rezumat
multe probleme grave din viața reală ar putea fi simulate folosind teoria automatelor celulare. Au fost multe incendii în locuri publice care au ucis mulți oameni. Metoda propusă, numită evaluarea automatelor celulare (CAEva pe scurt), folosește teoria automatelor celulare și ar putea fi utilizată pentru verificarea condițiilor clădirilor pentru accidentele de incendiu. Testele efectuate pe accident real au arătat că un program configurat corespunzător permite obținerea unei simulări realiste a evacuării umane. Autorii analizează unele accidente reale și au demonstrat că metoda CAEva apare ca o soluție foarte promițătoare, în special în cazurile de renovare a clădirilor sau de indisponibilitate temporară a căilor de evacuare.
1. Introducere
automatele celulare sunt utilizate de unele ramuri IT, inclusiv în domeniul inteligenței artificiale. Ele constau dintr-o rețea de celule, fiecare dintre ele distingându-se printr-o anumită stare specifică și un set de reguli. Schimbarea stării actuale a unei celule date este rezultatul proprietăților menționate mai sus și al interrelațiilor cu celulele vecine . Teoria automatelor celulare a fost introdusă pentru prima dată de un om de știință american de origine maghiară, John von Neumann. El a demonstrat, printre altele, că chiar și mașinile simple prezintă o capacitate de reproducere, care a fost considerată până în acel moment ca o caracteristică fundamentală a organismelor vii . Timp de mulți ani, automatele celulare au fost supuse numai studiilor teoretice. Odată cu dezvoltarea computerelor și a software-ului, metodele de optimizare bazate pe această abordare au fost din ce în ce mai frecvent studiate și implementate în practică . Datorită versatilității lor, automatele celulare sunt aplicate în multe domenii din viața reală, cum ar fi biologia, fizica și matematica și în diverse domenii ale acesteia, cum ar fi criptografia sau grafica computerizată .
1.1. Aplicarea automatelor celulare
automatele celulare au fost aplicate în practică, de exemplu, în simularea traficului stradal, unde automatul celular definit în mod specific controlează traficul . Fluxul vehiculului este gestionat practic la segmentul specific al unei intensități de trafic date . Acest lucru se aplică, de exemplu, controlului intensității traficului pe autostrăzile Ruhr din Germania. Centrele de monitorizare concepute exclusiv în acest scop colectează datele din secțiunile selectate ale autostrăzilor . Informațiile astfel obținute sunt analizate și utilizate pentru pregătirea simulărilor de scurtă durată ale intensității traficului cu ajutorul automatelor celulare. Site-urile proiectelor publică informații statistice despre studiile efectuate asupra comportamentului șoferilor care au fost avertizați despre posibile probleme de trafic care ar putea apărea în câteva ore următoare . Un alt exemplu de aplicație automată celulară este simulările demografice pentru o anumită regiune. Scopul acestor simulări este de a genera un model care arată dimensiunea populației dintr-o anumită zonă sub forma unei hărți a densității populației prognozate. Astfel de simulări se pot baza pe binecunoscutul „joc al vieții” . Prin introducerea unor modificări ale algoritmului, este posibil să se monitorizeze comportamentul celulelor din jur . Alte exemple de implementări automate celulare includ procesarea imaginilor, generarea de texturi, simularea valurilor, a vântului și a procesului de evacuare a oamenilor, precum și un program de simulare, dezvoltat în scopul acestui studiu . Scopul algoritmului propus este de a genera simulări ale modelelor de evadare umană din clădirea pe foc cu un număr dat de ieșiri și surse de incendiu .
1.2. Grila automatelor celulare
o grilă sau un spațiu discret, unde are loc evoluția automatelor celulare, constă dintr-un set de celule identice . Fiecare dintre celule este înconjurată de același număr de vecini și poate presupune același număr de state . Există trei factori structurali care influențează semnificativ forma grilei și, în consecință, comportamentul întregului automat celular :(i)dimensiunea spațiului care depinde de amploarea problemei studiate, ale cărei exemple sunt prezentate în Figura 1 (grilele 1D, 2D și 3D);(ii)asigurarea regularității, care necesită umplerea grilei în întregime cu celule identice;(iii)numărul de vecini (în funcție de ambii factori menționați mai sus).
