abstrakt
mange alvorlige virkelige problemer kunne simuleres ved hjælp af cellulær automatteori. Der var mange brande på offentlige steder, der dræber mange mennesker. Foreslået metode, kaldet Cellular Automata Evaluation (CAEva kort sagt), bruger cellulær automatteori og kan bruges til at kontrollere bygningsforhold for brandulykke. Testene udført på real accident viste, at et passende konfigureret program gør det muligt at opnå en realistisk simulering af menneskelig evakuering. Forfatterne analyserer nogle reelle ulykker og beviste, at CAEva-metoden fremstår som en meget lovende løsning, især i tilfælde af bygningsrenoveringer eller midlertidig utilgængelighed af flugtveje.
1. Introduktion
Cellular automata bruges af nogle af IT-grene, herunder området kunstig intelligens. De består af et netværk af celler, der hver især er kendetegnet ved en bestemt tilstand og et sæt regler. Ændringen af den aktuelle tilstand af en given celle er resultatet af de ovennævnte egenskaber og sammenhænge med de nærliggende celler . Teorien om cellulær automata blev først introduceret af en amerikansk videnskabsmand af ungarsk afstamning, John von Neumann. Han demonstrerede blandt andet, at selv enkle maskiner viser en evne til at reproducere, hvilket indtil da blev betragtet som et grundlæggende træk ved levende organismer . I mange år havde cellulær automat kun været genstand for teoretiske studier. Med udviklingen af computere og programmer er optimeringsmetoder baseret på denne tilgang blevet mere og mere hyppigt undersøgt og implementeret i praksis . På grund af deres alsidighed anvendes cellulære automater i mange virkelige felter, såsom biologi, fysik og matematik og inden for forskellige IT-områder, såsom kryptografi eller computergrafik .
1, 1. Anvendelse af cellulær automat
cellulær automat er blevet anvendt i praksis, for eksempel i simulering af gadetrafikken, hvor specifikt defineret cellulær automat styrer trafikken . Køretøjsstrømmen styres grundlæggende i det specifikke segment af en given trafikintensitet . Dette gælder for eksempel trafikintensitetskontrol på motorveje i Ruhr i Tyskland. Overvågningscentrene, der udelukkende er designet til dette formål, indsamler dataene fra udvalgte dele af motorveje . Den således opnåede information analyseres og bruges til at forberede kortvarige simuleringer af trafikintensiteten ved hjælp af cellulær automat. Projektets hjemmesider offentliggør de statistiske oplysninger om de undersøgelser, der er udført på adfærd hos chauffører, der blev advaret om mulige trafikproblemer, der kan opstå over flere følgende timer . Et andet eksempel på cellulær automatapplikation er demografiske simuleringer for en given region. Formålet med sådanne simuleringer er at generere en model, der viser befolkningens størrelse på et givet område i form af et kort over den forventede befolkningstæthed. Sådanne simuleringer kan baseres på det velkendte “livsspil” . Ved at indføre en vis modifikation af algoritmen er det muligt at overvåge de omgivende cellers opførsel . Andre eksempler på mobilautomatimplementeringer inkluderer billedbehandling, generering af teksturer, simulering af bølger, vind, og evakueringsproces for mennesker samt et simuleringsprogram, udviklet med henblik på denne undersøgelse . Formålet med den foreslåede algoritme er at generere simuleringer af mønstre af menneskelig flugt fra bygningen i brand med et givet antal udgange og brandkilder .
