魏詩雨， 劉 勇

(上海理工大學(xué)管理學(xué)院， 上海 200093)

民航事故中飛機(jī)火災(zāi)危險性高,且是各種事故連帶產(chǎn)生的高頻問題，有效的應(yīng)急預(yù)案有利于處理火災(zāi)中旅客疏散問題，減少事故及事故癥候帶來的負(fù)面影響。但目前以飛行區(qū)飛機(jī)火災(zāi)事故為背景的疏散仿真流程連貫性較為缺乏。

機(jī)艙可以看作狹小建筑物內(nèi)部，而中國在建筑物內(nèi)人員疏散領(lǐng)域的研究已經(jīng)較為完善，故研究旅客疏散時可采取類似的研究理論。張培文等[1]基于社會力模型的航站樓疏散仿真為艙內(nèi)社會力模型應(yīng)用提供了借鑒；張青松等[2]基于PyroSim討論必須疏散時間并對艙內(nèi)布局進(jìn)行了模擬優(yōu)化；杜紅兵等[3]以新一代支線噴氣機(jī)ARJ(advanced regional jet)機(jī)型作為研究對象，基于元胞自動機(jī)理論開發(fā)了CabinEvacu仿真軟件。人員疏散領(lǐng)域涉及機(jī)場飛行區(qū)的研究還在起步階段，黃家駿等[4]通過對比不確定性環(huán)境肯定了疏散中引導(dǎo)的必要性；崔迪等[5]提出了旅客疏散可考慮“易沖突點”進(jìn)行優(yōu)化；黃欣杰[6]為上海浦機(jī)場下穿地道消防疏散方案提供了未來可行的應(yīng)急疏散研究方向。

Zakaria等[7]考慮情感因素用模糊邏輯對應(yīng)急疏散進(jìn)行模擬，使時間準(zhǔn)確度顯著提升；Zhang等[8]提出基于元胞自動機(jī)理論、同時考慮加入引導(dǎo)規(guī)則的機(jī)上應(yīng)急疏散動態(tài)評估系統(tǒng)，明顯優(yōu)化了艙內(nèi)疏散時間；Li等[9]考慮群體因素與煙霧狀態(tài)下障礙物不可見時的疏散，為社會力模型改進(jìn)因素確立提供借鑒；Zheng等[10]引入蒙特卡洛法計算疏散時間，驗證了AnyLogic軟件能有效模擬疏散行為，并提出了滯留現(xiàn)象及慣性行為對疏散效率的不利影響。

前人研究大多涉及飛機(jī)疏散流程的子階段，孤立研究可能導(dǎo)致各階段銜接處人員行為模式存在偏差，使模擬結(jié)果不準(zhǔn)確。綜合疏散過程階段性研究，基于改進(jìn)的社會力模型對從艙內(nèi)至地面分揀區(qū)的疏散全過程進(jìn)行建模仿真，以降落于南京祿口機(jī)場跑道的起火波音737-800為例，改變條件多次實驗對比優(yōu)化，采集時間數(shù)據(jù)并總結(jié)人員疏散關(guān)鍵點及行為特點，提出針對性的應(yīng)急疏散方案。

1 人員行為分析

問卷調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。部分被調(diào)查者不能確定自己是否恐高，以及緊急情況下他人或熟悉的人是否會對自己產(chǎn)生影響，此類數(shù)據(jù)對分析無意義且數(shù)據(jù)量較少，因此未列出。由表1可知，大多數(shù)乘客對于逃生流程不太了解，同時外界人員對于乘客的行為有一定影響，緊急情況下熟悉地人影響效果顯著。對滑梯使用和逃生流程不熟悉的人比例高，所以乘客的恐慌程度也會對疏散速率造成影響。另外在機(jī)翼襟翼下滑處，后排人員推搡減少旅客在出口處猶豫時間的同時容易引發(fā)受傷事故，增加疏散的難度和時間。

表1 調(diào)查問卷數(shù)據(jù)統(tǒng)計

1.1 艙內(nèi)旅客行為分析

在火災(zāi)飛機(jī)的客艙旅客實際疏散過程中，對于疏散過程的影響因素是多方面的，需要綜合考慮內(nèi)外部環(huán)境因素及人員之間的相互影響[11]，具體關(guān)系如圖1所示。