în acest articol, autorii prezintă posibilitatea simulării accidentului real de incendiu pentru a preveni accidentele uriașe de incendiu. În acest scop, autorii au folosit metoda de evaluare automată celulară, CAEva pe scurt. Această lucrare are următoarea organizație. Secțiunea 2 prezintă ideea de prognoză a pericolului de incendiu, descrierea a două accidente reale și metoda de simulare CAEva cu condițiile limită și funcția de transfer. Secțiunea 3 prezintă rezultatele experimentului atunci când au fost simulate cele două accidente reale de incendiu menționate. În cele din urmă, Secțiunea 4 constă în concluzii finale.
2. Prognoza pericolului de incendiu
2.1. Accidentele de incendiu în locuri publice
incendiile sunt una dintre cele mai incontrolabile calamități, mai ales atunci când se întâmplă în interior. Astfel, indiferent de funcția edificiilor, fie că este vorba de o clădire rezidențială, de afaceri sau de orice alt tip, proiectarea acesteia trebuie să respecte reglementările privind incendiile. Lățimea coridoarelor, numărul de ieșiri de urgență și numărul permis de persoane care stau în interior în același timp au un impact grav asupra siguranței utilizatorilor săi. Simpla prezență a ușilor pe planul etajului nu este suficientă; trebuie să fie deschise. În multe cazuri, numărul mare de victime a rezultat din blocarea ușilor de ieșire de urgență. În ultimele decenii au existat o serie de incendii dezastruoase în locuri publice, cum ar fi restaurante și cluburi de noapte. Tabelul 1 prezintă câteva exemple de astfel de accidente și enumeră numărul victimelor. După cum puteți vedea din datele furnizate, au existat multe incendii în cluburile de divertisment de-a lungul anilor, provocând multe răni, indiferent dacă au avut loc cu zeci de ani în urmă (1942) sau în ultima vreme (2013).
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2.2. Cazul accidentului Kiss Nightclub Fire
evenimentul numit „Aglomerados” a început sâmbătă, 26 ianuarie 2013, la ora 23:00 UTC la clubul de noapte Kiss. În club au fost studenți de șase universități și oameni de la cursuri tehnice de la Universitatea Federală din Santa Maria . În primele ore ale dimineții din ziua următoare, a avut loc conflagrația în timp ce studenții țineau o minge de boboc și a izbucnit o panică. Martorii au mărturisit că cauza incendiului a fost fie o flacără de artificii aprinsă de membrii unei trupe de muzică care cânta în timpul petrecerii. Incendiul a provocat prăbușirea acoperișului în mai multe părți ale clădirii, prinzând mulți oameni înăuntru. Pompierii au găsit mai multe cadavre în baia clubului. În momentul conflagrației erau aproximativ 2.000 de persoane în interiorul clubului. Acest număr dublează capacitatea maximă a clădirilor de 1.000. Cel puțin 231 de persoane au murit și alte sute au fost rănite în acest dezastru. Multe decese au fost aparent cauzate de inhalarea fumului, în timp ce alte victime au fost călcate în grabă pentru ieșiri. Figura 2 prezintă schema clubului de noapte Kiss.