1, 2. Gitteret af cellulær Automata
et gitter eller et diskret rum, hvor cellulær automatudvikling finder sted, består af et sæt identiske celler . Hver af cellerne er omgivet af det samme antal naboer og kan antage det samme antal stater . Der er tre strukturelle faktorer, som signifikant påvirker gitterformen og som følge heraf opførelsen af hele den cellulære automat :(i)størrelsen af rummet, der afhænger af størrelsen af det studerede problem, hvis eksempler er vist i Figur 1 (gitter 1D, 2D og 3D);(ii)tilvejebringelsen af regelmæssighed, som kræver, at gitteret udfyldes helt med identiske celler;(iii)antallet af naboer (afhængig af begge ovennævnte faktorer).
i denne artikel præsenterer forfatterne muligheden for at simulere reel brandulykke for at forhindre store brandulykker. Til dette formål brugte forfattere Cellular Automata evalueringsmetode, kort sagt CAEva. Dette papir har følgende organisation. Afsnit 2 præsenterer ideen om at forudsige brandfare, to reelle ulykkesbeskrivelser og CAEva-simuleringsmetode med deres grænsevilkår og overførselsfunktion. Afsnit 3 præsenterer eksperimentresultaterne, når de nævnte to virkelige brandulykker blev simuleret. Endelig består afsnit 4 af endelige konklusioner.
2. Forudsigelse af brandfare
2.1. Brandulykker på offentlige steder
brande er en af de mest ukontrollerbare ulykker, især når de sker indendørs. Således, uanset bygningsfunktionen, uanset om det er en bolig, forretning eller enhver anden form for bygning, skal dens design overholde brandreglerne. Korridorernes bredde, antallet af nødudgange og det tilladte antal personer, der opholder sig inde på samme tid, har en alvorlig indvirkning på brugernes sikkerhed. Enkel tilstedeværelse af dørene på grundplanen er ikke tilstrækkelig; de skal være åbne. I mange tilfælde stammede det store antal tilskadekomne fra nødudgangsdørene, der blev låst. I de sidste årtier har der været en række katastrofale brande på offentlige steder som restauranter og natklubber. Tabel 1 viser nogle eksempler på sådanne ulykker og viser antallet af ofre. Som du kan se af de leverede data, har der været mange brande i underholdningsklubber gennem årene og forårsaget mange skader, uanset om de opstod for årtier siden (1942) eller i nyere tid (2013).
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2.2. Sagen om Kiss Nightclub Fire Accident
begivenheden kaldet “Aglomerados” begyndte lørdag den 26.januar 2013 kl 23:00 UTC på Kiss nightclub. I klubben var der studerende på seks universiteter og folk fra tekniske kurser ved Federal University of Santa Maria . I de tidlige morgentimer den følgende dag fandt storbrand sted, mens eleverne holdt en freshers bold og en panik brød ud. Vidner vidnede om, at årsagen til branden enten var en flare af fyrværkeri oplyst af medlemmerne af et musikband, der spillede under festen. Branden fik taget til at kollapse i flere dele af bygningen og fangede mange mennesker inde. Brandmænd fandt antal lig i klubbens badeværelse. I øjeblikket var der omkring 2.000 mennesker inde i klubben. Dette antal fordobler bygningens maksimale kapacitet på 1.000. Mindst 231 mennesker døde, og hundreder mere blev såret i denne katastrofe. Mange dødsfald var tilsyneladende forårsaget af røgindånding, mens andre ofre blev trampet i Hasten efter udgangene. Figur 2 præsenterer skemaet for Kiss-natklubben.
2.3. Det Cocoanut Grove brandulykke
Cocoanut Grove var en restaurant bygget i 1927 og placeret på 17 Piemonte Street, nær Parkpladsen, i centrum af Boston, Massachusetts . Ifølge forbud var det meget populært i 1920 ‘ erne. bygningskonstruktionen var enetages med en kælder nedenunder. Kælderen består af en bar, køkken, frysere og opbevaringsområder. Første sal indeholdt et stort spisestue og balsal med en båndstand, sammen med flere barområder adskilt fra balsalen. Spisestuen havde også et udtrækkeligt tag til brug under varmt vejr for at give udsigt over månen og stjernerne. Hovedindgangen til Cocoanut Grove var via en svingdør på Piemonte Street side af bygningen. Lørdag den 28. November 1942 var der en meget stor brandulykke. I løbet af den aften, en busboy var blevet beordret til at fastgøre en pære placeret øverst på et kunstigt palme i hjørnet af kælderbaren. Et øjeblik senere begyndte dekorationer at brænde. Som andre møbler antændes, en ildkugle af flamme og giftig gas kørte over rummet mod trappen. Den karruseldør blev fastklemt på grund af knusningen af panikslagne lånere. Mange mennesker sidder fast i ilden. Det blev senere anslået, at mere end 1000 personer var inde i Lunden på tidspunktet for branden. Det endelige antal dødsfald, der blev oprettet af kommissær Reilly, var 490 døde og 166 sårede, men antallet af sårede var et antal af dem, der blev behandlet på et hospital og senere frigivet, mens mange mennesker blev såret, men ikke søgte indlæggelse. Figur 3 præsenterede ordningen for Cocoanut Grove.