由此可知艙內(nèi)人員疏散主要以內(nèi)外部環(huán)境為基礎(chǔ)，對內(nèi)依據(jù)個體差異建立人員行為子模型，對外依據(jù)實際環(huán)境建立艙內(nèi)環(huán)境子模型。

圖1 疏散行為結(jié)構(gòu) Fig.1 Evacuation behavior structure

1.2 滑梯處旅客行為分析

應(yīng)急滑梯部分的特殊空間結(jié)構(gòu)，歸類于樓梯處人員疏散范圍。應(yīng)急滑梯主要裝在旅客和機(jī)組登機(jī)門、應(yīng)急出口門和翼上應(yīng)急出口門。人員在艙內(nèi)疏散后到達(dá)應(yīng)急滑梯處逃生。根據(jù)以往的研究結(jié)果，旅客從樓梯下行時在滑梯首尾兩端處易出現(xiàn)擁擠情況，在機(jī)翼處逃生時雖然旅客對實際情況不太熟悉，但是由于后方乘客擁擠，前方乘客猶豫時間不會太長，這種情況下容易造成人員受傷。根據(jù)調(diào)查問卷可知，大部分乘客對于飛機(jī)滑梯的設(shè)置和使用都很陌生，且恐高等生理因素都會對此處的疏散造成影響。

1.3 地面旅客行為分析

當(dāng)飛機(jī)火災(zāi)現(xiàn)場自然環(huán)境因素一定時，乘客從逃生出口逃離至地面后，風(fēng)向所產(chǎn)生的特定火災(zāi)形式會對朝不同方向疏散的旅客其安全造成影響。地面部分人員從滑梯處的起點至地面安全區(qū)的過程具有慣性行為的最短路逃生傾向，會選取視線范圍內(nèi)的自我判斷安全目標(biāo)地，但由于最短路選取過程中往往缺少旅客避讓過程以及風(fēng)向判斷過程，容易造成擁擠和傷亡，且落地后對于目標(biāo)判斷有一定的反應(yīng)時間，故地面旅客起始速度較慢，而后傾向于以較大速度奔跑疏散。所以相關(guān)部門如何安全高效地將乘客引導(dǎo)至地面安全區(qū)并依據(jù)其身體狀況進(jìn)行人員分揀，這是地面參與救護(hù)的組織需要優(yōu)化解決的主要問題，地面安全區(qū)的位置、需要引導(dǎo)疏散的關(guān)鍵節(jié)點位置及選擇性關(guān)閉的飛行器艙門都是考慮的范疇。

2 疏散子模型構(gòu)建

2.1 艙內(nèi)社會力模型搭建

艙內(nèi)人員的移動方式即疏散路徑選擇，采用社會力模型[12]進(jìn)行研究。社會力模型主要描述個體在理論因素和實體物體的共同作用下向目標(biāo)位置移動的運動軌跡。綜合考慮了實際運動過程中旅客自身狀態(tài)、心理因素和其他旅客及周圍實體環(huán)境對運動過程的影響[13]。

2.1.1 改進(jìn)社會力模型

傳統(tǒng)社會力模型不能很好匹配飛機(jī)火災(zāi)的特殊情況，此時人員組成、心理因素以及機(jī)艙空間都會對疏散產(chǎn)生影響。故根據(jù)問卷調(diào)查和走訪調(diào)查的結(jié)果加入集體影響因子，用fattract表示，分為陌生群體對旅客產(chǎn)生的跟隨力以及熟悉群體對旅客產(chǎn)生的群體吸引力。

通過對旅客心理進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)旅客對陌生人群的跟隨傾向只有當(dāng)兩者距離d在一定范圍L內(nèi)時才會產(chǎn)生，當(dāng)距離d大于L，旅客將放棄跟隨行為，設(shè)置開關(guān)參數(shù)α1為

(1)

當(dāng)乘客i指向乘客j的方向向量dij與i的目標(biāo)方向eij夾角大于90°，即j出現(xiàn)在i的后方時，i不會選擇跟隨，開關(guān)函數(shù)α2表示為

(2)

當(dāng)i的跟隨目標(biāo)j的速率vj小于自身速率vi時，j將不再對i產(chǎn)生吸引力，開關(guān)函數(shù)α3為

(3)

i對于j的跟隨傾向隨著距離的增大而減弱，用ri和rj分別表示i、j的物理半徑，C1為調(diào)節(jié)系數(shù)，可設(shè)置影響函數(shù)α4為

