飞机客舱乘客紧急疏散仿真方法的研究

ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterTHESIMULATIONOFMULTIPLEAGENTSEVACUATIONINANAIRPLANEAuthor:XuJinjinSpecialty:PatternRecognitionandIntelligentSystemAdvisor:Prof.FuShanSchoolofAeronauticsandAstronauticsShanghaiJiaoTongUniversityJanuary19,2021万方数据上海交通大学工学硕士学位论文

摘要飞机客舱乘客紧急疏散仿真方法研究摘要作为虚拟现实模拟学科的分支，人群紧急疏散模型的研究和疏散运动仿真越来越重要和具有挑战性。当前，对飞机客舱乘客紧急疏散仿真方法展开研究，可以辅助适航审定过程，也可以在初期阶段辅助飞机设计，提高设计效率，优化设计过程。因此，这是一个具有重大意义的研究课题。但是这一领域目前还存在很多问题急需解决，智能体疏散过程的运动模型还不完善，很多算法也有待改善。因此迫切需要开展广泛深入的研究工作。本文研究总结了客舱中的人为因素，以及各种疏散运动模型，主要的研究内容包括以下几个方面：1、对飞机客舱人为因素进行了研究，总结各种客舱属性，乘客属性以及人与环境，人与人之间的交互作用，提炼了客舱内有关乘客紧急疏散的人为因素数据。2、研究飞机客舱乘客疏散仿真过程中的各种算法模型，分析了飞机客舱环境的特殊性，并结合人为因素，从信息感知、出口和疏散路径选择、占位竞争、疏散速度确定、个体行为调整几个方面来介绍人群疏散仿真过程的算法模型，为疏散仿真平台的开发奠定算法根底。3、研究仿真系统的实现，基于疏散仿真过程中的算法，自主开发了疏散仿真系统，并通过对实验数据的分析和研究，得出相关结论，验证了仿真算法的合理性。万方数据

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摘要本课题的研究有以下创新点：1、在元胞自动机模型和国内外已有的群体疏散运动模型根底上，结合客舱环境的特殊性，创新性地将人为因素与疏散模型进行了有效结合，提出了优先占位模型，解决了智能体占位冲突的问题，使智能体疏散过程更加合理。2、在疏散规那么中不仅仅以最短路径原那么作为疏散规那么，而是考虑了环境综合因素，并对两种疏散规那么进行了比拟，实验结果说明考虑环境综合因素的疏散规那么更加符合实际。3、提出的整体疏散运动模型方案更加完善，不仅考虑了对周围信息的感知，也考虑了智能体在疏散过程中决策行为的调整，并完全自主开发了仿真软件——EvacuSimulation软件。关键词：紧急疏散，客舱人为因素，多智能体，群体运动模型，仿真万方数据

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ABSTRACTTheSimulationofMultipleAgentsEvacuationinanAirplaneABSTRACTAsabranchofvirtualrealitysimulationfield,theresearchesonemergencyevacuationmodelofcrowdandemergencyevacuationsimulationaremoreandmoreimportantandchallenging.Currently,researchesonthesimulationofmultipleagents’evacuationinanairplanearesignificant.Itassiststheairworthinesscertificationprocess,improvesdesignefficiencyintheearlystagesofaircraftdesigning,aswellasoptimizingthedesignmethods.Howevertherearestillalotofdifficultiestoberesolved,theagentevacuationmodelandalgorithmsneedtobedeveloped.Soitisurgenttododeeperresearchwork.Thispapersummarizesthehumanfactorsinanairplane,andvariousevacuationmodels.Thefollowingcontentshavebeenincludedinthispaper:1.Thehumanfactorsandrelateddatainanairplanehasbeenstudiedandsummarized,aswellasthecabinproperty,passengers’property,andinteractionbetweenpassengersandenvironment.2.Variousalgorithmsofagentsevacuationsimulationmodelinanairplanehasbeenstudied,andweanalyzedtheaircraftenvironment’suniquecharacter,combinedagentevacuationmodelwiththehumanfactors,proposedthecompetitionmodelduringanevacuationsothattheevacuationprocessismorereasonable.Theevacuationalgorithmincludesinformationperception,exitandroutechoosing,occupancycompetition,evacuationspeed,andbehaviormodification.Itisthebasicalgorithmtodeveloptheevacuationsimulationsystem.3.Therealizationofevacuationsimulationsystemhasbeenstudied,andthesoftwareevacuationsimulationsystemhasbeendevelopedbasedonthealgorithm,wealsoanalyzedthesimulationexperiments’resultsdata,itshows万方数据

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ABSTRACTthatthealgorithmandtheevacuationmodelarereasonable.Thereareseveralinnovationsinthispaperasfollows:1.Basedonthecellularautomatmodelandexitedegressevacuationmodel,aswellasconsideredtheparticularityofanairplane,wecombinedthehumanfactorswithevacuationmodels,proposedthecompetitionmodelduringanevacuationtosolveconflictbetweenagents,sothattheevacuationprocessismorereasonable.2.Wenotonlyconsideredtheshortestrouteprincipleintheevacuationsimulation,butalsoconsideredenvironmentfactors.Wecomparedthetworesultswithdifferentrules;Itshowsthattheenvironmentrelatedruleismorereasonable.3.Weproposedamoregeneralevacuationsimulationsolution,itconsideredtheperceivingofinformationaround,andbehavioradjustmentduringevacuationprocess.WealsodevelopedthesimulationsoftwarecalledEvacuSimulation.Keywords:EmergencyEvacuation,HumanFactorsInAnAirplane,MultipleAgents,CrowdEvacuationModel,Simulation万方数据

