大型民用飞机迫降行为对应急疏散行为影响的研究

《RELIABILITY ENGINEERING & SYSTEM SAFETY》：Study on the Effects of Ditching Behavior on Emergency Evacuation Behavior in Large Civil Aircraft

　　

摘要

大型民航客机水上迫降疏散面临由动态流体环境与旅客行为之间尚未量化相互作用所驱动的作业不确定性。为探究这些机制，本研究以A320neo为例，开发了一种扩展元胞自动机模型，综合考虑了机舱浮态姿态、泄漏情况、旅客体型、焦虑情绪以及超越行为。仿真考察了不同波浪条件、俯仰角以及旅客遵从度。结果表明，高频短波会放大俯仰扰动，使疏散时间相较平静水面有所增加。机身初始俯仰角对疏散效率具有非线性影响，因为过大的角度会因重力和摩擦力导致过道上出现拥塞。此外，不遵从行为（如取行李、提前充气穿救生衣）会产生负向协同效应：当重叠概率达到50%时，模型显示客舱内平均移动速度降低47.3%。在泄漏情形下，改进的Tanimoto-EW-TOPSIS模型表明，一种仅在出口严重失效时才重新规划路线的出口选择策略，能够通过控制疏散时间、出口密度、停滞频率和受水浸时间，优化系统的适应性。本研究为航空器适航性鉴定中涉及多维度环境约束与人为因素的问题提供了量化参考。

引言

飞机紧急疏散对于在可生还坠机后使旅客迅速撤至安全区域、脱离危险至关重要。据航空安全网数据显示，1999至2021年间全球共发生3,684起航空事故，造成约46,836人死亡。值得注意的是，约90%的旅客通过紧急疏散得以逃脱危险[1]。客舱旅客能否快速高效地撤离对其安全与生还率有显著影响[2]。因此，适航认证要求必须证明在紧急条件下旅客能够在浮航时间内安全离开飞机。CCAR 25.801[3]第(d)段特别规定："必须证明，在合理可能的水面条件下，飞机的浮航时间与姿态允许所有旅客离开飞机并进入第25.1415条规定的救生筏。"

由于全尺寸人体认证试验存在重大健康风险[4]，且难以覆盖所有潜在情形，美国联邦航空管理局（FAA）于2012年发布了咨询通告AC 25.803-1A，指出可通过分析部分试验与计算机仿真模型之间的相关性来证明对法规的符合性[5]。Henderson于1971年首次提出将行人与流体粒子类比的观点[6]，为后续紧急疏散仿真奠定了基础。在模型发展方面，研究者已采用多种疏散模型，如元胞自动机[7,8]、社会力模型[9,10]以及基于智能体的模型[11,12]，模拟考虑客舱内旅客动态与相互作用的真实紧急疏散场景。仿真模型开发面临的挑战源于紧急旅客疏散过程的复杂性，其受众多因素影响。鉴于飞机事故现场的特殊情况，准确再现疏散过程面临巨大挑战。研究表明，直线过道设计等特征可以提升疏散效率[13]。此外，座位密度[14]、客舱过道宽度[15]、舱门宽度[16]、光照强度[13,17]、标识[18]、出口数量[2]、出口位置[19]以及客舱俯仰角[20]等因素均会影响疏散过程。此外，对旅客行为的研究日益增多，揭示了生理特征（如腰围、体质指数（BMI）、性别、年龄）[21]、教育水平[2]、安全培训[22]以及心理因素[23,24]在疏散过程中也起着至关重要的作用。Miyoshi等[23]建立了一种考虑旅客恐慌的飞机疏散模型。他们基于三个因素量化了恐慌程度，并评估了这些因素对疏散时间的影响。Song等[25]设计了一种包含旅客取行李、超越等行为的客舱疏散模型，该模型引入了"灾难等级"表征旅客的焦虑情绪，并基于元胞自动机制定了一套旅客超越规则。与此同时，尽管包括深度学习与区块链辅助神经网络在内的先进数据驱动范式已被广泛部署于智慧城市和无人机网络等宏观环境中的系统管理、异常识别与作业安全[[26], [27], [28], [29]]，旅客疏散仿真仍是一个由高度非线性微观物理约束和复杂人体运动学所主导的独立领域。

