民航客艙人員疏散優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

何語(yǔ)童 朱杰

（四川師范大學(xué) 工學(xué)院 四川省高校公共火災(zāi)防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610101）

0 引言

截至2019年底，中國(guó)民航業(yè)運(yùn)輸飛機(jī)在冊(cè)架數(shù)近4 000架，當(dāng)年完成旅客運(yùn)輸量約6.6億人次。安全是民航業(yè)的生命線，但民航客艙現(xiàn)有的高密度布局具有一定的安全隱患，事故后人員疏散難度較大，若不能及時(shí)將乘客疏散至安全點(diǎn)，容易造成群死群傷事件。目前，對(duì)于飛機(jī)客艙這類狹長(zhǎng)受限空間的人員疏散過(guò)程及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的定量研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

關(guān)于飛機(jī)安全疏散優(yōu)化的研究主要從人員組成、疏散出口使用率等方面展開(kāi)。付陽(yáng)陽(yáng)等［1］確定了疏散時(shí)間90 s內(nèi)飛機(jī)所能承載的最大人數(shù)，優(yōu)化了疏散出口使用率；張青松等［2-3］首次提出火災(zāi)疏散安全指數(shù)的概念，分析出口寬度和高度及搭載人數(shù)等因素對(duì)飛機(jī)疏散能力的影響，并模擬分析了不同方案中各出口的利用率，提出了疏散分區(qū)、優(yōu)化客艙布局的建議；MARTINEZ-VAL R等［4］研究了艙門不同的尺寸和位置對(duì)飛機(jī)緊急疏散的影響，得出疏散效率更多地取決于艙門位置而不是其大小，將前艙門往后移能改善疏散效率，為針對(duì)提高緊急疏散效率的飛機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究奠定了基礎(chǔ)。

本研究通過(guò)Pathfinder軟件對(duì)空客A320客機(jī)不同事故場(chǎng)景下的人員疏散過(guò)程進(jìn)行定量的數(shù)值模擬，探討不同因素對(duì)人員疏散效率的影響，最終得到優(yōu)化后的緊急逃生門位置和客艙過(guò)道寬度，從人員疏散的角度為飛機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。

1 人員疏散模擬分析

1.1 幾何模型

本研究建立了A320客機(jī)的仿真模型，飛機(jī)客艙布局如圖1所示。飛機(jī)客艙長(zhǎng)27.5 m、寬3.7 m，前后共有4個(gè)艙門，艙門尺寸為1.83 m×0.813 m；中間有4個(gè)緊急逃生門，尺寸為1.02 m×0.508 m。座椅布局為28排164座，其中頭等艙座椅寬度為0.533 m，間距為0.965 m；經(jīng)濟(jì)艙座椅寬度為0.457 m，間距為0.762 m。

1.2 人員參數(shù)

《大型飛機(jī)公共航空運(yùn)輸承運(yùn)人運(yùn)行合格審定規(guī)則》（CCAR-121-R4）部規(guī)定飛機(jī)安全疏散時(shí)女性人數(shù)應(yīng)至少占40%［5］，考慮我國(guó)實(shí)際情況，本模型中女性占比為40%。本研究疏散人員的速度呈正態(tài)分布，平均速度為1.1 m/s，最大步速為1.2 m/s，最小步速為0.96 m/s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.3［3］。人體參數(shù)采用《中國(guó)成人人體尺寸》中占比40%的數(shù)據(jù)［6］。具體疏散人員參數(shù)如表1所示。

表1 疏散人員參數(shù)

1.3 場(chǎng)景設(shè)計(jì)

根據(jù)CCAR-121-R4部中規(guī)定［5］和AASK V4.0研究報(bào)告中的飛機(jī)失事案例［7］，本研究將疏散時(shí)可用艙門數(shù)設(shè)定為總數(shù)的50%。飛機(jī)起飛和著陸階段撞地事故在飛行事故中的占比可達(dá)75%，分別考慮飛機(jī)撞地一側(cè)艙門出故障、機(jī)翼處燃油泄漏導(dǎo)致緊急逃生門不可用的情況，同時(shí)設(shè)置艙門全部可用的最有利情況作為參考，疏散場(chǎng)景如表2所示。

表2 疏散場(chǎng)景

1.4 疏散仿真模擬結(jié)果

1.4.1 全部艙門可用

全部艙門可用時(shí)疏散時(shí)間為83 s，疏散過(guò)程詳見(jiàn)圖2。該場(chǎng)景30 s左右近半數(shù)乘客便疏散至客艙外，約40 s時(shí)前部乘客疏散完畢。過(guò)道寬度限制了乘客的移動(dòng)速度，即使出口數(shù)加倍，疏散時(shí)間也僅比一側(cè)艙門可用時(shí)節(jié)省了10 s。由圖3得，前部艙門和靠近前部的緊急逃生門1、3在40 s后無(wú)人通過(guò)，剩余乘客從緊急逃生門2、4和后部艙門疏散。

1.4.2 一側(cè)艙門可用

一側(cè)艙門可用時(shí)疏散時(shí)間為92.8 s，疏散規(guī)律與全部艙門可用時(shí)類似。緊急逃生門將客艙劃分為不均勻的前后兩部分。前部疏散難度較小，48 s后前部的乘客便疏散完畢；后部乘客密度大，過(guò)道狹窄造成人員擁堵，疏散速度慢，約70 s時(shí)后部擁堵?tīng)顩r明顯緩解，見(jiàn)圖4。由圖4得，疏散前期前部艙門使用率較高，但48 s后前部艙門無(wú)人通過(guò)，應(yīng)急逃生門及后部艙門持續(xù)有乘客通過(guò)直到疏散結(jié)束。