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目

录

目录摘要..................................................................................................................................................................IABSTRACT...................................................................................................................................................III第一章绪论.....................................................................................................................................................1飞机客舱疏散仿真的背景及意义...................................................................................................1疏散仿真应用及开展.......................................................................................................................1人群疏散运动模型介绍...................................................................................................................21.3.1airEXODUS模型..................................................................................................................31.3.2Helbing社会力模型.............................................................................................................4方正、卢兆明的网格模型..................................................................................................6徐高的智能体模型..............................................................................................................9元胞自动机模型................................................................................................................10本课题研究内容..............................................................................................................................11本文章节安排.................................................................................................................................11第二章飞机客舱环境及人为因素...............................................................................................................13客舱属性........................................................................................................................................13可用舱门数........................................................................................................................13可用舱门位置....................................................................................................................13舱门类型和尺寸................................................................................................................15乘客属性及反疏散影响.................................................................................................................162.乘客人为因素和行为统计数据........................................................................................17决策制定因素....................................................................................................................26人与结构/人与人之间的交互作用................................................................................................27本章小结........................................................................................................................................27第三章飞机客舱乘客疏散仿真过程...........................................................................................................28引言................................................................................................................................................28飞机客舱环境约束与仿真布局.....................................................................................................28万方数据

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目录乘客疏散运动特点.........................................................................................................................30疏散运动模型................................................................................................................................30.1信息感知............................................................................................................................30出口和疏散路径的选择....................................................................................................31占位竞争——优先占位模型............................................................................................33疏散速度确定....................................................................................................................37.5个体行为调整....................................................................................................................39本章小结........................................................................................................................................39第四章

仿真系统及实验结果.....................................................................................................................40仿真系统环境................................................................................................................................40仿真系统的步骤和程序实现.........................................................................................................40软件界面介绍................................................................................................................................44实验结果........................................................................................................................................47疏散规那么的影响.................................................................................................................47出口组合对疏散的影响....................................................................................................49本章小结........................................................................................................................................53第五章

总结和展望.....................................................................................................................................54总结................................................................................................................................................54展望................................................................................................................................................54参考文献...................................................................................................................................................56致

谢...........................................................................................................................................................59攻读硕士期间已录用的论文.........................................................................................................................60万方数据

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第一章

绪论第一章绪论飞机客舱疏散仿真的背景及意义作为虚拟现实模拟学科的分支，人群紧急疏散模型的研究和疏散运动仿真越来越重要和具有挑战性。它在城市规划、建筑设计、娱乐场所建设，以及人群密集区域如商场、展馆、火车、轮船、飞机等的人群平安疏散方面均有应用。它涉及很多领域，如物理学，心理学，工效学，社会学，哲学，计算机图形学，及计算机网络等。人群运动仿真主要包括人群视觉呈现，人群行为模型，和人群运动仿真。研究的重点是如何对大量复杂和多变的人类行为，活动和环境状况用计算机来实现仿真，将人群互相之间的信息交互及生理心理特征表达出的行为以计算机仿真形式实现。当前，对飞机客舱乘客紧急疏散仿真方法展开研究有着实际重大意义。一、按照国际民航组织和CAAC的有关规定[1]，飞机遇到紧急情况需要做出紧急撤离行动，在陆地撤离时必须在90秒内完成机上所有旅客和机组的平安撤离，并迅速远离机体150米外；在水上撤离时必须在120秒内完成。在适航审定过程中，通过人为测试有很多困难。一方面，参与测试的人员扮演乘客在飞机失事情况下进行疏散时容易受伤。另一方面，90s内的人为疏散场景也缺乏真实性，志愿者不会有真实事故现场带来的身体和精神反响。二、在当前制造大飞机的背景之下，通过乘客紧急疏散仿真方法研究，可以在初期阶段辅助飞机设计，大大缩短飞机设计时间，提高设计效率，减少设计经费，优化设计过程。疏散仿真应用及开展当前国内对于大型飞机的人员疏散仿真研究工作开展较少，但对人群疏散的仿真研究已开展了20多年，而国外对人群的运动及疏散动态的研究更有大约40年的历史[2,3]

。目前国内第一个在文献中公开的基于计算机的疏散仿真工具是七十年代初由FAA开发的GPSS模型。当时微机还没有开展起来，因此该模型需要在大量的主机上运行，它的开发语言是IBM的通用目标仿真系统语言〔GeneralPurposeSimulation万方数据

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第一章

绪论System〕〔GPSS〕。但由于计算机本身计算能力及建模能力的限制，仿真最终还是失败了。整个飞机乘客疏散模型仿真学科潜伏了将近20年。在那段过渡时期，基于计算机的疏散仿真学科最大的开展就是在建筑业领域的应用，这也成为后期仿真建模技术开展的驱动力。在建筑业领域，对人群运动和行为的建模研究已经有30余年。如今，已经有30多种不同的疏散模型用于大楼的设计和取证[4]。近年来，各种疏散仿真模型也在航海领域开展开来，用于航船的辅助设计和取证[5,6]，国际海事组织〔IMO〕就如何使用疏散仿真系统来对客船进行取证也制定了详细的指导程序。相比拟而言，只有少局部关于飞机乘客疏散模型在公开文献中出现[7,8]。尽管飞机客舱这一特定环境下人群紧急疏散行为模型的研究较少，但国内外研究人员对建筑物等密集场所人员疏散时的人群行为进行了多年深入的研究。飞机客舱人群疏散的行为动力学模型的建立可借鉴这些人群疏散行为模型。人群疏散运动模型介绍对于紧急情况下人员的疏散，现行的研究采用的疏散模型根本上可以分为两类，一类为不考虑人的行为特征的网络流模型。这种模型把人员看作没有区别的个体，以人群的方式进行疏散，如EVACNET4[9]、Exit89[10]等模型，这类模型不能够描述人员个体之间的差异，与实际出入比拟大。另外一类为考虑人的行为特征的微观离散网格模型〔元胞自动机模型〕，这种模型将虚拟空间离散为很多小网格，将疏散人员置于网格上，用网格的占据和空缺来模拟人的疏散过程，例如EXODUS[11]，SIMULEX[12]等。这类模型可以描述个体之间的差异，但是计算量很大，有一定的适用范围。近几年来，智能体技术在人员疏散仿真方面也得到了一定的应用。在这类模型中，不预先设定人群的行为规律，而是将建模的落脚点放在单个的人上。用“智能体〞〔Agent〕表示单个的人。通过将大量代表个人的智能体放在虚拟的仿真空间中，研究它们的总体行为，就可以模拟出真实状况下人群的行为。这方面比拟成功的例子有Helbing的“社会力模型〞〔SocialForceModel〕[13]，国内方正和卢兆明的“网格模型〞[14]、徐高的智能体模型[15]、潘忠的“几何模型〞[16]等，这些模型将人用一个能够感应外界环境的智能体来表示。这些模型实现了人员疏散仿真，并应用到实际案例[17,18]，取得了一定的效果。万方数据

