改进社会力模型的飞机火灾一体化疏散仿真优化

魏诗雨， 刘 勇

(上海理工大学管理学院， 上海 200093)

民航事故中飞机火灾危险性高,且是各种事故连带产生的高频问题，有效的应急预案有利于处理火灾中旅客疏散问题，减少事故及事故症候带来的负面影响。但目前以飞行区飞机火灾事故为背景的疏散仿真流程连贯性较为缺乏。

机舱可以看作狭小建筑物内部，而中国在建筑物内人员疏散领域的研究已经较为完善，故研究旅客疏散时可采取类似的研究理论。张培文等[1]基于社会力模型的航站楼疏散仿真为舱内社会力模型应用提供了借鉴；张青松等[2]基于PyroSim讨论必须疏散时间并对舱内布局进行了模拟优化；杜红兵等[3]以新一代支线喷气机ARJ(advanced regional jet)机型作为研究对象，基于元胞自动机理论开发了CabinEvacu仿真软件。人员疏散领域涉及机场飞行区的研究还在起步阶段，黄家骏等[4]通过对比不确定性环境肯定了疏散中引导的必要性；崔迪等[5]提出了旅客疏散可考虑“易冲突点”进行优化；黄欣杰[6]为上海浦机场下穿地道消防疏散方案提供了未来可行的应急疏散研究方向。

Zakaria等[7]考虑情感因素用模糊逻辑对应急疏散进行模拟，使时间准确度显著提升；Zhang等[8]提出基于元胞自动机理论、同时考虑加入引导规则的机上应急疏散动态评估系统，明显优化了舱内疏散时间；Li等[9]考虑群体因素与烟雾状态下障碍物不可见时的疏散，为社会力模型改进因素确立提供借鉴；Zheng等[10]引入蒙特卡洛法计算疏散时间，验证了AnyLogic软件能有效模拟疏散行为，并提出了滞留现象及惯性行为对疏散效率的不利影响。

前人研究大多涉及飞机疏散流程的子阶段，孤立研究可能导致各阶段衔接处人员行为模式存在偏差，使模拟结果不准确。综合疏散过程阶段性研究，基于改进的社会力模型对从舱内至地面分拣区的疏散全过程进行建模仿真，以降落于南京禄口机场跑道的起火波音737-800为例，改变条件多次实验对比优化，采集时间数据并总结人员疏散关键点及行为特点，提出针对性的应急疏散方案。

1 人员行为分析

问卷调查统计结果如表1所示。部分被调查者不能确定自己是否恐高，以及紧急情况下他人或熟悉的人是否会对自己产生影响，此类数据对分析无意义且数据量较少，因此未列出。由表1可知，大多数乘客对于逃生流程不太了解，同时外界人员对于乘客的行为有一定影响，紧急情况下熟悉地人影响效果显著。对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会对疏散速率造成影响。另外在机翼襟翼下滑处，后排人员推搡减少旅客在出口处犹豫时间的同时容易引发受伤事故，增加疏散的难度和时间。

表1 调查问卷数据统计

1.1 舱内旅客行为分析

在火灾飞机的客舱旅客实际疏散过程中，对于疏散过程的影响因素是多方面的，需要综合考虑内外部环境因素及人员之间的相互影响[11]，具体关系如图1所示。

由此可知舱内人员疏散主要以内外部环境为基础，对内依据个体差异建立人员行为子模型，对外依据实际环境建立舱内环境子模型。

图1 疏散行为结构 Fig.1 Evacuation behavior structure

1.2 滑梯处旅客行为分析

应急滑梯部分的特殊空间结构，归类于楼梯处人员疏散范围。应急滑梯主要装在旅客和机组登机门、应急出口门和翼上应急出口门。人员在舱内疏散后到达应急滑梯处逃生。根据以往的研究结果，旅客从楼梯下行时在滑梯首尾两端处易出现拥挤情况，在机翼处逃生时虽然旅客对实际情况不太熟悉，但是由于后方乘客拥挤，前方乘客犹豫时间不会太长，这种情况下容易造成人员受伤。根据调查问卷可知，大部分乘客对于飞机滑梯的设置和使用都很陌生，且恐高等生理因素都会对此处的疏散造成影响。