2.3. Cocoanut Grove incendiu Accident
Cocoanut Grove a fost un restaurant construit în 1927 și situat la 17 Piedmont Street, lângă Park Square, în centrul orașului Boston, Massachusetts . Potrivit prohibiției, a fost foarte popular în anii 1920.structura clădirii era cu un singur etaj, cu un subsol dedesubt. Subsolul este format dintr-un bar, Bucătărie, congelatoare și zone de depozitare. Primul etaj conținea o zonă mare de sufragerie și o sală de bal cu un stand de bandă, împreună cu mai multe zone de bar separate de sala de bal. Sala de mese avea, de asemenea, un acoperiș retractabil pentru utilizare pe vreme caldă pentru a permite o vedere a lunii și a stelelor. Intrarea principală în Cocoanut Grove se făcea printr-o ușă rotativă pe strada Piemont a clădirii. Sâmbătă, 28 noiembrie 1942, a avut loc un accident de incendiu foarte mare. În acea seară, unui ospătar i s-a ordonat să fixeze un bec situat în vârful unui palmier artificial din colțul barei de la subsol. O clipă mai târziu, decorațiunile au început să ardă. Pe măsură ce alte mobilier s-au aprins, o minge de foc de flacără și gaz toxic a alergat prin cameră spre scări. Ușa rotativă s-a blocat din cauza zdrobirii patronilor panicați. O mulțime de oameni blocați în foc. Mai târziu s-a estimat că peste 1000 de persoane se aflau în Grove în momentul incendiului. Numărul final de decese stabilit de Comisarul Reilly a fost de 490 de morți și 166 de răniți, dar numărul persoanelor rănite a fost un număr al celor tratați la un spital și ulterior eliberați, în timp ce mulți oameni au fost răniți, dar nu au solicitat spitalizare. Figura 3 a prezentat schema grovei Cocoanut.
2.4. Metoda de simulare CAEva
metoda de simulare CAEva este un program pregătit în scopul repetării scenariilor de evacuare a incendiilor în clădiri . Ajută la compararea diferitelor rezultate ale simulării și la tragerea concluziilor adecvate. Programul a fost implementat în mediul C++Builder, care este un instrument de programare orientat pe obiecte în mediul Windows și este disponibil gratuit pe site-ul web AIRlab . Programul permite desenarea unei plăci de orice dimensiune, inclusiv planul unei clădiri cu un singur etaj, pentru a localiza oamenii în interior și pentru a indica sursa de incendiu. Placa constă dintr-o rețea de celule. Fiecare celulă poate presupune doar una dintre următoarele stări: foc, perete, persoană, persoană în foc sau o celulă goală. Figura 4 prezintă diagrama stărilor pentru o singură celulă din automatul de simulare a focului.
2.5. Condiții limită
spațiul discret, unde au loc diferite evoluții ale automatelor celulare, include o rețea D-dimensională, teoretic infinită. Deoarece acest tip de grilă nu poate fi implementat în aplicația computerizată, acesta este reprezentat sub forma unui tabel limitat. Prin urmare, este necesar să se stabilească condiții limită la granițele rețelei, adică la Limitele Mesei. Setul de condiții de bază este prezentat în Figura 5. Aceste condiții sunt similare după rotația grilei de 90 de grade, astfel încât alte aranjamente au fost omise ca fiind banale. Următoarele reguli au fost utilizate pentru simularea mișcării celulei în direcția peretelui:(i)mișcare dreaptă: starea celulei rămâne neschimbată,(ii)mișcare diagonală: starea celulei se schimbă într-una goală, deoarece unghiul de incidență este egal cu unghiul de revenire, starea celulei din imaginea oglindă se schimbă în starea celulei care a inițiat mișcarea,(iii)condiții de mișcare:(iv)mișcarea este posibilă dacă celula țintă este în stare goală. În caz contrar, celula nu își va schimba starea,(v)încercarea mișcării celulei în starea „persoană” către celula în starea „foc” crește numărul de arsuri ale celulei inițiatoare.
un caz special este o încercare de mișcare din colțul tablei. O revenire în trei direcții de inițiere nu schimbă starea unei celule, dar o poate schimba schimba ca urmare a unei încercări de mișcare în cele cinci direcții consecutive. De asemenea, trebuie remarcat faptul că regulile și condițiile de mișcare se aplică celulelor în starea „persoană”, precum și în starea „foc”. Câmpurile la care mișcarea nu poate fi executată sunt celulele în starea „perete”. Condițiile de revenire apar la marginea rețelei automate celulare, care constituie o barieră din care obiectele virtuale în mișcare revin (în sens vizual). Aceste condiții sunt folosite pentru a simula spațiile empirice închise.