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绪论下面详细介绍其中几种建模方法。1.3.1airEXODUS模型目前基于计算机技术对飞机客舱乘客紧急疏散过程进行仿真的软件有air-EXODUS[7,8,19]。EXODUS概念最早出现于1989年，如今EXODUS家族包括building-EXIDUS，maritimeEXODUS，airEXODUS，分别应用于大楼，航船，飞机环境下。airEXODUS是出现最早的飞机疏散仿真软件，但仿真过程涉及的人群运动算法以及运动模型还在改良和开展中，并没有实际的产品可供购置。airEXODUS可用于辅助飞机的设计，使满足90s疏散的适航取证要求，还用于机组培训，机组操作流程的完善以及操作事故的调查等等。下面对该仿真模型进行详细介绍。EXODUS软件考虑了人与人、人与火、人与机舱环境的交互。它由五个核心交互子模块构成：乘客模块，运动模块，行为模块，毒性模块，危险模块。软件定义这些子模块时，规定个体前进运动和行为由一系列启发式规那么决定。这些子模块在由座舱的几何空间定义的区域空间内运行。当个体在几何空间内行走时，或被大火的热气，烟雾和有毒气体熏倒时，模型可以跟踪每个个体的运动轨迹。飞机的机舱几何空间可以人为定义，也可以从辅助计算机中以DXF格式读取。整个机舱几何空间布满很多间断距离的点，如下列图所示。这些点再被弧形线系统连接。每个点空间代表个体占据的空间区域。图1-1EXODUS用网格点所描述的宽体机平面图Fig.1-1PlaneofwidebodyvehicleofEXODUSingrid万方数据

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第一章

绪论在5大模块中，运动模块控制个体从当前位置移动到适宜的相邻位置，如果邻近没有适宜位置，那么处在等待状态。运动模块还包括追赶，爬梯，跨越椅子和其他一些疏散行为。危险模块控制空气和物理环境的变化。它给环境分配事先设定的大火危害因素，如热量，辐射，烟雾，有毒烟气，同时控制出口的开与关。毒性模块决定个体暴露在危险模块各种因素下受到的影响。这些影响与行为模块进行交互通信，从而决定个体的运动。乘客模块可以看成是预先定义的22个属性和变量的集合体，如性别，年龄，无阻碍最大快步行走速度，无阻碍最大步行速度，反响时间，敏捷性等等。每个乘客可以通过不同属性的集合成为独一的个体。机组成员需要定义附加的属性，如声音指令的有效范围，指挥乘客逃离时的表现出的稳重刚毅和自信能力，以及视觉能涉及的机舱范围。有些属性值在仿真中可以固定不变的，有些属性那么会随其他模块结果作为输入而产生动态变化。残疾乘客通过限制相关属性来表示。行为模块决定个体对当前主要形势的反响，主要依据他/她自身的性格属性，把作出的决定传递给运动子模块。行为子模块在两个层次作用，全域和局域。局域行为决定个体对局部形势的反响，如跳过椅子，排队等候等等，而全域行为表达个体整体的方案策略。这可能包括，如从最近的可行的出口出去，从最熟悉的出口或被安排的出口出去。另外，机组工作人员的指挥也会影响乘客的局域行为。由于某些行为因素的自然存在，如冲突发生和解决，乘客逃出舱门的犹豫时间等在自然界都是存在的，因此这些模型在重复仿真后并不能得到相同的结果。故在研究某一特定的疏散场景时，有必要反复仿真屡次，来得到仿真结果的分布情况。airEXODUS的特点是它利用了90s适航数据[20,21]来确定各模块一些参数如乘客的疏散延迟时间等等。这将疏散过程的耗时分成了两个阶段，犹豫时间和出口协商时间。在很多实际案例中，乘客在出口处往往会发生犹豫。飞机疏散仿真模型开展的一个重要推动力是扩大并最终替代当前适航评定程序中的全方位适航测试的局部。在该应用中，模型将会简单重现生动逼真的适航测试过程，可能的话，标示出测试过程中可识别的问题和缺点，来辅助飞机设计。一些模型，如airEXODUS和GPSS[7]，已经向着这些方向开展。1.3.2Helbing社会力模型人群运动仿真的前期是采用基于准那么的方案。HelbingD[13]等人研究了恐慌下的万方数据

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第一章

绪论人群社会力模型，得出拥塞是群体行为异变的原因，以及个体的情绪波动对群体行为产生欲速那么不达的结果。人们惊慌逃跑时的特征有以下几点：〔1〕人们会比平常更快的速度逃跑；〔2〕人们开始推搡，互相之间的交互变成身体上的交互；3〕人们的移动变得不协调不合作，特别是在过瓶颈狭窄路段时。〔4〕在出口处，人们将会堆积成拱形，并拥挤在门口；〔5〕变成拥挤状态；〔6〕拥挤人群中人们身体的交互接触随着堆积，会造成很危险的压力值，高达4450N/m，这个力量将会折弯铁栅栏，或推到砖墙；〔7〕当出现摔倒的人，或受伤的人，那么会成为障碍物，使其他人的疏散变得更加慢；〔8〕人们倾向于随群众的趋势行动，即周围人做什么，就受影响跟着做什么；〔9〕在这种情况下，其他的出口就容易被无视，或没有被充分利用。Helbing的社会力模型，根据个体与所处环境的自驱动力和排斥力的大小，决定个体下一步行进的方向。一个质量为mi的行人i，期望以大小vi0，方向为ei0的期望速度疏散。fij在行进过程中，行人与行人之间，行人与墙之间会出现排斥力和摩擦力，分别用fij和fiw表示。人与人、人与墙之间的距离越近，排斥力越大；人与人、人与墙之间的切向相对速度越大，摩擦力越大。个人的实际速度为vi，假定他在i时间内加速到vi0，那么时间t内的速度变化动力学方程为：mi

