基于Anylogic的民用飛機客艙應急撤離仿真研究*

尹莉萍，方鵬亞，任淑紅

(鄭州航空工業管理學院 航空發動機學院，河南 鄭州 450046)

0 引言

隨著經濟的快速發展、人民生活水平的提高以及科學技術的發展,近年來民航業得到了迅速發展,民航客運量逐年提升。民航客運業務的快速發展,使得突發事件增多,突發事件出現后機上乘客的應急撤離情況引發人們的廣泛關注。而且,為了使乘客能夠有效地從飛機上安全撤離,FAR-25[1]、CCAR-25[2]和CS-25[3]都對乘客的應急撤離提出了明確的要求,即“對客座量大于44座的飛機,必須表明其最大乘座量的乘客能在90 s內在模擬的應急情況下從飛機撤離至地面”,因此為了完成飛機的適航認證,提高應急撤離效率,必須開展客機的應急撤離研究。開展應急撤離研究,可以采用試驗和數值仿真兩種方法。試驗法需要建立全尺寸的樣機,組織人員開展應急撤離試驗,周期長、費用高,據統計,某型寬體客機進行單次應急撤離演示試驗需要花費約230萬美元,試驗參與人數超過4 000人,平均歷時3年[4],而且,模擬應急狀態進行撤離試驗時,試驗人員很容易受傷。而隨著計算機技術的快速發展,采用數值仿真的方法研究應急撤離問題不僅可以克服試驗方法的缺點,還可以通過合理設置人員分布、多次仿真等使結果更準確,因此越來越多的學者采用數值仿真方法研究應急撤離問題[5],但其研究多關注應急撤離總時間這一參數,而未關注撤離過程中的人員密度變化,無法為應急撤離方案的制定提供相應的指導,因此仍需開展應急撤離仿真研究以反映全尺寸客艙乘員的應急撤離情況。

本項目采用Anylogic軟件[6,7]開展客機應急撤離仿真研究,建立某型客機客艙的應急撤離模型進行仿真,得出客艙乘員的應急撤離過程和應急撤離過程中乘員密度較大區域(即擁堵區域)位置以及滿員狀態下的應急撤離總時間。研究結果不僅為飛機研制者進行適航符合性驗證和局方進行適航審定提供參考,也能為機組人員制定應急撤離方案和進行實際的應急撤離提供一定指導,同時為火車、汽車等交通工具的應急撤離研究提供一定的參考。

1 建模及仿真有效性驗證

1.1 仿真模型建立

本文以中國南方航空179座的A321機型客艙為基礎建立飛機客艙應急撤離仿真模型,進行應急撤離仿真研究。A321飛機是目前廣泛使用的單通道客機,其前三排為公務艙,后面均為經濟艙,共有四對出口,且出口分布相對較均勻。

以A321機型客艙分布為基礎,結合Anylogic軟件中的行人庫模塊,基于智能體建模的方法建立客艙乘員應急撤離仿真模型,如圖1所示。

圖1 A321機型客艙模型

通過流程建模庫定義乘客的行動邏輯圖來模擬乘客登機、放行李、就座等待、應急撤離的過程,并設置時間函數計算乘客的應急撤離總時間。乘客的應急撤離行為邏輯圖如圖2所示。其中,PedSource表示乘客從機艙口進入,goToRowPutLuggage表示乘客放置其行李,goToSeat表示乘客就座,PedWait表示等待,PedGoTo表示疏散,PedSink表示結束。函數timeMeasureStart和timeMeasureEnd用來統計乘客的應急撤離時間。

圖2 乘客的應急撤離行為邏輯圖

1.2 仿真參數設置

仿真過程中需要設置一系列參數來定義乘客屬性,本文通過性別、年齡、腰圍、行走速度等參數定義乘客,并將這些參數賦予到乘客智能體上。設置男女乘客各占50%,乘客行走速度為0.6 m/s～1.2 m/s,男性腰圍定義在71 cm～124 cm之間,女性腰圍定義在63 cm～116 cm之間。

1.3 模型有效性驗證

本文結合克蘭菲爾德大學的應急撤離試驗數據開展仿真有效性驗證。克蘭菲爾德大學采用B737-200的客艙模擬器開展應急撤離試驗研究,通過試驗得出客艙行人撤離時間,可為仿真等提供參考。B737-200的客艙模擬器為B737-200經濟艙的局部客艙模型,共有10排座位,每排6個座位,中間一個過道,據此建立的客艙仿真模型如圖3所示,并設置與試驗參數完全一致的仿真參數進行仿真計算。

圖3 B737-200的局部客艙仿真模型

為了減小人員行走速度、腰圍直徑參數隨機性的影響,采取多次仿真取平均值的方法進行比較研究。通過多次仿真得出應急撤離平均時間為40 s,與試驗得到的平均撤離時間40 s吻合,說明該仿真方法是有效的,可以開展后續研究。

2 仿真及結果分析

2.1 應急撤離總時間分析

仿真時通過時間函數得到客艙乘客應急撤離的總時間,為了減少單個乘客行走速度的隨機誤差,采用多次仿真試驗求平均值的方法得出該客艙布局下的應急撤離總時間。通過多次仿真得到乘員應急撤離平均總時間為77.41 s,說明撤離時間符合適航規章中90 s的規定要求。

2.2 應急撤離過程分析

通過仿真不僅能得到乘客的應急撤離總時間,同時能夠得到乘客的應急撤離過程動畫,本文通過截取不同時刻的客艙乘員分布來表示乘員應急撤離過程,撤離時間為20 s和50 s時客艙內乘客分布分別如圖4和圖5所示。

圖4 撤離時間20 s時的乘客分布

圖5 撤離時間50 s時的乘客分布

由圖4和圖5可知:由于應急狀態下乘客都通過離自己最近的出口撤離,因此造成各機艙口處人員富集,出現一定的擁擠現象;前部機艙口的乘客最先完成撤離、中前部次之、中后部和后部的乘客最后完成撤離,這是因為通過前部機艙口撤離的乘客多為商務艙乘客,而商務艙過道較寬、座位間間距較大,乘員較少,中后部出口由于撤離人員較多且存在相向而行的乘員,造成一定的對抗局面,因此撤離過程緩慢、時間較長,后部因撤離人員較多而導致撤離時間偏長,這說明在乘員較少、配載允許的情況下乘客可盡量向前坐,以減小后排乘客密度。

2.3 應急撤離過程中乘員擁擠情況分析

通過人員密度參數對乘客的擁擠情況進行定量評估。通過統計分析可知,中后部區域人員密度最大值最大,人員密度峰值達到了2.225人/m2,中前部次之,其人員密度峰值達到了2.005人/m2,后部和前部的人員密度值相對較低,都在2人/m2以下,說明在應急撤離時機組人員應重點關注中部的兩個機艙口附近區域,以免由于擁堵造成人員出現推搡踩踏現象而受傷,從而影響應急撤離時間,降低應急撤離效率。

3 結論

本文以A321客機為研究對象開展應急撤離仿真研究,得到了應急撤離總時間和應急撤離過程等,其主要結論如下:

(1) 該客艙布局下滿員時的乘員應急撤離總時間約為77 s。

(2) 不同機艙口的撤離時間不同,前機艙口撤離時間最短,其次為中前部、中后部,最后為后機艙口。

(3) 撤離過程中不同位置的乘客擁擠程度即人員密度不同,中后部人員密度最大,中前部次之,后部和前部人員密度相對較小。