民航客舱人员疏散优化设计研究

何语童 朱杰

（四川师范大学 工学院 四川省高校公共火灾防治技术重点实验室，成都 610101）

0 引言

截至2019年底，中国民航业运输飞机在册架数近4 000架，当年完成旅客运输量约6.6亿人次。安全是民航业的生命线，但民航客舱现有的高密度布局具有一定的安全隐患，事故后人员疏散难度较大，若不能及时将乘客疏散至安全点，容易造成群死群伤事件。目前，对于飞机客舱这类狭长受限空间的人员疏散过程及结构优化的定量研究鲜见报道。

关于飞机安全疏散优化的研究主要从人员组成、疏散出口使用率等方面展开。付阳阳等［1］确定了疏散时间90 s内飞机所能承载的最大人数，优化了疏散出口使用率；张青松等［2-3］首次提出火灾疏散安全指数的概念，分析出口宽度和高度及搭载人数等因素对飞机疏散能力的影响，并模拟分析了不同方案中各出口的利用率，提出了疏散分区、优化客舱布局的建议；MARTINEZ-VAL R等［4］研究了舱门不同的尺寸和位置对飞机紧急疏散的影响，得出疏散效率更多地取决于舱门位置而不是其大小，将前舱门往后移能改善疏散效率，为针对提高紧急疏散效率的飞机结构优化研究奠定了基础。

本研究通过Pathfinder软件对空客A320客机不同事故场景下的人员疏散过程进行定量的数值模拟，探讨不同因素对人员疏散效率的影响，最终得到优化后的紧急逃生门位置和客舱过道宽度，从人员疏散的角度为飞机的优化设计提供一定的理论依据。

1 人员疏散模拟分析

1.1 几何模型

本研究建立了A320客机的仿真模型，飞机客舱布局如图1所示。飞机客舱长27.5 m、宽3.7 m，前后共有4个舱门，舱门尺寸为1.83 m×0.813 m；中间有4个紧急逃生门，尺寸为1.02 m×0.508 m。座椅布局为28排164座，其中头等舱座椅宽度为0.533 m，间距为0.965 m；经济舱座椅宽度为0.457 m，间距为0.762 m。

1.2 人员参数

《大型飞机公共航空运输承运人运行合格审定规则》（CCAR-121-R4）部规定飞机安全疏散时女性人数应至少占40%［5］，考虑我国实际情况，本模型中女性占比为40%。本研究疏散人员的速度呈正态分布，平均速度为1.1 m/s，最大步速为1.2 m/s，最小步速为0.96 m/s，标准差为0.3［3］。人体参数采用《中国成人人体尺寸》中占比40%的数据［6］。具体疏散人员参数如表1所示。

表1 疏散人员参数

1.3 场景设计

根据CCAR-121-R4部中规定［5］和AASK V4.0研究报告中的飞机失事案例［7］，本研究将疏散时可用舱门数设定为总数的50%。飞机起飞和着陆阶段撞地事故在飞行事故中的占比可达75%，分别考虑飞机撞地一侧舱门出故障、机翼处燃油泄漏导致紧急逃生门不可用的情况，同时设置舱门全部可用的最有利情况作为参考，疏散场景如表2所示。

表2 疏散场景

1.4 疏散仿真模拟结果

1.4.1 全部舱门可用

全部舱门可用时疏散时间为83 s，疏散过程详见图2。该场景30 s左右近半数乘客便疏散至客舱外，约40 s时前部乘客疏散完毕。过道宽度限制了乘客的移动速度，即使出口数加倍，疏散时间也仅比一侧舱门可用时节省了10 s。由图3得，前部舱门和靠近前部的紧急逃生门1、3在40 s后无人通过，剩余乘客从紧急逃生门2、4和后部舱门疏散。

1.4.2 一侧舱门可用

一侧舱门可用时疏散时间为92.8 s，疏散规律与全部舱门可用时类似。紧急逃生门将客舱划分为不均匀的前后两部分。前部疏散难度较小，48 s后前部的乘客便疏散完毕；后部乘客密度大，过道狭窄造成人员拥堵，疏散速度慢，约70 s时后部拥堵状况明显缓解，见图4。由图4得，疏散前期前部舱门使用率较高，但48 s后前部舱门无人通过，应急逃生门及后部舱门持续有乘客通过直到疏散结束。