dvidt

mi

vio(t)ei0(t)vi(t)i

fijfj(i)W

iw

〔1-1〕个体j对个体i的影响力fij包括两个局部：个体间的排斥力和相互接触后的摩擦力，如式：rdfij[Ai

B

kg(rijdij)]nijg(rijdij)vtjitij

〔1-2〕式中，rij—两个体保持身体不接触的最小距离，rijrrj；dij——个体i与个体j之间的距离，dijrrj；万方数据

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页〔ii〔ii上海交通大学工学硕士学位论文

第一章

绪论nij——j指向i的单位向量，nij

rirjdij

；Ai,Bi,k——常数，为摩擦系数；tij——切向向量；vtji(vjvi)tij——切向速度差值，函数g(x)在dijrij时，g(x)等于0，t障碍物W对个体i的影响力fiw是障碍物各个面对个体的作用力，如下式所示。rdfiw[Ai

B

kg(ridiw)]niwg(ridiw)(vitiw)tiw

〔1-3〕式中，diw——个体与障碍物面w的距离；niw与tiw——障碍物面w法线方向和切线方向的单位向量,前者指向个体移动空间,后者指向个体移动的反方向。实际应用中，根据应用场景来设定各参数。社会力学模型作为微观行人仿真模型中比拟完善的一种，近年来得到较大开展。与其他模型中任意给定的变量不同，社会力学模型中的参数由于其物理意义是可以被量测的。社会力学模型中可以表达的行人运动的自组织行为。方正、卢兆明的网格模型这种模型[14]是从个体运动的规律出发，将建筑物按平面划分为较细的直角坐标网格，以便确定各人员的具体位置和所在网格的物理特性，然后采用拉格朗日方法对每一时刻每一个体的运动速度进行合理的分析，从而跟踪每一个人的运动轨迹，最终确定建筑物内的人员火灾疏散时间。在建立火场中人员的逃生模型过程中，根据每个人员在任意时刻所持有的移动位置及移动速度，用拉格朗日方法来描述个人的运动轨迹：x(m,t)x(m,t1)Umt

〔1-4〕万方数据

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页否那么等于x，vji否那么等于x，vji(vjvi)tij。上海交通大学工学硕士学位论文y(m,t)y(m,t1)Vmt

第一章

绪论〔1-5〕式中，m1,2,N，x(m,t)，y(m,t)表示编号为m的那个人在t时刻的位置，Um、Vm分别表示该人员t时刻的移动速度在x、y方向的分量。因此，通过确定每个人的初始位置和移动速度就确定了其运动轨迹。但由于每个人在不同位置、不同时刻、不同环境、不同人群密度、个体行为、心理状态等所移动的速度是不同的，因此，假定人们的移动速度只与他所处的几何位置以及该位置一定范围内的人员密度两个因素有关。将人们逃生的速度表示为下述函数：Uf(x,y,n)

〔1-6〕其中，x、y为研究对象个体所处的几何位置，n为该位置一定范围的人员总数。现将人群运动现场的建筑物划分为假设干网格，如下列图所示。图1-2人员运动的网格分析Fig.1-2Gridanalysisofagentmovement在t时刻，当某一个个体移动至(x,y)位置时，他下一个时刻将要移动的方向即已确定，因为人们在任何位置所前进的方向均应指向疏散的出口，此时设该速度与x方向的夹角为，如图1-2。而研究对象的速度大小那么受到所在位置及所在位置人员密度的影响。一般而言，人们在没有遇到门、出口等障碍物时，会以一个自由移动的速度U0前进。将时间t划万方数据

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第一章

绪论分得很小，在每一个网格点(xi,yj)中，逃生人数只有1人时，此人将以一定的速度U向出口方向移动，这个速度U的大小可以按如下经验式[12]确定：1D

U0

〔1-7〕D

nxy

〔1-8〕式中，U0为一个人自由移动速度(m/s)，D为研究对象所处位置在一定范围内的人员密度〔人数/m2〕，即单位面积内所承载的人数。x,y为人们移动时在前后、左右方向所受影响的距离，如可以选取研究对象周围1m2的范围。但按式〔1-7〕计算时那么可能会出现在一个网格内有几个人争抢的现象。此时规定，只有离出口最近的那个人可以速度U向前移动，其余人那么要么停在原地，要么向两侧运动。因为人们总希望在行走过程中尽量保持比拟稀疏的状态以减少人体间的接触和碰撞，具体过程可以用数学表达式描述：Ucos,n12Usin,n12

〔1-9〕〔1-10〕万方数据

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页U0UmU0Umfx(x,y,n)Ucos(2),n2Ucos()0Vmfx(x,y,n)Usin(2),n2Usin()上海交通大学工学硕士学位论文