2.6. Funcția de Transfer
evoluția automatelor celulare are loc în timp discret, determinând cicluri de procesare consecutive. Fiecare moment discret este utilizat pentru actualizarea stării celulelor individuale; astfel, fiecare Automat este un obiect dinamic în timp. În fiecare iterație, funcția de transfer poate procesa (calcula) toate celulele din grilă una câte una conform regulilor specifice. Fiecare celulă procesată primește noua sa stare pe baza calculului stării sale actuale și a stărilor celulelor vecine. Regulile de Transfer și spațiul de stat, precum și vecinătatea definită, sunt elemente inerente ale procesului de evoluție a automatelor celulare. Odată executat, programul afișează ecranul principal gata să deseneze planul clădirii și să aranjeze elemente individuale în interior. Odată ce placa este desenată și toate componentele sunt aranjate, utilizatorul poate începe configurarea parametrilor de foc și oameni și setarea efectului de grup. Parametrii de incendiu sunt după cum urmează:(i)focul se stinge singur dacă numărul vecinilor este mai mic de 1, (ii)focul se stinge din suprapopulare dacă numărul vecinilor este mai mare de 3, (iii)focul nou este generat atunci când numărul vecinilor este de cel puțin 3, (iv)focul este generat atunci când numărul vecinilor este mai mic sau egal cu 4. Parametrii privind oamenii sunt după cum urmează: (v)probabilitatea ca o persoană merge spre ieșire în stare implicită este 50,(vi)numărul de arsuri care duc la deces este 5,(vii)efect de grup este On/Off.
există puncte pe ecran care simulează oamenii care scapă spre ieșire și focul de propagare. Toate evenimentele sunt înregistrate în tabelul de statistici. Acestea includ numărul de persoane rămase în bord, salvat de la și a murit în foc sau prin strivire . Aceste date obținute permit tragerea concluziilor din experimente .
2.7. Implementarea notației OFN la observarea Fuzzy a accidentului real de incendiu
utilizarea numerelor fuzzy ordonate în automatizarea celulară pare a fi un pas natural. Există multe notații ale numerelor fuzzy care sunt introduse de Zadeh , Klir, Dubois și colab. , și K. , printre altele. Deoarece avem în acest caz un aparat bidimensional în care se folosește suplimentar cartierul lui Moore, există opt mișcări disponibile din celule . Un exemplu al acestei situații este prezentat în Figura 6.
există o parte a cartierului care este mai aproape de ieșire, iar cealaltă parte mai aproape de grupul de celule din starea umană . Astfel, există două seturi posibile de mișcări pentru această celulă în cauză, în funcție de determinant . Deoarece fiecare dintre seturi este un element cu patru elemente, atunci notația numerelor fuzzy numite numere fuzzy ordonate introduse de este potrivită pentru descrierea sa . După moartea creatorului NNS în unele lucrări sunt numite și numerele Fuzzy . În această notație, numărul fuzzy a, în general, are forma unui trapez descris prin coordonate, care este prezentat în Figura 8.
săgeata din Figura 8 arată direcția care reflectă ordinea coordonatelor individuale. Pe astfel de numere neclare, este posibil să se efectueze operații aritmetice descrise în literatură :(i)adunare: (ii)înmulțire scalară: (iii)scădere: (iv)înmulțire: (v)diviziune:
un set dat de mișcări posibile în vecinătatea lui Moore de la celulă la celulă este prezentat în Figura 9. În funcție de setările algoritmului, determinantul de trafic poate fi(i)mergând spre cea mai apropiată ieșire,(ii)obținerea celei mai apropiate adunări de oameni.
determinantul va fi legat de numărul fuzzy din notația OFN .
definiție 1. Să fie două perechi de numere neclare. Direcționarea va fi pozitivă pentru un subset de mișcări mai aproape de determinantul indicat:o pereche de coordonate care sunt mai îndepărtate de determinant va fi notată prin direcționare negativă:un subset de celule la care se poate determina mișcarea ulterioară este o pereche de numere fuzzy care îndeplinesc următoarele reguli: este pozitiv este pozitiv atunci altceva din acest set de perechi descrise , care reprezintă cele patru mișcări posibile în următoarea evoluție a automatului celular, se trasează o pereche de coordonate. În mod implicit, câmpurile în care traficul este imposibil trebuie eliminate din listă. Dacă nu este posibilă nicio mișcare în niciuna dintre cele patru celule, starea celulei nu se va schimba. Aceasta simbolizează o situație în care o persoană rămâne nemișcată.
