組人員行為、安全出口、過道寬度等因素影響。因此，研究飛機客艙在緊急情況下的疏散效率及影響因素具有重大實際意義，并可為我國大飛機客艙人員疏散設計提供技術支持。

建筑領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，建筑領域的人員安全疏散模型可應用于民航客艙的安全疏散研究。評估民航客機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施，并且費用較高，而仿真模擬可有效解決這一問題。因此，針對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調整設計參數(shù)，從而達到最佳效果。

目前將成熟的人員疏散模型應用于民航客艙已經(jīng)取得了一定成果。例如，張等[3]就利用火災模擬軟件FDS和疏散仿真軟件Pathfinder結合研究飛機客艙的性能化防火設計，并針對疏散模型提出了優(yōu)化方案。付等[4]利用Pathfinder開展了波音飛機疏散模擬，通過優(yōu)化不同出口人員使用比例使疏散時間滿足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]建立了民航客機疏散元胞自動機模型。張等[8]基于性能化思想，提出了火災疏散安全指數(shù)用于評價客艙人員疏散能力。俞等[9]基于集對分析，通過構建人員疏散能力評估體系，建立了人員疏散評估模型。王等[10]建立了民航客艙安全疏散能力評估指標，認為客艙結構特點對安全疏散影響最大。民航客艙內部空間極其有限，人員疏散具有典型的競爭延遲、單邊擁堵、交替前進、有效逃生空間閑置等特征，因此選擇疏散仿真模型也應滿足客艙的熱源疏散特征。付等[4]、呂等[11]分別利用Pathfinder對波音777和大型公交車進行了仿真模擬，模擬結果能夠反映實際情況。且Pathfinder作為成熟的疏散仿真軟件，可將碰撞、障礙物、路徑選擇等行為進行模擬，最大限度展現(xiàn)實際疏散狀況。

在已開展的研究中，部分研究成果通過評價提出了影響客艙疏散的關鍵結構因素，但多停留在評估層面，缺少實證研究。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，忽視了結構因素與疏散效率的關系。因此，本文在前人研究的基礎上充分考慮客艙結構因素，并通過仿真模擬驗證結構因素與疏散效率的關系。

1 模型建立與疏散場景

1.1 疏散模型

Pathfinder是美國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，也對人體尺寸、行走速度、坐標等人員屬性進行了定義。Pathfinder可反映不同時刻人員所處的坐標位置。

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，人員運動過程可自動選擇最短路徑，并隨著位置、距離、周圍環(huán)境的變化而自動更新路徑。同時，該模式考慮人員碰撞規(guī)避規(guī)則，沒有擁堵時，人員保持設定速度行走，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。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、體育場館等領域開展了大量研究，近幾年也開始應用到民航客機。

研究對象選取國內保有量最多的B737-800機型，客艙內部結構見圖1。客艙設置171個座位，有四對安全出口，模型中考慮客艙滿員情景。

圖2為客艙人員疏散模型，人員屬性對疏散時間有較大影響[12]。模型重點考慮性別和年齡對疏散的影響。根據(jù)Galea對客艙人員疏散速度的統(tǒng)計結果，成年男性、成年女性、老年男性和老年女性的最大移動速度分別為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]，運動過程中依據(jù)Steering模型，根據(jù)擁堵情況速度自動調整。CCAR-25-R4規(guī)定，人員疏散應急演練中人員構成應滿足：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)定設置不同人員比例。

圖1 客艙內部結構布局示意圖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 疏散場景

飛機客艙人員疏散受多因素影響，在設置疏散場景前，提出如下假設：飛機遇到事故已經(jīng)完成迫降；疏散開始時乘客均位于各自座位上；忽略打開安全帶時間；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，建筑結構、人員特性、火災產(chǎn)物和安全管理等與安全疏散關系密切，其中建筑結構因素包括疏散出口設置、最大安全疏散距離、疏散門和走道凈寬度等。其中，結構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鍵因素。因此，選取影響客艙疏散的四個結構因素：出口個數(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，出口個數(shù)(8個)和寬度(60 cm)固定，見表1；情景二：出口個數(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個出口考慮同側前后出口，3個出口考慮同側前中后出口，4個出口考慮同側出口均可用，6個出口保留前中后各兩個；情景三：考慮8個和4個出口時，出口寬度變化對疏散效率的影響，過道寬度(60 cm)固定，共14個場景，見表2。

表1 情景一和情景二疏散場景匯總

2 結果與討論

2.1 過道寬度與疏散效率的關系

B737-800機型為單通道窄體飛機，兩側各三列座位，緊急疏散時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為不同過道寬度時對應的疏散時間，并給出了客艙前、后兩部

表2 情景三疏散場景匯總

分的疏散時間，其中后部時間為客艙整體疏散時間。

可以看出，客艙前部疏散時間明顯小于后部，且兩部分疏散時間變化趨勢有所區(qū)別?？团摵蟛?，也即客艙整體的疏散時間隨過道寬度的增大下降明顯；但過道寬度大于70 cm后，客艙前部疏散時間基本穩(wěn)定，結果并不是通常認為的寬度越大疏散效率越高。這是因為出口個數(shù)相同而疏散人數(shù)不同時，后部受競爭排隊行為影響，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鍵因素，下文會進一步分析。這一結果也說明，在進行客艙過道設計時，并非一味增加過道寬度，而應綜合考慮其他因素選取最佳過道寬度，避免造成空間浪費。