(4)

當(dāng)i、j同屬一個集體時，集體之間的特殊吸引力會一定程度上使人員的移動速度減緩，具體參數(shù)設(shè)置如下。

反向吸引力當(dāng)i的集體成員j出現(xiàn)在后方且拉開距離S后產(chǎn)生，開關(guān)函數(shù)α5、α6為

(5)

(6)

當(dāng)i的速度大于其集體成員j的速度時，i有停下等待j的趨勢，開關(guān)函數(shù)α7設(shè)置為

(7)

j對于其集體成員i的反向吸引力隨著其距離的增大而增加，當(dāng)i發(fā)現(xiàn)j距離自己較遠(yuǎn)時，速度會放得更慢進(jìn)行等待，設(shè)C2為調(diào)節(jié)系數(shù)，具體函數(shù)關(guān)系表示為

(8)

(9)

設(shè)β、γ為吸引力的強度系數(shù)，nij為從j指向i的單位方向向量，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)設(shè)置參數(shù)φ為與親人或朋友等集體出行的人員比例。吸引力表達(dá)式為

(10)

2.2 滑梯處旅客疏散仿真模型構(gòu)建

行人沿滑梯下滑是一個典型的三維直線運動，而沿飛機(jī)襟翼下滑時由于襟翼距離地面較近，最后斜拋物運動可以忽略不計，所以下滑近似看作勻加速直線運動。故在此基礎(chǔ)上考慮人員的不同組成及其運動特點、心理狀態(tài)等因素，對下滑疏散過程進(jìn)行模擬。

波音系列機(jī)型高度比較低，所以機(jī)翼出口處采用下放襟翼的疏散方式，四個艙門處均設(shè)有逃生滑梯，下滑角度一般在28°～53°[14]。要使得飛機(jī)在各種不利著陸條件下仍符合此區(qū)間范圍得到滑梯的長度在2.8～3.7 m。假設(shè)飛機(jī)起落架正常下放，取下滑角度中間值40°，滑梯長度3.4 m。飛機(jī)突發(fā)狀況時飛行員將按照規(guī)定將襟翼下放至襟翼40，設(shè)置下滑角度為40°，滑行長度為3.4 m，但由于實際沿襟翼下滑最后一段為懸空狀態(tài)實際做拋物運動，所以實際摩擦力近似為零。

由于滑梯所處位置特殊且對于大多數(shù)乘客來說環(huán)境較為陌生，所以在此階段逃生的旅客心理會產(chǎn)生恐懼感，根據(jù)問卷結(jié)果以及結(jié)合之前他人的實驗數(shù)據(jù)[15]，女性在危機(jī)時刻的恐慌程度高于男性，所以按照表2影響等級劃分，滑梯處逃生具體平均時間間隔數(shù)據(jù)分布如表3所示。

根據(jù)勻加速直線運動特點建立出口逃生時間函數(shù)：

t′=aTG+bTP+1.5

(11)

式(11)中：a、b分別為性別和恐慌系數(shù)對人員疏散的影響系數(shù)；TG、TP分別為對應(yīng)性別和恐慌系數(shù)下旅客通過滑梯部分的平均時間間隔。

表2 恐慌程度比例

表3 滑梯疏散平均時間間隔及影響系數(shù)分布

3 一體化疏散過程仿真

3.1 仿真實現(xiàn)

以南京祿口機(jī)場為研究場景，假設(shè)當(dāng)天條件為西北風(fēng)，上風(fēng)向距離事故飛機(jī)50 m以外區(qū)域設(shè)置分揀區(qū)，分為健康(綠色)、輕傷(橙色)、重傷(紅色)三塊區(qū)域，登機(jī)門全部開放。

3.1.1 人員設(shè)置

(1)年齡及性別組成：問卷調(diào)查數(shù)據(jù)與CCAR-25部[16]的要求接近，所以按照參與問卷調(diào)查的人員比例進(jìn)行設(shè)置，如表4所示，使仿真結(jié)果與真實情況更加相符。