1.3 地面旅客行为分析

当飞机火灾现场自然环境因素一定时，乘客从逃生出口逃离至地面后，风向所产生的特定火灾形式会对朝不同方向疏散的旅客其安全造成影响。地面部分人员从滑梯处的起点至地面安全区的过程具有惯性行为的最短路逃生倾向，会选取视线范围内的自我判断安全目标地，但由于最短路选取过程中往往缺少旅客避让过程以及风向判断过程，容易造成拥挤和伤亡，且落地后对于目标判断有一定的反应时间，故地面旅客起始速度较慢，而后倾向于以较大速度奔跑疏散。所以相关部门如何安全高效地将乘客引导至地面安全区并依据其身体状况进行人员分拣，这是地面参与救护的组织需要优化解决的主要问题，地面安全区的位置、需要引导疏散的关键节点位置及选择性关闭的飞行器舱门都是考虑的范畴。

2 疏散子模型构建

2.1 舱内社会力模型搭建

舱内人员的移动方式即疏散路径选择，采用社会力模型[12]进行研究。社会力模型主要描述个体在理论因素和实体物体的共同作用下向目标位置移动的运动轨迹。综合考虑了实际运动过程中旅客自身状态、心理因素和其他旅客及周围实体环境对运动过程的影响[13]。

2.1.1 改进社会力模型

传统社会力模型不能很好匹配飞机火灾的特殊情况，此时人员组成、心理因素以及机舱空间都会对疏散产生影响。故根据问卷调查和走访调查的结果加入集体影响因子，用fattract表示，分为陌生群体对旅客产生的跟随力以及熟悉群体对旅客产生的群体吸引力。

通过对旅客心理进行分析发现旅客对陌生人群的跟随倾向只有当两者距离d在一定范围L内时才会产生，当距离d大于L，旅客将放弃跟随行为，设置开关参数α1为

(1)

当乘客i指向乘客j的方向向量dij与i的目标方向eij夹角大于90°，即j出现在i的后方时，i不会选择跟随，开关函数α2表示为

(2)

当i的跟随目标j的速率vj小于自身速率vi时，j将不再对i产生吸引力，开关函数α3为

(3)

i对于j的跟随倾向随着距离的增大而减弱，用ri和rj分别表示i、j的物理半径，C1为调节系数，可设置影响函数α4为

(4)

当i、j同属一个集体时，集体之间的特殊吸引力会一定程度上使人员的移动速度减缓，具体参数设置如下。

反向吸引力当i的集体成员j出现在后方且拉开距离S后产生，开关函数α5、α6为

(5)

(6)

当i的速度大于其集体成员j的速度时，i有停下等待j的趋势，开关函数α7设置为

(7)

j对于其集体成员i的反向吸引力随着其距离的增大而增加，当i发现j距离自己较远时，速度会放得更慢进行等待，设C2为调节系数，具体函数关系表示为

(8)

(9)

设β、γ为吸引力的强度系数，nij为从j指向i的单位方向向量，根据调查数据设置参数φ为与亲人或朋友等集体出行的人员比例。吸引力表达式为

(10)

2.2 滑梯处旅客疏散仿真模型构建

行人沿滑梯下滑是一个典型的三维直线运动，而沿飞机襟翼下滑时由于襟翼距离地面较近，最后斜抛物运动可以忽略不计，所以下滑近似看作匀加速直线运动。故在此基础上考虑人员的不同组成及其运动特点、心理状态等因素，对下滑疏散过程进行模拟。

波音系列机型高度比较低，所以机翼出口处采用下放襟翼的疏散方式，四个舱门处均设有逃生滑梯，下滑角度一般在28°～53°[14]。要使得飞机在各种不利着陆条件下仍符合此区间范围得到滑梯的长度在2.8～3.7 m。假设飞机起落架正常下放，取下滑角度中间值40°，滑梯长度3.4 m。飞机突发状况时飞行员将按照规定将襟翼下放至襟翼40，设置下滑角度为40°，滑行长度为3.4 m，但由于实际沿襟翼下滑最后一段为悬空状态实际做抛物运动，所以实际摩擦力近似为零。