1.4.3 前部舱门和后部舱门可用

前部舱门和后部舱门可用时疏散时间为138.3 s。如图5所示，客舱内乘客密度大而疏散距离远，飞机过道狭长，只允许乘客单个有序地前往前后舱门，疏散效率低。客舱前部乘客在70 s内疏散完毕，约100 s时只有燃油泄漏处附近存在轻微拥堵，此处乘客较为危险却不能尽早疏散至安全点。疏散分两头进行，前部舱门和后部舱门的使用率相差不大，见图6。

2 飞机优化设计研究

2.1 紧急逃生门位置优化分析

飞机中后部乘客较为集中，紧急逃生门的位置靠前，不利于事故后人员疏散。因此，本研究调整紧急逃生门的位置得到了较优方案，见表3。

表3 紧急逃生门位置调整

调整紧急逃生门位置后各场景的疏散情况如图7所示。调整后乘客均匀地分布在客舱各部位，各舱门的使用率也较均匀。场景1.1节省了约32 s疏散时间，该场景在20 s时疏散了近一半乘客，30 s内拥堵减轻，各舱门持续有乘客通过直至疏散结束；场景1.2考虑不对称设计紧急逃生门，减少约51%的疏散时间，疏散效率显著提高。场景1.2在15 s时近一半的乘客疏散完毕，约30 s时拥堵消除，仅剩30名乘客呈线状分散在客舱，前部舱门和其余舱门使用时间分别为32 s、41 s。场景2.1节省了约30 s疏散时间，该场景在30 s时便疏散了半数乘客，40 s左右客舱内拥堵状况减轻，客舱内仍有50名乘客未疏散，各舱门使用时间都接近疏散时间。由图8可得，调整紧急逃生门位置不仅提高了疏散前期的效率，还改善了疏散后期效率降低的问题。

2.2 过道宽度优化分析

A320客机经济舱过道宽度约为0.6 m，仅够乘客单个有序地通过。以场景1为例，对过道宽度依次增加0.05 m，研究过道宽度对疏散效率的影响。模拟结果见表4和图9。过道宽度由0.6 m增至0.7 m时，疏散时间大幅减少，之后疏散时间随着过道宽度的增加而缓慢减少。过道越宽阔，乘客通过时越轻松，速度越快，能够进入过道等待的乘客越多。过道宽度增至0.9 m时，无法让多名乘客同时通过，所以过道宽度超过0.7 m后疏散效率提高不显著。

表4 过道宽度优化分析模拟结果

过道宽度从0.6 m增至0.7 m时比0.7 m增至0.9 m时对疏散效率的提升效果更为明显。且由图9可得，过道宽度由0.6 m增至0.7 m时，疏散前期同一时间点客舱内剩余人数大幅减少，更多的乘客尽早脱离了危险。因此，最后得到的建议过道宽度为0.7 m，如条件允许过道宽度可以在0.7 m至0.8 m之间取值。虽然过道宽度越宽疏散时间越短，但过宽的过道宽度需要减小座椅宽度或者增宽客舱宽度，这会降低乘客的舒适度、给飞机设计增加难度，设计过道宽度时应综合考虑多方面因素。

3 结论

1）飞机紧急逃生门位置较为靠前，导致后部乘客疏散距离远，疏散效率低；当可用舱门数足够多时，过道宽度便成了限制乘客疏散速度的重要因素。

2）调整紧急逃生门位置对提高人员疏散效率效果显著。将紧急逃生门向后调整到第11、19排能减短乘客疏散距离，节省近30 s的疏散时间；交错布置紧急逃生门甚至能节省近51%的疏散时间，并且交错布置能在一定程度上避免紧急逃生门同时不可用的情况。

3）通过模拟并综合多方面因素，如果过道宽度调整为0.7 m，比原始过道宽度可节省8 s疏散时间。如条件允许过道宽度可以在0.7 m至0.8 m之间取值。