基于改進(jìn)社會力模型模擬客艙構(gòu)型下乘員撤離過程的方法與流程

本發(fā)明屬于客艙安全應(yīng)急撤離研究技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于改進(jìn)社會力模型模擬客艙構(gòu)型下乘員撤離過程的方法。

背景技術(shù)：

飛機(jī)客艙的應(yīng)急撤離是指飛機(jī)發(fā)生事故后客艙內(nèi)乘員逃生的過程，是影響飛機(jī)客艙安全的關(guān)鍵因素。適航法規(guī)中明確指出：對乘座量大于44座的飛機(jī)，需要使用最大乘座量的客艙構(gòu)型，通過演示試驗(yàn)證明客艙乘員和機(jī)組人員能夠在90秒內(nèi)撤離到地面。但演示試驗(yàn)耗時久、費(fèi)用高、參試乘員極易受傷，并且也不可能通過演示試驗(yàn)?zāi)M飛機(jī)真實(shí)的事故狀態(tài)。近年來，用仿真方法研究在特定環(huán)境下乘員的應(yīng)急撤離行為已經(jīng)成為一種重要的研究手段。

目前，國內(nèi)外研究將人員撤離仿真模型分為宏觀、中觀和微觀模型。宏觀模型對人員撤離系統(tǒng)的個體運(yùn)動及行為的細(xì)節(jié)描述較為粗糙，而中觀模型可以詳細(xì)地說明人員撤離系統(tǒng)要素，但仍不能細(xì)致描述人員個體之間的相互作用。微觀模型是以單個人員為研究對象，融合了宏觀和中觀模型的優(yōu)點(diǎn)并且能描述人員個體行為，社會力模型是應(yīng)用較多的最能體現(xiàn)人群真實(shí)運(yùn)動情況的連續(xù)微觀仿真模型。它能夠解釋動態(tài)環(huán)境中由內(nèi)外部原因共同驅(qū)使的人員行為，并且在體現(xiàn)人員行走連續(xù)性、自驅(qū)性、與環(huán)境的交互作用等方面，與人員的實(shí)際運(yùn)動特征更相符，經(jīng)拓展后也能夠用于仿真復(fù)雜場景中的群體行為?；谠猩鐣δＰ?，通過用Anylogic對飛機(jī)客艙構(gòu)型下建模仿真發(fā)現(xiàn)，人員在撤離過程中通過瓶頸處出現(xiàn)了“力平衡”的狀況。同時，人員之間出現(xiàn)了嚴(yán)重振蕩、穿越等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象不符合人員在客艙中撤離的現(xiàn)實(shí)情況。這是由于客艙構(gòu)型下乘員受到的排斥力與吸引力在某一位置達(dá)到了“力平衡”，從而導(dǎo)致乘員靜止不動而無法繼續(xù)前進(jìn)到達(dá)座位。另外，由于無法改變模型內(nèi)置的人與墻之間的回避距離B_w，因而得到的結(jié)果與實(shí)際應(yīng)急撤離數(shù)據(jù)不相符。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于改進(jìn)社會力模型模擬客艙構(gòu)型下乘員撤離過程的方法。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的基于改進(jìn)社會力模型模擬客艙構(gòu)型下乘員撤離過程的方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟：

1)確定乘員直徑、乘員期望速度的S1階段；

2)確定實(shí)際的客艙尺寸，然后將上述客艙尺寸進(jìn)行縮放而得到仿真需要的客艙尺寸的S2階段；

3)按照上述仿真需要的客艙尺寸以及乘員直徑、乘員期望速度進(jìn)行改進(jìn)社會力模型的建模仿真，得到客艙構(gòu)型下的乘員撤離數(shù)據(jù)的S3階段。

在步驟1)中，所述的乘員直徑、乘員期望速度是根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)收集得到的，其中乘員直徑為(0.369m，0.466m)的均勻分布，乘員期望速度為(0.96m/s，1.25m/s)的均勻分布。

在步驟2)中，所述的仿真需要的客艙尺寸是將實(shí)際的客艙尺寸乘以縮放系數(shù)k的倒數(shù)而得到，經(jīng)過模擬仿真求得縮放系數(shù)k的取值區(qū)間是[0.45,0.5]。

所述的乘員撤離數(shù)據(jù)包括乘員撤離時間、乘員各個時刻的位置坐標(biāo)、乘員密度。

本發(fā)明提供的基于改進(jìn)社會力模型模擬客艙構(gòu)型下乘員撤離過程的方法是通過縮小人與墻之間的距離而將客艙的物理場景放大，再結(jié)合實(shí)際乘員直徑和期望速度來仿真得到應(yīng)急撤離數(shù)據(jù)。通過仿真實(shí)驗(yàn)對比可知，本發(fā)明方法較原有的Anylogic仿真客艙構(gòu)型下乘員撤離時間精度有了較大提高，能夠獲得與飛機(jī)客艙應(yīng)急撤離模型VacateAir的仿真結(jié)果完全一致的結(jié)果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的基于改進(jìn)社會力模型模擬客艙構(gòu)型下乘員撤離過程的方法流程圖。