2.4. CAEva Simulation Method
CAEva simulation method er et program udarbejdet med det formål at øve brandflugtscenarierne i bygninger . Det hjælper med at sammenligne forskellige simuleringsresultater og drage passende konklusioner. Programmet er implementeret i C++Builder environment, som er et objektorienteret programmeringsværktøj i vinduer miljø og er tilgængeligt gratis på AIRlab hjemmeside . Programmet gør det muligt at tegne et bord af enhver størrelse, herunder planen for en etagers bygning, for at lokalisere folk inde og for at angive ildkilden. Bestyrelsen består af et gitter af celler. Hver celle kan kun antage en af følgende tilstande: ild, væg, person, person i brand eller en tom celle. Figur 4 viser diagrammet over tilstande for en enkelt celle i brandsimuleringsautomaten.
2, 5. Randbetingelser
det diskrete rum, hvor forskellige udviklinger af cellulær automat finder sted, inkluderer et d-dimensionelt, teoretisk uendeligt gitter. Da denne type gitter ikke kan implementeres i computerapplikation, er den repræsenteret i form af et begrænset bord. Derfor er det nødvendigt at indstille grænsebetingelser ved gittergrænserne, det vil sige ved bordgrænserne. Sættet af grundlæggende betingelser er vist i figur 5. Disse betingelser er analoge efter gitterrotation på 90 grader, så yderligere arrangementer blev sprunget over som trivielle. Følgende regler blev anvendt til simulering af cellebevægelsen i vægretningen:(i)lige bevægelse: cellens tilstand forbliver uændret,(ii)diagonal bevægelse: cellens tilstand ændres til en tom, da indfaldsvinklen er lig med rebound-vinklen, ændres cellens tilstand i spejlbilledet til tilstanden for den celle, der initierede bevægelsen, (iii)bevægelsesbetingelser:(iv)bevægelse er mulig, hvis målcellen er i tom tilstand. Ellers vil cellen ikke ændre sin tilstand, (v) forsøget på bevægelsen af cellen i “person” – tilstand til cellen i “brand” – tilstand øger antallet af forbrændinger i den initierende celle.
et specielt tilfælde er et forsøg på bevægelsen fra hjørnet af brættet. En rebound i tre initierende retninger ændrer ikke tilstanden af en celle, men det kan ændre det ændre sig som et resultat af et forsøg på bevægelsen i de på hinanden følgende fem retninger. Det skal også bemærkes, at bevægelsesregler og betingelser gælder for cellerne i “person” – tilstanden såvel som i “brand” – tilstanden. De felter, som bevægelsen ikke kan udføres på, er cellerne i “væg” – tilstanden. Rebound-forhold forekommer ved kanten af det cellulære automatgitter, som udgør en barriere, hvorfra bevægelige virtuelle objekter rebound (i visuel forstand). Disse betingelser bruges til at simulere indkapslede empiriske rum.
