飞机客舱安全疏散影响因素研究

李国辉，赵力增，王 颖

(公安部天津消防研究所，天津，300381)

飞机客舱安全疏散影响因素研究

李国辉*，赵力增，王 颖

(公安部天津消防研究所，天津，300381)

为提高和优化民航客机安全疏散效率，选取出口个数、出口位置、出口宽度和过道宽度四个因素，基于steering模型构建仿真模型，分析不同因素对疏散效率的影响。结果表明，前后出口疏散效率优于中间出口，且出口大于3个时,增加出口对疏散效率影响不显著；出口宽度从50 cm增加到65 cm，疏散效率提升明显，大于65 cm之后，对疏散影响不显著；过道宽度设置为70 cm较为合理；客舱前后区域疏散时间差异明显，前部疏散明显快于后部；通过优化客舱布局，设置合理的结构参数，消除了过道和出口瓶颈，并显著提升了客舱人员疏散效率。

安全疏散；飞机客舱；仿真建模；影响因素

0 引言

民航客机与汽车、火车等交通工具相比，所处环境复杂，一旦发生故障，会造成重大伤亡。飞行事故档案局发布的统计数据表明，2000～2015年间，平均每年发生航空事故171起，死亡1110人。客机从事故预警到发生的间隔非常短，在有限时间内将乘客快速疏散到安全区域是飞机设计的难点之一。客舱具有空间狭窄、人员密集、行动受阻等特点。国际民航组织和中国民航局规定，飞机遇到紧急情况需紧急撤离时，人员应在90 s内撤离完毕[1](包括反应时间和行动时间)。人员疏散受客舱安全设施、结构布局、乘客和机组人员行为、安全出口、过道宽度等因素影响。因此，研究飞机客舱在紧急情况下的疏散效率及影响因素具有重大实际意义，并可为我国大飞机客舱人员疏散设计提供技术支持。

建筑领域的人员疏散研究已非常深入[2]，并发展出了多种人员疏散模型。民航客舱与普通建筑空间并无显著差异，因此，建筑领域的人员安全疏散模型可应用于民航客舱的安全疏散研究。评估民航客机疏散能力可通过疏散演练和模拟仿真两种手段，但疏散演练难以多次实施，并且费用较高，而仿真模拟可有效解决这一问题。因此，针对民航客舱疏散的研究主要采用模拟仿真手段，通过模拟仿真可反复调整设计参数，从而达到最佳效果。

目前将成熟的人员疏散模型应用于民航客舱已经取得了一定成果。例如，张等[3]就利用火灾模拟软件FDS和疏散仿真软件Pathfinder结合研究飞机客舱的性能化防火设计，并针对疏散模型提出了优化方案。付等[4]利用Pathfinder开展了波音飞机疏散模拟，通过优化不同出口人员使用比例使疏散时间满足90 s规定。这些研究主要从客舱人员布局角度提出优化方案，属于管理范畴，难以从根本上改善客舱人员疏散效率。

此外，美国联邦航空管理局和欧盟于1994年和2002年提出客舱人员疏散模型[5,6]。杨等[7]建立了民航客机疏散元胞自动机模型。张等[8]基于性能化思想，提出了火灾疏散安全指数用于评价客舱人员疏散能力。俞等[9]基于集对分析，通过构建人员疏散能力评估体系，建立了人员疏散评估模型。王等[10]建立了民航客舱安全疏散能力评估指标，认为客舱结构特点对安全疏散影响最大。民航客舱内部空间极其有限，人员疏散具有典型的竞争延迟、单边拥堵、交替前进、有效逃生空间闲置等特征，因此选择疏散仿真模型也应满足客舱的热源疏散特征。付等[4]、吕等[11]分别利用Pathfinder对波音777和大型公交车进行了仿真模拟，模拟结果能够反映实际情况。且Pathfinder作为成熟的疏散仿真软件，可将碰撞、障碍物、路径选择等行为进行模拟，最大限度展现实际疏散状况。

在已开展的研究中，部分研究成果通过评价提出了影响客舱疏散的关键结构因素，但多停留在评估层面，缺少实证研究。大多涉及疏散仿真模拟的研究多是从不同出口人员分配角度开展，忽视了结构因素与疏散效率的关系。因此，本文在前人研究的基础上充分考虑客舱结构因素，并通过仿真模拟验证结构因素与疏散效率的关系。

1 模型建立与疏散场景

1.1 疏散模型

Pathfinder是美国Thunderhead Engineering公司开发的人员疏散模拟软件。Pathfinder模型既包括建筑的出口、房间等几何尺寸，也对人体尺寸、行走速度、坐标等人员属性进行了定义。Pathfinder可反映不同时刻人员所处的坐标位置。