圖2(a)、(b)為不同時間客艙人員撤離仿真過程示意圖。

圖3為試驗(yàn)客艙構(gòu)型圖。

圖4為正常照明、直通道、競爭場景撤離時間(R1出口，100次仿真)曲線圖。

圖5為正常照明、直通道、競爭場景撤離時間(L1出口，100次仿真)曲線圖。

圖6為模型仿真與VacateAir仿真結(jié)果對比。

圖7(a)、(b)為不同時刻的仿真狀態(tài)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明提供的基于改進(jìn)社會力模型模擬客艙構(gòu)型下乘員撤離過程的方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明提供的基于改進(jìn)社會力模型模擬客艙構(gòu)型下乘員撤離過程的方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟：

1)確定乘員直徑、乘員期望速度的S1階段；

在此階段中，乘員直徑、乘員期望速度是根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)收集得到的。在模型中需要乘員直徑這一參數(shù)，在這里定義為乘員的肩寬，根據(jù)我國成年人的肩寬統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，確定乘員直徑為(0.369m，0.466m)的均勻分布；根據(jù)應(yīng)急撤離時的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析，計(jì)算出乘員期望速度為(0.96m/s，1.25m/s)的均勻分布。

2)確定實(shí)際的客艙尺寸，然后將上述客艙尺寸進(jìn)行縮放而得到仿真需要的客艙尺寸的S2階段；

在此階段中，實(shí)際的客艙尺寸是通過收集實(shí)際現(xiàn)有客艙尺寸數(shù)據(jù)并經(jīng)過整理而得到。

社會力模型將人運(yùn)動描述為多個力共同作用下向著期望目標(biāo)方向的運(yùn)動。“社會力”主要包括自身驅(qū)動力、人與人間相互作用力和人與墻的排斥力。在正常條件下的社會力模型為:

m_i為人員質(zhì)量；v_i(t)分別為人員的期望速度和實(shí)際速度；為期望的運(yùn)動方向；τ_i為適應(yīng)時間；為人員i和j的作用力；為墻w對人員的作用力。

其中，墻w對人的影響類似于人與人之間的作用，墻w可泛指如隔板、座椅等不可移動的障礙物。墻w對人i的作用力f_iW的表達(dá)式為：

f_iW＝F_swi+N_iw+T_iw (2)

式中：F_swi表示人與墻之間的心理排斥力。人在行走過程中，會努力與墻保持一定的距離，以防止碰撞，這種現(xiàn)象在社會力模型中由人與墻之間產(chǎn)生的“心理排斥力”來控制，這種心理排斥力是非接觸力。

N_iw表示人與墻之間的法向力，是由于人與墻直接接觸產(chǎn)生的，與人和墻之間的擠壓程度有關(guān)。

T_iw表示人與墻之間的切向摩擦力，與人和墻之間的擠壓程度以及人的行走速度有關(guān)。

本發(fā)明針對人與墻之間的心理排斥力F_swi進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(3)所示。

F_swi＝A_wexp[(r_iw-d_iw)/B_w]n_ij (3)

式中，A_w表示人與墻之間心理排斥力的作用強(qiáng)度。

B_w表示人與墻之間的回避距離。

r_iw表示人與墻半徑之和，這里就是人的半徑。

d_iw表示人的質(zhì)心到墻的距離。

n_ij表示垂直于墻面向外的方向，是一個表示方向的單位矢量。

式(3)中，A_w＝10m/s²，B_w＝0.2m，這一取值是在大型建筑中人員正常行走的狀況下進(jìn)行選取的。而客艙構(gòu)型的特點(diǎn)是空間狹窄，障礙物密集；另外，人員在撤離時沒有足夠的距離回避障礙物，這個距離比在正常狀況下的社會力模型要求的距離小得多。

為緩解上述問題，本發(fā)明以原有社會力模型為基礎(chǔ)，引入相對距離對撤離人員心理排斥力的影響，即通過減小人與墻間的心理排斥力來改進(jìn)社會力模型。乘員撤離仿真時間隨著心理排斥力的減小而遞減。當(dāng)心理排斥力較大時，其取值對仿真撤離時間的影響較大；而當(dāng)其減少至某一數(shù)值后，仿真撤離時間趨于試驗(yàn)撤離時間。利用這個特點(diǎn)，找到滿足客艙構(gòu)型下社會力模型適用的心理排斥力參數(shù)范圍。因此，為解決正常尺寸客艙構(gòu)型下出現(xiàn)的“力平衡”問題，針對客艙構(gòu)型下社會力模型，現(xiàn)將式(3)改成式(4)如下：

F_swi＝A_wexp[(r_iw-d_iw)/(k*B_w)]n_ij (4)