圖3 客艙不同部位疏散時間結果Fig.3 Evacuation time of different positions in cabin

B737-800機型過道寬度通常設計為60 cm，機身內部寬度約3.5 m，座位2.6 m，過道可調節(jié)范圍在1 m之內。在設計過道時，結合仿真模擬結果，并同時兼顧座位上人員的舒適度，過道寬度的合理值為70 cm，此時客艙人員全部疏散完畢時間為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系

B737-800機型在兩側設置4對8個出口，但在緊急情況下容易出現(xiàn)一側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數(shù)對人員疏散的影響。圖4為不同疏散出口個數(shù)情況下人員疏散時間的模擬結果。

可以看出，安全疏散出口為2個時，客艙前、后部分疏散時間分別為125 s和139 s，都大于90 s，不符合相關規(guī)定。安全疏散出口大于2個時，與圖3結果相似，客艙前部疏散時間小于后部，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個時，無論是客艙前部還是后部，疏散時間隨出口個數(shù)字更多呈降低趨勢，但變化不明顯，說明疏散出口大于等于3個時，增加疏散出口個數(shù)不會顯著提升客艙的人員安全疏散效率。這是因為人員疏散首先通過客艙過道到達安全出口，而過道寬度同時只能通過一股人流，這就決定了到達出口的人數(shù)只有一股人流，在目前出口位置固定的情況下，增加出口個數(shù)，整體疏散效率提升不大。

圖4 疏散時間與出口個數(shù)的關系Fig.4 Relationship between evacuation time and exit number

需要注意，疏散出口為4個時，客艙前部疏散時間比3個出口有所增加，這是因為客艙前部出口利用率較低，當3個出口時，中間出口出現(xiàn)擁堵，前部人員自動選擇客艙前端出口，從而提高了前部疏散效率；而4個出口時，客艙前部人員通過前、中兩個出口，前端出口利用效率又降低，導致前部兩個出口利用率不均衡，疏散時間增長。

2.3 出口寬度與疏散效率的關系

CCAR-25-R4規(guī)定了七類型號應急出口，寬度從41 cm～106.6 cm不等。對于客座多于110座，在機身兩側應保證一個出口為61 cm或更大。本場景考慮出口寬度從50 cm～80 cm，模擬結果見圖5。

圖5 疏散時間與出口寬度的關系Fig.5 Relationship between evacuation time and exit width

出口寬度從50 cm～65 cm變化時，客艙總疏散時間隨出口寬度增加而減小，寬度對疏散效率影響顯著；出口寬度從65 cm～80 cm變化時，疏散時間變化不大，說明此時寬度的增大對疏散效率提升不明顯。這是因為，當疏散出口寬度過小時，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)擁堵和排隊等候現(xiàn)象，此時再增大出口寬度不會明顯提升疏散效率。

分析可知，疏散出口寬度越大對疏散效率的提升不再顯著，出口寬度越大，對艙門的受力和封閉性要求越高，因此結合圖5，疏散出口寬度設計為65 cm較為合理。

對比8個出口和4個出口的模擬結果，兩者總體疏散時間區(qū)別不大，特別是疏散出口寬度大于65 cm后，兩條時間曲線幾乎重合。

2.4 優(yōu)化客艙布局后的疏散結果

通過對不同結構因素分析可知，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，應對客艙人員布局進行優(yōu)化調整，調整后客艙前后人員基本一致。為了驗證提出的結構參數(shù)的合理性，優(yōu)化后將疏散出口寬度設置為65 cm，過道寬度設置為70 cm。圖6為調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間。其中，8個出口同時可用時客艙人員全部疏散完畢用時66 s，4個出口可用時全部疏散完畢用時71 s。與圖3～圖5只改變一個參數(shù)的仿真結果相比，疏散時間大大降低，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 結論

針對民航飛機緊急情況安全疏散問題，利用Pathfinder軟件對客艙進行了模擬仿真，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構因素之間的關系。主要結論如下：

(1) B737-800客艙內過道寬度對疏散效率影響明顯，但并非越寬越好，應結合人員布局和出口寬度綜合考慮。基于模擬結果和B737-800機型的結構尺寸，過道寬度設置為70 cm較為合理。

(2) 對比不同數(shù)量疏散出口的模擬結果，在保證一側艙門可用的前提下，疏散出口大于3個時，對疏散效率提升不顯著。

(3) 疏散出口寬度在50 cm～65 cm內變化時，增大寬度對疏散效率影響顯著，當大于65 cm時再增大出口寬度，對疏散效率影響不顯著。因此，綜合考慮，客艙出口寬度宜設置為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，實現(xiàn)最優(yōu)疏散策略。

(4)客艙前后兩個區(qū)域人員疏散時間差異明顯，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置為70 cm和65 cm，疏散時間降低到66 s，明顯提升了客艙疏散效率。

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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

李國輝(1985-)，男，助理研究員，博士，主要從事公共安全和風險評估研究。

李國輝，E-mail: liguohui@tfri.com.cn

1004-5309(2016)-00239-06

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.04.13

X936;X932

A