Pathfinder包含Steering和SFPE两种人员行为模式。其中，Steering模式是基于一种Inverse Steering的行为理念，人员运动过程可自动选择最短路径，并随着位置、距离、周围环境的变化而自动更新路径。同时，该模式考虑人员碰撞规避规则，没有拥堵时，人员保持设定速度行走，一旦出现拥堵，速度降低或停止等候[2]。该行为模式能够真实地反映紧急情况下人员疏散过程的拥挤过程和人员行为特点。该疏散模拟软件已经被大量研究人员采用，并在地铁、商业综合体、超高层建筑、体育场馆等领域开展了大量研究，近几年也开始应用到民航客机。

研究对象选取国内保有量最多的B737-800机型，客舱内部结构见图1。客舱设置171个座位，有四对安全出口，模型中考虑客舱满员情景。

图2为客舱人员疏散模型，人员属性对疏散时间有较大影响[12]。模型重点考虑性别和年龄对疏散的影响。根据Galea对客舱人员疏散速度的统计结果，成年男性、成年女性、老年男性和老年女性的最大移动速度分别为1.2 m/s、1.2 m/s、1.1 m/s和0.9 m/s，人员最大疏散速度照此取值[13]，运动过程中依据Steering模型，根据拥堵情况速度自动调整。CCAR-25-R4规定，人员疏散应急演练中人员构成应满足：至少40%是女性；至少35%是50岁以上的人；至少15%是女性，且50岁以上。模型依据规定设置不同人员比例。

图1 客舱内部结构布局示意图Fig.1 Structure layout diagram of aircraft cabin

图2 客舱人员疏散模型与乘客分布图Fig.2 Occupant evacuation model and passenger distribution

1.2 疏散场景

飞机客舱人员疏散受多因素影响，在设置疏散场景前，提出如下假设：飞机遇到事故已经完成迫降；疏散开始时乘客均位于各自座位上；忽略打开安全带时间；疏散开始，舱门即打开；只考虑人员通过安全出口疏散。

大量研究表明，建筑结构、人员特性、火灾产物和安全管理等与安全疏散关系密切，其中建筑结构因素包括疏散出口设置、最大安全疏散距离、疏散门和走道净宽度等。其中，结构因素可以从根本上改善疏散状况。客舱可利用空间是固定的，最大安全疏散距离不是影响疏散的关键因素。因此，选取影响客舱疏散的四个结构因素：出口个数、出口位置、出口宽度和过道宽度。

情景一：过道宽度作为变量，出口个数(8个)和宽度(60 cm)固定，见表1；情景二：出口个数和出口位置变化，过道宽度(60 cm)和出口宽度(60 cm)固定，见表1，其中2个出口考虑同侧前后出口，3个出口考虑同侧前中后出口，4个出口考虑同侧出口均可用，6个出口保留前中后各两个；情景三：考虑8个和4个出口时，出口宽度变化对疏散效率的影响，过道宽度(60 cm)固定，共14个场景，见表2。

表1 情景一和情景二疏散场景汇总

2 结果与讨论

2.1 过道宽度与疏散效率的关系

B737-800机型为单通道窄体飞机，两侧各三列座位，紧急疏散时人员需要通过过道疏散至安全出口。以中间出口为界将客舱分为前后两部分，客舱后部93人，客舱前部78人，见图1。图3为不同过道宽度时对应的疏散时间，并给出了客舱前、后两部

表2 情景三疏散场景汇总

分的疏散时间，其中后部时间为客舱整体疏散时间。

可以看出，客舱前部疏散时间明显小于后部，且两部分疏散时间变化趋势有所区别。客舱后部，也即客舱整体的疏散时间随过道宽度的增大下降明显；但过道宽度大于70 cm后，客舱前部疏散时间基本稳定，结果并不是通常认为的宽度越大疏散效率越高。这是因为出口个数相同而疏散人数不同时，后部受竞争排队行为影响，在过道出现拥堵的概率更大；客舱前部因人数较少，过道宽度大于70 cm后不再是造成人员停滞的关键因素，下文会进一步分析。这一结果也说明，在进行客舱过道设计时，并非一味增加过道宽度，而应综合考虑其他因素选取最佳过道宽度，避免造成空间浪费。

图3 客舱不同部位疏散时间结果Fig.3 Evacuation time of different positions in cabin

B737-800机型过道宽度通常设计为60 cm，机身内部宽度约3.5 m，座位2.6 m，过道可调节范围在1 m之内。在设计过道时，结合仿真模拟结果，并同时兼顾座位上人员的舒适度，过道宽度的合理值为70 cm，此时客舱人员全部疏散完毕时间为70 s，小于90 s的规定。

2.2 出口数量和出口位置与疏散效率的关系

B737-800机型在两侧设置4对8个出口，但在紧急情况下容易出现一侧舱门无法打开或部分舱门出现故障的情况。因此，有必要考虑疏散出口个数对人员疏散的影响。图4为不同疏散出口个数情况下人员疏散时间的模拟结果。