(2)圍度數(shù)據(jù)：對乘客腰圍以及身高的分布設(shè)置參考資料中統(tǒng)計數(shù)據(jù)[15]設(shè)置如表5、表6所示。

表4 疏散旅客性別比例

(3)反應(yīng)時間：從飛機(jī)火災(zāi)發(fā)生到人員開始進(jìn)行疏散的時間，心理因素影響可用恐慌程度表示，恐慌程度越大、反應(yīng)時間越久，綜合各因素可總結(jié)預(yù)反應(yīng)時間為

ti=[(α+β)(ka+kg+kh+kw)]/5

(12)

式(12)中：α、β分別為乘客解開安全帶和從座椅上離開的平均時間；ka、kg、kh、kw分別為乘客的年齡、性別、身高、腰圍對應(yīng)的影響系數(shù)[15]，設(shè)置如表7所示。

(4)速度：旅客在艙內(nèi)環(huán)境狹小緊張的情況下所能達(dá)到的移動速度，只考慮性別和年齡對乘客移動速度的影響，影響系數(shù)p設(shè)置[15]如表8所示。旅客在機(jī)艙內(nèi)的速度表示為

vi=pv0

(13)

式(13)中：vi為旅客實際速度；p為影響系數(shù)；v0為旅客運動的基準(zhǔn)速度。

表5 乘客腰圍分布Table 5 Person waist distribution

表6 乘客身高分布

表7 乘客屬性對預(yù)反應(yīng)時間影響系數(shù)

表8 乘客屬性對移動速率影響系數(shù)p

3.1.2 仿真結(jié)果及分析

仿真所得密度示意圖如圖2(a)所示。艙內(nèi)疏散部分，機(jī)翼應(yīng)急出口附近走廊處及經(jīng)濟(jì)艙與頭等艙連接處易造成人員擁堵。艙外的地面部分，遠(yuǎn)離安全區(qū)的下風(fēng)向一側(cè)滑梯區(qū)域及拐彎處易造成擁堵，安全區(qū)飛機(jī)側(cè)的旅客路徑交匯處也是人員密集區(qū)域。飛機(jī)部分旅客疏散時間最大時差1.71 min，到達(dá)地面分揀區(qū)最大時差3.115 min，說明旅客從滑梯末端到安全區(qū)的過程使時差增大，人員奔跑速度相差較大或缺乏引導(dǎo)，導(dǎo)致部分乘客沒有選擇最短路徑到達(dá)安全區(qū)。

3.2 仿真優(yōu)化建模

3.2.1 優(yōu)化方案及仿真

優(yōu)化場景1風(fēng)向保持垂直機(jī)身方向不變。真實飛機(jī)起火情況下由于煙氣以及高溫對人正常行動行為的影響大[17]，下風(fēng)向的艙門將關(guān)閉或部分關(guān)閉。根據(jù)初始實驗結(jié)果提出兩種關(guān)閉艙門的方案。

方案1關(guān)閉下風(fēng)向一側(cè)所有艙門[18]。人流密度效果圖如圖2(b)所示，此方案使拐彎處人員密集情況得到優(yōu)化，擁擠情況主要集中于機(jī)艙內(nèi)部的應(yīng)急出口處以及滑梯與地面的連接部分，與實際情況較為符合。此外開放應(yīng)急出口數(shù)量減少，總疏散時長隨之增加，為了避免擁堵以及乘客受傷，提出方案2。

方案2關(guān)閉容易造成擁堵的下風(fēng)向前后兩個艙門。方案2-A：在不改變地面分揀區(qū)的情況下，程序運行效果圖如圖2(c)所示，觀察到此方案下人員擁擠的現(xiàn)象多集中于機(jī)艙內(nèi)部，地面部分疏散得到有效優(yōu)化；方案2-B：為了進(jìn)一步優(yōu)化飛機(jī)后部地面處擁擠現(xiàn)象，將地面分揀區(qū)移向人員更加密集的飛機(jī)后部一側(cè)，運行效果圖如圖2(d)所示。

圖2 運行過程Fig.2 Operation process

優(yōu)化場景2風(fēng)向選取飛機(jī)降落逆風(fēng)方向。該風(fēng)向在運行過程中出現(xiàn)概率大，提出此情況下的疏散方案十分必要。運行效果圖如圖3所示,前側(cè)艙門滑梯處人員密集，最后到達(dá)的旅客來自后側(cè)艙門,疏散時間變化率較大。人員跑動距離較遠(yuǎn)且無法直接觀測到安全區(qū)位置，導(dǎo)致反應(yīng)時間過長。已知開放艙門數(shù)量與疏散時間成反比，故關(guān)閉兩艙門后提出優(yōu)化方案。