当前大多数疏散仿真聚焦于陆地场景，关于水上迫降事故后旅客生还性的研究相对稀少。尽管此类事故较少发生，但其后果往往十分严重。对比分析表明，水上迫降事故的死亡率为34%，明显高于陆地事故的21%[30]。水上迫降与陆地事故的主要区别包括：(1) 迫降后，旅客需穿戴救生衣并前往配有救生筏的出口；相比之下，越翼窗出口通常仅在主要出口被阻塞时使用；(2) 迫降后，飞机可能处于漂浮或部分浸没状态，存在迅速下沉的风险，且泄漏可能导致某些出口无法使用；(3) 飞机重心与浮态姿态的变化可能阻碍旅客移动。在迫降事件中，有效的紧急疏散对旅客生还至关重要。根据现有数据，至少50%的致命迫降事件源于飞机浸没[31,32]。关于大型客机浮航动力学的研究已经较为全面。Zuo等[33]将飞机在水面上漂浮并最终下沉的动态过程分析为时间连续的准静态过程。在此基础上，Chen等[34]提出了两种计算方法，采用数值模拟和阿基米德原理评估民航客机在水上迫降时的浮航性能，该方法已获中国民用航空局（CAAC）审核认可。Zhao等[35]通过简化飞机模型，应用梯形法对浸没体积进行积分计算，并根据阿基米德原理计算浮力与浮力矩的合力。

目前尚缺乏关于环境因素（如大型飞机迫降后的浮态姿态）与人为因素（如迫降过程中旅客具体的疏散行为）对紧急疏散过程产生综合影响的系统性文献。因此，本研究提出了三项主要创新：(1) 我们建立了一种整合旅客生理与心理特征以及不遵从行为的紧急疏散模型，并使用现有文献中的实验数据对其准确性进行校准。(2) 模型包含泄漏方程和机身姿态实时变化，并将其整合进元胞自动机的空间网格中，从而构建了一个精细化的迫降紧急疏散模型。(3) 我们系统考察了水面条件、旅客行为以及出口浸没对迫降紧急疏散成功性的影响。

章节片段

研究对象

本研究以空中客车A320neo作为案例研究对象，主要基于以下三个原因：(1) 空中客车A320neo作为全球机队规模最大的单通道窄体客机之一[36]，其疏散模式与优化策略具有重要的工程意义。(2) A320典型的"3-3"高密度座椅布局和单主过道配置带来了严格的物理空间约束。在极端

陆地疏散仿真验证

本节开发了一个包含158个座位的全尺寸A320neo客舱基准模型，以进行标准陆地疏散与水上迫降之间的基准比较。机身姿态设定为水平（俯仰角 $\theta =0^{°}$），无泄漏，所有旅客完全遵从。在500次仿真之后，图8(a)展示了仿真过程中客舱内的旅客分布与意向状态。可以清晰地看出，高密度人群聚集发生在

结论

本研究针对大型民航客机水上迫降后的紧急疏散问题，开发了一种扩展元胞自动机疏散模型。该模型整合了飞机的浮态姿态、外部波浪环境以及旅客的复杂行为。以A320neo飞机为案例研究对象，系统并定量地评估了波浪参数、初始俯仰角、旅客不遵从行为以及舱门

CRediT作者贡献声明

Bo Cui：写作—审阅与编辑，写作—原稿撰写，可视化，验证，软件，资源，方法论，调查研究，形式分析，数据管理，概念化。Yongjie Zhang：写作—审阅与编辑，写作—原稿撰写，监督，项目管理，方法论，调查研究，资金获取，概念化。Tao Jin：写作—审阅与编辑，可视化，验证，方法论。

Bo Cui|Yongjie Zhang|Tao Jin