可以看出，安全疏散出口为2个时，客舱前、后部分疏散时间分别为125 s和139 s，都大于90 s，不符合相关规定。安全疏散出口大于2个时，与图3结果相似，客舱前部疏散时间小于后部，即客舱前部疏散效率优于后部，布局有优化空间。安全疏散出口大于2个时，无论是客舱前部还是后部，疏散时间随出口个数字更多呈降低趋势，但变化不明显，说明疏散出口大于等于3个时，增加疏散出口个数不会显著提升客舱的人员安全疏散效率。这是因为人员疏散首先通过客舱过道到达安全出口，而过道宽度同时只能通过一股人流，这就决定了到达出口的人数只有一股人流，在目前出口位置固定的情况下，增加出口个数，整体疏散效率提升不大。

图4 疏散时间与出口个数的关系Fig.4 Relationship between evacuation time and exit number

需要注意，疏散出口为4个时，客舱前部疏散时间比3个出口有所增加，这是因为客舱前部出口利用率较低，当3个出口时，中间出口出现拥堵，前部人员自动选择客舱前端出口，从而提高了前部疏散效率；而4个出口时，客舱前部人员通过前、中两个出口，前端出口利用效率又降低，导致前部两个出口利用率不均衡，疏散时间增长。

2.3 出口宽度与疏散效率的关系

CCAR-25-R4规定了七类型号应急出口，宽度从41 cm～106.6 cm不等。对于客座多于110座，在机身两侧应保证一个出口为61 cm或更大。本场景考虑出口宽度从50 cm～80 cm，模拟结果见图5。

图5 疏散时间与出口宽度的关系Fig.5 Relationship between evacuation time and exit width

出口宽度从50 cm～65 cm变化时，客舱总疏散时间随出口宽度增加而减小，宽度对疏散效率影响显著；出口宽度从65 cm～80 cm变化时，疏散时间变化不大，说明此时宽度的增大对疏散效率提升不明显。这是因为，当疏散出口宽度过小时，疏散效率受出口宽度控制，出口处人员密度较大，出口宽度不能满足过道人流量的通行能力，因此，增大出口宽度可大幅提升疏散效率；而当出口宽度大于65 cm之后，疏散效率受过道宽度控制，出口宽度可满足过道人流量的通行能力，但人员在过道出现拥堵和排队等候现象，此时再增大出口宽度不会明显提升疏散效率。

分析可知，疏散出口宽度越大对疏散效率的提升不再显著，出口宽度越大，对舱门的受力和封闭性要求越高，因此结合图5，疏散出口宽度设计为65 cm较为合理。

对比8个出口和4个出口的模拟结果，两者总体疏散时间区别不大，特别是疏散出口宽度大于65 cm后，两条时间曲线几乎重合。

2.4 优化客舱布局后的疏散结果

通过对不同结构因素分析可知，客舱前后两部分人员疏散效率存在差异，如果提升客舱后部疏散效率可有效提高客舱的整体疏散效率。因此，要想提升客舱整体疏散效率，应对客舱人员布局进行优化调整，调整后客舱前后人员基本一致。为了验证提出的结构参数的合理性，优化后将疏散出口宽度设置为65 cm，过道宽度设置为70 cm。图6为调整后的客舱人员疏散模型，通过仿真模拟得到了客舱人员疏散时间。其中，8个出口同时可用时客舱人员全部疏散完毕用时66 s，4个出口可用时全部疏散完毕用时71 s。与图3～图5只改变一个参数的仿真结果相比，疏散时间大大降低，疏散效率提升显著，说明提出的优化方案合理。

图6 优化后的客舱人员疏散模型与乘客分布图Fig.6 Optimized occupant evacuation model and passenger distribution

3 结论

针对民航飞机紧急情况安全疏散问题，利用Pathfinder软件对客舱进行了模拟仿真，分析客舱人员的疏散规律，得到了人员安全疏散效率与客舱结构因素之间的关系。主要结论如下：

(1) B737-800客舱内过道宽度对疏散效率影响明显，但并非越宽越好，应结合人员布局和出口宽度综合考虑。基于模拟结果和B737-800机型的结构尺寸，过道宽度设置为70 cm较为合理。

(2) 对比不同数量疏散出口的模拟结果，在保证一侧舱门可用的前提下，疏散出口大于3个时，对疏散效率提升不显著。

(3) 疏散出口宽度在50 cm～65 cm内变化时，增大宽度对疏散效率影响显著，当大于65 cm时再增大出口宽度，对疏散效率影响不显著。因此，综合考虑，客舱出口宽度宜设置为65 cm。通过确定合适的出口宽度和过道宽度可显著消除瓶颈，实现最优疏散策略。

(4)客舱前后两个区域人员疏散时间差异明显，且不随其他参数的变化而变化。通过优化客舱人员布局，并将过道宽度和出口宽度分别设置为70 cm和65 cm，疏散时间降低到66 s，明显提升了客舱疏散效率。

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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

李国辉(1985-)，男，助理研究员，博士，主要从事公共安全和风险评估研究。

李国辉，E-mail: liguohui@tfri.com.cn

1004-5309(2016)-00239-06

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.04.13

X936;X932

A