1.4.3 前部艙門和后部艙門可用

前部艙門和后部艙門可用時(shí)疏散時(shí)間為138.3 s。如圖5所示，客艙內(nèi)乘客密度大而疏散距離遠(yuǎn)，飛機(jī)過(guò)道狹長(zhǎng)，只允許乘客單個(gè)有序地前往前后艙門，疏散效率低?？团撉安砍丝驮?0 s內(nèi)疏散完畢，約100 s時(shí)只有燃油泄漏處附近存在輕微擁堵，此處乘客較為危險(xiǎn)卻不能盡早疏散至安全點(diǎn)。疏散分兩頭進(jìn)行，前部艙門和后部艙門的使用率相差不大，見(jiàn)圖6。

2 飛機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

2.1 緊急逃生門位置優(yōu)化分析

飛機(jī)中后部乘客較為集中，緊急逃生門的位置靠前，不利于事故后人員疏散。因此，本研究調(diào)整緊急逃生門的位置得到了較優(yōu)方案，見(jiàn)表3。

表3 緊急逃生門位置調(diào)整

調(diào)整緊急逃生門位置后各場(chǎng)景的疏散情況如圖7所示。調(diào)整后乘客均勻地分布在客艙各部位，各艙門的使用率也較均勻。場(chǎng)景1.1節(jié)省了約32 s疏散時(shí)間，該場(chǎng)景在20 s時(shí)疏散了近一半乘客，30 s內(nèi)擁堵減輕，各艙門持續(xù)有乘客通過(guò)直至疏散結(jié)束；場(chǎng)景1.2考慮不對(duì)稱設(shè)計(jì)緊急逃生門，減少約51%的疏散時(shí)間，疏散效率顯著提高。場(chǎng)景1.2在15 s時(shí)近一半的乘客疏散完畢，約30 s時(shí)擁堵消除，僅剩30名乘客呈線狀分散在客艙，前部艙門和其余艙門使用時(shí)間分別為32 s、41 s。場(chǎng)景2.1節(jié)省了約30 s疏散時(shí)間，該場(chǎng)景在30 s時(shí)便疏散了半數(shù)乘客，40 s左右客艙內(nèi)擁堵?tīng)顩r減輕，客艙內(nèi)仍有50名乘客未疏散，各艙門使用時(shí)間都接近疏散時(shí)間。由圖8可得，調(diào)整緊急逃生門位置不僅提高了疏散前期的效率，還改善了疏散后期效率降低的問(wèn)題。

2.2 過(guò)道寬度優(yōu)化分析

A320客機(jī)經(jīng)濟(jì)艙過(guò)道寬度約為0.6 m，僅夠乘客單個(gè)有序地通過(guò)。以場(chǎng)景1為例，對(duì)過(guò)道寬度依次增加0.05 m，研究過(guò)道寬度對(duì)疏散效率的影響。模擬結(jié)果見(jiàn)表4和圖9。過(guò)道寬度由0.6 m增至0.7 m時(shí)，疏散時(shí)間大幅減少，之后疏散時(shí)間隨著過(guò)道寬度的增加而緩慢減少。過(guò)道越寬闊，乘客通過(guò)時(shí)越輕松，速度越快，能夠進(jìn)入過(guò)道等待的乘客越多。過(guò)道寬度增至0.9 m時(shí)，無(wú)法讓多名乘客同時(shí)通過(guò)，所以過(guò)道寬度超過(guò)0.7 m后疏散效率提高不顯著。

表4 過(guò)道寬度優(yōu)化分析模擬結(jié)果

過(guò)道寬度從0.6 m增至0.7 m時(shí)比0.7 m增至0.9 m時(shí)對(duì)疏散效率的提升效果更為明顯。且由圖9可得，過(guò)道寬度由0.6 m增至0.7 m時(shí)，疏散前期同一時(shí)間點(diǎn)客艙內(nèi)剩余人數(shù)大幅減少，更多的乘客盡早脫離了危險(xiǎn)。因此，最后得到的建議過(guò)道寬度為0.7 m，如條件允許過(guò)道寬度可以在0.7 m至0.8 m之間取值。雖然過(guò)道寬度越寬疏散時(shí)間越短，但過(guò)寬的過(guò)道寬度需要減小座椅寬度或者增寬客艙寬度，這會(huì)降低乘客的舒適度、給飛機(jī)設(shè)計(jì)增加難度，設(shè)計(jì)過(guò)道寬度時(shí)應(yīng)綜合考慮多方面因素。

3 結(jié)論

1）飛機(jī)緊急逃生門位置較為靠前，導(dǎo)致后部乘客疏散距離遠(yuǎn)，疏散效率低；當(dāng)可用艙門數(shù)足夠多時(shí)，過(guò)道寬度便成了限制乘客疏散速度的重要因素。

2）調(diào)整緊急逃生門位置對(duì)提高人員疏散效率效果顯著。將緊急逃生門向后調(diào)整到第11、19排能減短乘客疏散距離，節(jié)省近30 s的疏散時(shí)間；交錯(cuò)布置緊急逃生門甚至能節(jié)省近51%的疏散時(shí)間，并且交錯(cuò)布置能在一定程度上避免緊急逃生門同時(shí)不可用的情況。

3）通過(guò)模擬并綜合多方面因素，如果過(guò)道寬度調(diào)整為0.7 m，比原始過(guò)道寬度可節(jié)省8 s疏散時(shí)間。如條件允許過(guò)道寬度可以在0.7 m至0.8 m之間取值。