民机客舱中部应急出口对人员疏散的影响

田水承， 王启睿， 陈 洋， 唐艺璇

(1.西安科技大学安全科学与工程学院,西安 710054；2.西安科技大学安全与应急管理研究所, 西安 710054)

安全是民航永恒的主题。截至2018年底,中国民航实现持续安全飞行100个月、6 836万h的安全新纪录,实现16年零8个月的空防安全零责任事故记录,处于世界先进国家行列。由于飞机结构较为复杂，客舱内部较为封闭,在出现事故征候或其他突发状况时如何保证将人员安全、快速、可靠地疏散到安全区域是飞机设计的重点和难点之一。国际民航组织和CCAR-121-R4[1]第161条中规定:载客飞行中所用的旅客座位数大于44座的每个型号的飞机,能够使包括机组成员在内的满载量乘员在90 s(含)以内撤离飞机。实际疏散演练成本较高且难以多次演练,采用模拟仿真的方法能够使研究者更加便捷地探究飞机内部结构因素对疏散的影响。另外在成本和安全性等方面也有显著优势[2]。

目前已有多位学者对飞机客舱应急疏散中涉及的设施尺寸、结构布局、人员行为等方面的问题进行了大量的研究,取得了很多成果。付阳阳等[3]利用Pathfinder对波音772进行疏散模拟,探究了不同人员组成对疏散的影响。李国辉等[4]利用Pathfinder针对出口个数、出口位置、出口宽度和过道宽度4个因素对波音738进行模拟,得出了相应的最优结构参数。张青松等[5]利用Pathfinder对结构复杂的大型宽体飞机A380进行疏散模拟,设置了不同的出口开放情景,得出影响该机型疏散时间的因素。张青松等[6]基于性能化防火设计理念,通过确定各出口的可用安全疏散时间和必需安全疏散时间,优化人员对疏散出口的选择,提升疏散安全性。

在以往的研究中,主要是针对人员与出口之间的分配问题和客舱结构尺寸参数展开的,没有从客舱设计的层面探究出口设计布置方式对疏散效率的影响。在前人研究的基础上,通过Pathfinder软件对波音737-800进行疏散模拟,分析不同的中部应急出口的布置方式对疏散时间及疏散过程的影响,从而提出针对单通道窄体机型的最优中部应急出口布置方式,以期为飞机应急出口的位置设计提供指导。

1 疏散模型与疏散场景

1.1 人员疏散模拟软件Pathfinder

Pathfinder是美国Thunderhead Engineering公司开发的人员应急疏散仿真工程软件。它为用户提供了仿真模拟设计和运行的图形用户界面,以及用于分析结果的2D和3D可视化工具,软件由图形化用户界面模块、模拟计算模块、三维结果显示模块组成。Pathfinder中人员运动模式包括美国消防工程师协会(Society of Fire Protection Engineers，SFPE)和Steering(操纵)两种。SFPE模式使用了火灾防护设计手册中的概念,该模式下人群密度影响人员移动速率,出口宽度决定人流量,人在运动时可以在空间重叠。Steering模式将路径规划、指导机制和碰撞处理相结合来控制人员运动,该模式能够比较真实地反映应急疏散过程中人员的行为情况，因此采用Steering模式,建立客舱人员疏散模型。

1.2 客舱疏散模型的建立

研究对象选取中短程双发窄体喷气客机中使用广泛的波音737-800机型。B737-800客机全长3 950 cm,机舱长3 002 cm,客舱宽度354 cm。客舱内布局方式选取中国某航司该机型的布局方式,如图1所示。客舱共设置28排164个座位,其中前两排为公务舱每排两侧各有2个座位,其余26排为经济舱,每排两侧各3个座位。模型中假设客舱座位处于满员状态。

图1 某航司B737-800客舱内部布局Fig.1 Structure layout of B737-800 cabin

B737-800客舱共设置前后及中部共4对应急出口(EXIT),其中前后各1对出口中部2对出口。中部应急出口设置在机翼上方位于第12、13排座位,中部出口将客舱划分为前后两部分,以中部出口为界客舱前部68人后部96人。疏散模型如图2所示。

图2 客舱人员疏散模型Fig.2 Occupant evacuation model

根据客舱整体布局与座位数量计算得出,客舱中心位置位于第14、15排。应急出口设置在12～17排范围内满足CCAR-25-R4[1]中在机身每一舱段每侧的相邻出口的距离不得超出18 m规定。以现有布置方式为基础,设置2种不同的应急出口布置方式,如表1所示。布置A:为该机型现有的布置方式,中部应急出口设置在第12、13排,属中部偏前位置；布置B:中部应急出口设置在第14、15排,为中心位置；布置C:中部应急出口设置在第16、17排,属中部偏后位置。