由于滑梯所处位置特殊且对于大多数乘客来说环境较为陌生，所以在此阶段逃生的旅客心理会产生恐惧感，根据问卷结果以及结合之前他人的实验数据[15]，女性在危机时刻的恐慌程度高于男性，所以按照表2影响等级划分，滑梯处逃生具体平均时间间隔数据分布如表3所示。

根据匀加速直线运动特点建立出口逃生时间函数：

t′=aTG+bTP+1.5

(11)

式(11)中：a、b分别为性别和恐慌系数对人员疏散的影响系数；TG、TP分别为对应性别和恐慌系数下旅客通过滑梯部分的平均时间间隔。

表2 恐慌程度比例

表3 滑梯疏散平均时间间隔及影响系数分布

3 一体化疏散过程仿真

3.1 仿真实现

以南京禄口机场为研究场景，假设当天条件为西北风，上风向距离事故飞机50 m以外区域设置分拣区，分为健康(绿色)、轻伤(橙色)、重伤(红色)三块区域，登机门全部开放。

3.1.1 人员设置

(1)年龄及性别组成：问卷调查数据与CCAR-25部[16]的要求接近，所以按照参与问卷调查的人员比例进行设置，如表4所示，使仿真结果与真实情况更加相符。

(2)围度数据：对乘客腰围以及身高的分布设置参考资料中统计数据[15]设置如表5、表6所示。

表4 疏散旅客性别比例

(3)反应时间：从飞机火灾发生到人员开始进行疏散的时间，心理因素影响可用恐慌程度表示，恐慌程度越大、反应时间越久，综合各因素可总结预反应时间为

ti=[(α+β)(ka+kg+kh+kw)]/5

(12)

式(12)中：α、β分别为乘客解开安全带和从座椅上离开的平均时间；ka、kg、kh、kw分别为乘客的年龄、性别、身高、腰围对应的影响系数[15]，设置如表7所示。

(4)速度：旅客在舱内环境狭小紧张的情况下所能达到的移动速度，只考虑性别和年龄对乘客移动速度的影响，影响系数p设置[15]如表8所示。旅客在机舱内的速度表示为

vi=pv0

(13)

式(13)中：vi为旅客实际速度；p为影响系数；v0为旅客运动的基准速度。

表5 乘客腰围分布Table 5 Person waist distribution

表6 乘客身高分布

表7 乘客属性对预反应时间影响系数

表8 乘客属性对移动速率影响系数p

3.1.2 仿真结果及分析

仿真所得密度示意图如图2(a)所示。舱内疏散部分，机翼应急出口附近走廊处及经济舱与头等舱连接处易造成人员拥堵。舱外的地面部分，远离安全区的下风向一侧滑梯区域及拐弯处易造成拥堵，安全区飞机侧的旅客路径交汇处也是人员密集区域。飞机部分旅客疏散时间最大时差1.71 min，到达地面分拣区最大时差3.115 min，说明旅客从滑梯末端到安全区的过程使时差增大，人员奔跑速度相差较大或缺乏引导，导致部分乘客没有选择最短路径到达安全区。

3.2 仿真优化建模

3.2.1 优化方案及仿真

优化场景1风向保持垂直机身方向不变。真实飞机起火情况下由于烟气以及高温对人正常行动行为的影响大[17]，下风向的舱门将关闭或部分关闭。根据初始实验结果提出两种关闭舱门的方案。

方案1关闭下风向一侧所有舱门[18]。人流密度效果图如图2(b)所示，此方案使拐弯处人员密集情况得到优化，拥挤情况主要集中于机舱内部的应急出口处以及滑梯与地面的连接部分，与实际情况较为符合。此外开放应急出口数量减少，总疏散时长随之增加，为了避免拥堵以及乘客受伤，提出方案2。