第一章

绪论式中，为(x,y)位置指向疏散出口方向与x轴的夹角，m为研究对象的编号。这样就可以计算出每个人任意时刻的几何位置。该模型利用了拉格朗日方法来描述人员移动轨迹，以便确定建筑物的平安疏散时间，具有较高的精度。徐高的智能体模型近年来，利用计算机对人员疏散进行仿真模拟的研究重点是基于智能体技术〔AgentTechnology〕的疏散仿真模型。在这类模型中，不预先设定人群的行为规律，而是将建模的落脚点放在单个的人上。用“智能体〞〔Agent〕表示单个的人，通过将大量代表个人的智能体放在虚拟的建筑物空间中，研究它们的总体行为，就可以模拟出真实状况下人群的行为。前两节介绍的Helbing“社会力模型〞SocialForceModel〕和方正和卢兆明的“网格模型〞就是这方面成功的例子。不同于这些仿真模型，徐高的智能体模型引入了描述人员信息掌握程度和心理状态参数。在该模型[15]中，平面空间被划分为大小相等的正方形单元格，网格的边长取为0.4m。待仿真的区域为被墙〔或柱子、家具等阻碍人行动的障碍物〕和出口所包围的单元格集合。任意单元格在任意时刻最多只能被1个智能体占据。因此，智能体的位置可以由其所处的单元格来确定。向量L(l1t,l2t,,lnt)描述了t时刻所有智能体的位置信息。为了真实地描述个人的状况，将代表某个人i的智能体表示为ai(li,vi,s,)

〔1-11〕式中：li表示智能体位置，vi为智能体的意愿行进速度，s为描述人对建筑物内空间信息掌握情况的参数，为描述人理性程度的参数。通过迭代的方法得出各个时刻各智能体的位置，从而模拟出疏散的动态，即Lt1F(Lt,vt,s,)式中vt(v1t,v2t,,vnt)。在该模型中，个人行为的原那么是：〔1〕人会选择最短的路径走向离自己最近的出口；

〔1-12〕万方数据

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第一章

绪论〔2〕人对周围的空间环境了解越多〔s越小〕，就越清楚最短路径的位置；反之〔s越大〕，就越无法确定最短路径的位置，其行动就表现出一定的摸索性；〔3〕人的情绪越慌乱〔越小〕，就越容易采取不理智的行为〔如偏离的最短路径〕。在以上的3条原那么中，第1条在目前所有的疏散仿真模型中都已包含，第2和第3条那么是为了模拟不同状况下的疏散动态而引入模型的。依照这3条原那么，可推导〔2〕的具体形式，进而进行仿真软件程序的编写。该模型中参数选取是关键，确定适当的参数组合，才能恰当地描述现实的状况，使模拟结果更贴近真实的状况。元胞自动机模型1986年Cremer和Ludwig[22]最先将元胞自动机模型应用的车辆交通的研究中，并通过实际交通数据验证了模型。随后一些专家学者开始将元胞自动机模型应用到行人运动微观仿真领域。Blue与Adler[23]于1997年提出了一种用于大型露天场所的行人运动模型，并通过进一步深入的研究设计了双向行人行动的元胞自动机模型。1999年，Muramastu等[24]提出一种实现行人随机走动的元胞自动机模型。元胞自动机是在均匀一致的网格上由有限状态的元胞构成的离散的动力系统。其特点是空间、时间和状态都离散。其运动的主要规那么有：所有元胞的状态是同时发生变化的；并且在t1时刻，第i个元胞的状态由t时刻的第i个元胞以及相邻的有限个元胞的状态共同决定。元胞自动机是一种以时间为根底的方法，系统的状态用一种常规的格子组成单元〔见图1-3〕。每个单元可以处于空或被一个行人占据的状态。在每一时间步长中，每个单元的状态在它以前的状态以及它邻近的单元的状态的根底上升级。因而，它是一种存在局部相互影响的模拟。万方数据

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页上海交通大学工学硕士学位论文下一步可能运动的方向

下一步可能运动的迁移概率

第一章

绪论图1-3运动质点及其迁移概率Fig.1-3Agentpointandmovingdirectionprobability元胞自动机行人运动仿真模型，较为全面的考虑了行人运动的一些特性，在模拟中能表达出行人运动的自组织现象并表现出行人的群体行为。但目前已有的元胞自动机微观行人模型对个体行为的描述比拟粗糙，行人个体之间相互作用的细节还不够逼真，模型还需要进一步细化。本课题研究内容当前国内在公共场所疏散仿真领域已提出了很多实用的模型，而在飞机客舱乘客疏散仿真领域，相关模型和数据来源还缺乏，尤其是建立个体模型时，动力学模型不完善，单个智能体在综合信息并作出决策反响的信息综合能力模型也缺乏。本课题的研究内容如下：1．查阅文献资料，总结客舱乘客紧急疏散的相关数据和客舱中的人为因素；2．学习国内外各种已有模型，结合客舱的人为因素来建立客舱疏散仿真框架；3．创新性的将人为因素与智能体疏散模型相结合，提出了占位竞争模型，使得智能体疏散过程更加合理。同时将最小路径算法应用于个体决策的过程，并结合考虑环境信息对乘客在疏散过程中的路径和方向选择的影响；4．仿真实现疏散过程，分析实验结果，验证算法的合理性。本文章节安排本文主要研究飞机客舱乘客紧急疏散过程中的运动模型，结合客舱中的人为因素，对运动模型及算法进行了创新，并编程实现了仿真平台。本文章节安排如下：第一章：绪论。概述了飞机客舱疏散仿真的背景，阐述了本课题的研究意义，对国内外疏散仿真领域的研究历史和开展现状进行了介绍，并列举了几种人群疏散运动模型。万方数据

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第一章

绪论第二章：飞机客舱环境及人为因素。对飞机客舱的环境属性进行了论述，并依据事故统计报告，从客舱属性、乘客属性、人与环境的交互作用等方面提炼了客舱内有关乘客紧急疏散的人为因素数据。第三章：飞机客舱乘客疏散仿真过程。分析了飞机客舱环境的特殊性，引出本研究中所使用的仿真布局，并从信息感知、出口和疏散路径选择、占位竞争、疏散速度确定、个体行为调整几个方面来介绍人群疏散仿真过程的算法模型，为疏散仿真平台的开发奠定算法根底。第四章：仿真系统及实验结果。基于疏散仿真过程中的算法，开发了疏散仿真系统，并通过对实验数据的分析和研究，得出相关结论，验证了仿真算法的合理性。第五章：总结和展望。对全文进行总结，指出了本文研究的缺乏，并指出后续研究中有待进一步开展的方向，进行了展望。zkq