表1 各疏散场景汇总 Table 1 Summary of evacuation

现有中短程双发窄体喷气客机的中部应急出口多采用2对出口相邻布置的方法,上文中的布置A、B、C也为该种布置方式。但并不是所有窄体客机都采用该种方式,如A321(A320加长型)机型的中部应急出口移至机身加长段上,中部两对应急出口均匀布置在整个机身上[7]。参考A321的中部应急出口布置方式,结合本文的参照机型B737-800客舱布局,提出布置D:中部应急出口设置在第11排与第20排。疏散模型如图3所示。

图3 布置D疏散模型Fig.3 Occupant evacuation model of plan D

CCAR-25-R4附件J应急撤离演示部分规定:应急演示中使用的出口必须符合每一对出口中的一个出口[1]。因此,假设飞机在一侧失火的情况下5、6、7、8号出口不能使用,1、2、3、4号出口能够正常使用。

1.3 人员疏散模型的建立

客舱人员疏散模型依据CCAR-25-R4中规定必须按下列人员组成进行应急演示: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[1]。吴春雨[8]研究表明:99%女性肩宽为0.387 m,99%男性肩宽为0.415 m,人员步行速度参考SFPE中的相关描述。人员疏散模型依据以上规定进行设置,如表2所示。

表2 疏散人员参数Table 2 Personnel parameters

2 结果与讨论

2.1 初始布置A模拟结果分析

由模拟结果得出布置A疏散时间为71.5 s,在实际情况中人员反应时间与打开舱门时间大概共需要10 s,故总疏散时间能够满足90 s规定。疏散开始后,客舱前部拥堵较轻，后部拥堵现象比较严重,到第25 s时前部拥堵现象消除,第43 s时客舱前部人员全部疏散完毕,直到第50 s时后部拥堵现象才得以消除,此时客舱仍有27人未疏散,到第71.5 s时客舱内人员全部疏散完毕。从图4中可以看出，40 s之前前部出口的流量要高于尾部出口,第43 s后前部出口一直处于闲置状态,这是由于客舱前部人员数量较少，拥堵现象较轻,疏散速度快,后部人员数量多，出现拥堵导致疏散速度慢。由图5可以看出,前部出口流量最大,尾部出口疏散的人数最多,第43 s后前部出口一直处于闲置状态,中部两个出口与尾部出口在使用时间上差别不大,但中部两个出口利用率较低,尾部出口利用率最高。

图4 布置A第1、4号出口人员流动速率Fig.4 Personnel flow rate of exit NO.1,4 of plan A

图5 布置A各出口疏散人数随时间变化曲线Fig.5 Cumulative number of evacuated occupants vs time of plan A

布置A模拟结果表明,客舱拥堵现象严重和各个出口利用率不均匀是严重影响疏散效率的首要因素。拥堵问题会导致人们产生恐慌、焦虑的心理,从而给疏散过程带来更多不可控的因素[9]。现有的中部应急出口布置方式并不合理,出口位置与人员分布不匹配。为解决疏散过程中的拥堵问题和出口利用率不均匀的问题,部分学者提出采用划分疏散分区的方法,该方法对于双通道宽体客机效果较为显著,但限于单通道窄体客机内部结构效果不明显[3,10]。因此要从中部应急出口的布置位置上进行改进,才能从根本上缓解拥堵问题,提升疏散效率。

2.2 布置B、C模拟结果对比分析

布置B应急出口位于第14、15排,按照客舱总长度第14、15排位于客舱中央位置。布置B疏散时间为62 s,较布置A缩短了13%。第30 s时前部拥堵现象消除,第43 s时后部拥堵现象消除,此时客舱前部有7人后部有23人未疏散,到第52 s时前部人员疏散完毕,此时共有15人未疏散。从图6中可以看出，前部出口的疏散人数增多,尾部出口的疏散人数减少,这是由于中部两组应急出口位置的后移使客舱前后部人员数量基本相同,前部出口的利用率增加,缓解了客舱后部人员拥堵的压力,缩短了整体疏散时间。各出口利用不均匀的情况得到改善,但拥堵现象依然比较严重。

图6 布置B各出口疏散人数随时间变化曲线Fig.6 Cumulative number of evacuated occupants vs time of plan B

布置C疏散时间为61.1 s,与布置B差别不大。第40 s时客舱前部与后部的拥堵现象同时消除,此时客舱有49人未疏散。从图7中可以看出,该布置下前部出口的疏散人数最多,其余各出口的疏散人数相差不大,各出口的流量较为一致,说明该布置下各出口的利用率较为均匀。结果表明将中部出口按照客舱人员分布布置在中央偏后位置能够有效降低疏散时间,且各出口利用率比较均匀,但拥堵问题没有得到实质上的解决,只是将客舱后部的部分拥堵压力转移到了前部。