3. Experimentul cu metoda CAEva
autorii au lansat o simulare a scenariului clubului de noapte Kiss în programul CAEva. Au pus oamenii înăuntru și au dat foc. Clădirea este compusă din șapte camere și nu a fost doar o ieșire. Punctele albastre marchează oamenii, iar cele roșii trag. Au fost efectuate mai multe teste pe baza acestei scheme, iar condițiile asumate au fost următoarele: scopul testului a fost de a simula un incendiu al clădirii, pe baza anumitor reguli și Relații. Stabilirea următorilor parametri, selectarea versiunilor și regulile inerente alcătuiesc în totalitate un mediu care afectează rata mortalității. Variabilele au fost (i)dispunerea etajelor clădirii, inclusiv numărul și amplasarea ușilor, (ii)distribuția unui număr definit de persoane în interiorul clădirii în locuri specificate, (iii)stabilirea parametrilor de incendiu:(a)focul se stinge singur dacă nu există vecini, (b)focul se stinge din cauza suprapopulării dacă există mai mult de 3 vecini, (c)focul nou este generat atunci când există cel puțin 3 vecini, dar nu mai mult de 4, (iv)setarea parametrilor pentru oameni(celule vii): (A)Numărul de arsuri care duc la moarte este setat implicit la 5, (v)locația sursei de incendiu pe tablă, (vi)specificarea probabilității ca oamenii să se îndrepte spre ieșire(Trei opțiuni): 25%, 50% și 75%, (vii)specificând dacă oamenii se deplasează spre ieșire în grupuri (două opțiuni): cu sau fără efect de grup.
Figura 10 prezintă schema Kiss nightclub înainte de începerea procesului de simulare. Pătratele roșii reprezintă focul, în timp ce cele albastre reprezintă oamenii. Figura 11 prezintă schema Kiss Club de noapte după finalizarea simulării. Figura 12 prezintă schema Cocoanut Grove înainte de începerea procesului de simulare. Pătratele roșii reprezintă focul, în timp ce cele albastre reprezintă oamenii. Figura 13 prezintă schema Cocoanut Grove după finalizarea simulării. Simularea a fost făcută de două sute de ori pentru fiecare condiție; au existat șase condiții care dau 1200 de simulări pentru un accident de incendiu. Tabelul 2 prezintă rezultatele medii ale simulării efectuate. Luând în considerare datele reale privind numărul de decese în incendiul din clubul de noapte Kiss, rezultatul cel mai apropiat de numărul real de morți a fost obținut folosind probabilitatea de 75% a persoanelor care merg spre ieșire și cu efect de grup oprit. Tabelul 3 compară rezultatele medii cu numerele reale.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
după cum puteți vedea în tabelul 2, creșterea probabilității ca oamenii să se îndrepte spre ieșire reduce numărul de persoane care mor ca urmare a incendiului. Numărul victimelor scade numai atunci când efectul grupului este activat. În plus, numărul total de persoane care au supraviețuit unui incendiu crește, de asemenea, pe măsură ce probabilitatea ca oamenii să se îndrepte spre ieșire crește.
după cum se arată în tabelul 3, cea mai mică eroare relativă a fost obținută în absența efectului de grup și la valoarea de 75% a persoanelor care se îndreaptă spre ieșire. Cele mai mari erori au fost realizate cu efectul de grup activat și cu probabilitatea de 25% a persoanelor care merg la ieșire. Acest lucru ar putea însemna că, în cazul acestui incendiu, efectul grupului nu a funcționat, iar oamenii căutau singuri o cale de ieșire.