2, 6. Overførselsfunktion
udviklingen af cellulær automat finder sted i diskret tid, der bestemmer på hinanden følgende behandlingscyklusser. Hvert diskret øjeblik bruges til opdatering af tilstanden af individuelle celler; således er hver automat et dynamisk objekt over tid. I hver iteration kan overførselsfunktionen behandle (beregne) alle cellerne i gitteret en efter en i henhold til specifikke regler. Hver behandlet celle modtager sin nye tilstand baseret på beregningen af dens nuværende tilstand og tilstande i de nærliggende celler. Overførselsregler og statsrummet såvel som det definerede kvarter er iboende elementer i den cellulære automatudviklingsproces. Når den er udført, viser programmet hovedskærmen klar til at tegne byggeplanen og arrangere individuelle elementer inde. Når bestyrelsen er tegnet, og alle komponenter er arrangeret, kan brugeren starte konfigurationen af brand og mennesker parametre og indstilling af gruppen effekt. Fire parametre er som følger:(i)brand slukker alene, hvis antallet af naboer er mindre end 1,(ii)brand slukker fra overbefolkning, hvis antallet af naboer er mere end 3, (iii)der genereres ny brand, når antallet af naboer er mindst 3, (iv) brand genereres, når antallet af naboer er mindre end eller lig med 4. Parametre vedrørende mennesker er som følger:(v)sandsynligheden for, at en person går mod udgangen i standardtilstand, er 50, (vi)antallet af forbrændinger, der resulterer i død, er 5, (vii)gruppeeffekt er tændt/slukket.
der er punkter på skærmen, der simulerer folk, der flygter mod udgangen og den formerende ild. Alle begivenheder registreres i statistiktabellen. De inkluderer antallet af mennesker, der er tilbage i bestyrelsen, reddet fra og døde i ilden eller ved knusning . Disse opnåede data gør det muligt at drage konklusioner fra eksperimenterne .
2, 7. Implementering af OFN-Notation til uklar Observation af reel brandulykke
brugen af ordnede uklare numre i cellulær automatisering synes at være et naturligt skridt. Der er mange notationer af uklare tal , der introduceres af Sadeh , Klir, Dubois et al. , og K Kurpopotek et al. blandt andre. Da vi i dette tilfælde har et todimensionelt apparat, hvor Moores kvarter desuden anvendes, er der otte tilgængelige bevægelser fra celler . Et eksempel på denne situation er vist i figur 6.
Der er en del af kvarteret, der er tættere på udgangen, og den anden del tættere på gruppen af celler i den menneskelige tilstand . Der er således to mulige sæt bevægelser for denne celle, afhængigt af determinanten . Da hvert af sætene er et Fire-element, er notationen af uklare tal kaldet ordnede uklare tal introduceret af egnet til dens beskrivelse . Efter døden af skaberen AFN ‘er i nogle værker kaldes også uklare tal . I denne notation har det uklare tal a generelt form af en trapesform beskrevet af koordinater , som er præsenteret i figur 8.
pil i figur 8 Viser retning, der afspejler rækkefølgen af de enkelte koordinater. På sådanne uklare tal er det muligt at udføre aritmetiske operationer beskrevet i litteraturen :(i)tilføjelse: (ii)skalær multiplikation: (iii)subtraktion: (iv)multiplikation: (v)division:
et givet sæt mulige bevægelser i Moores kvarter fra celle til celle er vist i figur 9. Afhængig af algoritmens indstillinger kan trafikdeterminanten(i)gå mod den nærmeste udgang, (ii)få den nærmeste samling af mennesker.
determinanten vil være relateret til det uklare tal i OFN-notationen .
Definition 1. Lad være to par uklare tal. Retning vil være positiv for en delmængde af bevægelser tættere på den angivne determinant:et par koordinater , der er mere fjernt fra determinanten, vil blive betegnet med negativ styring:en delmængde af celler, hvortil yderligere bevægelse kan bestemmes, er et par uklare tal, der opfylder følgende regler: er positiv er positiv så ellers fra dette sæt par beskrevet, som repræsenterer de fire mulige bevægelser i den næste udvikling af den cellulære automat, trækkes et par koordinater. Som standard skal de felter, hvor trafikken er umulig, fjernes fra listen. Hvis ingen bevægelse er mulig i nogen af de fire celler, ændres celletilstanden ikke. Dette symboliserer en situation, hvor en person forbliver ubevægelig.