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第二章

飞机客舱环境及人为因素第二章飞机客舱环境及人为因素[25]的事故统计报告收录了从1997年4月至1999年9月份的105个事故，涵盖1917位乘客的报告，其中的很多数据对人为因素研究有很好的参考价值。本章旨在通过分析相关报告和航空数据，总结客舱环境因素，同时结合有关心理学和工效学知识，研究乘客疏散过程中各种生理心理反响、行为特征和疏散决策选择等人为因素，为后续仿真提供一些参数的初始数据。客舱属性可用舱门数当飞机出现事故时，可用的疏散舱门数量将直接影响乘客整个的疏散速度。显然可用舱门越多，分配到每个舱门出口的乘客数越少，疏散速度越快。研究报告中指出，在大量飞机失事的紧急疏散案例中，约有67%的事故中其飞机可用的舱门出口数超过50%[26]，而另外三分之一的事故中飞机可用舱门数少于50%。下表是在紧急疏散时可用出口数。表2-1飞机事故时紧急疏散的可用出口数可见，大局部情况下事故飞机的可用出口数是超过总出口数的50%，故在飞机客舱疏散仿真中，定义可用的舱门数为总舱门数的50%是合理的。可用舱门位置之前的分析中，出口可用性是从全局角度来考虑的，即机上所有可用出口个数。在考虑可用舱门位置时，我们把位置分成3对来考虑。统计次数据时，我们忽略那些坠海或飞机引擎被严重损坏的严重情况，只考虑那些能得到所有出口信息的事故。在万方数据

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页飞机的总出口数可用出口数<50%可用出口数=50%飞机的总出口数可用出口数<50%可用出口数=50%可用出口数>50%3个出口36%19%45%4个出口27%9%64%其他情况33%17%50%zkq20210910zkq20210910上海交通大学工学硕士学位论文

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飞机客舱环境及人为因素分析可用舱门位置时，将可用出口定义为乘客实际使用的出口，即得到乘务员许可，且能正常提供疏散作用的出口。根据此定义，分析中使用12个满足条件的事故，事故飞机都带有3对出口，分别在前部，中部和后部。如下列图所示，总结得到的可用出口位置的比例见表2-2。图2-1带有三对出口的飞机Fig.2-1Airplanethathavethreepairsofexits表2-2可用出口位置比例根据表可发现，在每一对出口中，两个都可用的概率比一个可用的概率大。但考虑到表2-1给出的可用总出口数为50%，故在实际仿真时，可以在每对出口中选择一个作为可用出口。而表2-2中前部和中部没有可用出口的概率只有8%，因此前部和中部都至少各有一个可用舱门，具体可以参见以下组合：1.2.3.4.5.6.

一个前部出口，一个中部出口，一个后部出口；一个前部出口，两个中部出口；两个前部出口，一个中部出口；两个前部出口，一个后部出口；一个前部出口，两个后部出口；一个中部出口，两个后部出口。本课题采用第一种组合作为仿真中可用的出口。万方数据

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页每对出口中的可用出口数出口位置0个可用出口1个可用出口每对出口中的可用出口数出口位置0个可用出口1个可用出口2个都可用前部8%42%50%中部8%33%59%后部25%33%42%上海交通大学工学硕士学位论文

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飞机客舱环境及人为因素舱门类型和尺寸在仿真过程中，由于考虑的是二维模型，故客舱模型主要涉及通道宽度，座椅各种尺寸以及出口型号尺寸。简单起见，我们定义仿真客舱为窄体机客舱，即单通道的客舱。

适航局对不同型号的应急出口尺寸定义如下：〔1〕Ⅰ型：此型应急出口是与地板齐平的出口，具有宽不少于610毫米〔24英寸〕、高不少于1220毫米〔48英寸〕、圆角半径不大于203毫米〔8英寸〕的矩形出口。〔2〕Ⅱ型：此型应急出口是宽不少于510毫米〔20英寸〕、高不少于1120毫米〔44英寸〕、圆角半径不大于178毫米〔7英寸〕的矩形开口。Ⅱ型出口是与地板齐平的出口，但不是位于机翼上方的出口。〔3〕Ⅲ型：此型应急出口是宽不少于510毫米〔20英寸〕、高不少于910毫米〔36英寸〕、圆角半径不大于178毫米〔7英寸〕的矩形出口。〔4〕Ⅳ型：此型应急出口是宽不少于480毫米〔19英寸〕、高不少于660毫米〔26英寸〕、圆角半径不大于160毫米〔英寸〕、位于机翼上方的矩形出口。〔5〕机腹型：此型应急出口是由客舱经过承压壳体和机身下部蒙皮的出口。此型出口的尺寸和实际构形在飞机处于正常地面姿态，且起落架放下时具有至少与Ⅰ型出口同样的撤离率。〔6〕尾锥型：此型应急出口是由客舱经过承压壳体和承压壳体之后可翻开的机身锥体的后部出口。〔7〕A型：此型应急出口是宽不少于1066毫米〔42英寸〕、高不少于1829毫米〔72英寸〕、圆角半径不得大于178毫米〔7英寸〕的与地板齐平的矩形开口。〔8〕B型：此型应急出口是宽不少于816毫米〔32英寸〕、高不少于1829毫米〔72英寸〕、圆角半径不得大于152毫米〔6英寸〕的与地板齐平的矩形开口。〔9〕C型：此型应急出口是宽不少于762毫米〔3英寸〕高不少于1220毫米〔48英寸〕、圆角半径不得大于250毫米〔10英寸〕的与地板齐平的矩形开口。

应急出口型号和对应允许的乘客数量规定了最大允许的客座量取决于客舱每侧所设置的舱门类型和数量[27]表2-3应急出口型号和允许的乘客数量万方数据

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页zkq20210910，如下表所示：zkq20210910，如下表所示：上海交通大学工学硕士学位论文