其中，k是縮放系數(shù)。

為明確相對距離對人員心理排斥力的影響，即確定縮放系數(shù)k的取值區(qū)間，本發(fā)明將針對局部撤離試驗(yàn)場景進(jìn)行建模并仿真驗(yàn)證這種影響。當(dāng)相對距離影響縮放系數(shù)k的取值時，人員撤離時間的最小值、平均值及最大值分布如表1所示。

表1 不同縮放系數(shù)k的仿真結(jié)果

由表1可知，隨著心理排斥力的減小，仿真的撤離時間遞減。當(dāng)縮放系數(shù)k≤0.5時，人員的撤離過程中靜止、重疊現(xiàn)象基本消除，仿真撤離時間趨于試驗(yàn)撤離結(jié)果。當(dāng)縮放系數(shù)k≤0.45時，如圖2所示，撤離過程中出現(xiàn)了兩人迅速以相同的速度同時通過過道(黑色圓圈)的情況，這種現(xiàn)象與試驗(yàn)過程中實(shí)際情況并不一致，并且在飛機(jī)客艙構(gòu)型中與人員撤離行為不符。以上的模擬分析說明，相對距離影響縮放系數(shù)k的取值區(qū)間為[0.45,0.5]時，仿真中每個人員到達(dá)出口的撤離時間較接近試驗(yàn)中單個人員撤離時間。

當(dāng)利用縮放系數(shù)k將人與墻之間的實(shí)際回避距離縮小后，實(shí)際上就是將客艙的尺寸放大，因此將上述實(shí)際的客艙尺寸乘以縮放系數(shù)k的倒數(shù)而得到仿真需要的客艙尺寸。

3)按照上述仿真需要的客艙尺寸以及乘員直徑、乘員期望速度進(jìn)行改進(jìn)社會力模型的建模仿真，得到客艙構(gòu)型下的乘員撤離數(shù)據(jù)的S3階段：

利用上述步驟2)得到的仿真需要的客艙尺寸和上述步驟1)中得到的乘員直徑、乘員期望速度進(jìn)行改進(jìn)社會力模型的建模仿真，得到客艙構(gòu)型下包括乘員撤離時間、乘員各個時刻的位置坐標(biāo)、乘員密度在內(nèi)的乘員撤離數(shù)據(jù)。

仿真實(shí)驗(yàn)

本發(fā)明提供的基于改進(jìn)社會力模型模擬客艙構(gòu)型下乘員撤離過程的方法的效果可以通過以下仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步說明。

在本發(fā)明中，通過對克蘭菲爾德大學(xué)在客艙構(gòu)型下乘員應(yīng)急撤離試驗(yàn)進(jìn)行了仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。圖3是直通道的試驗(yàn)客艙構(gòu)型圖，改進(jìn)社會力模型中設(shè)置的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 仿真參數(shù)設(shè)置

通過對試驗(yàn)不同場景的動態(tài)模擬，均取得很好的仿真效果，在本發(fā)明中主要以乘員撤離時間和在不同時間段出現(xiàn)的出口形成的拱現(xiàn)象為例來說明改進(jìn)社會力模型的有效性。

通過對試驗(yàn)場景的動態(tài)模擬，發(fā)現(xiàn)當(dāng)縮放系數(shù)k＝0.45時，模型中人員對墻的心理排斥減小，降低了振蕩和混亂無序狀況的發(fā)生，此時撤離人員間的相互影響達(dá)到較好的狀態(tài)，整個撤離過程比較接近真實(shí)情況。

為確保單個人員撤離時間結(jié)果的準(zhǔn)確性，模型在競爭條件下進(jìn)行100次重復(fù)仿真。圖4和圖5描述了右I型出口(R1)和左I型出口(L1)的仿真與試驗(yàn)人員撤離時間。從圖中可以看出，改進(jìn)后的模型仿真結(jié)果能較好地與試驗(yàn)結(jié)果相符，L1出口的撤離時間與試驗(yàn)中處理的數(shù)據(jù)非常接近，R1出口的撤離時間普遍略小于試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)，這與飛機(jī)客艙應(yīng)急撤離模型VacateAir的仿真結(jié)果一致，如圖6所示。

在出口或“瓶頸”處拱形的形成是因?yàn)槌藛T之間存在著非線性作用，利用改進(jìn)社會力模型，本發(fā)明中仿真的不同時刻的“瓶頸”處形成拱形如圖7所示，其中圖7(a)為仿真5.91s時狀態(tài)，圖7(b)為仿真21.14s狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)本發(fā)明中所模擬形成的拱形與乘員客艙構(gòu)型下撤離特征相符。同時，乘員在撤離過程能夠避免發(fā)生碰撞和穿越現(xiàn)象，說明改進(jìn)社會力模型能夠準(zhǔn)確地反映乘員撤離的實(shí)際情況。