3. Eksperimentet med CAEva-metoden
forfatterne lancerede en simulering af Kiss nightclub-scenariet i CAEva-programmet. De satte folk ind og satte ild til dem. Bygningen består af syv værelser, og der var kun en udgang. De blå punkter markerer mennesker og de røde ild. Flere tests blev udført baseret på denne ordning, og de antagede betingelser var som følger: formålet med testen var at simulere en brand i bygningen, baseret på visse regler og relationer. Indstilling af følgende parametre, valg af versioner og iboende regler udgør helt et miljø, der påvirker dødeligheden. Variablerne var (i)bygningens gulve, inklusive antal og placering af døre, (ii) fordeling af et defineret antal mennesker inde i bygningen på bestemte steder, (iii) indstilling af brandparametrene:(a)ilden slukker alene, hvis der ikke er nogen naboer,(b)ilden slukker på grund af overbefolkning, hvis der er mere end 3 naboer,(c)der genereres ny brand, når der er mindst 3 naboer, men ikke mere end 4, (iv)indstilling af parametrene for mennesker(levende celler): (a)antal forbrændinger, der resulterer i død, er som standard indstillet til 5, (v)placering af brandkilden på tavlen, (vi)angivelse af sandsynligheden for, at folk går mod udgangen(tre muligheder): 25%, 50% og 75%, (VII)angivelse af, om folk bevæger sig mod udgangen i grupper (to muligheder): med eller uden en gruppeeffekt.
Figur 10 præsenterer Kiss nightclub-skema, før simuleringsprocessen blev startet. De røde firkanter repræsenterer ild, mens de blå repræsenterer mennesker. Figur 11 præsenterer Kiss nightclub-skema efter afslutningen af simuleringen. Figur 12 præsenterer Cocoanut Grove-skema, før simuleringsprocessen blev startet. De røde firkanter repræsenterer ild, mens de blå repræsenterer mennesker. Figur 13 præsenterer Cocoanut Grove skema efter afslutningen af simuleringen. Simuleringen blev lavet to hundrede gange for hver tilstand; der var seks forhold, der giver 1200 simuleringer for en brandulykke. Tabel 2 viser de gennemsnitlige resultater af den udførte simulering. Under hensyntagen til de reelle data om antallet af dødsfald i Kiss nightclub fire blev resultatet, der var tættest på den faktiske dødstal, opnået ved hjælp af 75% Sandsynlighed for, at folk gik mod udgangen og med gruppeeffekt slukket. Tabel 3 sammenligner de gennemsnitlige resultater med reelle tal.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
som du kan se i tabel 2, reducerer stigningen i sandsynligheden for, at folk går til udgangen, antallet af mennesker, der dør som følge af brand. Antallet af ofre falder kun, når gruppeffekten er tændt. Desuden øges det samlede antal mennesker, der har overlevet en brand, også, når sandsynligheden for, at folk bevæger sig mod udgangen, øges.
som vist i tabel 3 blev den mindste relative fejl opnået i fravær af gruppeeffekt og til en værdi af 75% af de personer, der gik til udgangen. De største fejl blev opnået med gruppeeffekten aktiveret og med 25% sandsynlighed for, at folk gik til udgangen. Dette kan betyde, at i tilfælde af denne brand virkede gruppeffekten ikke, og folk ledte efter en vej ud af sig selv.