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飞机客舱环境及人为因素〔1〕对于客座量为1至9座的，至少在机身每侧要有一个Ⅳ型或更大的机翼上方应急出口。如果在机翼上方不能提供出口，那么至少要在机身每侧有一个满足最小Ⅲ型门尺寸的出口。〔2〕对于客座量多于9座的，每一出口必须是Ⅲ型或大于Ⅲ型。〔3〕对于客座量是10至19座的，在机身每侧至少要有一个Ⅲ型或更大的出口。〔4〕对于客座量是20至40座的，在机身每侧至少要有两个出口，其中一个必须是Ⅱ型或更大的出口。座须是Ⅰ型或更大的出口。〔6〕对于客座量是110座的，在机身每侧的应急出口必须包括至少两个Ⅰ型或更大的出口。〔7〕所有Ⅲ型出口许可的最大组合客座量是70，由少于三排座椅分开的机身每侧的两个Ⅲ型出口，所能许可的最大组合客座量为65。〔8〕如果设有A型、B型或C型出口，那么在机身每侧至少要有两个C型或更大出口。对于有三对出口的149座窄体飞机，如图2-1所示，我们可以设定上面的三个即飞机右侧的三个出口，包括两个C型出口〔R1和R3〕和一个机翼上方出口即III型出口〔R2〕。需要注意的是，翼上出口并不是在飞机正中部的，其中前部出口和翼上出口〔over-wing〕之间有10排座位，而翼上出口与后部出口之间那么有14排座位。乘客属性及疏散影响在疏散过程中，乘客自身的属性以及社会关系等对其疏散行为的影响也很大，这万方数据

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页A型110B型A型110B型75C型55I型45II型40III型35IV型9〔5〔5〕对于客座量是41至110zkq的，在机身每侧至少要有两个出口，其中一个必20210910上海交通大学工学硕士学位论文

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飞机客舱环境及人为因素不仅会决定其疏散能力，还会作用于其决策行为从而影响疏散运动。乘客属性包括性别、年龄、身高、腰围等物理属性，以及其与周围乘客的社会关系这一社会属性。物理属性会决定乘客的反响速度和运动速度。社会属性会影响乘客的决策和对其他乘客决策的影响。本节旨在通过总结和分析相关数据[28]，来得出仿真过程中乘客属性对疏散的影响。乘客人为因素和行为统计数据

性别根据所统计的事故中，男女比例分别为56.4%和43.6%，近似于13：10，符合出差旅行中男普遍多于女的常理。性别对疏散时间的影响很大，男性和女性反响速度不一样，从而平均反响时间也不一样。下表是不同性别对应的平均反响时间。表2-4不同性别的平均反响时间比拟zkq

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年龄在资料中所统计的乘客数据中，男性平均年龄为，女性为。下表给出了不同年龄段的男女统计人数及比例。而表2-6是不同年龄段的平均反响时间。表2-5不同年龄段的男女比例及特点万方数据

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页年龄女性比例男性比例备注2-12年龄女性比例男性比例备注2-1222〔45.8%〕26〔54.2%〕由父母带着，且速度根本与父母一致13-1824〔47.1%〕27〔52.9%〕自我判断意识不强，但速度敏捷19-35191〔51.1%〕183〔48.9%〕独立性很强，且年轻敏捷36-50151〔34.5%〕287〔65.5%〕独立性强，速度低于上面一组性别性别平均反响时间〔s〕男性女性上海交通大学工学硕士学位论文

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飞机客舱环境及人为因素表2-6不同年龄段的平均反响时间考虑到幼年段的乘客其疏散时没有自主独立性，根本由父母带着，同时老年段出差概率又较小，故在仿真时为简单起见，可以不考虑幼年段和老年段。结合上述两个表，对各年龄段的男女比例进行计算分配，结果如下：表2-7各年龄段的男女比例及平均反响时间从表中可以发现，在35-50年龄段的男女乘客人数很悬殊，这一差距也反映了在职业旅行的性别差异的悬殊。

身高个体超过英尺身高的对疏散行为影响不大。身高对应的信息综合反响时间如下表所示。万方数据

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页年龄总人数比女性男性平均反响时间年龄总人数比女性男性平均反响时间〔s〕13-185%2.35%2.65%19-3539.9%20.39%19.51%36-5031.5%10.87%20.63%51-6523.6%10.17%13.43%51-6551-65113〔43.1%〕149〔56.9%〕中老年，速度较慢，有独立性66-9050〔53.2%〕44〔46.8%〕速度很慢，甚至需要别人帮助年龄年龄平均反响时间〔s〕18-2223-3233-4243-5253-62上海交通大学工学硕士学位论文

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飞机客舱环境及人为因素表2-8不同身高对应的信息综合反响时间

腰围乘客的腰围数据会影响乘客在通道内的移动速度。腰围越粗，逃离出飞机花费的时间越久。相应的信息综合反响时间如下表所示。表2-9不同腰围尺寸对应的信息综合反响时间

乘客关系过去航空平安研究中忽略的一个重要方面是社会关系对乘客疏散行为的影响。标准90s的疏散适航准那么是在乘客互相之间社会无关的假设根底上提出的，其大局部的实验审查过程是基于个人独立行为来进行的。其实在疏散过程中乘客其行为会被现场其他乘客以及各自旅行伙伴之间的社会关系所影响。从AASK报告中的1917名乘客统计结果来看，约有49.5%的乘客带有同伴一起。因此，我们在研究乘客疏散反响及行为时，需要考虑大量的有社会关系的人群。同伴关系类型包括家庭成员关系，朋友关系，工作同事关系和其他社会性关系。其中家庭群体又扩展为夫妻，小孩，婴儿〔区别于小孩，没有独立行动能力〕，父母，兄弟姐妹，情侣，亲戚等等。在这些同伴关系里最大的比例是家庭关系，占65%，而万方数据