圖3 場景2全開出口運行過程Fig.3 Full-open exit operation process in scenario 2

方案3關(guān)閉跑動距離過遠(yuǎn)、視線較差且處于下風(fēng)向的后側(cè)兩個艙門。為了同時優(yōu)化前側(cè)滑梯底部的人員擁堵情況，考慮增加分揀區(qū)數(shù)量以及加寬各分類子區(qū)域間距兩種方案：方案2-A：加寬分揀區(qū)子區(qū)域間距；方案2-B：增加分揀區(qū)數(shù)量。

方案3-A運行效果如圖4(a)所示，前側(cè)出口滑梯處的擁擠程度降低，最后從艙內(nèi)疏散的乘客出現(xiàn)在機(jī)翼緊急出口處，此處地面人員密度大及乘客對逃生環(huán)境不熟悉導(dǎo)致疏散速度慢。由于沿機(jī)翼下滑的旅客視線完全受阻，地面處人員擁擠，使得總疏散時間變長，首末旅客時間差較大，提出分設(shè)兩個安全區(qū)的方案。

圖4 方案3運行過程Fig.4 Option 3 operation process

方案3-B運行效果如圖4(b)所示，地面各處的擁擠程度均減小，艙內(nèi)疏散速度較快，整體疏散時間短、時差較小。

優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)一體化疏散模擬能夠綜合考慮地面與飛機(jī)疏散接口處的銜接問題，避免了以往研究中對滑梯部分疏散情況的忽視，使流程更完整；且艙內(nèi)疏散的最優(yōu)方案并不是使整體疏散時間最短的最優(yōu)方案，分開研究所得結(jié)論不夠精確，一體化疏散流程對各個階段進(jìn)行綜合分析，使仿真結(jié)果更具真實性；仿真過程中有相當(dāng)數(shù)量的乘客到達(dá)地面后向附近的建筑物或視線范圍內(nèi)較高物體處逃離，故指揮人員以及明顯標(biāo)識物十分重要；人員在危險情況下傾向于與集體或同伴同行，且對不熟悉的逃生通道有恐慌心理，會造成人員密集及移動速率減緩、疏散效率降低的現(xiàn)象，故對于旅客的心理狀況和社會關(guān)系的研究十分必要。

3.2.2 優(yōu)化結(jié)果及分析

綜合上述數(shù)據(jù)可以得到不同方案時間統(tǒng)計結(jié)果，如圖5所示。分析得出如下結(jié)果。

圖5 疏散時間統(tǒng)計Fig.5 Evacuation time statistics

(1)分揀區(qū)位置不在乘客視線范圍內(nèi)時乘客疏散總體用時長，此時對人員的引導(dǎo)十分重要。

(2)地面疏散通道存在轉(zhuǎn)彎、應(yīng)急出口數(shù)量少、人員集中、人員跑動距離差異大及人員視線受阻時，首末旅客疏散時間差較大，疏散效率的提升空間大。

(3)飛機(jī)火災(zāi)中部分艙門關(guān)閉更利于緊急條件下人員高效安全疏散。場景1下方案2-B為最佳疏散艙門及安全區(qū)設(shè)置方案，場景2下3-B為最佳疏散艙門及安全區(qū)設(shè)置方案。

(4)飛機(jī)部分與地面部分的疏散情況相互影響，分部研究會使結(jié)果產(chǎn)生誤差。

4 結(jié)論

指出分部疏散研究所忽略的各階段相互牽制造成的疏散影響因素，針對旅客在飛機(jī)火災(zāi)疏散的全過程中心理因素及社會屬性所造成的影響對社會力模型進(jìn)行了改進(jìn)，利用AnyLogic軟件進(jìn)行了一體化仿真?？紤]真實環(huán)境對火災(zāi)的影響提出合理布局，并根據(jù)模擬結(jié)果多次對比優(yōu)化從而給出最優(yōu)方案。仿真結(jié)果較好，方案現(xiàn)實性較強，有助于各機(jī)場改進(jìn)應(yīng)急預(yù)案、提升疏散效率。