după cum puteți vedea în tabelul 4, aici și creșterea probabilității de a merge la ieșirea din incintă a redus numărul persoanelor care au murit în incendiu. Tabelul 5 compară rezultatele medii cu numerele reale. Cea mai mică eroare a fost obținută pentru efectul grupului cu handicap, dar cu o valoare de 50% dintre persoanele care se îndreaptă spre ieșire. Acest lucru poate însemna că, în cazul unui incendiu în acest club, efectul grupului nu a funcționat, dar oamenii nu s-au grăbit să părăsească clubul, ceea ce a provocat un efect tragic.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
rata mortalității depinde de locul focarului de incendiu. Dacă focul blochează orice cameră, atunci oamenii care stau acolo nu sunt capabili să scape și să ajungă la ieșire, chiar dacă se îndreaptă spre ea cu o probabilitate de 100%. Efectul de grup utilizat în program nu ajută neapărat la evadarea oamenilor din clădire. Poate genera mulțime, deoarece oamenii caută pe alții să formeze grupuri și astfel poate apărea călcarea în picioare. Atunci când o persoană nu are nici o direcție atunci când el/ea ar putea muta, el/ea este călcat în picioare. În figurile 6-9, locul focului și răspândirea focului sunt marcate cu roșu. 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. Concluzii
după cum se poate vedea, simulările efectuate pot ajuta la înțelegerea modului în care oamenii s-au comportat în momentul incendiului, dacă au urmat mulțimea în căutarea unei ieșiri, dacă au acționat singuri sau au fost suficient de hotărâți să găsească o cale de ieșire. Într-un caz, oamenii au arătat un nivel mai ridicat de determinare (75% probabilitate de a merge spre ieșire), în timp ce în al doilea caz nivelul a fost mai mic (50%). Simulările pot fi folosite ca un avertisment în timpul analizei nivelului de securitate, dar și ca element al unei analize detaliate a evenimentelor care au avut loc.
Compararea metodei propuse cu cazul real a demonstrat că este extrem de dificil să se creeze o simulare a scenariului de evacuare a incendiilor. Elementul cel mai provocator este comportamentul oamenilor, care poate deveni stochastic și imprevizibil. Autorii acestui studiu au reușit să recreeze scenariul evadării oamenilor dintr-o clădire prin intermediul automatelor celulare, a căror implementare a făcut obiectul acestei lucrări. Utilizarea unei configurații adecvate a programului: determinarea probabilității ca o persoană să se îndrepte spre ieșire, parametrii de incendiu și setarea on/off a efectului de grup permit tragerea următoarelor concluzii. Când efectul de grup este aplicat în program, numărul de persoane care mor ca urmare a călcării în picioare este mai mare decât în cazul în care acest efect este dezactivat. Rata mortalității crește atunci când oamenii nu sunt capabili să se miște în nicio direcție, ceea ce este rezultatul Adunării indivizilor în grupuri care creează zone de densitate mare, unde se întâmplă adesea călcarea în picioare. Rezultatele care s-au dovedit a fi cele mai apropiate de numerele reale au fost obținute atunci când valoarea probabilității cu care oamenii scapă a fost în jur de 50-75%. Obstacolele care afectează procesul de luare a deciziilor în timpul evacuării includ, printre altele, vizibilitatea limitată datorată fumului, care rezultă din arderea materialelor inflamabile, a temperaturii ridicate și a gazelor toxice. Rezultatul obținut în metoda CAEva poate oferi informații valoroase arhitecților și constructorilor de clădiri. Rezultatele obținute în cadrul programului confirmă teza conform căreia blocarea nesuferită sau ilegală a căilor de evacuare în interiorul clădirilor poate avea consecințe tragice în fiecare etapă a operațiunii de construcție. Persoanele care sunt responsabile pentru siguranța la incendiu și inspecțiile structurale de siguranță pot aplica astfel de instrumente pentru a-și justifica deciziile care uneori ar putea părea prea stricte. Pentru a face simularea și mai realistă, merită luată în considerare opțiunea de schimbare automată a parametrului legat de probabilitatea ca o persoană să se deplaseze spre ieșire în timpul simulării. Adăugarea de condiții suplimentare pentru a oferi rezultate mai precise este, de asemenea, posibilă. Experimentele viitoare ar trebui să ia în considerare acest fapt.
conflicte de interese
autorii declară că nu există conflicte de interese în ceea ce privește publicarea acestei lucrări.
