基于Anylogic的民用飞机客舱应急撤离仿真研究*

尹莉萍，方鹏亚，任淑红

(郑州航空工业管理学院 航空发动机学院，河南 郑州 450046)

0 引言

随着经济的快速发展、人民生活水平的提高以及科学技术的发展,近年来民航业得到了迅速发展,民航客运量逐年提升。民航客运业务的快速发展,使得突发事件增多,突发事件出现后机上乘客的应急撤离情况引发人们的广泛关注。而且,为了使乘客能够有效地从飞机上安全撤离,FAR-25[1]、CCAR-25[2]和CS-25[3]都对乘客的应急撤离提出了明确的要求,即“对客座量大于44座的飞机,必须表明其最大乘座量的乘客能在90 s内在模拟的应急情况下从飞机撤离至地面”,因此为了完成飞机的适航认证,提高应急撤离效率,必须开展客机的应急撤离研究。开展应急撤离研究,可以采用试验和数值仿真两种方法。试验法需要建立全尺寸的样机,组织人员开展应急撤离试验,周期长、费用高,据统计,某型宽体客机进行单次应急撤离演示试验需要花费约230万美元,试验参与人数超过4 000人,平均历时3年[4],而且,模拟应急状态进行撤离试验时,试验人员很容易受伤。而随着计算机技术的快速发展,采用数值仿真的方法研究应急撤离问题不仅可以克服试验方法的缺点,还可以通过合理设置人员分布、多次仿真等使结果更准确,因此越来越多的学者采用数值仿真方法研究应急撤离问题[5],但其研究多关注应急撤离总时间这一参数,而未关注撤离过程中的人员密度变化,无法为应急撤离方案的制定提供相应的指导,因此仍需开展应急撤离仿真研究以反映全尺寸客舱乘员的应急撤离情况。

本项目采用Anylogic软件[6,7]开展客机应急撤离仿真研究,建立某型客机客舱的应急撤离模型进行仿真,得出客舱乘员的应急撤离过程和应急撤离过程中乘员密度较大区域(即拥堵区域)位置以及满员状态下的应急撤离总时间。研究结果不仅为飞机研制者进行适航符合性验证和局方进行适航审定提供参考,也能为机组人员制定应急撤离方案和进行实际的应急撤离提供一定指导,同时为火车、汽车等交通工具的应急撤离研究提供一定的参考。

1 建模及仿真有效性验证

1.1 仿真模型建立

本文以中国南方航空179座的A321机型客舱为基础建立飞机客舱应急撤离仿真模型,进行应急撤离仿真研究。A321飞机是目前广泛使用的单通道客机,其前三排为公务舱,后面均为经济舱,共有四对出口,且出口分布相对较均匀。

以A321机型客舱分布为基础,结合Anylogic软件中的行人库模块,基于智能体建模的方法建立客舱乘员应急撤离仿真模型,如图1所示。

图1 A321机型客舱模型

通过流程建模库定义乘客的行动逻辑图来模拟乘客登机、放行李、就座等待、应急撤离的过程,并设置时间函数计算乘客的应急撤离总时间。乘客的应急撤离行为逻辑图如图2所示。其中,PedSource表示乘客从机舱口进入,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表示结束。函数timeMeasureStart和timeMeasureEnd用来统计乘客的应急撤离时间。

图2 乘客的应急撤离行为逻辑图

1.2 仿真参数设置

仿真过程中需要设置一系列参数来定义乘客属性,本文通过性别、年龄、腰围、行走速度等参数定义乘客,并将这些参数赋予到乘客智能体上。设置男女乘客各占50%,乘客行走速度为0.6 m/s～1.2 m/s,男性腰围定义在71 cm～124 cm之间,女性腰围定义在63 cm～116 cm之间。

1.3 模型有效性验证

本文结合克兰菲尔德大学的应急撤离试验数据开展仿真有效性验证。克兰菲尔德大学采用B737-200的客舱模拟器开展应急撤离试验研究,通过试验得出客舱行人撤离时间,可为仿真等提供参考。B737-200的客舱模拟器为B737-200经济舱的局部客舱模型,共有10排座位,每排6个座位,中间一个过道,据此建立的客舱仿真模型如图3所示,并设置与试验参数完全一致的仿真参数进行仿真计算。

图3 B737-200的局部客舱仿真模型

为了减小人员行走速度、腰围直径参数随机性的影响,采取多次仿真取平均值的方法进行比较研究。通过多次仿真得出应急撤离平均时间为40 s,与试验得到的平均撤离时间40 s吻合,说明该仿真方法是有效的,可以开展后续研究。

2 仿真及结果分析

2.1 应急撤离总时间分析

仿真时通过时间函数得到客舱乘客应急撤离的总时间,为了减少单个乘客行走速度的随机误差,采用多次仿真试验求平均值的方法得出该客舱布局下的应急撤离总时间。通过多次仿真得到乘员应急撤离平均总时间为77.41 s,说明撤离时间符合适航规章中90 s的规定要求。

2.2 应急撤离过程分析

通过仿真不仅能得到乘客的应急撤离总时间,同时能够得到乘客的应急撤离过程动画,本文通过截取不同时刻的客舱乘员分布来表示乘员应急撤离过程,撤离时间为20 s和50 s时客舱内乘客分布分别如图4和图5所示。

图4 撤离时间20 s时的乘客分布

图5 撤离时间50 s时的乘客分布

由图4和图5可知:由于应急状态下乘客都通过离自己最近的出口撤离,因此造成各机舱口处人员富集,出现一定的拥挤现象;前部机舱口的乘客最先完成撤离、中前部次之、中后部和后部的乘客最后完成撤离,这是因为通过前部机舱口撤离的乘客多为商务舱乘客,而商务舱过道较宽、座位间间距较大,乘员较少,中后部出口由于撤离人员较多且存在相向而行的乘员,造成一定的对抗局面,因此撤离过程缓慢、时间较长,后部因撤离人员较多而导致撤离时间偏长,这说明在乘员较少、配载允许的情况下乘客可尽量向前坐,以减小后排乘客密度。

2.3 应急撤离过程中乘员拥挤情况分析

通过人员密度参数对乘客的拥挤情况进行定量评估。通过统计分析可知,中后部区域人员密度最大值最大,人员密度峰值达到了2.225人/m2,中前部次之,其人员密度峰值达到了2.005人/m2,后部和前部的人员密度值相对较低,都在2人/m2以下,说明在应急撤离时机组人员应重点关注中部的两个机舱口附近区域,以免由于拥堵造成人员出现推搡踩踏现象而受伤,从而影响应急撤离时间,降低应急撤离效率。

3 结论

本文以A321客机为研究对象开展应急撤离仿真研究,得到了应急撤离总时间和应急撤离过程等,其主要结论如下:

(1) 该客舱布局下满员时的乘员应急撤离总时间约为77 s。

(2) 不同机舱口的撤离时间不同,前机舱口撤离时间最短,其次为中前部、中后部,最后为后机舱口。

(3) 撤离过程中不同位置的乘客拥挤程度即人员密度不同,中后部人员密度最大,中前部次之,后部和前部人员密度相对较小。