som du kan se i tabel 4, har også stigningen i sandsynligheden for at gå til udgangen af lokalerne reduceret antallet af mennesker, der døde i ilden. Tabel 5 sammenligner de gennemsnitlige resultater med reelle tal. Den mindste fejl blev opnået for den handicappede gruppeeffekt, men med en værdi på 50% af de personer, der gik til udgangen. Dette kan betyde, at i tilfælde af brand i denne klub fungerede gruppeeffekten heller ikke, men folk skyndte sig ikke at forlade klubben, hvilket forårsagede en tragisk effekt.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
dødeligheden afhænger af stedet for brandudbruddet. Hvis ilden blokerer ethvert rum, er de mennesker, der opholder sig der, ikke i stand til at flygte og nå udgangen, selvom de bevæger sig mod det med 100% sandsynlighed. Den gruppeeffekt, der anvendes i programmet, hjælper ikke nødvendigvis med at undslippe folk fra bygningen. Det kan generere publikum, da folk leder efter andre til at danne grupper, og dermed kan trampning forekomme. Når en person ikke har nogen retning, når han/hun kunne bevæge sig, bliver han/hun trampet. I figur 6-9 er ildstedet og ildspredningen markeret med rødt. In contrast, blue indicates the location of people at the start of an event, a fire.
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)
4. Konklusioner
som man kan se, kan udførte simuleringer hjælpe med at forstå, hvordan folk opførte sig på tidspunktet for ilden, om de fulgte mængden på jagt efter en udgang, om de handlede alene eller var de fast besluttede på at finde en vej ud. I et tilfælde viste folk et højere niveau af beslutsomhed (75% Sandsynlighed for at gå mod udgangen), mens niveauet i det andet tilfælde var lavere (50%). Simuleringer kan bruges som en advarsel under sikkerhedsniveauanalyse, men også som et element i en detaljeret analyse af de begivenheder, der opstod.
sammenligningen af den foreslåede metode med faktiske tilfælde viste, at det er yderst vanskeligt at skabe en simulering af brand flugt scenario. Det mest udfordrende element er folks adfærd, som kan blive stokastisk og uforudsigelig. Forfatterne af denne undersøgelse formåede at genskabe scenariet for flugt fra mennesker fra en bygning ved hjælp af cellulær automata, hvis implementering var genstand for dette papir. Brug af en passende konfiguration af programmet: bestemmelse af sandsynligheden for, at en person går mod udgangen, brandparametrene og tænd/sluk-indstillingen af gruppeffekten gør det muligt at drage følgende konklusioner. Når gruppeffekten anvendes i programmet, er antallet af personer, der dør som følge af trampning, større end i tilfælde, hvor denne effekt er deaktiveret. Dødeligheden stiger, når folk ikke er i stand til at bevæge sig i nogen retning, hvilket er et resultat af individer, der samles i grupper, der skaber områder med høj densitet, hvor trampning ofte forekommer. De resultater, der viste sig at være tættest på de faktiske tal, blev opnået, når værdien af sandsynlighed, som folk undslipper, var omkring 50-75%. Hindringerne, der påvirker beslutningsprocessen under evakueringen, inkluderer blandt andet begrænset synlighed på grund af røg, der skyldes forbrænding af brandfarlige materialer, høj temperatur og giftige gasser. Resultatet opnået med CAEva-metoden kan give værdifuld information til arkitekter og bygningskonstruktører. Resultaterne fra programmet bekræfter afhandlingen om, at uhensigtsmæssig eller ulovlig blokering af flugtveje inde i bygninger kan have tragiske konsekvenser på hvert trin i bygningsoperationen. De mennesker, der er ansvarlige for brandsikkerhed og strukturelle sikkerhedsinspektioner, kan anvende sådanne værktøjer til at retfærdiggøre deres beslutninger, som nogle gange kan synes at være for strenge. For at gøre simuleringen endnu mere realistisk er det værd at overveje muligheden for Automatisk ændring af parameteren relateret til sandsynligheden for, at en person bevæger sig mod udgangen under simuleringen. Det er også muligt at tilføje yderligere betingelser for at give mere nøjagtige resultater. De fremtidige eksperimenter bør tage højde for denne kendsgerning.
interessekonflikter
forfatterne erklærer, at der ikke er nogen interessekonflikter vedrørende offentliggørelsen af dette papir.