方案2关闭容易造成拥堵的下风向前后两个舱门。方案2-A：在不改变地面分拣区的情况下，程序运行效果图如图2(c)所示，观察到此方案下人员拥挤的现象多集中于机舱内部，地面部分疏散得到有效优化；方案2-B：为了进一步优化飞机后部地面处拥挤现象，将地面分拣区移向人员更加密集的飞机后部一侧，运行效果图如图2(d)所示。

图2 运行过程Fig.2 Operation process

优化场景2风向选取飞机降落逆风方向。该风向在运行过程中出现概率大，提出此情况下的疏散方案十分必要。运行效果图如图3所示,前侧舱门滑梯处人员密集，最后到达的旅客来自后侧舱门,疏散时间变化率较大。人员跑动距离较远且无法直接观测到安全区位置，导致反应时间过长。已知开放舱门数量与疏散时间成反比，故关闭两舱门后提出优化方案。

图3 场景2全开出口运行过程Fig.3 Full-open exit operation process in scenario 2

方案3关闭跑动距离过远、视线较差且处于下风向的后侧两个舱门。为了同时优化前侧滑梯底部的人员拥堵情况，考虑增加分拣区数量以及加宽各分类子区域间距两种方案：方案2-A：加宽分拣区子区域间距；方案2-B：增加分拣区数量。

方案3-A运行效果如图4(a)所示，前侧出口滑梯处的拥挤程度降低，最后从舱内疏散的乘客出现在机翼紧急出口处，此处地面人员密度大及乘客对逃生环境不熟悉导致疏散速度慢。由于沿机翼下滑的旅客视线完全受阻，地面处人员拥挤，使得总疏散时间变长，首末旅客时间差较大，提出分设两个安全区的方案。

图4 方案3运行过程Fig.4 Option 3 operation process

方案3-B运行效果如图4(b)所示，地面各处的拥挤程度均减小，舱内疏散速度较快，整体疏散时间短、时差较小。

优化后发现一体化疏散模拟能够综合考虑地面与飞机疏散接口处的衔接问题，避免了以往研究中对滑梯部分疏散情况的忽视，使流程更完整；且舱内疏散的最优方案并不是使整体疏散时间最短的最优方案，分开研究所得结论不够精确，一体化疏散流程对各个阶段进行综合分析，使仿真结果更具真实性；仿真过程中有相当数量的乘客到达地面后向附近的建筑物或视线范围内较高物体处逃离，故指挥人员以及明显标识物十分重要；人员在危险情况下倾向于与集体或同伴同行，且对不熟悉的逃生通道有恐慌心理，会造成人员密集及移动速率减缓、疏散效率降低的现象，故对于旅客的心理状况和社会关系的研究十分必要。

3.2.2 优化结果及分析

综合上述数据可以得到不同方案时间统计结果，如图5所示。分析得出如下结果。

图5 疏散时间统计Fig.5 Evacuation time statistics

(1)分拣区位置不在乘客视线范围内时乘客疏散总体用时长，此时对人员的引导十分重要。

(2)地面疏散通道存在转弯、应急出口数量少、人员集中、人员跑动距离差异大及人员视线受阻时，首末旅客疏散时间差较大，疏散效率的提升空间大。

(3)飞机火灾中部分舱门关闭更利于紧急条件下人员高效安全疏散。场景1下方案2-B为最佳疏散舱门及安全区设置方案，场景2下3-B为最佳疏散舱门及安全区设置方案。

(4)飞机部分与地面部分的疏散情况相互影响，分部研究会使结果产生误差。

4 结论

指出分部疏散研究所忽略的各阶段相互牵制造成的疏散影响因素，针对旅客在飞机火灾疏散的全过程中心理因素及社会属性所造成的影响对社会力模型进行了改进，利用AnyLogic软件进行了一体化仿真。考虑真实环境对火灾的影响提出合理布局，并根据模拟结果多次对比优化从而给出最优方案。仿真结果较好，方案现实性较强，有助于各机场改进应急预案、提升疏散效率。