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页腰围〔英尺〕平均信息综合反响时间〔s〕23-31腰围〔英尺〕平均信息综合反响时间〔s〕23-3132-3435-3839-4142-62身高〔英尺〕身高〔英尺〕平均信息综合反响时间〔s〕57-6465-6667-6869-7172-79上海交通大学工学硕士学位论文

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飞机客舱环境及人为因素这其中有40%为夫妻关系。如下列图所示。图2-2在AASK调查的947名携有旅伴的乘客中的旅伴关系分布表Fig.2-2Therelationshipdistributionof947passengerswithcompanionsintheAASK根据经验知识和对数据分析，在紧急疏散情况下，同伴之间的影响可总结如下：1.同伴一般会选择相同的紧急出口，故首先表现为离开座位后选择相同的方向；2.同伴中的一方或多方会首先帮助其同伴群体中的弱势一方或多方离开椅子，实现移动。帮助的程度视同伴关系亲密程度及弱势方的弱势程度而异，一般小孩或婴儿会得到父母帮助，妻子会得到丈夫帮助，同事或朋友中的女性会得到男性帮助；3.在同伴〔特别很亲密的同伴关系〕由于环境被迫分开时，会引起双方或之一的人因关注对方状况而产生迟疑，即表现为移动速度变慢；4.小孩可能会被父母或亲人抱起，表现成一个整体，移动速度那么比抱小孩的个体原速度要慢。婴儿那么直接考虑为被亲人抱着；根据统计数据，有关系的乘客之间在疏散时接受帮助和实施帮助者的性别上有如下分布：万方数据

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飞机客舱环境及人为因素表2-10不同社会关系对应的互相帮助的性别及人数可以发现，同伴间帮助疏散的提供者有65%是男性乘客。主要有父母帮助孩子，夫妻之间的帮助等。

平安带在疏散过程中，最关键的因素之一是乘客的反响时间，即乘客对疏散报警的反响有多快。一般来说，在飞机事故发生时，乘客的反响时间都会比拟短，因为人们对事故的明显意识度还是很高的。然而，尽管反响时间很短，但有些乘客却无法在对事故做出反响后迅速离开座位。这可能是由于过道里塞满了乘客，无法挤进去，也可能是因为其没有及时解开座椅平安带。因此，平安带的束缚因子也是影响因素之一。数据说明，平安带对不同年龄的逃生者的束缚作用差异不大。但性别上，女性受平安带影响的人数比男性要大很多，且女性求助于周围乘客的帮助来解开平安带的人数也多余男性。具体可参见下表：表2-11平安带束缚作用对性别和年龄的影响比拟类别为其他乘客提供帮助困难——不需要帮助困难——需要帮助

性别男性女性男性女性男性女性第21

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人/p>

平均年龄万方数据提供帮助的男女人数比关系分类女：男家庭/情侣孩子16提供帮助的男女人数比关系分类女：男家庭/情侣孩子16：15家庭/情侣兄弟姐妹1：5家庭/情侣父母1：5家庭/情侣夫妻1：23家庭/情侣情侣6：2朋友/同伴朋友3：11朋友/同伴同事1：4朋友/同伴其他7：3上海交通大学工学硕士学位论文

第二章

飞机客舱环境及人为因素所有待调查乘客

男性女性

921760

此外，平安带的束缚影响还要取决于靠走道外的乘客。其解开平安带的速度会影响到他的离开位置的速度，故而影响靠里的乘客的逃离速度。

翻爬椅子在疏散时，如果事故很重大，飞机座舱损毁严重，如过道被座椅等障碍物阻拦，那么乘客在疏散过程中会翻爬椅子来越过障碍物，或加快疏散速度。在所收集的事故案例中有91名乘客有翻爬椅子的疏散行为。而在四大事故中〔曼彻斯特B-737-236〔ID70〕，达拉斯〔Dallas/FortWorth〕的B-727-232〔ID55〕，洛杉矶的B-737-300〔ID49〕和小石城〔LittleRock〕的MD-82〔ID100〕〕，就有73名攀爬椅子疏散的乘客案例。主要原因是这些事故都有严重的失火和飞机损毁情况，故攀爬行为相对较多。在报告攀爬椅子的91人中，85名乘客都报告了年龄和性别，41名男性，59名女性。在早期报告中这一行为并没有明显的男女差异，而现在越来越多的调查结果表明，女性有更强的攀爬椅子的倾向。同时这些人平均年龄是岁，比所有幸存乘客的平均年龄〔〕要低。显然，年轻乘客有更大攀爬倾向。这其中男性平均年龄是，而女性平均年龄是岁。下表中列出了乘客翻爬的椅子数。91位攀爬椅子的乘客中的34位报告了翻爬椅子数，大局部乘客翻爬一个椅子〔23人，67.7%〕，他们往往是希望越过走道里的局部障碍物。不过，通过对攀爬椅子的乘客起始座位的调查结果来看，在离出口两排以内的乘客更可能有攀爬行为。这说明坐在离可达出口近的乘客，由于走道拥堵或有障碍物而被困在自己位置上，他们更可能去攀爬椅子来到达出口。事实上，这可能会造成与出口同一排的座位空间更加拥挤，因为乘客都越过椅子爬向出口同排的座位。表2-1291名乘客翻爬的座椅数情况万方数据

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页乘客数翻爬座椅数231424乘客数翻爬座椅数231424325112上海交通大学工学硕士学位论文

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第二章没有提供具体信息

飞机客舱环境及人为因素在91名报告攀爬乘客中，有42位乘客说明了翻爬原因，见下表。其中有41%〔17/42〕是为了以最短路线到达出口，与此同时，24%〔10/42〕那么以走道的拥堵或者人群队伍移动太慢作为理由。表2-13乘客翻爬椅子的原因及对应人数

出口利用分析在航空界，人们都认为乘客在疏散时，都会选择他们最熟悉的出口出去，因此忽略了最近的但不熟悉的紧急出口。如航空平安报告[29]所提到的：“乘客总是尝试从他们进来的那个舱门出去，而不管其他可能更