图7 布置C各出口疏散人数随时间变化曲线Fig.7 Cumulative number of evacuated occupants vs time of plan C

2.3 布置D模拟结果分析

布置D疏散时间为50.4 s,较布置A缩短了30%,从疏散时间上来看布置D为最优的布置方式。该布置下客舱被中部两个应急出口划分为前、中、后3个部分,疏散开始后客舱3个部分均出现了拥堵现象但并不严重,到第30 s时客舱前部和中部拥堵现象消除,第35 s时后部拥堵现象消除。该布置与其他几种布置方式相比,拥堵现象最轻且持续时间最短。从图8中可以看出,前部出口与中部两个出口的利用率较高且差别不大,但尾部出口的利用率较低,这是由于Pathfinder模型中人员默认选择最短路径疏散至出口,位于客舱后部的第20～23排人员会就近选择3号出口。各出口的使用时间分别为48.5、44.8、45.3、50.4 s,较其他几种布置方式相比最均匀。从图8中可以看出,各出口的变化曲线比较平滑,疏散速度比较稳定,这说明该布置下客舱拥堵问题减轻,疏散过程比较顺畅。

图8 布置D各出口疏散人数随时间变化曲线Fig.8 Cumulative number of evacuated occupants vs time of plan D

图9 布置A、B、C各出口人员利用率对比图Fig.9 Comparison of average exit utilization ratio by occupants of plan A,B,C

2.4 各布置方式对比分析

从图9中可以看出,布置B、C前部出口利用率较A相比有显著提升,尾部出口利用率下降,这是由于中部出口的后移改变了客舱前部和后部的人员数量分布,前部人数增多后部人数减少,本质上并没有充分起到提升各出口利用率的效果。从疏散时间上来看,布置B、C差别不大,较布置A缩短13%,这主要是由于中部出口的后移缓解了客舱后部的疏散压力,提升了疏散效率。布置C相比于布置B各出口利用率更加均匀,综合来看布置C要优于布置B,但两种布置方式均不能有效解决拥堵问题。从图9中可以看出,布置D各出口利用率比较均匀,前部出口和中部出口利用率较布置A提升明显。

从4种布置方式的模拟结果来看,由于现有布置方式下客舱后部人员较为密集,疏散压力较大,客舱拥堵问题严重,将中部应急出口靠后放置能够有效缩短疏散时间,而过于靠后虽然会减轻后部拥堵但同时加剧了客舱前部拥堵问题。从图10中可以看出,疏散开始后各曲线斜率基本相同,即疏散速度差别不大,到大约10 s后,布置A、B、C曲线斜率出现下降即疏散速度降低,这是由于局部拥堵问题造成的。从整个疏散过程来看,D曲线的斜率最高,并且最为稳定没有出现较大的波动,这说明布置D的疏散效率最高且通畅,没有出现明显的拥堵问题,且布置D疏散时间较布置A缩短了30%,故布置D为最优的布置方式。

图10 未疏散人数随时间变化曲线Fig.10 Number of remaining evacuated occupants vs time

3 结论

(1)对单通道窄体客机而言,中部出口的位置决定了客舱的疏散分区,客舱拥堵问题和各应急出口利用率不均匀是影响疏散效率的首要因素。现有应急出口布置方式下疏散时间为71.5 s,疏散效率较低,客舱后部拥堵现象严重,且各出口的利用率不均匀。

(2)中部应急出口的位置对人员疏散时间影响显著,将中部应急出口按照客舱结构尺寸和座位布局布置在中心位置时疏散时间为62 s,布置在中心位置偏后时疏散时间为61.1 s。将中部出口布置在中心偏后位置能够有效缩短疏散时间,且各出口的利用率比较均匀,但该种布置方式无法有效改善疏散过程中的拥堵问题。

(3)中部两组应急出口按照客舱座位布局均匀布置在整个客舱的布置方式疏散效果最好,该布置下中部出口将客舱划分为前、中、后3部分,疏散时间为50.4 s。该布置疏散时间最短,疏散过程中的拥堵现象得到了显著改善,且各出口的利用率最均匀,为最优的布置方式。该种布置方式可用于指导飞机客舱中部应急出口位置的设计。

(4)中部应急出口的疏散人数与流量均较大,考虑到中部出口位置的特殊性,应加强对中部出口周围环境的管理,保证出口的畅通。另外要注重提升中部出口的可靠性,在紧急情况下能够快速打开,确保应急疏散的顺利进行。

(5)现有布置下客舱后部拥堵现象最为严重,疏散时间最长,建议在客舱后部增加清晰、醒目的安全警示标志,增加客舱后部空乘人员的数量,以利于更好地规范人员有序疏散,避免踩踏等不利事件的发生。